0.   引言

平原区一直是我国重要的工农业基地，人口密集，城市化水平高，与经济发展密切相关的大面积松散沉积物覆盖区的地质条件、地质环境保护、地下水开发、工程建设的地面稳定性等问题，已越来越多地被社会所关注。浅表的第四纪地质调查是平原区地质填图的重要组成部分，研究与浅层地下水、土壤污染等环境地质问题密切相关的3~5 m以浅松散沉积物的组成是平原区浅表地质调查的主要任务。在浅表地质调查中，槽型取样钻技术是目前国内外普遍采用的技术手段^[1~2]，可揭露3~5 m以浅松散沉积物组成。地质图上加以槽型钻柱状图表达，这种表达方式虽然可以使人大致了解浅表的沉积物组成，但是，由于槽型钻柱状图仅能代表孤立的地质点上的沉积物组成，直观性不够，并且不能直接应用于浅表地质环境的研究当中，当人们需要了解浅表较详细的沉积物物质组成以及不同时代或不同岩性岩层的展布时，传统的地质图表达方式已不能满足人们的需求^[3]。

本文以1:5万生祠堂镇幅浅表地质填图为例，以层面为空间约束条件，以槽型钻揭露的各层沉积物粒度为属性约束条件，快速生成沉积物粒度的三维模型，模型能够更好地表达沉积物颗粒粗细的分布特征，应用领域广泛。

1.   研究区地貌概况及填图

研究区位于江苏省泰兴市与靖江市交界处(见图 1)，属长江三角洲核心区域，面积约437.3 km²，地面高程2~7 m，相对高度1~5 m，地表沉积物为长江所携带的泥沙堆积而成，主要为长江边滩、心滩、河漫滩相灰黄、灰色粉砂质粘土、粘土质粉砂、粉砂。通过分析ETM遥感影像，参考地质、水文、土壤、植被等地理要素的相关信息，综合分析判读，对研究区地貌进行综合解译(见图 1)。研究区地貌类型属长江三角洲冲积平原，主要地貌类型为边滩、心滩及河漫滩等。

图  1  研究区范围及遥感地貌解译

Figure  1.  Coverage and remote sensing interpretation of study area

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采用槽型钻进行路线填图时，地质路线安排采用穿越法为主、追索法为辅，布置的原则为穿越不同地貌、地质单元。对特殊意义的地质体采用多种方法相结合，以准确圈定其界线。本次根据地貌解译结果，布置了北西向路线15条，路线间距控制在1.5~2 km/线，地质点点距不大于线距，实际槽型钻位置见图 2。

图  2  槽型钻位置

Figure  2.  groove drill position

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2.   三维浅表模型构建流程

目前，我国新近开展的区域地质调查工作在数字填图系统(DGSS)^[4~5]中均建立了较为全面的空间数据库，将野外路线数据、槽形钻分层数据、实际材料图、地质图等原始资料和成果统一组织管理，这就为浅表三维模型的建立奠定了坚实的数据基础。本文正是基于这些资料，提取了野外调查槽型钻的位置、沉积物分层深度以及粒度等信息，将其转化为空间位置和空间属性信息，进而生成三维空间属性点。同时，根据区域地质背景，建立研究区浅表标准分层，对槽型钻进行标准化分层，进而建立分层地质面，以分层地质面为分割面，生成各标准层位的三维格网模型，以三维空间属性点为插值属性控制点，基于DSI插值算法，生成沉积物粒度三维属性模型，基本流程见图 3所示。

图  3  三维浅表模型构建基本流程

Figure  3.  Flow chart of 3D modelling of surficial deposits

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在图 3所示的浅表三维模型构建基本流程中，DSI(Discrete Smooth Interpolation，离散光滑插值)是模型构建的关键技术，该插值方法是由法国Nancy大学Mallet教授提出的^[6]，DSI算法的基本内容是对一个离散化的自然体模型，建立相互之间联系的网络，如果网络上的点值满足某种约束条件，则未知节点上的值可通过解一个线性方程得到^[7]。DSI通常用于地质结构面的拟合^[8~10]，在本次试验中，认为在横向上属性变化不大的浅表粒度建模也可适用。

