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；阶层；钻井数据

0前言

随着计算机建模技术的发展和硬件操作水平的提高，三维地质建模技术日趋成熟(王雅静，2016)。根据建模的数据来源不同，三维地质建模方法有五种:①钻井数据建模:利用钻井分层数据直接建立基础数据库，利用建模软件完成模型构建；②剖面数据建模:要对二维剖面数据建模& ldquo立体& rdquo，利用剖面网格通过人机交互或建模软件自动完成三维地质模型的构建；③三维地震数据建模:基于地震数据解释技术，采用井震结合、相位控制的方法建立三维地质模型(张阳阳等，2013)；④属性数据建模:在3D 空中建立网格，以离散的属性点作为插值点，在空之间按照空之间特定的插值算法进行插值，反映地质体内部的属性状态；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。构建模型，数据是相辅相成、相互制约的对象，协调统一，提高模型的精度。

在三维地质模型的构建和应用方面，国内油气勘探的应用程度最高，其次是有色贵金属矿山，城市地质也已起步(李庆元等，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、渗透率和含气饱和度模型，定量描述储层参数空之间的非均质性(王伟，2013)；在金属矿山领域，以铜矿床分析为例，建立不同类型的构造模型，对铜品位进行克里金插值(荆永斌，2010)；在城市地质学领域，以北京地铁9号线某段为例，将实验值赋给同一土层并插值，形成参数模型(董会超，2011)；在其他领域，以土壤性质三维模型的构建为例，利用地统计学插值方法获取采样梯度为10cm的土壤样本，实现了农田尺度土壤有机质、pH、钙、锌三维模型的构建和空之间的分异规律分析(周思维，2022)。

本文在前人研究的基础上，以当前城市地下资源开发利用的主要深度(地下50m)以内的地层为研究对象，选取北京东部平原约60km2作为研究区域，构建三维结构模型。以结构模型的每个地层为约束体，逐层进行属性插值，构建三维地质属性模型，更加精细地刻画了该区地层属性的分布规律。

1数据标准化

本研究采用SKUA-GOCAD建模软件辅助构建三维地质模型，并根据其数据格式要求进行数据标准化。

1.1地层数据标准化

研究区共有15个钻孔，深度均为50m左右。基于该区以往工程层剖面数据，对钻孔数据进行了标准化处理。

参照该地区工程层以往剖面资料，与本次工作使用的15个钻孔进行地层对比标定，标定是在以往地层韵律较大的背景下，根据15个钻孔的实际分层进行的，形成本次研究工作的标准分层。标准层自上而下依次为: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。

根据建模软件的数据格式要求，将15个钻孔的分层数据进行拆分，形成钻孔分层数据表。每个钻孔分层有15个数据表，由该层对应的钻孔分层数据组成。数据表包括钻孔编号、地层代码、地层顶部深度和坐标。

1.2属性数据标准化

整理了15个钻孔的室内土工试验表，并按标准化地层深度进行了细分。土工试验取样深度跨越地层深度时，按以下处理:根据地层顶底板深度分段提取相应的土工试验数据，根据提取的土工试验数据厚度计算中心点坐标的Z值(图2)。

完成属性数据分段后，重新整理数据表，将15个钻孔包含的属性数据按地层顺序入库。数据表包含钻孔编号、参数值和坐标。

至此，完成了建模中用到的钻井分层数据和属性数据的整理和输入。

2模型构建

2.1三维地层结构模型构建

SKUA-GOCAD建模软件基于工作流构建三维模型，构建地层结构模型的过程与人的思维一致。总体流程如下:数据录入、地层整理、模型生成、模型调整。

在数据录入阶段，主要解决的是建模中的相关数据& ldquo地质定义& rdquo比如定义模型的边界线，定义断层性质等。，并且所有导入建模软件参与建模的数据都需要定义自己的地质意义。

在地层排列阶段，要解决的主要问题是各个地层的沉积顺序和各个地层之间的接触关系(图3)。在这个阶段，可以在每个地层的数据中增加或减少控制点，并且可以调整每个地层的颜色。

在模型生成阶段，可以调整模型的精细度和光滑度，通过软件的地层检查功能(图4)检查参与建模的各个钻孔的地层一致性，保证模型数据的准确性。

在模型调整和改进阶段，可以引入控制钻孔与模型地层进行对比，利用控制钻孔对误差较大的位置进行校正。由于软件是基于工作流模式的，所以可以很容易地返回到地层固结步骤，直接在基于钻孔地层的错误地层上添加控制点，并且可以通过重新执行建模工作流来调整和改进模型。最终的三维地层结构模型如图5所示。

2.2三维地质属性模型的构建

SKUA-GOCAD建模软件可以在三维地层结构模型的基础上，用地层的约束对目的层中的属性进行插值，建立三维地质属性模型。总体步骤可以概括为:设置构造模型网格大小、数据分析、获取变差函数、属性插值。

