基于地层约束的三维地质属性模型建设

　　摘 要：随着计算机建模技术的发展以及硬件运算水平的提高，计算机建模技术有了显著的提高，三维地质建模技术越来越成熟，在建模过程中已经引入了地质学概念。本文以SKUA-GOCAD三维地质建模软件为研究平台，介绍了数据整理、结构模型建设、属性模型建设的总体思路，重点对比了基于地层约束的三维属性模型和区域整体三维属性模型的关联和区别，从插值参数角度分析了产生这一现象的原因。结果表明在已完成三维地层结构模型的基础上，基于地层约束建设属性模型，是一种提高属性模型精度的成熟有效的方法。

　　关键词：三维建模;属性模型;分层插值;地层;钻孔数据

　　0 前言

　　隨着计算机建模技术的发展以及硬件运算水平的提高，三维地质建模技术越来越成熟(王亚静，2016)。依据建模数据源的不同，三维地质建模方法主要有以下5种：①钻孔数据建模：直接利用钻孔分层资料建立基础数据库，由建模软件主导完成模型建设;②剖面数据建模：对二维的剖面数据进行“立体化”，利用剖面格网通过人机交互或建模软件自动完成三维地质模型的建设;③三维地震数据建模：以地震资料解译技术为支撑，采用井震结合及相控的方法建立三维地质模型(张洋洋等，2013);④属性数据建模：在三维空间中建立格网，利用离散的属性点作为插值点，按照特定的空间插值算法进行空间插值，反映的是地质体内部的属性状态情况;⑤多源数据建模：利用平面图、钻孔数据、剖面数据、地球物理或地球化学数据、属性数据等开展模型建设，数据互补又互为约束对象，共同协调统一，提高了模型的精度。

　　在三维地质模型建设及应用方面，国内油气勘探领域的应用程度最高，有色贵金属矿山次之，城市地质也已经起步(李青元等，2016)。在油气勘探领域，以油藏数值模拟为例，采用相控条件下的序贯高斯(SGS)算法，建立孔隙度、渗透率、气饱和度模型，定量描述储层参数的空间非均质性(王威，2013);在金属矿山领域，以铜矿矿床分析为例，建立不同类型的结构模型，并对铜品位实施克立格插值(荆永滨，2010);在城市地质领域，以北京市地铁9号线某段为例，将同一土层内赋予参数实验值并进行插值，形成参数模型(董慧超，2011);在其他领域，以土壤属性三维模型建设为例，利用地统计学插值方法，以10cm 为采样梯度获取土壤样本，实现了农田尺度土壤有机质、pH、钙、锌的三维模型构建和空间分异规律分析(周四维，2018)。

　　本文在前人研究基础上，以当前城市地下空间资源开发利用主要深度(地下50m)以内的地层为研究对象，选择北京市平原区东部约60km2范围作为研究区，开展三维结构模型建设，并以结构模型各个地层为约束体，逐层进行属性插值，建设三维地质属性模型，更为精细的刻画了该区域地层属性的分布形态。

　　1 数据标准化

　　本次研究工作采用SKUA-GOCAD建模软件辅助进行三维地质模型建设，需按其数据格式要求进行数据标准化处理。

　　1.1 地层数据标准化

　　研究区内共有15个钻孔，深度均为50m左右，结合以往该地区工程层剖面资料，对钻孔数据进行标准化。

　　参考以往该地区工程层剖面资料，与本次工作采用的15个钻孔进行地层比对校准，在以往大地层韵律背景下依据15个钻孔的实际分层情况进行校准，形成本次研究工作的标准分层，标准地层自上而下依次为：填土层(10)、粘质粉土层(22)、粉质粘土层(23)、粉细砂层(24)、粘质粉土层(32)、粉质粘土层(33)、粉细砂层(34)、粉质粘土层(43)以及粉细砂层(44)，标准地层柱状。

