基于GMS的北京顺平地区三维地质结构模型

基于GMS的北京顺平地区三维地质结构模型
沈媛媛;郭高轩;辛宝东;许亮;刘久荣
【摘要】GMS-groundwater numerical modeling software may supply solid module, which is used to construct three-dimensional models of stratigraphy. Based on borehole data, geological cross sections, geological map and DEM data, combined with the virtual borehole, the three-dimensional models of stratigraphy of Shunyi-Pinggu Districts in Beijing was established, which includes nine stratigraphic units—Archean Miyun Group, Changcheng System, Jixian System, Qingbaikou System, Cambrian System, Ordovician System, Carboniferous - Permian - Jurassic System,Quaternary System(shallow and deep) . The model described spatial scale of each stratigraphic unit and simulated topographic relief in mountain area, strata faulting etc. The model provide basis for groundwater numerical modeling.%地下水数值模拟软件GMS提供了基于钻孔资料的三维地层生成模块，借助于GMS软件中地层模拟模块，利用钻孔数据、地层剖面资料、地质图和DEM数据，结合虚拟钻孔方法，构建了复杂地质结构区—北京顺平地区三维地层结构模型，模型包括太古宇密云群，长城系、蓟县系、青白口系、寒武系、奥陶系、石炭—二叠—侏罗系、深层第四系和浅层第四系等9组地层，刻画出了各层分布的空间范围，模拟了山区地表高程的起伏变化、断层产生的地层错动等情况，为研究区地质和水文地质条件分析及地下水数值模型的建立奠定了基础。

【期刊名称】《城市地质》
【年(卷),期】2015(000)002
【总页数】5页(P67-71)
【关键词】GMS;北京顺平地区;地质结构模型;可视化
【作者】沈媛媛;郭高轩;辛宝东;许亮;刘久荣
【作者单位】北京市水文地质工程地质大队，北京 100195;北京市水文地质工程地质大队，北京 100195;北京市水文地质工程地质大队，北京 100195;北京市水文地质工程地质大队，北京 100195;北京市水文地质工程地质大队，北京 100195【正文语种】中文
【中图分类】P641,TP29
计算机科学的发展使得三维可视化技术趋于成熟，灵活便捷且信息丰富的三维可视化表达成为应用于城市规划、矿产勘查、石油勘探等领域的有效技术手段［1］。

可视化的三维地质模型能够直观、灵活再现地质体特征，近年来广泛运用到地质和水文地质领域。

国内对三维地质建模算法开展了大量研究工作［2～5］，并研发出三维地层建模系统［6］，能够满足大多数三维地质建模的要求，但广泛通用的软件较少。

国际上较为流行的软件有GOCAD、Earth Vision、Lynx等［7］。

其中GMS（Groundwater Modeling System）软件以其良好的图形界面、强大的前、后处理功能和优良的三维可视效果得到了广泛认可，成为国际上最受欢迎的地下水模拟软件之一。

软件中的地层模拟模块，能够以钻孔资料为基础数据，建立的三维地质结构模型可视化程度高，实现了任意位置的剖面切割展示，并能够在地层结构模型基础上直接建立地下水数值模型，为区域地质和水文地质条件的深入研究提供便利。

以往基于GMS构建的地质结构模型多以平原区第四系地层为主，对于
复杂地质结构区的应用还较少［8～13］。

本文拟基于GMS地下水模拟软件，以典型复杂地质结构地区—北京顺义平谷（简称顺平）岩溶水分布区为例，充分利用该区地球物理勘探、钻探等工作获取的钻孔、地质剖面图和基岩地质图等多源数据，结合以往工作成果，融合虚拟钻孔方法，构建北京顺平地区三维地质结构模型，揭示区域地层空间分布特征，为认识区域地质条件及后续地下水数值模拟和水资源评价提供技术支撑。

为复杂地质结构进行多源数据支持下的准确可视化表达提供参考。

研究区位于北京市的东北部，西临顺义赵全营，北接密云县，东与河北省兴隆县、天津市蓟县相连，南部与河北省三河市相接，地理坐标为东经116°41′～117°24′，北纬40°01′～40°26′。

