張建勇 崔振東 韓偉歌 嚴(yán)福章 涂新斌 金永軍 柴平穩(wěn) 謝丹 楊鵬程

摘? ?要：斷層的形成受地質(zhì)演化過(guò)程影響，斷層所處的應(yīng)力場(chǎng)會(huì)對(duì)未來(lái)演化趨勢(shì)產(chǎn)生影響。因此，斷層建模不應(yīng)僅對(duì)斷層當(dāng)前形態(tài)、屬性進(jìn)行準(zhǔn)確刻畫，還應(yīng)涵蓋斷層演化及未來(lái)可能的趨勢(shì)等動(dòng)態(tài)過(guò)程。本文回顧了傳統(tǒng)斷層建模方法、斷層表面模型、曲面擬合方法的研究現(xiàn)狀及斷層建模難點(diǎn)問(wèn)題。研究基于地質(zhì)演化過(guò)程的粗糙斷層面建模方法、三維斷層恢復(fù)及斷層活動(dòng)性預(yù)測(cè)等問(wèn)題。認(rèn)為斷層建模中應(yīng)融入動(dòng)態(tài)地質(zhì)演化思想，采取基于地質(zhì)演化過(guò)程的斷層面構(gòu)建及曲面插值擬合方法，基于已有數(shù)據(jù)進(jìn)行三維斷層恢復(fù)、斷層活動(dòng)性預(yù)測(cè)及區(qū)域地質(zhì)力學(xué)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

關(guān)鍵詞：斷層建模;地質(zhì)演化過(guò)程;研究現(xiàn)狀;三維斷層恢復(fù);地質(zhì)力學(xué)

斷層是巖層或巖體受力發(fā)生斷裂，沿?cái)嗔衙鎯蓚?cè)產(chǎn)生明顯位移的現(xiàn)象。斷層的存在往往對(duì)油氣運(yùn)移、聚集和礦物的形成及工程施工和建筑物的穩(wěn)定性產(chǎn)生重大影響。地表和深部斷層幾何結(jié)構(gòu)具不規(guī)則性和不連續(xù)性，描述其空間形態(tài)的原始三維數(shù)據(jù)較匱乏，這些因素增大了對(duì)斷層及相關(guān)復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造的認(rèn)識(shí)難度?；诖耍瑢W(xué)者們采用三維地質(zhì)建模技術(shù)對(duì)斷層進(jìn)行模型構(gòu)建與三維可視化。三維地質(zhì)建模是地質(zhì)解譯、地質(zhì)數(shù)值模擬、開展空間分析、資源評(píng)價(jià)開發(fā)的基礎(chǔ)。研究斷層的三維構(gòu)建技術(shù)，不僅能滿足實(shí)際工程需求，還能推動(dòng)地質(zhì)信息化的發(fā)展與理論研究的深入[1]。目前，成熟的三維地質(zhì)建模技術(shù)多集中于簡(jiǎn)單層狀地質(zhì)體的三維重構(gòu)與表達(dá)分析，而對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)據(jù)不連續(xù)的斷層進(jìn)行建模一直是三維地質(zhì)建模中的一個(gè)難點(diǎn)，現(xiàn)有的建模技術(shù)研究尚不深入。

目前常用斷層三維地質(zhì)建模方法主要有3類：整體法、局部法及斷層與地層的統(tǒng)一建模法。3種建模方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，需根據(jù)斷層的屬性靈活選取。在斷層表面模型方面，常用的表面模型主要有邊界表示模型、線框模型、不規(guī)則三角網(wǎng)模型、格網(wǎng)模型、斷面模型、二叉樹模型等[2]。其中，斷面模型、二叉樹模型及三角網(wǎng)模型在斷層表面模型建模方面應(yīng)用更廣泛[3-4];在斷層曲面插值擬合方面的主流方法有：反距離加權(quán)插值、克里金插值、最小曲率法、離散光滑插值、自然鄰點(diǎn)插值法及謝別德法等。斷層建模存在諸多難點(diǎn)，主要有以下3方面：①斷層的幾何形式。斷層形態(tài)多樣，現(xiàn)有數(shù)據(jù)模型、插值方法及稀疏樣本數(shù)據(jù)量很難完整的對(duì)其進(jìn)行描述與表達(dá)，難以反映斷層表面的粗糙程度;②三維建模技術(shù)與算法。復(fù)雜斷層構(gòu)造相互切割導(dǎo)致地層的連續(xù)性遭到嚴(yán)重破壞，各類空間插值算法及面模型、體模型的斷層構(gòu)建方法不再適用，傳統(tǒng)分割方法在構(gòu)建復(fù)雜且層面較多的斷層模型時(shí)會(huì)極大增加建模難度和復(fù)雜程度[5-6];③斷層所處的力學(xué)環(huán)境信息獲取較困難，導(dǎo)致力學(xué)分析較難實(shí)現(xiàn)，與地質(zhì)力學(xué)分析軟件結(jié)合較差。

