0 引言

唐山市是我国地震重点监视区，历史上曾发生1976年7.8级城市直下型地震，导致严重的人员伤亡和巨大的经济损失，整个唐山市近乎被毁灭［1］。近年来唐山市经济发展迅速，城市扩大快，城市急需开展具有防御城市直下型地震灾害能力的城市规划与建设。

本文利用三维可视化地质建模软件将收集的唐山市钻孔资料进行数值模拟，给出唐山市第四系地下三维结构模型，分析唐山市可能的地下断层及活动性。

1 钻孔数据选取

本文收集和整理唐山市工程地质、水文地质、城市建设以及河北省城市活断层与地震危险性评价项目(唐山市项目)钻探的钻孔资料，共计117个场地，1 573个钻孔，通过筛选整理，确定最终用于三维建模的钻孔共199个。对这199个钻孔进行地层划分，建立唐山市第四纪钻孔数据库(见表1)。对各类钻孔进行统一数字化，形成数字化的钻孔分布图。唐山市区主要发育三条第四纪断裂，分别是陡河断裂(F1)、巍山—丰南断裂(F2)、唐山地震断裂带(F3)。

表1 钻孔层序分层数据表(部分)

序号 钻孔编号经度(°)纬度(°)第四系厚度/m高程m Qh/m Q3-2 pm Q3-1 p m m 孔深Q m 1 TZ01 118.192 39.653 30 18 17.1 －2.7 －8.5 －12 －31.5 2 TZ02 118.133 39.650 250 30 29.6 －3.9 －37 －220 －67 3 TZ03 118.161 39.629 100 24.1 22.7 1.4 －41.4 －75 －51 4 TZ28 118.172 39.618 58 62.41 58.91 42.11 26.01 4.41 13.41 5 TZ32 118.047 39.628 230 15 11 －10.8 －70 －215 －85 6 TZ36 118.266 39.668 70 28 24.6 －9 －16 －42 －51 7 TZC1 118.170 39.616 60 22 13.9 －20.4 －27.2 －51.4 －69.5 8 TZC2 118.148 39.615 200 15 4.6 －35.3 －44.6 －185 －94.4 9 岳26 118.142 39.562 360 7 －5.6 －7.7 －11.2 －353 －286 10 山2 118.183 39.615 50 22 2.4 －0.7 －51.7 －311 －935

2 三维建模流程

本文建模流程主要包括基础资料的处理、钻孔数据库的建立、三维建模数据体的生成、三维建模与成果输出等。建模采用ArcGIS和MVS软件完成，主要考虑ArcGIS的地理信息处理与分析功能，MVS软件的地质地球物理数据综合分析能力较强，有利于后续三维综合建模和数据库建设。

建模流程图见图1。

图1 三维建模流程图

3 三维建模成果输出

3.1 三维数据体的生成

MVS对三维地质数据的格式有一定要求，本文首先是将处理好的层序分层数据，通过程序处理为MVS可以导入的数据格式。这一数据格式主要包括两个部分:头文件区和数据区，如图2所示，头文件区给出了每列数据的属性，数据区为钻孔数据内容，每行代表一个钻孔，每列代表钻孔的一种属性，如坐标、高程、层底埋深等［2-4］。

图2 MVS三维建模格式（部分）

3.2 数据导入与插值

将上述经处理的数据体，导入MVS软件中，形成空间的点，这些点具有高程和各层序界面埋深等属性。在MVS中可对这些点的高程或某一数值属性进行插值，形成地表和各层序界面的空间曲面。

3.3 三维模型的建立

经过曲面拟合(克里金插值)之后，可以以各层面为基础构建三维地质体，各几何体代表了不同层序组的厚度空间变化，形成的地质体见图3。在三维地质体的基础上，可以生成三维剖面，沿南北、东西或其他任意方向，剖面可以使我们在不同角度观察各层位之间的关系，包括空间形态和厚度变化，更好的辅助沉积和构造演化分析，图4是一组剖面的示意图。最终形成唐山市区层序—构造格架三维地质体、各层序界面的空间起伏与厚度变化图［5，6］。

