三維地質(zhì)建模中的偏蓋全成因分析

三維地質(zhì)建模中的偏蓋全成因分析

1基于鉆孔、剖面的三維地質(zhì)體建模方法隨著城市地下空間作為重要資源的開發(fā)和使用，地鐵、隧道、防洪工程、管道、地下停車場(chǎng)等地下工程日益增加，形成了復(fù)雜的三維空間，改變了現(xiàn)有的地質(zhì)特征，如承載工和地下水流場(chǎng)。因此,三維地質(zhì)體建模成為城市規(guī)劃、建設(shè)中必不可少的環(huán)節(jié)之一。長期以來,三維地質(zhì)體建模研究主要依賴于鉆孔、剖面等勘察數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)化建模。然而,在缺乏大區(qū)域宏觀地質(zhì)背景建模的前提下,僅考慮局部地區(qū)的精細(xì)建模,往往會(huì)導(dǎo)致以偏蓋全,并且對(duì)數(shù)據(jù)過于依賴。在實(shí)際應(yīng)用中,鉆孔、剖面數(shù)據(jù)往往集中分布于工程較為密集的沉積地層區(qū)域,而在基巖地區(qū)則分布較為稀疏甚至完全缺失。這導(dǎo)致基于鉆孔、剖面的三維地質(zhì)體建模方法在很多實(shí)際工程應(yīng)用當(dāng)中難以發(fā)揮作用。平面地質(zhì)圖揭示了地區(qū)的巖石、地層和地質(zhì)構(gòu)造等信息,是人們了解區(qū)域地質(zhì)、沉積地層,進(jìn)行地質(zhì)三維建模最易獲取和最直接的數(shù)據(jù)源,更重要的是它融入了專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn),是鉆孔和剖面數(shù)據(jù)所不能比擬的。胡進(jìn)娟應(yīng)用地質(zhì)界線的產(chǎn)狀信息,以NURBS曲面技術(shù)擬合相應(yīng)的斷層面與地層面,對(duì)相交曲面做求交處理,以及生成封閉的且拓?fù)湟恢碌牡刭|(zhì)塊體。侯衛(wèi)生、吳信才等在分析平面地質(zhì)圖數(shù)據(jù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,提出了以線框架模型為基礎(chǔ)的斷層面整體構(gòu)建思路,較好地解決了復(fù)雜斷層面三維構(gòu)建問題,有效地表達(dá)了復(fù)雜斷層的空間幾何形態(tài)和相互之間的關(guān)系?？梢?在其他地質(zhì)數(shù)據(jù)匱乏的前提下,利用平面地質(zhì)圖構(gòu)建區(qū)域三維地質(zhì)體模型是一種有效的解決方法,既可以從整體上了解研究區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造,又可為后續(xù)增加鉆孔、剖面數(shù)據(jù)后進(jìn)一步精化模型作準(zhǔn)備。目前,平面地質(zhì)圖的三維地質(zhì)體建模方法仍處于探索階段,直接以平面地質(zhì)圖進(jìn)行三維地質(zhì)體建模的方法可控性較弱,模型生成質(zhì)量難以保證,構(gòu)建的地質(zhì)體模型存在較大的誤差。因此,本文提出一種以平面質(zhì)地質(zhì)圖為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),用圖切地質(zhì)剖面為中介的三維地質(zhì)體建模方法。首先,該方法通過平面地質(zhì)圖的圖切地質(zhì)剖面自動(dòng)生成方法,構(gòu)建研究區(qū)域的序列圖切剖面,然后,以生成的圖切地質(zhì)剖面進(jìn)行三維地質(zhì)體模型的構(gòu)建,有效地解決了三維地質(zhì)體建模數(shù)據(jù)不足的問題,提高建模的可控性和質(zhì)量,為三維地質(zhì)體建模提供一種新的思路。