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物探与化探, 2025, 49(6): 1333-1342 doi: 10.11720/wtyht.2025.0101

方法研究信息处理仪器研制

雄安新区浅地表地质—地球物理三维可视化建模

朱帅鹏,1, 邱勇1, 徐志萍1, 刘巧霞1, 林吉焱1, 段永红1, 李菊红2

1.中国地震局 地球物理勘探中心, 河南 郑州 450002

2.帕拉代姆技术(北京)有限公司, 北京 100081

3D visualization modeling of shallow-surface geological and geophysical data in Xiong'an New Area

ZHU Shuai-Peng,1, QIU Yong1, XU Zhi-Ping1, LIU Qiao-Xia1, LIN Ji-Yan1, DUAN Yong-Hong1, LI Ju-Hong2

1. Geophysical Exploration Center, China Earthquake Administration, Zhengzhou 450002, China

2. Paradigm Technology(Beijing) Co. Ltd., Beijing 100081, China

第一作者: 朱帅鹏(1997-),男,2022年于中国地质大学(北京)获地质工程专业硕士学位,助理工程师,主要研究方向为三维地质建模。Email:zsp2437170785@163.com

收稿日期: 2025-04-14   修回日期: 2025-09-22  

基金资助: 国家自然科学基金(42374073)
河南省自然科学基金面上项目(242300421374)
中国地震局地球物理勘探中心青年基金项目(YFGEC2023011)

Received: 2025-04-14   Revised: 2025-09-22  

摘要

构建重点城市区三维可视化模型是实现多学科资料交叉融合、直观展示地层空间展布特征的重要手段。本文综合运用地球物理数据开展三维可视化模型构建,解决已有三维模型在地质—地球物理综合解释和成果具象展示等方面存在的不足。通过构建雄安核心区5 km以浅的三维构造模型和三维速度模型,揭示了三维S波速度分布特征对地层空间形态的响应,验证了雄安核心区凸起和凹陷相间发育的构造格局。0~1 km深度范围内,S波速度的横向均匀性反映了第四系和新近系地层的稳定沉积特征;1~2.2 km内,速度分带效应不明显,主要由于蓟县系热储层裂隙发育导致S波速度降低;2.2 km以深,徐水凹陷与容城凸起构造单元间显著的速度对比主要源于岩性差异及地层的不整合接触。通过构建三维速度模型,有助于突破有限地质资料的局限,从物理属性角度揭示雄安核心区地下三维结构的特征。

关键词： 三维建模; 三维S波速度模型; 雄安新区; 地球物理数据; SKUA-GOCAD

Abstract

The construction of three-dimensional visualization models in key urban areas is important for multidisciplinary data integration and intuitive presentation of spatial stratigraphic distribution.However,existing models face limitations in integrated geological-geophysical interpretation and concrete visualization of results.In response to this,this study established a 3D visualization model based on comprehensive geophysical data,specifically including a 3D structural model and a 3D velocity model for the Xiong'an core area down to 5 km depth.It revealed the correspondence between the 3D S-wave velocity distribution and the spatial morphology of strata,and validated the structural framework of alternating uplifts and depressions.To be specific,within the depth range of 0~1 km,the lateral homogeneity of S-wave velocity reflects the stable sedimentary characteristics of Quaternary and Neogene strata.Between 1 km and 2.2 km,the velocity zoning is unclear,primarily due to fracture development in the Jixianian geothermal reservoir,which leads to a reduction in S-wave velocity.Below 2.2 km,the significant velocity contrast between the Xushui Depression and the Rongcheng Uplift is mainly attributed to lithological differences and unconformable contacts.The construction of the 3D velocity model helps overcome the limitations of sparse geological data and reveals the subsurface 3D structures in the Xiong'an core area from a physical property perspective.