地形总体上北高南低，北部、东和东南为山区与丘陵，中
部的平谷盆地在西南与华北平原相连，最高海拔在东北部山区达1000m以上，平原区最低处位于泃河河床，海拔高程仅为12m。

总面积为1508km2。

区域地质条件复杂，地层类型从太古宇到新生界第四系均有分布，由老至新包括密云群片麻岩、长城系、蓟县系、青白口系、寒武系、奥陶系、石炭-二叠和侏罗系，盆地中部广泛分布第四系堆积物，第四系厚度由山前几十米到盆地中心大于600m。

密云群片麻岩主要分布于北部山区，长城系主要分布于北部山区和盆地底部北侧，岩性以白云岩为主，碎屑岩次之。

蓟县系地层主要分布在山前和中部，岩性以碳酸盐岩为主。

青白口系、寒武系、奥陶系、石炭-二叠和侏罗系地层，集中分布在研
究区西部，构成大孙各庄向斜。

第四系地层分布于平原区，主要由潮白河和河、
洳河冲洪积作用形成，第四系厚度较大。

区域褶皱和断裂构造发育，褶皱构造主要有关上-万庄背斜，大孙各庄向斜。

断裂构造包括东西向、北北东向、北东向、北
西向等多组断裂，规模较大的有夏垫-马坊断裂和二十里长山断裂带［14］。

山区分布多个隐伏岩体，平原区有二十里长山等残山出露。

研究区地形变化大、地层类型多、构造发育、分布有侵入岩体，地表出露残山，具
有复杂地质体特征。

2.1 建模方法
GMS软件是由美国Brigham Young University 的环境模型研究实验室和美国军队排水工程试验工作站在综合MODFLOW、FEMWATER、MT3DMS、RT3D等
已有地下水功能模块基础上开发的综合性用于地下水模拟的图形界面软件。

近年来地质结构可视化的需求逐渐增加，GMS软件的地质结构建模功能逐渐被应用。

构建三维地层结构模型主要应用Boreholes、TINs、Solids功能模块［15］，其中Boreholes用于管理钻孔数据，生成钻孔柱状体，为构建三维地质结构体提供基
础数据；TINs模块为三角网格面，能够将点数据差值转化为各网格节点上的数据，实现数据在界面上的空间展布；Solids为地层实体模块，即利用Boreholes及TINs等基础数据生成地质实体。

本次以钻孔数据为基础构建三维含水层结构模型，方法如下：①首先建立钻孔柱状体，利用Boreholes模块，输入整理好的钻孔数据，每个钻孔数据包括钻孔编号、地理坐标（X，Y），顶板高程，岩性代码，地层序号等。

②将地质剖面图用虚拟
钻孔来表达［16-17］，建立钻孔柱状体。

③利用生成的钻孔建立地质剖面。

④利用DEM数字高程数据获取地表高程值，差值生成地表三角网络（TINs），并利用地表三角网络对地质剖面的地表高程进行修正。

⑤利用地理底图限定模型范围，生成区域边界图层，由图层生成相应范围的TINs，即不规则三角网络。

三角网格根
据设定的空间步长对研究区域进行剖分。

⑥利用钻孔数据中地层序号，根据TIINs 限定的范围和剖分精度，将钻孔数据转化为地质实体Solids（图1）。

2.2 建模数据
北京顺平岩溶水分布区通过本次“北京岩溶水资源勘查评价工程”项目，综合运用遥感、水文地质物探、钻探等技术获取了大量地质数据，为该区地质模型构建提供了基础数据。

（1）点状数据。

本次新施工的深层基岩勘探孔数据17个，钻孔深度均在800～1000m，总进尺15517.51m。

收集历史钻孔数据232个，钻孔深度在50～
1000m之间，其中深度在50～200m的钻孔150个，深度200～1000m的钻孔82个；根据地质平面图和剖面图设置的虚拟钻孔287个。