斷層的形成受地質(zhì)演化過(guò)程影響，在三維地質(zhì)建模時(shí)融入地質(zhì)演化過(guò)程的思想，有助于上述問(wèn)題的解決。斷層面一定是粗糙不平的，因此不能簡(jiǎn)單的將斷層面視為光滑曲面，應(yīng)基于地質(zhì)演化過(guò)程對(duì)斷層面進(jìn)行建模。地層經(jīng)沉積-壓實(shí)-褶皺-斷裂過(guò)程，在剝蝕量恢復(fù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行反向逆推，可得出該地區(qū)構(gòu)造演化歷史。理清構(gòu)造演化歷史，有助于處理三維地質(zhì)建模中復(fù)雜斷層的交切關(guān)系。斷層建模時(shí)斷層所處的應(yīng)力場(chǎng)會(huì)對(duì)其未來(lái)演化趨勢(shì)產(chǎn)生影響。在斷層建模時(shí)融入地質(zhì)力學(xué)，可對(duì)未來(lái)演化趨勢(shì)作出預(yù)測(cè)。作者對(duì)基于地質(zhì)演化過(guò)程的斷層三維地質(zhì)建模技術(shù)進(jìn)展進(jìn)行了研究與分析。

1? 基于地質(zhì)演化過(guò)程粗糙斷層面建模? ? ? 方法

1.1? 斷層破裂帶建模

斷層形成過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生破碎帶和充填物，對(duì)破碎帶進(jìn)行建?？煞从称涞刭|(zhì)演化過(guò)程[7]。據(jù)斷層類型，破碎帶可劃分為正斷層破碎帶、逆斷層破碎帶及走滑斷層破碎帶[8-9]。Skorstad等將斷層面兩側(cè)數(shù)量相等的網(wǎng)格作為斷層破碎帶，對(duì)斷層破碎帶加密后單獨(dú)進(jìn)行網(wǎng)格化[10]，將這一區(qū)域獨(dú)立出來(lái)進(jìn)行屬性模擬。李少華等提出用兩個(gè)斷層面代表斷層破碎帶的界限[11]，斷層破碎帶為兩個(gè)斷層面之間的部分。

1.2? 分形插值曲面擬合

傳統(tǒng)的插值擬合方法將斷層面構(gòu)建為光滑曲面，其力學(xué)性質(zhì)會(huì)產(chǎn)生較大偏差?；诖耍x和平等提出一種分形插值曲面理論[12]，其核心思想是斷層面局部的粗糙起伏狀態(tài)與整體粗糙起伏狀態(tài)存在相似性。據(jù)分形理論，運(yùn)用少量數(shù)據(jù)計(jì)算得出能代表整體起伏狀態(tài)的分形維數(shù)。由分形維數(shù)建立分形插值函數(shù)FIF，插出分形曲面，使局部與整體的粗糙起伏狀態(tài)一致，并使插出的分形曲面盡可能多的通過(guò)已知的插值點(diǎn)。此方法僅考慮整體與局部的相似性，有限的原始數(shù)據(jù)對(duì)整體粗糙起伏狀態(tài)的還原度尚未可知。不同應(yīng)力環(huán)境下形成的不同類型斷層面的粗糙度不同，通常張性環(huán)境中形成的斷層面粗糙度較高，剪切環(huán)境中形成的斷層面粗糙度較低[13]。本文認(rèn)為采用分形曲面插值理論時(shí)，應(yīng)根據(jù)斷層形成的地質(zhì)演化過(guò)程及斷層類型對(duì)分形維數(shù)進(jìn)行修正，將斷層面粗糙度與地質(zhì)演化過(guò)程及斷層類型建立聯(lián)系。