Keywords： 3D modeling; 3D S-wave velocity model; Xiong'an New Area; geophysical data; SKUA-GOCAD

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本文引用格式

朱帅鹏, 邱勇, 徐志萍, 刘巧霞, 林吉焱, 段永红, 李菊红. 雄安新区浅地表地质—地球物理三维可视化建模[J]. 物探与化探, 2025, 49(6): 1333-1342 doi:10.11720/wtyht.2025.0101

ZHU Shuai-Peng, QIU Yong, XU Zhi-Ping, LIU Qiao-Xia, LIN Ji-Yan, DUAN Yong-Hong, LI Ju-Hong. 3D visualization modeling of shallow-surface geological and geophysical data in Xiong'an New Area[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2025, 49(6): 1333-1342 doi:10.11720/wtyht.2025.0101

0 引言

三维地质模型是指利用计算机技术和地质学原理,在三维空间内对地下地质结构进行数字化表达[1-6]。相较于二维图形的地质数据解析方法,三维地质模型能够以三维空间的视角直观地展现某一区域的地质构造特征,更加准确地揭示地下空间内部分布规律及物性特征[7-10],为实现“地下透明”迈出关键一步。

三维地质模型的构建通常需要大量的地质资料,传统的建模工作主要依靠已有的钻孔、地质图、剖面图等资料[11]。然而,仅凭借地质资料构建的三维地质模型存在局限性,难以精确捕捉地质体在空间属性上的细微变化。地球物理资料可提供地质单元属性信息,通过地球物理场的变化来反映地质构造特征和地层岩性分布[12]。利用地球物理资料进行地质建模能弥补地质信息的不足,为分析地下结构及岩层分布情况提供重要支撑[13]。

作为国家层面的重点发展区域,雄安新区具有重要的战略价值和巨大的发展潜力。自设立以来,中国地质调查局已先后开展了一系列地球物理勘查工作,包括浅层地震勘查、高密度电阻率探测、大地电磁勘探和综合测井等,基于以上探测成果,构建了雄安新区三维可视化地质模型[14-15]。然而,现有的模型大多依赖钻孔和剖面资料,缺少对部分数据稀疏区域的有效约束,而三维速度信息能从空间上揭露地下岩层的三维空间形态、接触关系及构造格局等细节,利用物理属性的变化来响应地下结构的真实情况。因此,基于三维速度结构数据构建体现深浅构造的三维模型,对于揭示雄安新区地下空间的物性特征,推动地下资源合理开发利用具有重要应用价值。

本文基于具备成熟三维模型构建和分析功能的SKUA-GOCAD软件,结合地质资料与高分辨率的S波三维速度结构数据,分别构建雄安核心区域5 km以内浅层地壳三维构造模型和三维速度模型。通过将三维速度模型与三维构造模型进行对照分析,更直观地探求研究区地下地质信息与物理属性的规律特征,揭示三维速度模型对地下岩层分布形态的响应。

1 研究区概况

雄安新区坐落于京津冀地区腹地,由河北省保定市容城县、安新县和雄县组成,从大地构造来看,位于渤海湾盆地冀中坳陷的中部,其西缘的太行山隆起以整体间歇性隆起为主,在构造单元上,该区域自西向东呈凹陷与凸起交替出现的特征,依次包括徐水凹陷、容城凸起、牛北斜坡以及牛驼镇凸起,其周边分别与保定、廊固、霸县等凹陷相接(图1)[16-19]。西部的容城县地处容城凸起之上,东部的雄县位于牛驼镇凸起南端,而安新县则属于新区南部。容城断层、牛东断层、徐水—大城断层为研究区内3条主要隐伏断层,其中容城断层、牛东断层分别为容城凸起、牛驼镇凸起等地质构造单元的东边界断层,以NNE和NE走向为主[20-21]。

图1

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图1   雄安新区大地构造

图中构造单元划分据何登发等[18]修改,断层展布据商世杰等[20]修改,黑色矩形为雄安核心区域,浅蓝色线条为河流迹线

Fig.1   Geotectonic map of Xiong'an New Area


研究区地层分布较为清晰,地表被第四系(Q)沉积层所覆盖,主要由砂、黏土以及砾石组成;新近系(N)地层在区域内分布广泛,砂岩、泥岩互层发育;而古近系(E)地层在研究区内厚度变化较大,凸起区基本缺失,岩性主要为砂岩、泥岩;中元古界蓟县系(Jx)地层主要由厚层白云岩和白云质砂岩组成;长城系(Ch)发育碳酸盐岩,主要沉积白云岩和石英砂岩;太古宇(Ar)地层为变质岩,岩性主要为片麻岩[18-19,22-23]。

