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摘要:
随着城市地下空间的开发利用，对三维地质结构的掌握成为科学合理开发利用地下空间的基本前提，三维地质模型的创建也得以迅速发展。三维地质结构模型可以直观展示地层空间分布形态，为地下空间资源的科学规划提供基础数据。本次工作首次完成了北京五环城区（750 km2）的三维地质结构模型创建。建模工作基于研究区广泛分布的数千工程钻孔，通过筛选、标准化钻孔数据，绘制相应标准化地层剖面（107条），创建了钻孔模型，以及北京五环城区地下50 m以浅三维地质结构模型，并完成精度验证。本次建模过程整理了大量工程钻孔数据，综合考虑了冲洪积扇发育区地层互层、相交、尖灭、透镜体等复杂的地质现象，具有代表性，可为类似地质建模工作提供借鉴。此外，北京城区三维地质结构模型直观展示了研究区浅部的地层分布与地层结构，为后续三维属性模型的创建提供了实体框架，亦为区内地下空间资源地质评价提供了数据支撑。
Abstract:The three-dimensional (3D) geological structure model has been the basic preconditions for the analysis of urban underground space, because it can directly display the spatial distribution and geological properties of superficial deposits and provide basic data for the scientific planning of the underground space resources. In this paper, the authors constructed for the very first time a 3D geological structure model (up to the depth of 50m from the surface) in Beijing City, based on almost a thousand boreholes, investigation reports, as well as 107 intersecting cross-sections arranged over Beijing City within the 5th Ring Road. The authors investigated the 3D modeling procedures in the study area, where an extremely complicated sedimentary environment is developed with various geological phenomena including intersecting stratigraphic interfaces, missing strata as well as discontinuous layers. The resulting 3D model could provide a basic framework and data support for further geological evaluation of underground space resources.
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Key words:
- 3D geological modelling /
- superficial deposits /
- boreholes /
- cross-sections /
- lens
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1. 引言