共计536个钻孔数据。

（2）线状数据。

基于物探和钻探成果及以往研究成果绘制的高程在-1000m以内的18条地质剖面（图2）。

地质剖面位置的选取考虑了区域地质构造分布特征，
选择沿西部大孙各庄向斜走向方向及切割向斜核部的方向为剖面布设位置，在构造复杂区加密剖面数量。

每个剖面上有两个以上钻孔数据。

基于物探工作的地质剖面刻画出了深部地层的岩性和展布特征，弥补深层钻孔数据量较少的不足。

（3）面状数据。

DEM数字高程数据，数据精度为30m*30m，用于校正地表高程。

基岩地质图用于控制不同岩性地层的空间分布范围。

基于钻孔、地质剖面图、基岩地质图、数字高程数据等多源的点、线、面数据为三维地质结构体的构造提供了有力保证。

3.1 模型构建
首先，将区域内钻孔数据整理成数据输入的格式，并赋岩性代码和地层序号值，输入到建模软件中，生成钻孔柱状体。

本次研究重点为基岩含水层，将地层划分到系，模型以-1000m作为模型底界标高，以太古宇沙厂组片麻岩和隐伏侵入岩体作为模型底部第一层，其上长城系地层为模型第二层，蓟县系为第三层，青白口系为第四层，寒武系和奥陶系分别为第五层和第六层，石炭-二叠-侏罗系为模型第七层，对第四系地层描述采取高度概化的办法，分为浅层第四系和深层第四系，分别作为模型的第八层和第九层，根据以上分类对每个钻孔赋岩性代码和地层序号（表1）。

基岩地质剖面图是考虑了区域地质、地球物理勘探、钻探成果的综合性图件。

基于此的地质剖面图携带了更为丰富的地质信息，反映了区域断裂构造和侵入岩体等特征。

将地质剖面图用虚拟钻孔形式表达，即在岩性变化点、断层构造点、地层顶板
高程拐点等处设置虚拟钻孔，用钻孔数据形式表达该处地层岩性、标高等信息。

按照剖面展布位置连接钻孔生成地质剖面，并用DEM数据校正地表高程，形成联合剖面。

最后，利用模拟范围图层和基岩地质图等面层数据限定模型边界以及岩性分布区域，根据钻孔和剖面生成顺平地区地质结构体（图3）。

三维地质结构体能够分层展示各地层的空间展布，并能够进行任意方向的剖面切割展示。

从展示效果看出，模型对于山区地表高程的起伏变化描述的精度较高，能够将DEM数据精度直接反映到模型中。

地层岩性的复杂变化，断层等利用虚拟钻孔的方式得到了较好的体现（图3）。

3.2 模型功能与分析
（1）三维模型立体展示。

从构建的三维地质结构模型分层展示图可以看出（图4），长城系地层主要分布在山区，部分长城系地层延展到平原区中部，蓟县系地层主要分布在山前地带和平原区，西部地区为呈带状分布的青白口系、寒武系地层，西南部集中分布奥陶系和石炭-二叠-侏罗系地层，模型地层分布特征符合区域地质条件。

三维地质结构模型能够任意角度旋转，并进行任意位置的剖面切割展示。

可视化的地层结构模型形象直观的展示了地层的立体结构，为深入分析区域地质特征提供了便利。

（2）辅助水文地质条件分析。

基于GMS构建地质结构体，当对各地层赋以含水
层参数后，能够直接转化为地下水系统数值模拟的水文地质概念模型。

该区地层并不是自下而上平行均匀展布，呈现出区块状分布的特征。

地质结构体特征的表达为含水层的概化、水文地质参数的分区，山区和平原区间水力联系分析，不同岩性含水层水力联系分析提供了依据。

另外，模型给出了各分层的地层体积（表2），为区域地下水资源储量估算提供了定量数据。

（3）辅助钻孔设计。

以往进行钻孔设计时，仅依据临近地质钻孔资料作为参考，本文建立的三维地质模型具备任意旋转和切割功能，当需要在某一地点设计施工钻
孔时，模型能快速给出该点处垂向的地层岩性，而且由于模型综合了区域地质、地球物理勘探、钻探等多种信息，其给出的设计依据较单孔数据更为可靠。