2 建模方法与数据

2.1 建模方法

SKUA-GOCAD是由Paradigm公司推出的三维建模软件,该软件创新性地将“地质时间域坐标系统”这一技术引入到建模过程中,将地层沉积及构造发育的过程按地质时间进行分阶段标定[24]。通过明确划分地质时间,成功克服了传统地质网格建模过程中受断层约束的限制,从而提升了模型的准确性和实用性[25]。建模过程中采用离散光滑插值(discrete smooth interpolation,DSI)法来构建地层及断层界面,其优势在于可以极大保留原始网格的几何细节,改善可视化效果。

该软件采用引导式的工作流程,有序地导入预处理数据,分阶段执行建模任务。模型的构建并不是完全根据软件的指引进行逐步操作,而是一定要基于研究区地质认识的基础上,明确地层、断层的类型并设置它们之间的接触关系,构建出符合实际地质情况的三维地质模型[26-28] 。

2.2 建模数据

构建精细的三维地质模型离不开高质量的数据支撑,前期数据收集工作是整个建模过程的基础[29-33]。本研究收集到的数据资料如表1所示,主要包括30 m分辨率的数字高程模型DEM、1幅1∶20万基础地质图、9幅地质剖面图、20幅地震反射剖面图(其中6幅为构造解释图)、49 个钻孔柱状图,三维S波速度结构数据来自908个点距为1 km的超密集短周期地震台阵40天以上的高质量连续观测资料,通过背景噪声成像技术处理分析得到的。这些数据资料来源多样,格式和精度不一,为确保模型的准确性和可靠性,通过参考雄安新区地质勘查规划(2019—2025年),雄安新区地热资源保护与开发利用规划(2019—2025年)等报告及相关文献,将不同数据进行评估筛选,采用多源数据融合技术,对各类数据进行综合解释。

表1   建模数据来源

Table 1  List of sources of modelling data

数据类型数据来源数据量数据概况
地形图Global Mapper
资源库		1幅研究区DEM数据,分辨率30 m
基础地质图中国地质调查局
发展研究中心		1幅保定幅1∶20万区域地质图,包含研究区的地质要素、地理要素等信息
地质剖面图汪新伟等[34]
戴明刚等[19]		9幅收集前人绘制的地质剖面图
地震剖面图中国地震局
地球物理勘探中心		20幅其中6幅为地震反射剖面构造解译图
钻孔自然资源
实物地质资料中心		49个钻孔数据由钻孔柱状图整理所得
地壳速度
结构		中国地震局
地球物理勘探中心		1份雄安新区地壳三维S波速度结构数据

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上述数据资料主要分为文本、栅格两种数据形式,对于DEM数据、由钻孔柱状图整理获得点格式(txt)的钻孔数据、三维S波速度结构数据等文本型数据,首先进行坐标系的统一,之后转换为SKUA-GOCAD软件支持的数据格式;对于基础地质图,地质剖面图、地震剖面图等栅格数据形式,第一步要进行数字化栅格图像,以TIFF、JPG、PNG格式导入MapGIS后,进行配准和坐标系投影转换,统一坐标系及比例尺,对地层分界线、断裂等线条矢量化,将这些矢量数据转换为适用于SKUA-GOCAD软件的数据格式,部分数据资料分布如图2所示。

图2

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图2   研究区数据资料分布

黑色矩形为雄安核心区域,AB红色线段为图切剖面位置

Fig.2   Map of data distribution in the study area


3 三维地质模型构建

本文采用地质、地球物理双线并行的三维建模思路。一方面,以地质剖面和地震剖面数据作为主要的地质建模数据,以钻孔数据作为约束,对地层和断层在三维空间中的位置及接触关系进行质量控制,构建三维构造模型。另一方面,通过导入地壳三维S波速度结构数据,进行网格化插值,获得研究区三维S波速度模型。建模涉及范围覆盖雄安新区核心建设区域,大致为东经115.7°~116.16°,北纬38.9°~39.15°,深度约5 km,行政区划上地跨容城、安新和雄县三县区域,东西长37 km,南北长26 km,地势相对平坦,平均海拔约20 m。