大多数城市工程建设都位于沉积物覆盖地区，沉积物与城市建设密切相关，是城市建设尤其是地下空间资源的直接载体。为实现城市的科学合理规划以及可持续发展，有必要研究城市地下沉积层的地质特征，对于特定区域，查明一定深度内的地质结构特征是解决地质问题的有效途径。三维地质建模为实现这一研究目标提供了可行的技术支撑。
三维地质建模概念由Housling (1993)提出，是地质理论与计算机三维可视化技术的有机融合。在三维环境下, 通过计算机技术将空间信息管理、地质解译、空间分析和预测、地学统计、实体内容分析以及图形可视化等工具结合起来，用于地质研究，并对其进行地质解释和分析。近十几年来，三维地质建模技术日趋成熟，前人也开展了针对城市地质研究的浅部松散层三维地质模型创建，取得了众多有意义的成果(Akpokodje, 1987; Dassargues et al., 1991; Tonini et al., 2008; Katherine et al., 2010; Zhu et al., 2012)。相关三维建模软件，国外代表性的商业软件包括Pardigm Skua /GoCAD、Surpac、ArcGIS、Petrel等(李青元等，2016)；国内平台有3DMine、QuantyMine、GeoView、MapGIS、Creatar以及MinExplore等（朱良峰等，2004；潘懋等，2007；陈国旭等，2010; 孙莉等，2011；明镜等，2015；余璨等，2016）。
通过建立三维地质模型，可以将地层的分布、空间形态、岩性、厚度以及各地层的物理力学参数性质整合于一体，以三维形式予以储存或展现。这种直观展示的地下三维地质结构，对于分析地质环境、合理利用地下空间资源以及保障地下空间地质安全具有重要意义。
本文依托“北京地下空间资源调查评价及关键技术”项目，首次建立了北京城区浅部三维地质结构模型，为地下空间资源评价提供了基础数据。
2. 地质背景
北京平原区位于华北大平原的西北缘，西、北及东北面三面环山。大体由上下两层岩石组成，上层为第四纪松散沉积物，下层是基岩(图 1)。上层的第四纪松散沉积物，在山麓地带分布有残积、坡积、洪积物，平原区主要以洪积、冲积物为主伴有零星分布的湖沼堆积物和风积物。平原区冲洪积扇主要由砂砾石、砂、黏土、黏土性构成，其分布总体来说垂向上交互出现，横向变化较大。以永定河冲积扇为例，总体结构从扇顶石景山一直到扇缘通州，粒度由砂砾石逐渐变为黏土或黏性土，其厚度从几十米增加至几百米。扇中多条河流互相交叠，到了扇缘地带河流的坡度降低，散流和漫流严重，许多地区形成牛轭湖，构成湖相堆积。研究区五环城区位于北京平原区冲洪积扇的上、中部位置，地下50 m以浅地层以松散沉积物为主，局部地区基岩埋深约地下30 m (鲍亦冈等，2001；北京市地质矿产勘查开发局和北京市地质调查研究院, 2008；蔡向民等, 2010, 2016；张磊等，2016；马震等，2017；熊盛青等，2018)。
3. 研究方法
3.1 三维地质建模方法
三维地质建模方法主要有3种:基于钻孔数据的建模方法、基于剖面数据的建模方法、基于多源数据交互建模方法(张洋洋等，2013)。各建模方法需要的地质数据和侧重的地质特点不尽相同。
（1）钻孔建模方法
在众多的三维地质建模技术中，较为广泛利用的仍然是基于钻孔的建模技术，这是由于钻孔数据简单，直观，准确，各类地层数据、属性数据等各种重要信息数据可以很容易地从规范的钻孔数据库中获得（贺怀建等, 2002; Turner et al., 2006）。在利用钻孔建模技术方面，可用不同方法进行空间插值方法表达较为复杂的地层结构(Wellmann et al., 2010)。
（2）剖面建模方法
基于剖面数据的建模方法，利用地质勘探资料，根据地质人员的认识划分大量的二维地质剖面，在此基础上进而表达三维地质模型(明镜等，2008)。一般剖面数据有两种，一种是平面剖面数据，要求相邻剖面之间展示的地质信息具有较高相似性，如果相差较大，则需要人机交互来指定地层界线划分; 另一种是交叉剖面，该种方法可以处理较为复杂的地层情况，但是需要保障交叉剖面交叉钻孔的岩性分层以及高程位置完全一致。
（3）多源交互建模方法
多源交互复杂地质体建模方法，基于地质、物探、化探、遥感、钻探等多源数据的三维地质建模（Wu et al., 2005；Kaufmann et al., 2008; 李晓军等，2014）所构建的模型准确性高，能够更真实地反映地质体的三维空间特征，但是数据之间的融合难度大。