4 三维建模成果分析

由于唐山市目标区第四系的更新世早期和更新世中期地层发育不完整，本文以更新世晚期以来的地层和构造研究为主，将以来的地层分为更新世晚期的早期层位和更新世晚期的晚期两个层位。本文将以论述、全新世(Qh)的地层和构造为主［7，8］。

图3 建模生成的三维地质体

图4 一组三维剖面

4.1 Qh构造空间展布分析

图5为Qh的侧视图。

从图5中可以看出:Qh的底界整体上较为平缓，沉积厚度的变化不大。陡河断裂(F1)、巍山—丰南断裂(F2)、唐山地震断裂带(F3)对地层的变化的控制不是很明显，说明三条断裂在Qh以来没有活动的迹象。

4.2 构造空间展布分析

为更新统上部的上部层序组，该层位数据的空间分布比较均匀，在大部分钻孔中都有体现，从底板的空间展布图上可以看出:陡河断裂(F1)和巍山—丰南断裂(F2)两侧构造变化不是很明显，说明这两条断裂在此时活动性不明显(见图6)。而唐山地震断裂带(F3)的东侧有一定的沉降区域，断层两侧沉积基底有一定的变化，说明唐山地震断裂带(F3)在此时有一定的控制作用。

图5 Qh构造底板起伏形态（侧视）

图6 构造底板起伏形态（侧视）

4.3 构造空间展布、厚度变化与变形分析

为更新统上部的下部层序组，是更新统上部的底界，数据的空间分布比较均匀，在大部分钻孔中都有体现，从底板的空间展布图上可以看出:陡河断裂(F1)和巍山—丰南断裂(F2)两侧稍有变化，说明这两条断裂在此时活动性不是很明显(见图7)。

而唐山地震断裂带(F3)的东侧的沉降区域非常明显，断层两侧沉积基底有较大的变化，说明唐山地震断裂带(F3)在此时较为活动，对地层沉积都有一定的控制作用。

图7 构造底板起伏形态（侧视）

5 结语

本文收集、整理和分析了唐山市区199个典型钻孔的资料，对钻孔岩性分层和层序进行分层并建立了数据库。根据典型钻孔数据库和层序—构造格架，基于三维构造建模MVS和ArcGIS软件平台，建立了唐山市目标区第四系层序—构造格架三维模型，给出包括唐山市目标区层序—构造格架三维地质体、各层序界面的空间起伏与厚度变化、典型地层剖面等图件，实现了目标区三维地质建模与可视化。

对唐山市区晚第四纪地层各层段特征、地层—沉积格架和三维建模的综合分析表明，陡河断裂(F1)、巍山—丰南断裂(F2)对晚第四纪地层的控制不是很明显，说明它们以来活动较弱。唐山地震断裂带(F3)在以前，对地层的控制较为明显，断裂两侧变化较大，表现为断裂西侧隆起，东侧凹陷，体现出唐山地震断裂带(F3)为以来断层活动性及其对沉积的控制作用。

参考文献:

［1］刘 亢.唐山地区强震复发特征与发震构造深浅部耦合关系综合研究［D］.北京:中国地震局地质研究所博士学位论文，2011:5-10.

［2］曹代勇，李青元，朱小弟，等.地质构造三维可视化模型探讨［J］.地质与勘探，2001，37(4):60-62.

［3］曹代勇，王占刚.三维地质模型可视化中直接交互的实现［J］.中国矿业大学学报，2004，33(4):78-80.

［4］李亦纲，曲国胜，陈建强.城市钻孔数据地下三维地质建模软件实现［J］.地质通报，2005(5):68-74.

［5］王家华.克里金地质绘图技术——计算机的模型和算法［M］.北京:石油工业出版社，1999.

［6］武 强，徐 华.三维地质建模与可视化方法研究［J］.中国科学 D 辑，2004，34(1):54-60.

［7］杨承先.唐山、汤阴断陷地质结构及其活动性［J］.地震地质，1984，6(3):59-66.

［8］闫纯有.唐山地区地貌与构造［J］.河北建筑科技学院学报，2000，17(4):63-65.