3.1 三维构造模型

三维构造模型以其直观性,清晰地描绘了地层和断层等构造要素的形态、位置及其相互间的关系[35-36]。由雄安核心区地质体模型(图3)、三维地质底界面模型(图4)可以观察到,1.4 km以浅地层产状相对平缓,厚度整体较为稳定,1.4 km以深由于该区域构造运动和沉积环境的变迁,导致地层呈现出明显的厚度变化,地层底界面展现出不同的形态特征。

图3

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图3   雄安核心区三维地质体模型

Fig.3   3D geological body model of Xiong'an core area


图4

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图4   雄安核心区三维地质底界面模型

Fig.4   3D geological bottom interface model of Xiong'an core area


地表被第四系地层所覆盖,呈现向东增厚的趋势,沉积厚度约200~600 m。新近系地层在研究区均有分布,底面自NW向SE埋深逐渐加大,呈北薄南厚的特征,沉积厚度400~800 m。古近系地层的厚度变化显著,从数百米至数千米不等,呈现出极大的差异性。在徐水凹陷、霸县凹陷内沉积厚度巨大,容城凸起和牛驼镇凸起上遭受不同程度的剥蚀,古近系地层的分布整体上受控于区域性构造活动,分别与上覆新近系和下伏蓟县系地层呈不整合接触。蓟县系地层受断层影响,埋深在研究区内变化较大,尤其在凸起部位由于强烈的剥蚀作用而明显减薄,造成地层局部缺失。长城系和太古界地层在研究区5 km深度范围内出露较少,在容城凸起和牛驼镇凸起埋深较浅,由于断层活动作用对地层的强烈改造作用,厚度自SW向NE逐渐增加。

根据现有的断层资料,本文构建出研究区内两条三维断层面。由图5可以看出,容城断层呈NNE走向,倾向SE,位于容城凸起与牛北斜坡两个构造单元之间,且与容城凸起构造形态近东走向几乎一致;牛东断层在研究区内呈NNE走向,倾向SE,位于牛驼镇凸起与霸县凹陷两个构造单元之间。根据何登发等[18]研究表明,容城断层和牛东断层的活动对蓟县系和长城系地层的空间格架产生了深远影响,经过长期的构造演化,形成了如今的构造格局。

图5

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图5   雄安核心区地质底界面与断层面三维展布

Fig.5   3D geological bottom interfaces and fault surfaces in Xiong'an core area


3.2 三维属性模型

地壳速度结构可反映地下介质的结构特征,是研究地下复杂地质结构的有效手段。在2.2 km以浅处,研究区S波速度结构在空间分布上表现出较为明显的横向均匀性。随着深度的增加,2.2 km以深处,速度分带效应较为明显,S波速度结构呈现出横向上的不均匀分布,反映了深部地层的介质差异性(图6)。

图6

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图6   雄安核心区三维速度结构模型纵向切片

Fig.6   Longitudinal slices of a 3D velocity structure model of Xiong'an core area


徐水凹陷在2.2~4.5 km深度范围内存在显著的S波低速区域,其特征与发育的构造展布形态近乎一致,这一现象与该区域古近系泥岩和砂岩的沉积特征密切相关,与周围的岩性差异共同作用导致。作为低速特征的凹陷区,S波低速异常的程度反映出了不同凹陷区沉积厚度的差异,如徐水凹陷低速异常最大延伸深度为4.5 km左右,沉积地层厚度可达3 km,徐水凹陷速度最低处反映的是沉积中心所在区域(图7)。

图7

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图7   三维S波速度提取(2.5 km/s≤vs≤2.6 km/s)

Fig.7   3D S-wave velocity extraction(2.5 km/s≤vs≤2.6 km/s)


