常规活断层浅层地震勘探的地震资料解释多在二维剖面上进行，但事实上，地质构造是三维体，利用二维反射地震剖面图与地震解释成果平面图来呈现三维地质构造缺乏全面性与直观性^[1]。对于活断层二维反射地震勘探剖面及钻孔数据，通过对同一条断层在不同剖面上的特征进行追踪，将各剖面上所确定的地质现象在平面图与等值线构造图上统一起来，通过专业地震解释及建模软件构建沿活断层的条带状准三维地下结构，从三维角度反映地下构造的真实形态^[2]，直观地再现地质单元的空间展布及其相互关系，这在一定程度上可解决二维地震勘探在活断层探测工作中小构造控制程度差、断层定位不准确等问题，有利于提高地下构造的勘探精度。

目前三维可视化在活断层探测与地震危险性评价领域应用较少^[3-6]，且多是基于地理信息系统(ArcGIS)的空间分析功能与三维显示功能在三维空间环境中对地表数字高程、地层分布、断层、探槽剖面、浅层地震探测剖面等成果数据的集成显示，无法很好地综合分析研究区地质信息，在对浅层地震剖面进行层位与断层三维建模时缺乏交互性。

焦作市先后进行过活断层控制性勘察和详细探测等多期工作，具有较多的二维地震勘探测线。根据焦作活断层探测结果和危险性分析可知，焦作地区构造背景复杂，活动断裂较发育，区内隐伏断裂可能与中强地震发生有关。本文运用LandMark专业地震解释软件及Petrel三维可视化地质建模软件构建焦作地区浅层三维构造模型。LandMark和Petrel软件能够综合利用地震数据、钻孔数据、地质信息，实时对断层的平面组合与空间展布规律进行研究，实现地质资料与地震数据的有机结合，从而构建浅层三维构造模型，进而更加直观准确地分析焦作地区近地表各种复杂的地质现象^[7]。

1 焦作地区建模基础数据

焦作地区位于太行山南麓，地貌上主要位于丘陵与山前平原的过渡地带^[8]，区内第四纪断裂主要有凤凰岭断裂、盘谷寺-新乡断裂、济源-博爱断裂、九里山断裂、马坊泉断裂、武陟断裂、平陵断裂、朱营断裂等，断裂平面组合与空间展布复杂，活动断裂较发育。为了判断上述断层的空间位置及其活动性，“焦作市活断层探测与地震危险性评价项目”共布设20条浅层地震勘探测线，共计121.7 km；“盘谷寺-新乡断裂详细探测项目”共布设8条浅层地震勘探测线，共计19.4 km，浅层地震勘探测线位置如图 1所示。

新构造时期，焦作地区处于沉降状态，古近系和新近系沉积厚度大于600 m，第四系沉积厚度为0~200 m，距太行山南麓越远，沉积厚度越大。本次研究收集到该区2个第四系标准孔、4条钻孔联合地质剖面及64口钻井，钻孔位置如图 1所示。根据分析可知，该区近地表地层自上而下主要为：全新统Q_h、更新统上部Q_p3、更新统中部Q_p2，研究区内缺失更新统下部Q_p1地层，Q_p2与上新统N₂为平行不整合接触。研究区广泛缺失古近系及新近系中新统地层，新近系上新统N₂地层与下伏古生界地层呈角度不整合接触^[9-10]。

2 利用二维测线构建三维模型 2.1 地表高程模型构建

将网格化的地表高程数据加载至建模软件中，地表高程数据将以散点形式存在，对散点数据进行克里金插值可得到地表高程模型(图 2)。从图中可以看出，工作区位于山前丘陵与山前平原的过渡地带，工作区西北方向为太行山区域，地表高程由100 m迅速上升至1 200 m左右，而焦作地区主要位于山前平原地带，地表高程主要为100 m左右。

2.2 近地表地层分布模型构建

常规活断层浅层地震勘探资料解释是在二维剖面上进行，对地震时间剖面作出相应的地质解释，所提供的最终成果为二维反射地震解释时间与深度剖面以及解释成果平面图。本文利用地震解释软件对二维活断层浅层地震勘探测线进行层位解释。首先需根据钻孔的地质分层信息对反射地震剖面进行层位标定(图 3)，解释过程中选择处理好的过井剖面作为标准剖面，以标准剖面为基准，进行全区资料解释，同时在解释过程中需要进行多种地震信息验证，保证解释过程中不串层、不串相位。

