孟祥菲1 马翠2 刘光2
1.黑龙江省九0四环境工程勘察设计院 黑龙江哈尔滨 150027；2.黑龙江省九0四水文地质工程地质勘察院 黑龙江哈尔滨 150027
摘要：在地热资源勘查初期，掌握研究区地质及水文地质条件至关重要。因此，建立研究区热储三维地质结构模型，对模拟结果加以详细、准确的分析，是确保地热工作顺利进行的一种重要手段。本文借助于GMS软件中地层模拟模块，利用地质资料、钻孔数据和物探信息，结合虚拟钻孔，构建了大庆北部地区三维地质结构模型及热储结构模型。模型真实反应了区域地质结构，细致刻画了热储分布情况，为认识区域地质条件提供了便捷的工具，为计算区域地下水资源储量、地热储量奠定了基础。
关键词：GMS；大庆北部；热储；地质结构模型
影响地壳浅部热储状态的因素包括基岩起伏、构造形态以及地下水活动等。热储是埋藏于地下、具有有效空隙和渗透性的地层、岩体或构造带，其中储存的地热流体可供开发利用。从区域到局部地带，基岩的起伏、构造形态对地壳浅部地温场及热储的分布都起着重要的作用。因此，研究地热的形成、蕴藏情况与特点，就必须对地层构造有深刻而全面的了解[1]。
三维地质结构建模就是利用现代计算机技术，在3D立体空间下，将研究区的勘探数据、地质解译、地学统计、空间信息管理、空间分析、空间预测、实体内容分析、图形数字化、图形可视化等工具结合起来，用于地质研究的三维空间模拟技术[2-3]。
基于 GMS 软件构建大庆市北部地区三维热储地质结构模型，可将二维抽象的热储数据信息，以三维可视化的图形方式表达；借GMS软件的三维可视化工具，可任意剖切模型，从三维空间的角度观察大庆市北部地区热储层空间变化特征， 有利于分析和认识其内部的热储条件。
1 研究区概况
研究区位于大庆市北部地区，南起大庆市，北至林甸县，西起杜尔伯特蒙古族自治县，东至大庆市边界，地理坐标：北纬46°20′00″—47°40′00″，东经124°40′00″—125°20′00″，研究区总面积9222.08km2。
大庆地区位于松辽盆地的中北部，总的地势北东部高，南西部低，地形呈波状起伏。北部分布有较多的砂丘、砂垄，多呈南北向及北北西向展布。湖泡、湿地分布广泛，水域面积较广，显示出低平原的景观特征。按地貌成因类型划分，属湖成地貌；按岩性形态划分，为冲、湖积泥砂低平原，由粉砂质粘土、黄土状粉砂质粘土、粉细砂等组成。
区内基底主要由古生代浅变质岩以及各时期侵入的花岗岩组成，其上堆积了巨厚的陆相碎屑岩地层，主要为白垩系、第三系砂岩、泥岩、砂质泥岩及第四系松散砂、砂砾石、砂质粘土等，它们相互成层，为多层地下水的赋存创造了极其有利的条件。该区地层层序自下而上为中生界白垩系登娄库组、泉头组、青山口组、姚家组、嫩江组、四方台组、明水组，新生界古近系依安组，第四系泰康组、林甸组。根据地下水赋存条件、地形地貌和水文地质特征，区内分为以第四系孔隙潜水、孔隙承水及第三系、白垩系裂隙孔隙层间承压水为主的盆地水文地质单元和以风化裂隙、构造裂隙水为主的盆周水文地质地块。
2 三维地质结构模型的建立
2.1 建立方法
GMS地下水模拟系统是水文地质专业、水环境专业广泛应用的软件，本次利用GMS软件中Map模块、TINs模块、Borehole模块和Solid模块建立三维地质结构模型，其建模步骤见图2-1，主要包括：Map模块中导入地理底图并确定对应的坐标位置，绘制工作区边界，生成相应TINs文件；将研究区内所有可用的钻孔资料在 Excel 文件中加以整理及编号，完成后导入GMS中的Borehole模块，生成钻孔数据；使用Borehole模块中的命令，生成地质结构实体（Solid），建立三维地质结构模型。
图2-1 GMS三维地质结构建模流程
2.2 建立步骤
（1）确定建模边界，建立三角网格
运行GMS软件，在菜单栏中打开地理底图，对其进行坐标配准并建立坐标系。定位好地理地图之后，在MAP模块下根据研究范围，绘制出所要建模的边界范围，并建立成区。
确定建模边界之后，右键点击所建立的图层，对边界曲线进行剖分，重新分配边界上的节点间距，再建立TINs。本次研究共剖分三角形23499个，使用结点12019个在剖分过程中采用Kriging插值法进行插值计算，并将相应结果赋值到相应的TIN上。
（2）地质条件概化