3.   浅表三维模型构建

3.1   岩性信息获取

通过槽型钻获取的岩心样如图 4所示，可揭示沉积物颜色、岩性、成分、结构构造、粘性、塑性等。

图  4  槽型钻岩心示意图

Figure  4.  groove core

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该槽型钻描述如下：

① 0~0.20 m：耕植土，黄褐色、灰黄色，含较多的植物根茎残留。

② 0.20~1.50 m：灰黄—黄褐色粉砂质粘土，颜色为灰黄—黄褐色，岩性为粉砂质粘土，粉砂泥质结构，块状构造，切面较光滑，可塑—软塑，能搓成细长条状，但手搓仍有明显砂感，局部有少量锈黄色斑点。

③ 1.50~2.20 m：灰—灰黄色粘土质粉砂、粉砂，颜色为灰—灰黄色，岩性为粘土质粉砂，局部达到粉砂，砂质结构，手搓砂感明显，切面较粗糙，略显水平层理，局部见有锈黄色斑点、斑块，含少量云母碎片。

④ 2.20~4.00 m：青灰色粉细砂，颜色为灰—青灰色，岩性为粉细砂，砂质结构，手搓砂感明显，切面较粗糙，顶部20 cm颜色灰黄—青灰色，略显粘土质粉砂—粉砂质粘土，略有粘性，层中有水平层理可见。

3.2   岩性量化

根据研究区槽型钻揭露，区内地表 0~4 m范围内沉积物主要分为三层，顶部为耕植土层，厚0~0.5 m；中间层为边滩、心滩相灰黄、黄灰、灰色粉砂质粘土、粘土质粉砂、粉砂，厚0.5~3.5 m；底部为滨海相青灰色粉砂、粉细砂、细砂，区内所有槽型钻均未见其底，依据周边深钻揭露，厚约2~7 m。

结合区内槽型钻揭露的岩性特征，按照沉积物颗粒的粗细，可将4 m以浅的沉积物量化(见表 1)：

表  1  研究区槽型钻揭露岩性粒度量化表

Table  1.  Sediments' granularity quantification

岩性	量化值	岩性	量化值	岩性	量化值
粘土/含粉砂粘土	1	粉砂质粘土	2	粘土质粉砂	3
含粘土粉砂/ 粉砂/粉细砂	4	耕植土	6

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因此，图 4所示的槽型钻岩性可量化为：0~0.2 m，6；0.2~1.5 m，2；1.5~2.2 m，3；2.2~4 m，4。同理，将区内所有槽型钻进行岩性的量化，这样各槽型钻各岩性段均赋予了粒度属性特征，代表了沉积物的粗细。至此，槽型钻空间位置、分层深度、粒度属性值组成三维空间属性点。

3.3   浅表三维模型生成

根据槽型钻揭露深度，拟定本次研究对象为0~4 m范围内的沉积物，主要分为三个地质层面，由下而上分别为滨海相潮上带沉积层、河漫滩和河床相沉积层、耕植土层，将这三个层位定为本次研究的标准层位。各层沉积环境相差较大，因而需对各层分别建模。根据地质描述，将每个槽型钻进行标准分层，然后提取各分层的层底埋深，建立三个层位的层面模型，见图 5。

图  5  研究区标准层面空间展布

Figure  5.  Distribution of geological marker horizons in study area

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考虑到区内沉积物粒度垂向上变化较横向上变化大，且地貌界线走向为近东西向，因此，将全区划分为400×400×100的三维格网，即每个单元格网为扁的长方体，大小为60 m×45 m×0.04 m。全区格网被三个标准层面切割为三部分，分别代表三个标准层位，其中，耕植土格网的粒度属性值均被定义为6，因而无需插值。