2圖切地質(zhì)剖面的定義平面地質(zhì)圖綜合了地質(zhì)野外勘察工作成果與地質(zhì)專家知識(shí),不僅包含地層埋深、地質(zhì)構(gòu)造走向、規(guī)模等地質(zhì)要素的空間幾何信息,且能從平面上綜合反映地層與地層、地層與地質(zhì)構(gòu)造、構(gòu)造與構(gòu)造之間的關(guān)系,以及地層面的延伸趨勢(shì),對(duì)宏觀理解區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造有其重要的作用。當(dāng)?shù)刭|(zhì)工作者對(duì)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造了解到一定程度時(shí),可以使用圖切地質(zhì)剖面的方式表達(dá)平面地質(zhì)圖中包含的地質(zhì)信息。圖切地質(zhì)剖面是指在地質(zhì)圖上選擇某一方向,根據(jù)各種地質(zhì)、地理要素,按一定的比例尺,用投影方法編繪而成的地質(zhì)剖面圖。圖切地質(zhì)剖面其目的是同平面地質(zhì)圖配合,反映地質(zhì)體與地質(zhì)構(gòu)造在空間上的相互關(guān)系及地質(zhì)演化關(guān)系。通過對(duì)圖切地質(zhì)剖面的定義可以看出,如果在平面上沿著給定方向,按照一定間距連續(xù)地繪制一系列圖切地質(zhì)剖面,則將獲得類似醫(yī)學(xué)影像切片的系列數(shù)據(jù),可較為簡(jiǎn)單地構(gòu)建研究區(qū)域的三維地質(zhì)體模型。因此,本文提出一種以圖切地質(zhì)剖面為中介,以平面地質(zhì)圖的三維地質(zhì)體建模方法,其流程如圖1所示。3計(jì)算模型的建立構(gòu)建圖切地質(zhì)剖面的基礎(chǔ)原始數(shù)據(jù)主要是平面地質(zhì)圖,包括采樣點(diǎn)產(chǎn)狀、地層線、地層面、斷層線、河流、等高線、相應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)及DEM。其通過計(jì)算和轉(zhuǎn)換獲得圖切地質(zhì)剖面的計(jì)算數(shù)據(jù)模型。結(jié)合圖切地質(zhì)剖面生成的方法和特點(diǎn),構(gòu)建流程如圖2所示。3.1求交斷續(xù)法當(dāng)在平面地質(zhì)圖上確定剖面線空間形態(tài)后,通過與地層分界線、斷層線等線要素進(jìn)行求交打斷,將剖面線分割為多條連續(xù)的線段。通過判斷分割后的剖面線段中點(diǎn)所在的地層巖性屬性,為所有剖面線段賦上相應(yīng)的屬性值,如圖3所示。3.2求煤層的傾角在平面地質(zhì)圖上,由于野外調(diào)查信息的不足,產(chǎn)狀屬性不完善或標(biāo)志過少的情況時(shí)有發(fā)生,而圖切地質(zhì)剖面的生成對(duì)地層產(chǎn)狀信息的要求較高,僅僅依靠地質(zhì)圖上已有的產(chǎn)狀信息難以滿足實(shí)際應(yīng)用的需求,因此,本文利用間接法對(duì)地層產(chǎn)狀進(jìn)行加密。其原理如下:按走向線的定義,在圖4(a)的立體透視圖中,某砂巖的上層面與100m和150m高程的兩個(gè)水平面相交得II′和IIII′兩條走向線,沿層面作其垂線AB為傾斜線,AB與其水平投影AC的夾角α為巖層的傾角,CA方向?yàn)閮A向。