在地质实体建立之前，首先要对研究区地质条件进行概化处理，地质条件概化需综合考虑区域地质、地球物理勘探、钻探等多种信息。本次研究重点是热储条件较好的白垩系地层，第四系地层不作为重点研究对象，且其各组地层厚度较薄，单一划分在模型中不具备代表性，故可将第四系统一概化为一层。结合研究区收集的钻孔资料，对区内地层分布条件进行统计，并对其厚度、岩性特征等进行概化处理（见表2-1），自下而上划分为8组，由于白垩系登楼库组地层埋深较深，钻孔揭露程度较低，并且不是本区的主要热储层，故本次研究不进行模拟。
（3）导入钻孔数据，建立三维地质结构
在地层概化的基础上，选择具有代表性的钻孔，整理钻孔编号、坐标、概化地层的顶、底板高程和地层编号等有关数据，生成GMS识别的文件格式，作为建模的原始数据，导入GMS中生成Borehole Data文件，并进行相关参数勾选。将钻孔资料导入后，调整钻孔资料在GMS软件中的显示比例，变化GMS观察视角，便呈现出各钻孔资料空间分布及各自状态（见图2-2）。
图2-2 部分钻孔结构图
在Borehole模块中，通过Borehole菜单的Horizons→Solid命令，建立三维地质结构模型（见图2-3）。
图2-3 三维地质结构模型
从构建的三维地质结构模型可分层展示、观察主要热储层——白垩系各地层厚度及其空间分布情况，模型地层分布特征符合区域地质条件，三维地质结构模型能够任意角度旋转，并进行任意位置的剖面切割展示（见图2-4）。可视化的地层结构模型形象直观的展示了地层的立体结构，为深入分析区域地质特征提供了便利。
图2-4 三维地质结构模型剖面图
3 三维热储结构模型的建立与功能
3.1 模型的建立
为较为准确的掌握研究区内热储层位，了解白垩系各组地层中富水性好的含水层分布情况，可结合已有钻孔资料以及大地电场岩性探测技术建立三维含水层结构模型。
大地电场岩性探测技术是通过接收空间中的电磁波在地下不同深度介质界面所产生低频反射电磁场信息，判断与识别地下介质界面的一种物探方法。比如在岩性界面、断层、油气层、含水层等部位，大地电磁测深曲线均会有所显示，从而达到找油、找水的目的。该方法具有垂直分辨率高的特点，尤其对地下薄层及条带状含油气、含水砂层具有独到的鉴别能力[4]，是识别地下热储层的有效方法之一。
本次工作布设岩性探测点共40个，沿四条近东西向剖线布设，通过利用已有钻孔资料在研究区内进行插值，计算出40个岩性探测点位置处的白垩系各组地层的顶底板高程，再将岩性探测工作中预测的含水层对应到各组地层中，最后以组为单位建立三维热储结构模型。
图3-1 白垩系三维热储结构模型剖面图
3.2 模型的功能
（1）辅助水文地质条件分析
基于GMS构建地质结构体，可以看出该区地层并不是自下而上平行均匀展布，而是呈现出区块状分布的特征。地质结构体的特征可为含水层的概化、水文地质参数的分区等分析提供依据。另外，模型可以计算各分层的地层体积（见表3-1），可为区域地下水资源储量、地热储量估算提供定量依据。
4 结论
（1）基于GMS软件中Map、TINs、Borehole和Solid模块，利用地质资料、钻孔数据和物探信息，构建了可视化的大庆北部地区三维地质结构模型及热储结构模型。模型构建方法可行，为复杂地质结构区模型构建提供了参考。
（2）模型能够进行任意方向旋转以及任意位置的剖面切割。地质结构模型根据地层岩性分为8层，较真实的反应了区域地质结构，为认识区域地质条件提供了便捷的工具；热储结构模型对各岩组进行分层展示，较为细致的刻画了热储分布情况，为计算区域地下水资源储量、地热储量奠定了基础。
（3）模型的建立包含了建模者的概化思想，根据建模目的、功能的不同，地层划分、合并以及简化、省略等处理会有所差异。模型精度依赖于建模的基础数据信息，基于地质、水文、物探等多源数据建模对提高模型可靠性具有重要作用。
参考文献
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[8] 崔义文,张丽玲.长春市第四系三维地质结构模型的研究[J].吉林地质,2008(02):125-130.
作者简介：孟祥菲（1990-），女，辽宁沈阳人，工程师，主要从事水工环地质工作。
论文作者:孟祥菲1,马翠2,刘光2
论文发表刊物:《防护工程》2018年第14期
论文发表时间:2018/10/19
标签：地质论文; 模型论文; 结构论文; 地层论文; 钻孔论文; 地热论文; 白垩论文; 《防护工程》2018年第14期论文;