(1)网格设置

构造创建后，根据不同层位的建模精度要求，有选择地设置不同的网格密度。

以23层粉质粘土为例:平面上，网格设置为20m，与全区一致；纵向上，该层平均厚度约为4.5m，网格设置为0.5m(可根据实际需求调整)。因此，这一层中的网格总数是430×104个。491 & times9=1900170(图6)。

(2)数据分析

在数据分析阶段，对原始属性数据进行整理，根据数学方法通过人机交互对属性数据进行优化。根据地层的地质特征去除属性数据中的噪声，以地质背景为基础分析属性数据在目的层的总体分布规律。如果数据量大，分区复杂，可以使用skua gocad平台的数据和趋势分析板进行分析(图7)，得到对应区域的趋势，作为后续插值的约束条件；如果数据量很小，没有分区或者只有几个块，可以通过计算器等软件的工具栏完成数据分析(图8)。

(3)获得变差函数。

将每个地层(已经网格化)作为约束条件，并创建每个土体的独立区域，将其作为变差函数得到的约束条件(图9)。因此，对于同一属性，每个层位对应一个不同的变差函数。需要注意的是，变差函数不是一朝一夕就能得到的。需要结合地质背景和造模经验，不断实验，直到得到最符合地质认知的结果。插值方法是克里金法。图10显示了获得23层粉质粘土的变差函数的示例。

(4)属性插值

通过储层属性模块，选择合适的插值方法和完成的变差函数，逐步完成属性赋值。比较不同变差函数的插值结果，基于地质认知选择最佳的。对各属性区域的颜色和数据显示方式进行处理后，最终完成三维地质属性模型。图11显示了这次创建的含水量属性模型。

3比较分析与应用

在属性建模方面，传统的属性建模方法是整个区域。该方法不考虑建模工区的地层分布，不在工区地层中通过逐层约束插值构建属性模型。而是将建模工区的整个厚度用于整体插值，形成三维属性模型。该模型通常用于展示区域内地质属性的总体情况，从宏观尺度进行地质分析和应用，反映区域内地质属性的分布规律；本文提到的基于地层约束的属性建模充分考虑了地层中地质条件的特点，以地层为约束，能更好地反映研究区不同地层的属性差异。与整个区域属性模型相比，基于地层约束的属性模型更加细化，能够更好地反映地层的实际属性状态，在模型分析和应用上更加灵活方便。

为了验证上述观点，研究在地层约束的前提下，三维地质属性建模与传统三维地质属性建模数据结果的差异和相关性，根据工区范围和深度，本次工作采用区域整体属性建模方法，建立区域整体三维地质属性模型进行对比分析(图12)。

通过两者之间的比较，可以确认有以下联系和区别:在属性空之间的分布趋势上基本相同(比如每个属性值段的空之间的位置基本相同)，但在属性空之间有不同的区域。造成这种结果的原因是分层属性插值建模方法逐层设置插值参数，更符合各地层的特点。而整体插值方法只对数据本身做插值算法，没有考虑各个地层的实际情况。以23层粉质粘土为例，单层约束的插值结果如图13所示，与该层整体插值截取的结果(图14)不同，但更能反映属性数据在该层的分布情况。

由于上述差异，基于地层约束的属性模型在应用层面无法被整个区域模型所替代。基于地层约束的属性模型已经按照地层进行了划分，可以针对某个地层进行模型应用研究，但是整个区域模型不能指定某个地层进行研究工作。此外，利用受地层约束的属性模型的统计功能，可以统计属性在各地层中的分布情况，可以辅助相关工作。以选取地层含水率小于30%的区域作为初步选取的研究区域为例:如果使用该区域的整体属性模型进行分析，则只能选取该区域地层含水率小于30%的所有区域(图15)；利用地层约束的属性模型，可以筛选出各个地层中含水率小于30%的区域，同时可以分析各个地层中被筛选的区域在整体筛选结果中所占的比例(图16)。结合地层岩性资料综合分析，提出有针对性的开发利用规划建议。

4结论

随着三维地质建模技术的快速发展，许多建模软件已经从单一的数学算法建模升级到地质概念与数学算法建模相结合的综合建模理念，并优化了建模过程，提高了模型修改和改进的效率。本文使用的SKUA-GOCAD三维地质建模软件具有上述特点，便于地质学家理解和使用。

在构建受地层约束的三维地质属性模型的基础上，从属性数据分析和属性插值两个方面充分考虑了不同地层地质属性数据的特点。与传统的整体属性建模方法相比，在每个地层中定义属性数据的插值参数，提高了三维地质属性模型的精度，扩展了模型的应用层次。

由于研究深度的限制，本次没有进行与模型分析相关的研究。在后续工作中，我们将根据实际需要，逐步开展相关研究工作，提高模型的实际应用效果。

参考

北京地质调查研究院，2017。北京地下资源调查评价空及关键技术研究成果报告[R]。

董会超，2011。北京地铁9号线三维地质建模研究[D].中国地质大学(北京)。

京滨，2010。矿床三维地质混合建模及属性插值技术的研究与应用[D].中南大学。