复杂地质界面三维重构与评价方法

随着我国大型岩土工程向西部和深部扩展，复 杂地质体的三维建模成为人们必须面对的重要问 题。其复杂性体现在：地质体由沉积成因的地层、 侵入成因的岩体和复杂的褶皱与断层等地质构造组 成，这些组成元素之间形成了形态各异的分界面，
收稿日期：2014–05–12；修回日期：2014–06–13
基金项目：国家自然科学基金资助项目(41172270)；国家重点基础研究发展计划(973)项目(2011CB707303) 作者简介：孙 波(1982–)，男，博士，2006 年毕业于山东科技大学地科学院地质工程专业，现为博士后，主要从事三维地质建模与工程地质方面的 研究工作。E-mail：sunbo@mail.iggcas.ac.cn DOI：10.13722/j.cnki.jrme.2015.03.013
1 引
言
员通过区域调查和钻孔等手段可以获取工程地质体 和地质界面的三维控制点信息。这些信息包括钻孔、 探槽和露头等点数据，也包括地形图、平面地质图 和剖面图等图形数据等。在计算机领域，这些控制 点被称为离散点数据或散乱点数据。由离散点数据 集出发，重构该点集所属的曲面，称为曲面重构。 笔者所讨论的三维地质界面重构属于该类问题。三
பைடு நூலகம்
复杂地质界面三维重构与评价方法
孙 波，刘大安
(中国科学院 地质与地球物理研究所，北京 100029)
摘要：在运用平面地质图数据、露头数据和钻孔数据进行复杂地质体三维地质界面重构的过程中，详细分析三维 地质界面重构中的几个核心问题，包括：界面确定、三维插值、几何造型和合理性评价。在此基础之上提出基于 地质成因分析的地质界面重构方法，此方法可以更好地整合复杂多样的地质数据，更合理有效地确定复杂的地质 界面，并且使三维地质界面重构和三维地质建模更加的智能化，即减少人为的干预。最后用一个工程应用实例对 此进行展示和验证。 关键词：工程地质；地质界面；断层；插值；曲面拟合；三维重构；三维地质建模 中图分类号：P 642 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2015)03–0556–09
第 34 卷 第 3 期 孙 波等：复杂地质界面三维重构与评价方法 • 557 •
维地质界面重构，即构造出地质界面的对象几何模 型， 一直是三维地质建模的核心技术和主要工作 ， 值得人们高度关注并加以重点研究。 国内外很多学者在这一方面开展了大量的研究 和实践，其中贺怀建等 根据地质钻孔资料中的岩 层分界点排序来确定地层界面；朱良峰等 以钻孔 资料作为地层建模的源数据，实现了具有简单实用、 快速稳健等特点的三维建模方法； 徐 磊等[4]对钻孔 数据三维地学建模中相邻钻孔之间地层连接关系进 行了深入研究；何满潮等[5]对工程岩体三维构模中 钻孔数据提出了纵向概化准则、横向概化准则和纵 横向协调准则的处理方法；侯卫生等[6]在分析平面 地质图数据特点的基础上，提出了以线框架模型为 基础的断层面整体构建思路，实现了复杂断层面三 维构建；M. Jing 等[7]利用网状剖面图实现了大尺度 的复杂工程地质体三维模型的创建和可视化； O. Kaufmann 和 T. Martin[8]利用钻孔、 剖面图和地质图 等多种数据实现了三维地质建模天然气储量分析； Q. Wu 和 H. Xu[9]实现了一种多源数据集成应用的 三维地质建模方法；徐卫亚等[10]实现了基于 X3D 的边坡工程虚拟现实场景的实时动态可视化；林 达 等 [11]运用 NURBS 技术建立研究区的三维地质模 型，并实现了三维边坡体稳定性分析。通过以上分 析可以发现，三维地质模型已经在地学的各个领域 得到广泛的应用。 根据三维地质体模型原始数据来源可以将这些 模型分为 3 种：基于钻孔数据的三维地质体模型、 基于平面地质图的三维地质体模型和基于多源混合 数据的三维地质体模型。其中基于钻孔数据的三维 地质建模技术的研究最为广泛和深入，而基于多源 混合数据的建模方法也在不断发展中。 由于岩土介质空间分布的不连续性、不均匀性 和不确定性，地层相互交叉侵蚀，地质实体之间的 关系错综复杂。由少量的钻孔数据出发构造三维地 质界面比较复杂，自动化程度很低，并且仅仅从钻 孔数据出发重构三维地质体界面的精度也难以评 价。这些问题极大的限制了三维地质模型在工程中 的应用。现有的基于多源混合数据出发的三维地质 建模技术中，多种数据源的综合运用大大提高了地 质界面的拟合精度，但来自不同数据源的数据往往 是独立的储存在混合数据模型中，数据源之间的交 叉分析和应用还比较少见。从以上几点出发，本文 从钻孔数据与平面地质图数据的交叉分析和运用为 基础，尝试建立一种通过地质成因分析，进行三维
第 34 卷 第 3 期 2015 年 3 月
岩石力学与工程学报 Vol.34 No.3 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering March，2015
(a) 钻井可视化
(b) 层状地层界面
图 1 层状地层的三维地质模型 Fig.1 3D geological model for layered strata
• 558 • 岩石力学与工程学报 2015 年