2? 基于地質(zhì)演化過(guò)程的三維斷層恢復(fù)

理清斷層的歷史演化過(guò)程，有助于更精細(xì)地進(jìn)行斷層三維地質(zhì)建模。三維斷層恢復(fù)可研究區(qū)域斷層演化的過(guò)程及機(jī)制，計(jì)算斷層區(qū)域內(nèi)部的應(yīng)變狀態(tài)，確定斷層位移變化路徑及地層力學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)斷層生長(zhǎng)過(guò)程的影響。

經(jīng)典三維斷層恢復(fù)通常采用斜剪切與彎滑等幾何方法獲得斷層物質(zhì)的流變學(xué)特征[14]，據(jù)此對(duì)斷層幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行恢復(fù)。三維斷層恢復(fù)時(shí)，通常設(shè)定斷層下盤不動(dòng)，在斷面上移動(dòng)上盤，變形算法和斷面形狀控制上盤的形變量。姜芹芹等利用3D Move恢復(fù)了高郵凹陷真武斷裂帶主干反射層的三維構(gòu)造形態(tài)[15]，客觀反演了主干斷裂活動(dòng)的演化規(guī)律。Porreca等利用3D Move三維斷層恢復(fù)模塊[16]，研究阿馬特里斯-諾爾恰地震斷層的幾何形狀、與已有逆沖斷層的關(guān)系及正斷層破裂尖端位置。

GOCAD等采用面模型和體模型算法進(jìn)行斷層恢復(fù)[17]，面模型和體模型不僅對(duì)某一地質(zhì)歷史時(shí)期應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)行恢復(fù)，還能對(duì)斷裂發(fā)育方位、密度、強(qiáng)度等做出預(yù)測(cè)。Moretti等對(duì)被斷層錯(cuò)斷背斜進(jìn)行三維恢復(fù)（圖1）[18]，Balestra等對(duì)西西里島的Apennine-Maghrebian斷層進(jìn)行了不同地質(zhì)歷史時(shí)期的斷層恢復(fù)[19]。

利用面模型和體模型進(jìn)行三維斷層恢復(fù)后，可在層面和實(shí)體內(nèi)部顯示已恢復(fù)的應(yīng)變，對(duì)地震解釋無(wú)法識(shí)別的裂縫進(jìn)行還原。在斷層建模中融入斷層恢復(fù)，對(duì)斷層的歷史演化過(guò)程進(jìn)行還原，可理清斷層形成的來(lái)龍去脈。

3? 基于斷層建模及應(yīng)力場(chǎng)分析的斷層? ? ? 活動(dòng)性預(yù)測(cè)

斷層三維地質(zhì)建模完成后，對(duì)模型施加與地應(yīng)力場(chǎng)一致的應(yīng)力場(chǎng)，并對(duì)斷層活動(dòng)性進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析與預(yù)測(cè)。應(yīng)力場(chǎng)可根據(jù)實(shí)測(cè)值定義，也可根據(jù)建模軟件及數(shù)值模擬軟件反演。Petrel、3D Move等軟件中的斷層穩(wěn)定性分析模塊，可對(duì)斷層活動(dòng)性進(jìn)行預(yù)測(cè)[20]。

對(duì)其余無(wú)力學(xué)分析模塊的建模軟件，通常采用與其他數(shù)值模擬軟件進(jìn)行耦合或采取相關(guān)算法分析斷層活動(dòng)性。地質(zhì)建模軟件有著優(yōu)秀的前處理能力，數(shù)值模擬軟件具強(qiáng)大的力學(xué)分析能力。侯俊領(lǐng)等采用GOCAD建模后導(dǎo)入FLAC 3D進(jìn)行地應(yīng)力場(chǎng)反演，分析了斷層活動(dòng)性[21]。Swierczek等采用Poly 3D進(jìn)行斷層建模[22]，據(jù)摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則、滑移趨勢(shì)、膨脹趨勢(shì)等指標(biāo)分析斷層面受力狀態(tài)（圖2）。Li等將Surpac與FLAC 3D耦合、韓浩亮等將Surfer與3D EC結(jié)合、崔芳鵬等將Surfer與FLAC 3D結(jié)合對(duì)復(fù)雜斷層建模并進(jìn)行力學(xué)分析[23-25]。普通三維斷層建模是靜態(tài)的，將地質(zhì)力學(xué)分析與斷層建模結(jié)合，可對(duì)斷層活動(dòng)性進(jìn)行動(dòng)態(tài)的分析和預(yù)測(cè)。因此，基于地質(zhì)建模的力學(xué)分析是當(dāng)前的研究和應(yīng)用熱點(diǎn)，對(duì)指導(dǎo)實(shí)際工程設(shè)計(jì)和斷層滑動(dòng)理論研究具重要意義。