3.2 本次建模方法
研究区位于北京冲洪积扇平原，地层垂向和纵向分布复杂多变，自西向东地层岩性变化较大，同时受古河道变动影响，沉积相变情况极其复杂，地层缺失或相交而形成的尖灭、透镜体等现象十分普遍。复杂的地层结构需选择适宜的建模方法，以便高效准确建立三维结构模型。
前述3种方法，如仅依靠钻孔构建三维地层模型，普遍发育地层的尖灭与透镜体，可能会导致与实际地层的不吻合；仅靠剖面法也并不现实，因为北京城区地层相变复杂，交叉剖面和平行剖面的对比复杂，工作量巨大；另外未涉及各类数据融合，加之区内不涉及大量褶皱和基岩断层，并未选择多源交互建模。
本次建模采用适合研究区的传统型“钻孔+交叉剖面”法。即在综合考虑研究区地质条件基础上，对广泛分布的各类钻孔资料进行精度与可靠性分析，原则性地筛选适宜钻孔，利用钻孔数据，制定地层剖面线，引入交叉剖面，结合地质认识圈定地层尖灭与透镜体，绘制标准化地层剖面，理清地层在垂向与纵向的不同分布特征。依托北京超维创想公司的Creatar3.0软件平台，依次实现钻孔解译、地层解译、透镜体创建、精度验证以及三维结构模型的搭建。
4. 建模步骤
建模步骤包括钻孔数据的收集整理、钻孔筛选、钻孔标准化、交叉剖面线制定、标准地层剖面编制、数据电子化、钻孔解译、地层解译、透镜体及地层尖灭等地质现象的调整。详细过程参见图 2。
4.1 收集资料
准备各类地质资料，包括满足建模精度需求的钻孔数据、地质图、地形地貌图、古河道分布图等。大量的钻孔资料是建模的重要依据，本次工作充分收集了北京城区五环内各类钻孔，包含工程勘察资料、地质灾害报告以及其他基础地质资料能获取的钻孔信息。从众多资料中筛选1000个钻孔，这些钻孔基本分布均匀，钻孔深度集中在地下30~50 m，能够满足建模需求。
4.2 标准化岩性命名
原始地质数据的准确性和全面性直接决定了模型的精确度和实用性，因此原始地质数据的分析工作至关重要。钻孔资料作为本次研究的基础数据，需要对其数据(基本信息、分层信息、物理力学参数等)做出详细归并、整理。
统一岩性命名。由于钻孔来源各异，地层岩性命名未得到统一，因此首先需要实现地层命名的统一性与标准化。参考蔡向民等(2009)提出的北京山前平原第四系沉积物分类命名标准，结合五环城区地质认识，将收集钻孔的地层数据划分为6大类：人工填土层、粉质黏土层、黏土层、粉细砂层、中粗砂层、卵石层，局部偶见黏土岩、风化千枚岩等（为便于建模，统一为基岩）。简化版柱状图参见图 3。
4.3 布设地层剖面线
结合区内各类地质资料，根据所筛选工程孔的具体分布情况，布置南北-东西向交叉剖面线（107条），其中东西向剖面线70条，南北向37条（图 4）。
4.4 绘制剖面
4.4.1 绘制原则
本次工作，重点考虑地层岩性特征，剖面主要反映地层岩性变化规律和结构特征，划分时考虑如下几点原则：
① 注意地貌单元分界线，在平面图上对照钻孔，在剖面图上标出分界线的位置。
② 从研究区冲积扇分布特征分析，先连接对应较好的地层，对于因为河道变迁或是其他因素而冲断的地层做尖灭处理。
③ 考虑相变，以反映沉积物相变为原则连接岩性分界线，考虑该区位于冲积扇同时叠加古河道，地层的划分主要以砂砾石层为标志层进行。
④ 以沉积物颗粒大小划分沉积韵律。
⑤ 充分保证主要地层、较厚地层和标志性地层的连续性，以展现地质变化规律。
4.4.2 绘制方法
研究区位于北京平原永定河冲洪积扇，该区历史上有多次古河道变迁，古河道又受到冲洪积物填埋，其沉积微相分布十分复杂，横向变化大。由于这种再沉积和再搬运的地质作用，使得对于该地区的主辫状河道、次辫状河道、心滩、辫状河道间等微相来说破坏作用极大（赖锦等，2018），实际上无法完全确定其具体位置(北京市地质矿产局, 1991)。在该种情况下，为了实现对地层的合理划分，采用统计方法，选取砾石层作为标志层进行统计。具体做法如下：