通过DSI，分别对滨海相沉积层和河流相沉积层进行插值运算，由于插值后属性大小位于1~4之间，为与岩性对应，需要对插值后的属性数值进行重分类，通过多方对比，本文选取表 2所示区间将插值结果分区表达，得到浅表三维岩性模型(见图 6)。同时，可对模型进行等距剖切，得到浅表岩性模型剖切图(见图 7)。

表  2  属性区间与岩性对应表

Table  2.  Correspondence table of attribute interval and lithology

岩性	属性区间	岩性	属性区间	岩性	属性区间
粘土/含粉砂粘土	1~1.5	粉砂质粘土	1.5~2.5	粘土质粉砂	2.5~3.5
含粘土粉砂/粉砂/粉细砂	3.5~4	耕植土	6

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图  6  浅表三维岩性模型

Figure  6.  lithological model of surficial deposits

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图  7  浅表岩性模型剖切图

Figure  7.  Geological fence diagram of surficial deposits

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图 7中可明显看出沉积物粒度纵向、横向的变化。岩性整体垂向上由下而上显示由粗到细的变化特征，揭露深度愈深，粒度愈大，第二层河流相沉积层以粉砂质粘土、粘土质粉砂为主，第三层滨海相沉积层以粉砂/粉细砂为主，这与槽型钻揭露的岩性特征基本一致；横向上则表现为南细北粗的特征。

4.   三维模型地质解译

研究区浅表三维模型是结合地质分层和沉积物岩性两者构建的，因而，相对于传统的槽型钻剖面和地质图，不仅能表达纵向分层，还可客观表达岩性横向的变化。

为进一步挖掘浅表三维模型所表达的地质意义，选择AA′剖面，对三维模型进行切割，见图 8所示。

图  8  AA′剖面岩性岩相变化

Figure  8.  Lithology and lithofacies of section AA′

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该剖面清晰地揭示了浅层松散沉积物岩性空间分布特征，地表 4 m以浅由下而上主要分为两层(耕植土除外)，下部是滨海相潮上带的青灰色粉砂、粉细砂，上部主要为河流冲积相沉积，剖面北西部分表现为河漫滩相灰黄、黄灰色粘土质粉砂、粉砂为主，中间部分表现为边滩相灰黄、黄灰色粉砂质粘土，局部为粘土质粉砂，南东部分表现为心滩相灰黄、黄灰色粉砂质粘土和粘土质粉砂为主。同时，图 8还揭示，上层的河流相沉积物粗细的分布与底层层面的起伏有一定关系，在底层层面高的地方，沉积物颗粒较细，以粉砂质粘土为主，而在底层层面相对低的地方，沉积物颗粒粗，以粉砂/粉细砂为主。

此外，浅表三维模型还可辅助岩性岩相界线的勾绘，由于研究区地表全部被耕植土覆盖，因而岩性岩相图需要剥去耕植土层，在浅表岩性模型中，可以轻易地将耕植土剥去，得到岩性空间分布(见图 9)，结合遥感地貌解译，可勾绘出本区岩性岩相界线图(见图 10)。

图  9  剥去地表耕植土后岩性空间分布

Figure  9.  Lithological spatial distribution after removing agricultural soil

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图  10  岩性岩相界线图的勾绘

Figure  10.  Drawing of lithological and lithofacies boundaries

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5.   结论

本文以1:5万填图原始数据为建模数据，建立生祠堂镇幅0~4 m地层的三维模型，模型构建流程简单、易懂，模型结果客观可靠，应用范围广，可作为深覆盖区浅表填图成果表达新技术加以推广。

(1) 通过浅表三维模型，揭示了本区标准层的空间分布及层面起伏特征，以层面为空间约束条件，以槽型钻揭露的各层沉积物粒度为属性约束条件，建立了各层的沉积物岩性三维模型；

(2) 通过北西向剖面及剥去耕植土后岩性空间分布模型，对研究区纵向及横向上的沉积相进行解读，切合槽型钻实际揭露情况，很好地解译了三维模型地质涵义。

(3) 研究区属小城镇，0~4 m地层结构的建立对区内民屋建设，污水排放、工厂选址中的生态环境评价等方面都很重要，应用范围比传统地质图更广。