4? 結(jié)論

本文回顧了傳統(tǒng)斷層建模方法、斷層表面模型、曲面擬合方法的研究現(xiàn)狀及斷層建模的難點(diǎn)問(wèn)題。研究了基于地質(zhì)演化過(guò)程的粗糙斷層面建模方法、三維斷層恢復(fù)及斷層活動(dòng)性預(yù)測(cè)等問(wèn)題。得出如下結(jié)論：①目前斷層建模的難點(diǎn)主要體現(xiàn)在斷層的幾何形式、三維建模技術(shù)與算法及斷層所處的力學(xué)環(huán)境信息的獲取上;②考慮到斷層在地質(zhì)演化過(guò)程中經(jīng)多期改造，采用松散破碎帶構(gòu)建方法及改進(jìn)的曲面分形插值擬合思路進(jìn)行建模，更能代表經(jīng)地質(zhì)演化后的斷層面實(shí)際粗糙程度;③三維斷層恢復(fù)在斷層形成演化及斷層建模中具重要意義。目前基于面模型與體模型的斷層恢復(fù)算法更豐富完善。斷層恢復(fù)是基于算法計(jì)算實(shí)現(xiàn)的，有時(shí)出現(xiàn)多解性需人工主觀判斷，準(zhǔn)確性有待進(jìn)一步提高;④斷層建模與地質(zhì)力學(xué)分析相結(jié)合是目前的研究與應(yīng)用熱點(diǎn)。將建模軟件前處理功能與力學(xué)分析軟件后處理功能相結(jié)合，可對(duì)斷層活動(dòng)性及區(qū)域穩(wěn)定性進(jìn)行動(dòng)態(tài)的評(píng)價(jià)。

參考文獻(xiàn)

[1]? ? SONG R， QIN X， TAO Y， et al. A Semi-Automatic Method for 3D Modeling and Visualizing Complex Geological Bodies[J]. Bulletin of Engineering Geology and the Environment， 2019， 78（3）：1371-1383.

[2]? ? WANG Z G， QU H G， WU Z X， et al. Geo3DML： A Standard-Based Exchange Format for 3D Geological Models[J]. Computers & Geosciences， 2018， 110（jan.）：54-64.

[3]? ? 張俊安， 劉瑞剛， 楊欽， 等. 復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)的四維地質(zhì)層面自動(dòng)生成算法[J]. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)， 2007， 33（9）：1094-1098.

[4]? ? CHERPEAU N， CAUMON R， LEVY R. Stochastic Simulations of Fault Networks in 3D Structural Modeling[J]. Comptes Rendus Geoscience， 2010， 342（9）：687-694.

[5]? ? 蔣曉路， 陳浩凡， 魯才， 等. 基于曲面約束的地質(zhì)層面重構(gòu)方法研究[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究， 2014， 31（6）：1894-1897.

[6]? ? 楊洋， 潘懋， 吳耕宇， 等. 一種新的輪廓線三維地質(zhì)表面重建方法[J]. 地球信息科學(xué)學(xué)報(bào)， 2015， 17（3）：253-259.

[7]? ? HUGO K. H. OLIEROOK， NICHOLAS E. TIMMS， P. JOSEPH JAMILTON. Mechanisms for Permeability Modification in the Damage Zone of a Normal Fault， Northern Perth Basin， Western Australia[J]. Marine and Petroleum Geology， 2014， 50（8）： 130-147.