如果钻孔的数量不足，且钻孔资料中的地层存 在缺失和不连续的情况。图 2(a)有 3 口钻孔数据， 钻孔 a 和 c 由上到下由 3 种地层 I，II，III 组成，钻 孔 b 中仅有地层 I 和地层 III，缺失了地层 II。这种 地层缺失的情况在三维地质体模型的建立过程中非 常常见。仅仅利用对钻孔数据的空间分析不足以判 断钻孔 b 中地层 I，III 节点 A 所确定的地质界面性 质和形态，地质工程师对整个区域的地质背景的调 查以及对露头、探槽数据的综合分析，可以对这种 建模过程提出指导性意见。如果整个区域的地质背 景是沉积环境，沉积构造方法发育，那么图 2(b)的 判断是合理的，在钻孔 b 附近地层 II 发生了沉积间 断， 地层 III 被风化剥蚀， 这种情况下地质界面的形 态如图 2(b)所示，节点 A 属于地层 I。如果观察到区 域内以岩浆岩为主，广泛发育侵入岩体，那么图 2(c) 的判断是合理的，地层 II 在侵入作用下发生岩层变 薄以致消失的地质现象，这种情况下地质界面的形 态如图 2(c)所示，节点 A 属于地层 III。节点 A 的归 属是确定地层 I 与 III 之间地质界面几何形态的关 键，从而也确定了 3 个地质体的边界：
C ( P ) C2 ( Pi ) ( Pi r≤Pi ≤Pi r ) 1 i (1) 0 (其他点)
THREE-DIMENSIONAL RECONSTRUCTION OF COMPLEX GEOLOGICAL INTERFACES AND ITS EVALUATION METHOD
SUN Bo，LIU Daan
(Institute of Geology and Geophysics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China)
[3] [2] [1]
地质界面重构并对其结果进行合理性评价的方法。
2 地质界面重构的几个核心问题
地质体是地质空间中不连续的空间实体，包括 沉积成因的岩层、侵入成因的岩浆岩体以及受力变 形的构造等 [12] 。不同的地质界面分割了三维地质 体，并且地质界面本身也是地质学的研究对象之一， 因此地质界面重构就成为三维地质体建模的关键， 此曲面重构过程是地质工作者利用地学知识和经验 对区域调查数据进行地质解译的定性分析过程，也 是利用空间分析方法对地质体和地质界面三维几何 形态进行定量分析的过程。地质界面重构过程可以 分为以下几个核心问题论述：地质界面的确定、三 维插值、几何造型和贯穿始终的地质合理性分析评 价问题。 2.1 地质界面的确定 在地质学上，地质体界面两侧的岩体具有不同 的岩性、矿物组成、化学成分和地质构造。地质界 面宏观上讲是地质体的分界面或者间断面，即地质 界面是地质体的边界。地质界面的三维建模主要数 据源是钻孔资料，包括空间信息 (钻孔三维空间坐 标 )和地层分层信息(岩层岩性描述、地层厚度和埋 深)。如果钻孔的地层是连续的，如图 1(a)所示，那 么图 1(b)中建立的简单层状三维地质体是合理的。
Abstract：Data from geological map，outcrop and borehole were utilized for the reconstruction of geological surfaces of complex 3D geological body. Detailed analysis of core issues in 3D reconstruction of geological interfaces was conducted including the interfaces determination，3D interpolation，geometric modeling and evaluation of reasonableness. A method of geological interfaces reconstruction was proposed based on the evaluation of geological cause of formation. This method integrated the complex and diverse geological data better and determined the complex geological interfaces more rationally and efficiently. Therefore，the method made 3D reconstruction of the geological interface more intelligently as a result of reduction of human intervention，which was verified and demonstrated in an example of engineering application. Key words：engineering geology；geological interface；fault；interpolation；surface fitting；3D reconstruction； 3D geological modeling 即地质界面。在岩土工程地质勘探过程中，勘探人