0.   引言

三维地质建模（Three-dimensional Geological Modeling）是指利用现代空间信息理论和技术建立的计算机数学模型，其能够反映地质空间内部结构与各要素之间的关系以及物理、化学属性等地质特征^[1]。现今，构建三维地质模型已是油气资源开发、矿产普查、地下空间利用的基础性工作^[2]。通过创建三维地质模型，能够对地下主要地质现象，包括构造变形、物质组成及主要地质体空间分布特征等提供更加真实、直观的表达^[3-4]，对恢复地层三维空间产状变化、褶皱变形样式以及断层组合关系具有重要作用。

随着地震勘探要求的不断提高、三维地质建模技术的不断成熟，近30年国内外研发了多款较为成熟的建模软件，包括GOCAD、Surpac^[5-6]、PetroMod^[7-9]、Micromine^[10-11]、RMS等。其中，GOCAD、PetroMod、RMS等软件主要应用于油气勘探、油藏描述等领域。目前，三维地质模型广泛应用于油藏数值模拟、含油孔隙体积计算、油藏状况监测等领域，因此，创建三维地质模型对于油气开发具有非常重要的作用。本文选择应用较为广泛的GOCAD软件作为建模工具，旨在通过其优秀的建模方式及强大的插值算法解决渤海湾盆地，特别是渤中凹陷地区三维地质建模软件应用研究相对较少的问题。

本文以渤中凹陷石臼坨凸起东428构造带为例，结合现有的地震剖面，钻井数据等资料建立三维地质模型。较为精准地刻画出428构造带及周缘地层的褶皱变形样式，以及潜山内幕断层的交切关系，据此推测其地层展布特征及褶皱形成过程。

1.   GOCAD软件的基本原理和方法

2.   区域地质背景

428构造带位于渤中凹陷北部，南北夹持于渤中凹陷和秦南凹陷之间，西接石臼坨凸起，面积约为100 km²，整体呈近EW向展布，且由2个基底隆起组成，分别为西潜山和东潜山^[16]（图2a）。428构造带及周缘区域以太古宇变质深成岩为基底，东潜山表现为一元结构，基底上覆古生界石炭—二叠系（图2b），西潜山表现为二元结构，基底上覆古生界和中生界（图2c）。构造带南侧渤中凹陷的前新生代地层主要由古生界（寒武系和奥陶系）和中生界（侏罗和白垩系）组成；北侧秦南凹陷的前新生代地层主要由中生界（白垩系）组成，缺少古生界（图3）。

图 2.  研究区构造概况及地震剖面

（a）渤海海域428构造特征及其在渤海湾盆地中的构造位置；（b）428东潜山地震剖面；（c）428西潜山地震剖面

Figure 2.  Tectonic overview and seismic profile of the study area

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图 3.  研究区层序地层格架图

（a）428西潜山层序地层格架；（b）428东潜山层序地层格架；（c）渤中凹陷构造区层序地层格架；（d）秦南凹陷构造区层序地层格架

Figure 3.  The stratigraphic framework of the study area

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428构造带在南北两侧分别发育2条EW向潜山断裂，其作为边界断层将潜山分别与渤中凹陷和秦南凹陷分割。构造带内部从新生界至古生界均有断层发育，规模不一，多为NE、NEE向，组合样式以斜交式、负花状构造、Y字形构造为主，倾角较大，多数>60°，断层类型多为负反转断层，并后期受到强烈的走滑拉分作用影响。同时，428构造带及周缘地区褶皱变形较为发育，主要表现出穹隆构造特征，但目前关于这些褶皱的空间分布特征^[17-18]、形成时间以及是否经历褶皱叠加过程等认识并不清楚。