[8]? ? MCGRATH A G， DAVISON I. Damage Zone Geometry Around Fault Tips[J]. Journal of Structural Geology， 1995， 17（7）： 1011-1024.

[9]? ? KIM Y S， PEACOCK D C P， SANDERSON D J. Fault Damage Zones[J]. Journal of Structural Geology，2004， 26（ 3） ： 503-517.

[10]? SKORSTAD A，R?E P，SYVERSVEEN A R， et al. Volumetric Modeling of Faults[C]. Cascais：Petroleum Geostatistics， 2014.

[11]? 李少華， 王利， 王軍，等. 斷層破碎帶的建模方法和意義[J]. 斷塊油氣田， 2014， 21（4）：409-412.

[12]? 謝和平， 孫洪泉. 分形插值曲面理論及其應(yīng)用[J]. 應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)， 1998， 19（4）：297-306.

[13]? SAGY A， BRODSKY E E， AXEN G J. Evolution of Fault-Surface Roughness with Slip[J]. Geology， 2007， 35（3）：283-286.

[14]? ESPURT N， ANGRAND P， TEIXELL A， et al. Crustal-Scale Balanced Cross-Section and Restorations of the Central Pyrenean Belt （Nestes-Cinca Transect）： Highlighting the Structural Control of Variscan Belt and Permian-Mesozoic Rift Systems on Mountain Building[J]. Tectonophysics， 2019， （764）：25-45.

[15]? 姜芹芹， 吳進(jìn)飛， 朱光， 等. 3Dmove構(gòu)造演化分析技術(shù)在真武斷階帶的應(yīng)用研究[J]. 安徽地質(zhì)， 2017， 27（2）：105-109.

[16]? MASSIMILIANO PORRECA， ANDREA FABBRIZZI， SALVA? ? TORE AZZARO. 3D Geological Reconstruction of the M. Vettore? Seismogenic Fault System （Central Apennines， Italy）： Cross-Cut ting Relationship with the M. Sibillini Thrust[J]. Journal of Struc tural Geology， 2020， 131（2020）：1-13.

[17]? 管樹巍， ANDREAS PLESCH， 李本亮，等. 基于地層力學(xué)結(jié)構(gòu)的三維構(gòu)造恢復(fù)及其地質(zhì)意義[J]. 地學(xué)前緣， 2010， 17（4）：142-152.

[18]? MORETTI I， LEPAGE F， GUITON M. KINE3D： a New 3d Restoration Method Based on a Mixed Approach Linking Geometry and Geomechanics[J].Oil & Gas Science and Technology， 2006， 61（2）：277-289.

[19]? BALESTRA M， CORRADO S， ALDEGA L， et al. 3D Structural Modeling and Restoration of the Apennine-Maghrebian Chain in Sicily： Application for Non-Cylindrical Fold-And-Thrust Belts[J]. Tectonophysics， 2019， 761（2019）：86-107.

[20]? 張建勇， 崔振東， 周健， 等. 流體注入工程誘發(fā)斷層活化的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法[J]. 天然氣工業(yè)， 2018， 38（8）：33-40.

[21]? 侯俊領(lǐng). 煤礦深井地應(yīng)力場(chǎng)反演及應(yīng)用研究[D]. 淮南： 安徽理工大學(xué)， 2014.

[22]? SWIERCZEK E， CUI Z D， HOLFORD S， et al. Quantifying Fault Reactivation Risk in the Western Gippsland Basin Using Geomechanical Modelling[J]. The APPEA Journal， 2013， 53（1）： 255-272.

[23]? Li X， Li D， Liu Z， et al. Determination of the Minimum Thickness of Crown Pillar for Safe Exploitation of a Subsea Gold Mine Based on Numerical Modelling[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences， 2013，（57）：42-56.

[24]? 韓浩亮， 高永濤， 胡乃聯(lián)， 等. 復(fù)雜地質(zhì)體的3DEC快速建模[J]. 礦業(yè)研究與開發(fā)， 2012， 32（3）：81-84.

[25]? 崔芳鵬， 胡瑞林， 劉照連，等. 基于Surfer平臺(tái)的FLAC～（3D）復(fù)雜三維地質(zhì)建模研究[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報(bào)， 2008，（5）：125-128.