　　按照建模软件数据格式要求，将15个钻孔的分层数据拆分，形成钻孔分层数据表。每个钻孔分层数据表内容均有15条，由该层对应的钻孔分层数据构成，数据表内容包括钻孔编号、地层代号、层顶深度、坐标。

　　1.2 属性数据标准化

　　对15个钻孔的室内土工实验表进行整理，按照标准化后的地层深度重新分段。如存在土工实验取样深度与地层深度交叉的情况，按照如下方式进行处理：根据该地层的顶底板深度将对应的土工实验数据进行分段提取，将提取后的土工实验数据按照厚度计算中心点坐标Z值(图2)。

　　完成属性数据分段后，重新整理数据表，按照地层顺序将15个钻孔所包含的属性数据整理入库，数据表内容为钻孔编号、参数值、坐标。

　　至此，完成建模所用钻孔分层数据及属性数据的整理、录入工作。

　　2 模型建设

　　2.1 三维地层结构模型建设

　　SKUA-GOCAD建模软件基于工作流(Workflows)思路进行三维模型建设，地层结构模型建设过程与人的思维保持一致。总体过程大致如下：数据录入、地层整理、模型生成、模型调整完善。

　　在数据录入阶段，主要解决的是建模工作中相关数据的“地质定义”，例如定义模型边界线、定义断层性质等，及所有导入到建模软件中参与建模的数据，都需要定义其本身的地质意义。

　　在地层整理阶段，主要解决的问题是各个地层的沉积顺序以及各个地层之间的接触关系(图3)。在该阶段还可以在各地层数据内增加或减少控制点，调整各个地层的颜色等。

　　在模型生成阶段，可以调整模型的精细度以及平滑程度，还可以通过软件自带的地层检查功能，检查每个参与建模的钻孔地层一致性(图4)，保证模型的数据准确性。

　　在模型调整完善阶段，可以引入控制钻孔与模型地层比对，发现误差较大的位置可以利用控制钻孔进行修正。因该软件基于工作流模式，可以便捷的退回地层整理步骤直接在误差地层上以钻孔地层为依据增加控制点，重新执行一次建模工作流即可完成模型调整完善。最终形成的三维地层结构模型见图5。

　　2.2 三维地质属性模型建设

　　SKUA-GOCAD建模软件可以在三维地层结构模型的基础上，以地层为约束单独在目标层内进行属性插值，建设三维地质属性模型。总体步骤可概括为：设置结构模型网格大小，数据分析，变异函数求取，以及属性插值。

　　(1)网格设置

　　结构模型创建完成后，根据不同层位建模精度的要求，选择性的设置不同网格密度。

　　以23层粉质粘土为例：平面上，综合工区范围，将网格设置为20m，与整体保持一致;垂向上，该层厚度平均约4.5m，将网格设置为0.5m(可据实际需求调整)。据此，该层所包含的全部网格数为430×491×9=1900170个(图6)。

　　(2)数据分析

　　数据分析阶段，主要对原始属性数据进行整理，利用人-机交互，按照数学方法对属性数据进行优化，根据地层的地质学特点剔除属性数据中的噪点，基于地质背景分析属性数据在目标层位的总体分布规律。若数据量大且分区复杂，可通过skua gocad平台的data and trend analysis板块实现分析(图7)，获取相应区块(region)的趋势，作为后续插值的约束条件;若数据量较少，未划分或仅有少数区块，可通过软件的计算器等工具栏完成数据分析(图8)。

　　(3)变异函数求取

　　以每个地层(已完成网格化处理)为约束条件，创建各地质体独立块体(region)，并将其作为变异函数求取的约束条件(图9)。因此，对同一属性，每一层位对应不同的变异函数。需要注意的是，变异函数的求取并非一蹴而就，需结合地質背景以及模型创建经验，不断试验，直至获取最符合地质认知的结果，插值方法采用克里格法。图10为23层粉质粘土的变异函数获取示例。