在直角三角形ABC中,BC為兩條走向線的高差。因此,只要能作出同一層面的不同高程且相鄰的兩條平行的走向線,再根據(jù)其高程和水平距,即可求出巖層在該處的產(chǎn)狀要素,其平面圖如圖4(b)所示。具體求解步驟如下:(1)選取與剖面線相交的一條地層出露線為當(dāng)前地層線;(2)對(duì)當(dāng)前地層線和等高線數(shù)據(jù)求交,選取其中交點(diǎn)個(gè)數(shù)等于2的兩條,高程分別記為H1、H2,兩條走向線L1、L2和等高線的交點(diǎn)分別記為(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)、(x4,y4),轉(zhuǎn)步驟(3);(3)按照公式(1)求出巖層的傾角tanα=√(x1-x2)2+(y1-y2)2|Η1-Η2(x1-x2)y3-(y1-y2)x3+x2y1-x1y2|(1)tanα=(x1?x2)2+(y1?y2)2??????????????????√∣∣H1?H2(x1?x2)y3?(y1?y2)x3+x2y1?x1y2∣∣(1)令k=(y1-y2)/(x1-x2),當(dāng)k>0時(shí),若H1>H2,則傾向β=0.5π+tan-1k,反之β=1.5π+tan-1k;當(dāng)k≤0時(shí),若H1>H2,則傾向β=0.5π-tan-1k,反之β=1.5π-tan-1k。3.3地層線/斷層線的確定地層線與斷層線的空間形態(tài)是圖切地質(zhì)剖面所表達(dá)的主要地質(zhì)信息。本文按照?qǐng)D5流程自動(dòng)生成地層線與斷層線。具體步驟如下:(1)從數(shù)據(jù)庫中讀取產(chǎn)狀、地層線、斷層線、地層面及DEM數(shù)據(jù),對(duì)剖面線與地層線/斷層線圖層進(jìn)行求交運(yùn)算,獲取交點(diǎn)集P,再通過DEM地表柵格圖層可給交點(diǎn)賦高程值從而得到有三維坐標(biāo)的交點(diǎn)集P′;(2)遍歷點(diǎn)集P′,對(duì)當(dāng)前點(diǎn)p進(jìn)行如下處理:①選取當(dāng)前點(diǎn)p所在的地層線/斷層線,根據(jù)前文所述間接法求點(diǎn)p處產(chǎn)狀信息;②由于平面地質(zhì)圖上的產(chǎn)狀信息是視傾角,因此,要將其按公式(2)轉(zhuǎn)換為真傾角;β=arc[tanα*cos(χ-δ)](2)β=arc[tanα*cos(χ?δ)](2)其中,χ為剖面線走向,δ為真傾向。由此可根據(jù)視傾角計(jì)算出地層線的斜率;(3)根據(jù)給定地層厚度h,按照公式h′=h/tanβ這樣可得到點(diǎn)q的坐標(biāo),以交點(diǎn)p為起始點(diǎn),得到以q為終點(diǎn)的線段pq;(4)根據(jù)交點(diǎn)p是剖面線與平面地質(zhì)圖地層線的交點(diǎn)或是與斷層線的交點(diǎn),即可確定線段pq為剖面中的地層線或斷層線。如果是斷層線,則可能會(huì)出現(xiàn)如圖6所示情況,因此,需要判斷斷層線與地層線是否相交,若相交,利用斷層線將地層線打斷,并以交點(diǎn)作為地層線的終點(diǎn),同時(shí)將交點(diǎn)插入斷層線形成新的弧段。3.4治污工具的改進(jìn)由于褶皺構(gòu)造的復(fù)雜性,由程序控制自動(dòng)生成的圖切地質(zhì)剖面不能直接反映出實(shí)際的構(gòu)造情況,需要根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)通過人工干預(yù)的方式進(jìn)行修編。