3.   创建三维地质模型

4.   模型构建结果

依照上述步骤，生成了428构造带及其周缘三维地质模型。本文将通过该模型分别对428构造带、南侧渤中凹陷以及北侧秦南凹陷展开构造变形分析。

428构造带可划分为西潜山和东潜山，构造等高线整体呈“两高一低”的形态特征。其中，西潜山分布中生界和古生界，中生界较厚，古生界较薄，2套地层均表现为褶皱变形特征，主要由2个向斜和1个背斜组成。向斜褶皱枢纽为NNE向，两翼不等长呈非对称形态，轴面倾角均约为45°，其中，褶皱长翼末端地层逐渐歼灭，短翼地层弯曲变形形态保持一致，具有相似褶皱的特征。背斜褶皱枢纽为SN向，两翼倾角不同，具有倒转褶皱的变形特征。另一向斜褶皱变形较为平缓，枢纽为NNE向，褶皱轴面近直立（图8a），其轴向与燕山期华北克拉通挤压方向（SE—NW向）近似垂直，因此，这种褶皱变形特征说明西潜山主要经历了燕山期变形，印支期变形较少，这可能是由于燕山期对该区域的作用将印支期的一些地质记录破坏掉，导致印支期变形并不明显。东潜山为一元结构，太古宇变质深成岩基底上覆古生界，无中生界。从古生界空间分布形态来看，主要由一系列短轴褶皱组成，褶皱枢纽为NNE向，两翼长度不一（图8b），该短轴褶皱可能为印支期和燕山2期构造运动叠加的结果。

图 8.  428构造带空间三维几何学特征

Figure 8.  Spatial three-dimensional geometry of the 428 tectonic zone

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428构造带南侧渤中凹陷构造区以太古宇变质深成岩为基底，上覆古生界寒武—奥陶系和中生界白垩系，中生界较厚，古生界较薄。结合剖面（图9a）可以看到，靠近428构造带古生界沿F₁断层（断层位置见图2a）逐渐被削截殆尽，呈现出典型的薄底构造特征，而中生界虽局部地区有削截，但整体保留较为完整，褶皱变形较为明显。这些褶皱多以构造穹窿或短轴褶皱为特征，短轴褶皱的枢纽主要呈NNE向，两翼倾角均较为平缓（图9b）。从空间分布特征来看，这些褶皱整体呈雁列式分布，结合该区域没有古生界变形（不存在古地形），其形成的原因可能与EW向的控制断层F₁有关，是一系列燕山期形成的断层相关褶皱。这是因为平行于印支期挤压方向的边界断层F₁在燕山期可能具有压扭性质期。在古生界空间分布图中（图9c），古生界同样也发育少量褶皱，褶皱枢纽多为NWW向，变形较为平缓，整体呈短轴褶皱特征分布，说明这些褶皱是印支期和燕山期褶皱叠加作用的结果。特别需要强调的是，中生界和古生界变形具有明显的不协调性，这也说明2套地层的变形机制存在差异。

图 9.  428南侧渤中凹陷褶皱样式及变形差异。

Figure 9.  Differences in style and deformation of folds in the Bozhong Depression south of the 428 tectonic zone

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428构造带北侧秦南凹陷构造区以太古宇变质深成岩为基底，上覆中生界白垩系，无古生界分布。中生界发育一系列褶皱和穹窿构造，褶皱变形较为平缓，枢纽多为EW向，与428构造带控制断层F₂（断层位置见图2a）方向相同，可能是一系列断层相关褶皱。同时该构造区还有“透镜体”构造发育（图10a），通过模型截取剖面（图10b），该构造呈透镜化分布，可能是燕山期逆冲推覆作用的结果。

图 10.  428北侧秦南凹陷褶皱空间几何特征

Figure 10.  Spatial geometric features of folds in the Qinnan Depression north of the 428 tectonic zone

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5.   结论

（1）以往对428构造带的认识还停留在二维地震剖面，平面等值线的基础上，存在着较大的局限性，并不能详细反映出研究区的具体三维构造特征以及空间几何学形态。对428构造带及周缘地区建立三维地质模型，可以清晰、直观、准确地反映出地层产状分布特征、断层组合关系以及褶皱变形特征。

（2）GOCAD是一款功能强大的三维地质建模平台，利用软件内嵌的离散平滑插值算法（DSI），在不需要大量数据的情况下，可以较为真实地创建出三维地质模型，并且可以实现同步修改，实时交互。

（3）428构造带及周缘地区褶皱发育丰富，褶皱轴向主要呈NNE向，其中428西潜山主要受燕山期构造运动的挤压，印支期变形不明显，428东潜山的褶皱变形可能是印支期和燕山期共同作用的结果；南部渤中凹陷构造区中生界受到燕山期挤压作用产生褶皱变形，且呈雁列式分布，古生界褶皱则是印支和燕山2期构造叠加的结果；北部秦南凹陷中生界具有透镜体构造特征，可能是燕山期逆冲推覆作用的结果。