　　(4)属性插值

　　通过Reservoir Properties模块，选择合适的插值方法与已完成的变异函数，逐步完成属性赋值。对比不同变异函数的插值结果，基于地质认知选择最优者。处理各属性区域的颜色、数据显示方式等后，最终完成三维地质属性模型。图11为本次创建的含水量属性模型。

　　3 对比分析及应用

　　在属性建模方面，较为传统的是区域整体属性建模方法。该方法不考虑建模工区的地层分布情况，没有在工区地层内逐层约束插值建设属性模型，而是利用建模工区的整体厚度进行一次整体插值形成三维属性模型。这种模型通常是为了展示区域内地质属性整体情况，从宏观尺度进行地质分析应用，反应的是区域内地质属性的分布规律;而本文提到的基于地层约束的属性建模，充分考虑地层内部地质条件特征，以地层为约束，更能反应研究区范围内不同地层的属性差异。相比于区域整体属性模型，基于地层约束的属性模型更为精细、更能反应地层实际属性状态，在模型分析应用方面也更加灵活和便捷。

　　为了验证上述观点，同时研究地层约束前提下三维地质属性建模与传统三维地质属性建模数据成果的区别和关联，本次工作按照工区范围和深度，采用区域整体属性建模方法创建了一个区域整体三维地质属性模型用于比对分析(图12)。

　　通过二者比对，可证实存在以下关联和区别：二者在属性空间分布趋势上基本一致(例如各个属性值段分布的空间位置基本一致)，但存在属性空间区域的范围不同。产生这一结果的原因，主要是由于分层属性插值建模方法逐层设置插值参数，更符合每个地层的特点，而整体插值方法只针对了数据本身制定插值算法，未考虑每个地层的实际情况。以23层粉质粘土为例，单地层约束的插值结果参见图13，与整体插值在该地层截取的结果存在差异(图14)，但在反映层内属性数据的分布情况方面，更具代表性。

　　由于存在上述区别，基于地层约束的属性模型在应用层面不可用区域整体模型替代。基于地层约束的属性模型已经按照地层进行了划分，可以针对某一类地层开展模型应用研究，而区域整体模型无法指定某一类地层为对象开展研究工作;另外，利用地层约束的属性模型统计功能，可统计每个地层内属性的分布情况，辅助相关工作的开展。以筛选出地层含水率小于30%的地区作为初步选定研究区域为例：若利用区域整体属性模型进行分析，只能将区域内所有含水率小于30%的地区筛选出来(图15);而利用地层约束的属性模型能将每一层中含水率小于30%的区域筛选出来，同时可以分析每一层中筛选出的区域在整体筛选结果中的占比(图16)，结合地层岩性数据综合分析，有针对性提出的开发利用规划建议。

　　4 结论

　　三维地质建模技术发展迅速，已经有不少建模软件从单一数学算法建模提升到地质学概念结合数学算法建模的综合建模理念，且对建模流程进行了优化，提高了模型修改、完善的效率，本文所采用的SKUA-GOCAD三维地质建模软件就具备了以上特点，便于地质人员理解和使用。

　　基于地层约束下的三维地质属性模型建设，从属性数据分析、属性插值等方面，充分考虑了不同地层的地质属性数据特点，与传统的整体属性建模方法相比，在每个地层内分别对属性数据进行了插值参数定义，提高了三维地质属性模型的精度，扩展了模型的应用层次。

　　受研究深度所限，本次并未涉及模型分析相关研究，将会在后续工作中根据实际需要，逐步开展相关方面研究工作，提升模型实际应用效果。

　　参考文献

　　北京市地质调查研究院， 2017. 北京市地下空间资源调查评价及关键技术研究成果报告[R].

　　董慧超， 2011. 北京地铁九号线三维地质建模研究[D]. 中国地质大学(北京).

　　荆永滨， 2010. 矿床三维地质混合建模与属性插值技术的研究及应用[D]. 中南大学.

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