而褶皺不論是向斜構(gòu)造還是背斜構(gòu)造,在地質(zhì)剖面圖上的形態(tài)都是光滑的曲線。因此,本文設(shè)計(jì)了人機(jī)交互的工具,將褶皺部位自動(dòng)生成的直線地層線轉(zhuǎn)換成弧線表達(dá)。根據(jù)地層分界線的傾角得到褶皺曲線在A、B點(diǎn)的切線與水平線的夾角∠OAD與∠OBD角度,即褶皺兩翼傾角(圖7)。根據(jù)褶皺曲線在A、B點(diǎn)的切線與水平線的夾角與角度,以及A、B點(diǎn)的坐標(biāo),即可采用三次樣條函數(shù)擬合皺褶曲線。3.5封閉地層多邊模型為了滿足后續(xù)建模算法的需要,依據(jù)圖切地質(zhì)剖面的地層線與斷層線要素,對(duì)圖切地質(zhì)剖面進(jìn)行多邊形拓?fù)渲亟?以得到封閉的地層多邊形,算法流程如圖8所示。具體步驟如下:(1)讀取所有地層線/斷層數(shù)據(jù),判斷是否相交,若相交,則將其按交點(diǎn)打斷;(2)更新弧段數(shù)據(jù),更新弧段-結(jié)點(diǎn)、結(jié)點(diǎn)-弧段的對(duì)應(yīng)關(guān)系;(3)按坐標(biāo)方位角從小到大將弧段排序;(4)根據(jù)多邊形左轉(zhuǎn)算法生成地層多邊形;(5)將地層屬性賦值給各地層多邊形。3.6地質(zhì)勘探的輸出根據(jù)前面生成的圖切地質(zhì)剖面進(jìn)行打印輸出,在圖面上標(biāo)示圖名、比例尺、走向,對(duì)各種要素進(jìn)行渲染和符號(hào)填充,對(duì)縱標(biāo)尺及圖例進(jìn)行繪制輸出。4圖切地質(zhì)剖面的柵格化處理常見的基于剖面的三維地質(zhì)體建模研究多采用輪廓線算法。這類算法可概括為4個(gè)主要問題:即對(duì)應(yīng)問題、構(gòu)網(wǎng)問題、分支問題和光滑問題。但經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn),由于平面地質(zhì)圖反映的是研究區(qū)域宏觀的地質(zhì)構(gòu)造信息,因此,圖切地質(zhì)剖面圖上反映的是橫向上地層的變化,不具備一般剖面縱向上良好的成層性,加上圖切地質(zhì)剖面反映的地質(zhì)構(gòu)造更加豐富,在進(jìn)行輪廓線對(duì)應(yīng)時(shí),會(huì)產(chǎn)生比一般剖面還要多的多解情況,造成建模算法過于復(fù)雜,必須借助于人工干預(yù)才能得到比較合理的模型。因此,本文采取將系列圖切地質(zhì)剖面進(jìn)行柵格化處理,構(gòu)建規(guī)則體元的三維地質(zhì)體模型?；玖鞒倘鐖D9所示。4.1地質(zhì)屬性f對(duì)圖切地質(zhì)剖面進(jìn)行柵格化處理的第一步是定義格網(wǎng)參數(shù)。對(duì)于每一剖面所在的平面,都具有相同定義Nx×Ny的二維格網(wǎng)。在與一系列剖面相垂直的方向上定義Z軸后,每一個(gè)格網(wǎng)點(diǎn)可被認(rèn)為是Nx×Ny×Nz空間中的一個(gè)采樣點(diǎn)。對(duì)于圖切地質(zhì)剖面所在平面上的每個(gè)采樣點(diǎn)(x,y),都可被視為函數(shù)f(x,y),其取值決定于剖面上該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的地質(zhì)對(duì)象的屬性,具體賦值如公式(3)所示。f(x,y)={-1?該點(diǎn)位于圖切地質(zhì)剖面外部k?該點(diǎn)位于圖切地質(zhì)剖面內(nèi)部(3)f(x,y)={?1?