容城凸起、牛北斜坡与牛驼镇凸起构造单元间呈现的S波高速特征较弱,速度总体上随着深度的增加而变大(图8)。横向分布上,S波在容城凸起与牛驼镇凸起范围内并没有表现出明显的高速隆起特征,推测该区域内2.2 km以浅的地层,可能由于地质体内部岩层的密度和孔隙度等差异影响S波速度值发生了变化,因此并没有表现出S波高速的隆起特征。

图8

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图8   三维S波速度提取(2.7 km/s≤vs≤3.3 km/s)

Fig.8   3D S-wave velocity extraction(2.7 km/s≤vs≤3.3 km/s)


3.3 模型合理性验证

基于定性地质认识,本研究采用确定性建模方法,模拟插值过程中考虑实际地层的细微变化,构建高吻合度三维构造模型。模型验证采用预留验证法,选取3个独立钻孔进行高程数据对比分析,结果显示各地层界面与实际数据基本一致,证实模型整体可靠性。局部偏差主要源于数据稀疏区离散光滑插值(DSI)算法的距离权重效应,揭示了数据量少和数据分布不均对插值精度的影响,符合光滑插值理论中“近端收敛、远端发散”的特性。

三维S波速度模型的数据来源于点距1 km的超密集短周期地震台阵观测资料,模型精度的验证主要与实际观测数据进行对比,较为吻合,空间分辨率受限于地震台站的分布密集度,覆盖均匀度,0~1.2 km以浅的横向分辨率约1 km,1.2~5 km横向分辨率约4 km。

4 三维可视化模型分析与讨论

4.1 典型剖面多源数据融合

为发挥多源数据融合的优势,更深入地分析速度结构与构造特征的关系,本文在钻孔分布密集区域,横跨徐水凹陷、容城凸起及牛驼镇凸起三大构造单元(图2),沿AB红色线段所示位置,分别在三维速度结构模型和三维构造模型中构建东西向垂直切片(图9,图10)。

图9

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图9   雄安核心区三维速度结构模型东西向垂直切片

图中黑色实线为剖面所过钻井,黑色波浪线为不整合界面

Fig.9   East-west vertical slices of the 3D velocity structure model of Xiong'an core area


图10

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图10   雄安核心区三维地质体模型东西向垂直切片

Fig.10   East-west vertical slices of the 3D geological body model of Xiong'an core area


通过地质信息深度整合,在三维S波速度切片中,将钻孔岩性数据与剖面解释成果进行协同约束,基于速度值垂向梯度变化特征,进行地层界面标定,修正地层界面形态(图9黑色虚线);依据剖面断层产状特征及速度梯度变化区域,标注容城断层(RCF)、牛东断层(NDF)轨迹延伸情况(图9白色虚线)。

尽管在三维地质体切片上的地层分界线受现有资料精度的限制,但对模型的分析仍具有重要作用。由结果可直观看出,切片显示出高、低速相间分布的形态特征与构造单元分区具有一定的对应关系,研究区高低速间的分界与不同构造单元边界之间存在较好的相关性。

4.2 速度结构和地质要素之间的关系

在钻探数据确定的0~1 km浅部范围内,第四系和新近系地层沉积过程相对稳定,多为黏土岩和松散沉积层,该深度对应的S波速度值较低,在0.35~1.4 km/s之间。S波速度结构体现出横向均匀性,没有明显的速度差异,因此无断层活动的迹象,推断容东断层和牛东断层在研究区域内并未穿透到新近系地层,表现为隐伏状态。

1~2.2 km深度内,速度分带效应显著弱化(ΔVs<0.5 km/s),未能揭示出古近系砂岩层和蓟县系白云岩层的分布特征,根据研究资料[34,37-38]推测是由于容城凸起与牛驼镇凸起构造单元在此深度范围内正好限定了蓟县系热储层的空间展布范围。作为雄安新区的主力热储层,该套白云岩热储层因受多期构造作用的叠加影响并伴随风化、剥蚀、淋滤等地质作用,导致岩石溶隙、裂缝在地质体内部发育,通过前人利用地表露头、岩心、薄片观察和测井等资料发现[39],蓟县系热储层裂隙发育段约占总储层厚度的30%左右,平均孔隙度约5.2±0.8%,由于白云岩孔隙结构等物理性质的变化,导致S波速度值降低,致使古近系砂岩与蓟县系白云岩速度响应呈弱差异特征。在徐水凹陷、牛北斜坡带和霸县凹陷等构造单元内,古近系地层并未在横向上体现出速度差异性,随着埋深增加,机械压实与化学胶结作用增强,速度值整体呈现增大趋势,从1.4 km/s增大到2.6 km/s。