（1）基于GMS软件中Boreholes、TINs和Solids模块，利用钻孔数据、地质
剖面图及区域地质图和DEM等点、线、面形式的多源数据，构建了可视化的顺平地区三维地质结构模型。

模型根据地层岩性分为9层，较真实的反应了区域地质
结构。

模型构建方法可行，为复杂地质结构区模型构建提供了参考。

（2）顺平三维地质结构模型能够进行任意方向旋转，地层的分层展示，任意位置的剖面切割。

地质结构模型为认识区域地质条件提供了便捷的工具，为建立区域地下水流数值模型奠定了基础。

（3）地质结构体模型的精度依赖于建模的基础数据，基于多源数据建模对提高模型可信度具有重要作用。

另外，模型的构建包含了建模者的概化思想，根据建模目的不同，地层的分层、合并，局部地层的省略、简化等处理会有所差异。

【相关文献】
［1］吴冲龙，何珍文，翁正平等.地质数据三维可视化的属性、分类和关键技术［J］.地质通报，2011，30（5）：642～649.
［2］武强，徐华.三维地质建模与可视化方法研究［J］.中国科学D辑地球科学，2004，34（1）：54～60.
［3］林冰仙，周良辰，闾国年.虚拟钻孔控制的三维地质体模型构建方法［J］.地球信息科学学报，2013，15（5）：672～679.
［4］朱良峰，孙建中，张成娟.沉积地层系统三维实体模型构建方法［J］.岩土力学，2012， 33（11）：3243～3250.
［5］从威青，潘懋，吕才玉等.三维地质建模及可视化系统在安庆铜矿勘查中的应用［J］.北京大学学报（自然科学版），2009，45（4）：633～638.
［6］李青元，张丽云，魏占营等.三维地质建模软件发展现状及问题探讨［J］.地质学刊，2013，37（4）:554～561.
［7］潘懋，方裕，屈红刚.三维地质建模若干基本问题探讨［J］.地理与地理信息科学，2005，
23（3）:1～5.
［8］张海涛，许光泉，李佩全等.基于GMS的隔水层水文地质结构可视化分析［J］.人民黄河，2010，32（9）：42～43.
［9］贾瑞亮，周金龙，刘延锋等.应用GMS软件构建三维含水层结构模型［J］.节水灌溉，2014，（1）：57～59.
［10］王丽霞，刘芳，唐泽军.基于GMS的石羊河流域含水层空间结构变化的可视化研究［J］.干旱区地理，2011，34（1）：62～69.
［11］陈正华，周斌，邓智.基于GMS的武山矿区水文地质结构可视化模型［J］.安全与环境工程，2012，19（4）：125～128.
［12］谢轶，苏小四，高淑琴.基于GMS支持下的大庆地下水库区水文地质结构可视化模型［J］.吉林大学学报（地球科学版），2006，36（增刊）：51～54.
［13］梁煦枫，王哲，曾永刚.基于GMS的水文地质结构可视化研究—以天山北麓为例［J］.地
下水，2006，28（6）：79～82.
［14］北京市水文地质工程地质大队.北京市平谷应急供水工程中桥地区基岩地下水供水水文地质
勘察评价报告［R］.2004年3月.
［15］易立新，徐鹤.地下水数值模拟：GMS应用基础与实例［M］.化学工业出版社，2009，39～40.
［16］田宜平，吴冲龙，董志.引入虚拟钻孔的地层链接推理与地质体建模［J］.地质科技情报，2010，29（5）：117～120.
［17］周良辰，林冰仙，闾国年.虚拟钻孔控制的地质剖面图构建算法与实现［J］.地球信息科学学报，2013，15（3）：356～361.。