① 以卵石层作为标志层。以人工填土层、粉细砂层、中粗砂层、卵石层作为主层进行连接。②主层连接的同时，完成层内透镜体、黏土或局部基岩的单独编号，并保证同一透镜体编号的一致性与唯一性。③如果在地层连接时，相邻钻孔上下属性相同，则按照坡度小的进行连接。对于坡度过大的一般不考虑进行连接。④参考物理参数属性在不同岩性内的分布特征，保证结构与属性一致。⑤进行透镜体的划分时，如果没有钻孔控制边界，透镜体厚度超过0.5 m，钻孔左右两端尖灭，如果小于这个厚度一般采取在二分之一处尖灭。⑥本次建模精度，纵向比例为1：200，在进行划分时，理论上合并小于50 cm的地层，但实际工作中，对于具有标志性意义的薄层如黏土层，根据地层变化实际情况予以保留，此外还要考虑不同方向的连续性。例如，东西向的某剖面某深度存在一处厚小于0.2 m的透镜体，但在南北向剖面同一层位存在连续的小透镜体，那么东西向的透镜体不能删除，应将其命名与南北向透镜体统一，以保证该透镜体连续性。
4.4.3 剖面绘制
南北向剖面跨多个地貌单元，东西向剖面相对跨单元较少，因此选择先绘制东西向地层剖面。解读平面地质图、古河道图，依据整理后的钻孔地层信息及其他地质资料，结合专业地质认识，绘制各剖面。
以西N29-N37剖面（图 5）为例，该剖面位于晓月苑五里—东至老君堂公园一带，据绘制原则考虑冲积扇地层结构特征，首先连接卵砾石层，该层在东西方向并未连续，在相应钻孔处（未出现该层信息）做尖灭处理，其余不连续地层类似；连续展布地层，如第一层粉质黏土根据实际钻孔数据依次连接。该图在一定程度上显示了东、西部地层的分布差异：西部多为单一卵砾石层，向东逐渐演变连续黏性土或砂质夹层，至东部则发育互层的黏性土与砂层。
图 5. 平原区东西向典型地质剖面图（地下50 m以浅深度）Figure 5. A typical cross-section generated from boreholes (W-E) in Beijing City (within the depth of 50 m)完成东西方向的剖面编制后，依次绘制南北向剖面。需要注意的是，除以上原则与方法，还要着重关注交叉钻孔信息，保证交叉钻孔与不同方向地层信息能够吻合。若出现矛盾之处，以透镜体处理之。
5. 三维地质结构模型
将整理后的标准钻孔数据导入建模平台（图 6），经钻孔解译与地层解译（图 7）后搭建模型基本框架。对于局部透镜体，尤其是复杂沉积背景下的多重透镜体，钻孔解译易出现矛盾，本次工作选择手动创建，即根据标准化地层剖面，由地质专业人员对照已搭建的主要地层，结合钻孔中透镜体的分层信息（层顶与层顶数据等），利用软件平台提供的人机交互工具，创建单独透镜体模型（图 8）。最终将透镜体合并到相应主层内，形成完整的三维地质结构模型（图 9）。
图 8. 地层中透镜体的构建示意图Figure 8. Construction of a Small lens developed in a widely distributed layer5.1 模型验证
本次工作，模型验证主要考虑模型地层是否与实际地层吻合。根据实际建模过程，选择两种验证方法：钻孔验证法与地层剖面验证法。前者通过对比模型地层与预留验证孔地层；后者则通过对比切割模型剖面与实际地层剖面。需要注意的是，不同地区建模过程存在差异，可供验证精度的方法亦多种多样，本次研究认为传统的预留钻孔验证法具有代表性。
5.1.1 钻孔验证
钻孔验证是将在建模准备过程中预留的180个钻孔与模型中相同位置处的虚拟钻孔进行对比。为了获得模型中虚拟钻孔位置处的信息，利用软件平台虚拟钻孔的功能对地质模型进行钻探，导出各层高程及地层信息，将其与实际钻孔地层及高程信息进行对比。表 1列举了一处钻孔验证实例（预留验证孔I1- 02293与同一位置模型虚拟孔I1-02293-X的地层对比分析）。
5.1.2 剖面验证
剖面验证，即对比原始地质剖面与模型切割剖面。验证要点包括：①大层对应情况，指各大层的分布、走向、层厚等（大层指在研究范围内广泛分布的、一定程度上代表实际剖面典型结构的地层）；②薄层或透镜体分布情况对比。
图 10选取了其中一条地质剖面与模型切片地质剖面进行了对比，依据验证的要点，①自上而下地层都按照粉黏→粉细砂→（中粗砂）→卵石的规律变化。各大层内包含透镜体，局部偶见薄层。②透镜体的位置、形态大小以及尖灭情况基本一致，对比结果见表 2。