2.2 km以深,速度值呈现出明显的分带效应,其中徐水凹陷与容城凸起交界部位表现尤为突出,速度差异主要归因于古近系与蓟县系角度不整合接触界面的岩性突变效应,从古近系以砂岩、泥岩为主的沉积特征到蓟县系白云岩的沉积,岩石的物理性质(如固结程度、含水率等)很大程度上决定了速度值。徐水凹陷的低速边界深至4.5 km,与三维地质体切片所显示的古近系砂岩沉积底面的深度相吻合,这表明速度值对地层具有良好的响应。以碳酸盐岩沉积为主的蓟县系地层和长城系地层以2.6 km/s的速度值为界,其展布形态与区域构造抬升事件较为匹配,发育变质岩的太古界地层S波速度值在3.0 km/s以上,与变质作用形成的致密晶体结构直接相关。

综合S波速度水平分布图像特征,在1 km以深处,两条断层两侧可以看到较为明显的速度变化,断层沿线在1~2.2 km深度范围内的速度变化梯度较弱,在2.2~5 km则存在相对低速异常特征。容东正断层的活动控制了牛北斜坡内古近系的沉积,沉积厚度最高可达1 km,古近系地层厚度自西向东在经过牛东断层有明显增厚趋势。总的来说,该研究区域的断层在第四纪期间的活动并不显著,表明雄安新区总体上位于一个地质构造相对稳定的地带。

由上述分析可知,S波高低速差异大致以凹陷、凸起不同构造边界为界限,这种高、低速分布特征可能是由于凹陷区域沉积新地层,而凸起区域抬升老地层所造成。该区域的地质构造特征和地层岩性是影响S波速度结构分布不均匀的重要因素。

4.3 地球物理信息对地下结构探测的启示

传统的地下三维结构的探测往往依赖于钻孔资料及地震、地质剖面,而钻孔数量终归是有限的,地震、地质剖面也往往分布不均,尤其是对于区域范围内的探测而言,点和线信息总是存在因数据稀疏区域而带来不确定性。本研究引入雄安核心区域超密集台阵天然地震S波速度数据,提供了更广泛、更均匀的地下地球物理信息,在0~1 km深度范围内,反映了大范围地壳结构的稳定性,支持雄安新区整体稳定的工程地质结论,与钻孔资料的单点结论相比更具空间普适性;基于S波速度数据对岩层物理性质的响应,刻画了蓟县系热储层裂隙发育带位于1~2.2 km的深度范围;2.2 km以深,展现深部的地质构造特征,揭示徐水凹陷相对低速异常最深处达4.5 km,修正了古近系底界面的构造形态。综合来看,通过借助地球物理信息(如地下岩层的密度、速度、电阻率等),构建三维物理属性模型,有助于突破地质资料稀疏性的约束,为城市地下结构探测提供普适路径。

5 结论

通过构建雄安核心区5 km以浅的三维构造模型和三维速度结构模型,揭示了速度分布对地层形态的响应,研究区内凹陷、凸起的构造格局控制S波速度分布特征,岩层的物理性质影响S波速度的大小。0~1 km深度范围内,速度结构的横向均匀性验证了雄安新区浅层地壳(1 km以内)结构简单、稳定;1~2.2 km内,速度分带效应不明显主要归因于容城凸起与牛驼镇凸起在此深度范围内位于蓟县系热储层,裂隙较为发育,导致古近系砂岩与蓟县系白云岩速度边界模糊;2.2 km以深,徐水凹陷与容城凸起构造单元间明显的速度对比主要由于岩性差异以及地层的不整合接触,揭示徐水凹陷低速异常最深处可达4.5 km。基于三维S波速度数据,有效地补充了传统地质资料的不足,从物理属性的角度揭示了地下三维结构。

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