該點(diǎn)位于圖切地質(zhì)剖面外部k?該點(diǎn)位于圖切地質(zhì)剖面內(nèi)部(3)其中,k≥0,值為地層巖性或斷層屬性。圖切地質(zhì)剖面中除了包含地層多邊形外,還可能含有斷層線。但若采用直接對(duì)圖切地質(zhì)剖面進(jìn)行柵格化處理則會(huì)丟失其中包含的斷層線信息。因此,需要在對(duì)剖面中的地層多邊形進(jìn)行柵格化處理后,單獨(dú)對(duì)斷層線進(jìn)行處理,以保證剖面中地質(zhì)信息的完整性。本文采用Bresenham直線算法在給定的柵格分辨率下將剖面中的斷層線進(jìn)行柵格化,修改已得到的地層對(duì)象多邊形柵格化結(jié)果,最終得到的柵格化的圖切地質(zhì)剖面圖。4.2剖面線xy坐標(biāo)鑒于本文所使用的圖切地質(zhì)剖面均為直剖面(剖面線為直線),故在實(shí)現(xiàn)二維向三維的轉(zhuǎn)化時(shí),可借助剖面線將二維剖面進(jìn)行投影、翻轉(zhuǎn),從而簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。如圖10所示,設(shè)剖面線起始點(diǎn)坐標(biāo)為(X0,Y0,Z0),終點(diǎn)坐標(biāo)為(X1,Y1,Z1),剖面線與XY軸的夾角為θ。其中,剖面數(shù)據(jù)在二維空間中坐標(biāo)為(X2d,Y2d),在三維中的坐標(biāo)為(Xc,Yc,Zc),采用公式(4)實(shí)現(xiàn)二維坐標(biāo)向三維坐標(biāo)的映射。其中,Zc的值與任何一個(gè)圖切地質(zhì)剖面上的點(diǎn)Y相同,不隨角度變化。{Xc=(X1-X0)X2d/D+X0Yc=(Y1-Y0)Y2d/D+Y0Ζc=Y2d(4)D=√(x0-x1)2+(y0-y1)2根據(jù)以上轉(zhuǎn)換可以得到如圖11所示的一系列相互平行的柵格化的三維圖切地質(zhì)剖面。4.3體元的數(shù)量計(jì)算根據(jù)上述步驟所得到的三維空間序列圖切地質(zhì)剖面和相關(guān)參數(shù),可獲得構(gòu)成規(guī)則體元表達(dá)的三維地質(zhì)體模型相關(guān)參數(shù)。(1)邊界角點(diǎn)的x、y、z坐標(biāo);(2)X軸、Y軸、Z軸方向上的體元數(shù)量xdim、ydim、zdim;(3)X軸、Y軸、Z軸方向上的體元邊長xstep、ystep、zstep;(4)獲取規(guī)則范圍內(nèi)體元的值;(5)建立體元值(巖性、斷層)的編號(hào)到具體地質(zhì)語義的映射關(guān)系。通過以上步驟即可建立以規(guī)則體元所表達(dá)的三維地質(zhì)體模型,也可稱為三維柵格化模型。5實(shí)驗(yàn)儀器和模型構(gòu)建為了驗(yàn)證平面地質(zhì)體的三維地質(zhì)體建模方法的有效性與實(shí)用性,以C#語言和ArcEngine10.0開發(fā)了圖切地質(zhì)剖面圖自動(dòng)繪制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),用C++語言和VTK5.10開發(fā)了三維地質(zhì)體模型構(gòu)建與可視化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。系統(tǒng)運(yùn)行軟件環(huán)境為Windows7SP1,硬件環(huán)境為:CPU主頻2.53GHz,內(nèi)存容量4GB,硬盤容量500GB。