EVS中的地层建模 VS 岩性建模

1、 地层建模

        通常，我们可以采用两种方式来解释地层信息：一种是仅揭露钻孔信息的钻孔地层信息；一种是包含层序，进行了地质解释的层序地层信息。对于创建三维地层模型，我们需要后一种方式来表达钻孔揭露的地层，即我们需要将整个模型中所有地层按照从上到下的层级表达出来，且要求所有钻孔中的地层也按照这种层级去表达。初看起来，这似乎不可能，因为地层中往往总会有尖灭、透镜体等现象，即地层在某一个区域可能是连续到的，到另一个区域时可能消失或被另一个地层分割开来。地层层序划分是一种非常好的解决该问题的方法，下面我们通过一个例子来说明。

图1 层序划分说明案例

        以图1为例，其中0为砂土，1为黏土，2为砾石土。我们假设整个场地最左侧、最右侧和中间分别有一个钻孔，两侧的钻孔没有揭露黏土透镜体，因此，这两个钻孔中只有两种材料，两个地层，而中间的钻孔中有三种材料，四个地层。

        我们可以把每个钻孔中揭露的地层都当作沉积地层看待，因为我们可以将尖灭的地层看作厚度为零的地层。对于该例，我们需要给整个模型划分四个地层层级，分别为上部砂土（0）、黏土（1）、下部砂土（2）和砾石土（3），如图2所示。在输出模型时，只要保证层0和层2具有相同的颜色和纹理，那么层0和层2看上去只是一层，除非我们通过层炸开模型。

图2 地层层序划分

        对于可以采用上述方式进行地层信息表达的场地，地层建模是最好的一种三维建模方式，因为每个地层都可以创建清晰平滑的边界，同时不同的层之间还可以通过炸开方式来分离。图3给出了一个地层更加复杂的场地的层序划分结果，整个场地中的沉积地层和透镜体都可以通过相同的层序来表示。

图3 复杂地层的层序划分

2、 三维层序划分

        一般情况下，我们获得的原始钻孔数据都是没有进行层序划分的，即钻孔数据中只表示了从钻孔中观察到的岩性。图4为EVS采用的原始钻孔数据格式PGF文件，可以看出钻孔AW-3对应的岩性（第四列）中并没有0（Clay）和3（Sand）。图5为进行层序划分以后的钻孔数据文件，在EVS中为GEO文件，可以看出文件在第二行中定义了整个场地的标准层序，即"OL" "OL" "GP" "SW" "CH" "SM" "CL" "SM" "GP" "SW"，其中有多个岩性重复出现，代表岩性相同的不同地层，而PGF中第二行仅仅定义了各个岩性的编号，并不表示层序。图5中钻孔2666-B1/RW1中除了前三列为孔顶坐标x、y、z外，其他列分别对应了第二行中定义的地层，如果某地层在钻孔中缺失，则以pinch（尖灭）标记。显然，PGF文件和GEO文件以两种不同的方式定义了钻孔数据，而地层建模需要GEO文件这种包含了层序划分情况的钻孔数据。

图4 PGF文件格式

图5 GEO文件格式

        在地质建模中我们往往需要对未进行层序划分的钻孔数据进行层序划分。对于简单地层且钻孔较少的情况，我们可以通过观察钻孔柱状图快速判断得到整个场地的层序。对于较复杂的情况，传统方式通常是采用二维方式进行层序划分，即基于剖面进行层序划分，因此，大部分的地质建模软件都需要先根据钻孔制作剖面确定层序，然后才能开始进行地质建模。但是这种层序划分方式非常低效且因为是二维划分，在三维空间中有时候会出现矛盾，后期创建三维模型时又要重新调整层序，非常繁琐。

        EVS创新的采用了三维交互的方式进行层序划分，通过这种方式可以将PGF文件转换为GEO文件。图6即为EVS中三维层序划分的方式，即通过确定各个岩性分界点所属的三维面来确定各个钻孔中层序。

图6 三维层序划分

        层序划分完成后软件即会自动生成GEO文件。根据GEO文件中定义的各个层面上点，通过各种插值方法，例如克里金插值法，即可以得到各个层面，从而更具层面生成最终的三维地层模型，如图7-7所示。

图7 三维地层模型

3、岩性建模

        采用地层建模的方式我们能创建大部分的地质模型，即使如图8所示的复杂倾斜地层也能采用地层建模，图中可以看到地层层序的编号。图9中为EVS中采用GEO5文件创建的倾斜地层三维地层模型，很明显其中有三个地层具有相同的岩性。

图8 倾斜地层层序划分

图9 EVS中创建的倾斜地层三维地层模型

        但是，许多场地含有特殊的地质构造（侵入岩、岩溶、褶皱等），这些地质结构不适用于需要划分层序的的地层建模。同时对于某些场地，也许并不存在非常复杂的地质构造，但是钻孔本身非常复杂，几乎无法划分层序，这种情况也无法进行地层建模，如图10所示。

图10 复杂钻孔-不断重复出现

        对于上述几种情况，我们可以采用指数克里金（GIK）方法进行岩性建模。GIK提供了创建非常复杂地质模型的能力，而且这种地质建模方法几乎是由计算机完全自动完成的，不需要地质人员的干预或对钻孔数据进行解释，而地层建模中需要进行人为层序划分。

        岩性建模采用原始钻孔数据进行建模，即没有进行层序划分的钻孔数据。因此，对于可以进行地层建模的场地，岩性建模也可以用于辅助判断我们的层序划分是否正确，即岩性建模结果为我们给出了计算机通过GIK方法得到的空间中岩性的概率分布情况，而这种情况可以用于验证我们的层序划分是否正确。

        通常情况下，岩性建模可以很好的帮助我们判断场地的地质构造情况，是否可以进行地层建模、是否有溶洞等复杂地质构造等。对于可以进行地层建模的场地，当钻孔较多时，岩性建模甚至可以得到和地层建模相似的模型，如图11所示。因此，岩性建模仅适用于复杂地质建模，对于需要随钻孔数据不断更新模型且钻孔数据量庞大的情况也非常适用。

图11 基于相同钻孔数据的岩性模型（左）和地层模型（右）

        岩性建模由于其便利性（几乎无需人工干预），广泛应用于复杂地质建模。但是由于岩性建模采用单元数据进行差值（地层建模基于点数据进行差值），所以世界上的绝大部分地质建模软件得到岩性模型都像乐高积木一样是锯齿状的，如图12所示。为了得到平滑的岩性模型，通常需要加密网格，但是这样会大大降低建模效率，增加计算时间。EVS创新性的发明了不加密网格即可生成平滑岩性模型的平滑指数克里金方法，如图13所示，采用和图12一样的钻孔和网格精度，平滑指数克里金方法可以得到非常平滑的岩性模型。

图12 锯齿状的岩性模型

图13 平滑岩性模型