图 10. 东E2模型剖面与实际剖面比对图（上图：实际钻孔剖面；下图：模型剖面，垂向放大100倍，局部出现尖棱）Figure 10. A comparison between the cross－section based on boreholes(E2) and generated from 3D model with vertical exaggerated coefficient equal to 100表 2. 实际地质剖面与模型切片对比Table 2. A comparison of detailed layers of borehole－based geological profiles and 3D model
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通过以上两种验证方法，所建三维结构模型符合地质规律，与实际地质情况基本吻合，能够直观展示北京五环城区地下50 m深度范围内的地层分布与结构特征。但在局部地层的高程、透镜体位置方面仍与实际存有差异，后期可进一步完善。对于出现误差的原因，概括为3个方面：(1)钻孔分布并非完全均匀，某些地区资料有限，钻孔数量较少；(2)沉积环境复杂，松散层尤其是浅部地层变化较大，即使相邻钻孔，也极有可能存在较大差异；(3)实际地质剖面编制时考虑两点定一线，而三维结构中地层划分采用离散光滑插值方法，造成地层的部分差异。
5.2 讨论
本次研究主要是为“北京城市地下空间资源调查评价及关键技术”项目提供服务，建立的三维地质结构模型主要为地下空间资源的评价提供基础数据支撑，具体功能可概括为以下3点:
(1) 提供实体框架。三维地质结构模型为后续属性模型的创建提供实体框架。基于已整理的土体物理力学参数数据，采用克里格法完成对结构模型的插值，实现结构与属性模型的整合。
(2) 为地下空间资源评价提供基础地质数据。岩土体的结构特征及其对应的各项参数，是城市地下空间资源开发利用最直接最基础的影响因素，三维地质结构模型刻画了这种岩土体三维结构特征，并且以最为直观的形式展示了各地层分布特征（图 11）。就研究区五环城区而言，根据三维结构模型，区内东西部地层存在明显差异：西部发育厚层卵砾石，地层结构较为单一；东部地区较为复杂，显示一定韵律性，自上而下岩性呈粉质黏土—粉细砂—中粗砂—卵砾石的变化规律。
(3) 基本演示功能。三维结构模型可以在建模平台中以不同颜色、不同标记等直观展示地层分布，包括栅栏图、地质剖面切片、地质体切割等，或选择性展示特定地层，估算可开发利用的地下空间地质体量，以及可视化分析。
6. 结论
本次研究基于北京五环城区的大量工程钻孔数据，通过数据筛选、整理、分析，制定107条东西南北向交叉展布的剖面线，绘制标准化地层剖面，依托于超维Creatar-Xmodeling建模平台，创建了区内地下50 m浅部的三维地质结构模型。研究区复杂的沉积环境使得建模过程存在诸多困难，本文系统整理了模型创建过程，提出了一套可供参考的松散沉积层三维建模方法，得出如下几点结论：
（1）基于钻孔结合剖面建立三维地质模型的方法，适合冲积扇背景下的沉积层建模。该背景下沉积层在横向与纵向，普遍存在较大差异。
（2）结合沉积背景与钻孔分布制定交叉剖面线。前期数据处理是建模最为重要的阶段，完成钻孔数据的筛选后，根据钻孔分布制定交叉剖面线，绘制地层剖面，为模型创建提供直接数据。
（3）结构模型的验证可通过预留钻孔法与剖面法实现。不同地区创建模型的思路存在差异，但最为传统的钻孔验证法具有一定代表性。
（4）三维结构模型直观展示研究区的地层分布特征。根据结构模型，北京五环城区内东西部地层存在较大差异，西部地层结构单一，发育厚层卵石；东部地层复杂，自上而下显示粉质黏土—粉细砂—中粗砂—卵砾石的变化规律。
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表 2 实际地质剖面与模型切片对比
Table 2. A comparison of detailed layers of borehole－based geological profiles and 3D model
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