5.1研究區(qū)構(gòu)造環(huán)境本文以重慶市北培區(qū)星崗地區(qū)為實(shí)驗(yàn)區(qū)域,選取1∶50000星崗地區(qū)地形地質(zhì)圖為數(shù)據(jù)源(圖12)。該研究區(qū)地形以低山丘陵為主,中山主要分布在西北角,地勢(shì)起伏較大,呈現(xiàn)北高南低的分布。研究區(qū)地層主要包括奧陶系、志留系、下泥盆系、石炭系、二疊系、下白堊系、中新統(tǒng)和上新統(tǒng),其中,下泥盆統(tǒng)、下白堊統(tǒng)、中新統(tǒng)與下伏地層之間,分別為角度不整合接觸關(guān)系。晚奧陶世到早泥盆世,研究區(qū)穩(wěn)定沉降,呈同水體不斷加深狀態(tài),研究區(qū)發(fā)育碳酸鹽巖-細(xì)碎屑巖建造。早泥盆世之后(或早泥盆世末),研究區(qū)受到從SSW向NNE方向的擠壓作用,導(dǎo)致上奧陶統(tǒng)-下泥盆統(tǒng)褶皺變形,形成NNW-SSE向的石家向斜和松村背斜。石家向斜的樞紐向NNW傾伏,軸面近直立。松村背斜的樞紐近水平,軸面向SSW傾斜。在石家向斜和松村背斜形成之后,研究區(qū)還受到過NEE-SWW向的伸展作用,在下奧陶統(tǒng)-下泥盆統(tǒng)構(gòu)造層中形成NNW-SSE向的F4正斷層,該正斷層的斷面近直立。早泥盆世末的擠壓作用不僅導(dǎo)致上奧陶統(tǒng)-下泥分盆統(tǒng)被褶皺變形,還使研究區(qū)處于隆起狀態(tài),致使研究區(qū)缺失中-上泥盆統(tǒng)。早石炭世初,研究區(qū)中部和北部開始沉降并依次發(fā)育完整的石炭-二疊系碳酸鹽巖-細(xì)碎屑巖建造,反映一個(gè)完整的海進(jìn)-海退沉積系列。晚二疊世沉積之后(或晚二疊世末),研究區(qū)受到從NNE向SSW方向的擠壓作用,導(dǎo)致石炭-二疊系形成向NE方向傾斜的單斜構(gòu)造,并在石炭-二疊系中形成F3走向逆斷層,在研究區(qū)上奧陶統(tǒng)-上二疊統(tǒng)中形成NNE-SSW向的F2左行平移斷層。晚二疊世末的擠壓作用還使研究區(qū)處于隆起狀態(tài),致研究區(qū)缺失上白堊統(tǒng)和古近系。中新世初,研究區(qū)西北部開始沉降,在峻嶺一帶沉積近水平狀態(tài)的中新統(tǒng)粗碎屑巖和上新統(tǒng)細(xì)碎屑巖。在中新統(tǒng)沉積之后,峻嶺西北側(cè)發(fā)生重力滑動(dòng)構(gòu)造,在中新統(tǒng)與上新統(tǒng)中形成F1正斷層。5.2計(jì)算機(jī)自動(dòng)編碼圖切地質(zhì)剖面圖加載平面地質(zhì)圖數(shù)據(jù),選取剖切位置,利用交互工具在圖面繪制剖面線(圖13),設(shè)置生成圖切地質(zhì)剖面所需要的相關(guān)數(shù)據(jù)路徑和參數(shù)值(圖14),生成圖切地質(zhì)剖面圖,并可根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)判斷生成的圖切地質(zhì)剖面是否符合實(shí)際,如需修改,可人機(jī)交互修編。最后,將生成的圖切地質(zhì)剖面圖輸出。圖15是以實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)自動(dòng)生成的圖切地質(zhì)剖面圖,沒有經(jīng)過人工修編,是計(jì)算機(jī)自動(dòng)計(jì)算的結(jié)果。圖16是在大致相同剖切位置,由專家手工繪制出的圖切地質(zhì)剖面圖,對(duì)比兩幅圖切地質(zhì)剖面圖,可以發(fā)現(xiàn),實(shí)驗(yàn)程序