活断层探测研究的目标层位主要集中在第四系，根据焦作地区的地层特征，本次研究共收集2个第四系标准孔、4条钻孔联合地质剖面、64口煤田钻孔，其中标准孔和钻孔联合地质剖面多数只标明第四系内部地层分界面，未见第四系底界，煤田钻孔多数未标明第四系内部地层分界。因此，综合利用标准孔和钻孔联合地质剖面解释Q₃地层底界面、Q地层底界面、N地层底界面，其中Q₃地层底界面为更新统上部地层底界面。由于研究区缺失更新统下部Q_p1地层，因此Q地层底界面在本区为更新统中部Q_p2地层底界面；研究区广泛缺失新近系中新统地层，因此N地层底界面在本区为上新统N₂地层底界面。

将地震解释软件中Q₃地层底界面、Q地层底界面、N地层底界面数据按照所需格式导出，加载至建模软件中，并对层位数据进行克里金插值，以钻孔地质分层加以控制可以得到Q₃地层底界、Q地层底界、N地层底界3个层位的地层模型。以N地层底界面为例，其地层模型如图 4所示。从图中可以看出，工作区西北方向靠近太行山区域，N地层底界面存在明显抬升，造成工区西部N地层底界面存在埋深落差较大的分界线，该处可能存在断层；而焦作地区东部N地层底界面埋深相对较浅，同时存在明显的隆凹相间的构造格局。

2.3 焦作地区第四纪断层模型构建

利用地震解释软件对二维活断层浅层地震勘探测线进行断层解释，首先需在剖面上根据波组特征确定断点。如图 3所示，判断断层的主要依据为：剖面反射波同相轴存在明显中断与位错；剖面反射波同相轴数目明显增减或消失；反射波同相轴出现强相位反转以及上下波组的相互依赖关系；反射波同相轴产状和反射能量突然变化；出现断面反射波、绕射波等异常波。同时，在平面上需综合考虑断层的空间延伸关系，反复对比，确定断层的平面组合，并结合构造特征确定断层的切割关系。根据焦作地区断层分布位置及特征，本次研究共解释8条主要断层。将地震解释软件中主要断层数据按照所需格式导出，加载至建模软件中，断层数据以断层线的形式存在，对断层线数据进行插值得到断层模型(图 5)。

图 6为焦作地区第四系断层分布模型，从图中可以看出，焦作地区实测断层位置与研究区构造图中断层位置均有所差异，近东西向分布的断裂有朱营断裂、凤凰岭断裂和盘谷寺-新乡断裂，朱营断裂位于研究区东北角，实测只有2条断层线。盘谷寺-新乡断裂与凤凰岭断裂受多条实测断层线控制，2条断层近于平行，凤凰岭断裂位于太行山前，盘谷寺-新乡断裂位于凤凰岭断层南侧，并且盘谷寺-新乡断裂在高村附近分为东西两段。由于测线分布位置原因，实测北东向断裂只有马坊泉断裂，该断层与凤凰岭断裂斜交，但并未与盘谷寺-新乡断裂相交。实测北西向断裂有平陵断裂和武陟断裂，平陵断裂与盘谷寺-新乡断裂相交于高村附近，区内延伸范围较小；武陟断裂受多个断层线控制，与盘谷寺-新乡断裂相交于新店附近。济源-博爱断裂只受2条断层线控制，实测位置可靠程度较低。

2.4 焦作地区浅层三维构造模型

浅层三维构造模型由近地表地层分布模型和第四纪断层模型共同组成，近地表地层分布模型控制地层所在空间位置，第四纪断层模型控制研究区内各断块的边界及配置关系。浅层三维构造模型主要依靠钻孔地质分层数据和二维反射地震剖面解释成果，通过钻孔分层资料和井间地层对比控制研究区的构造形态和断层发育情况。

结合焦作地区地层发育特征、二维反射地震剖面解释成果，为系统反映新近系至更新统上部Q₃的空间结构特征，实现地质模型三维可视化，以第四纪断层模型为基本骨架，以近地表Q₃地层底界面、Q地层底界面、N地层底界面为主要分层，模拟Q-Q₃地质体、N-Q地质体的构造形态和断层发育情况(图 7)。

从图 7浅部三维构造模型可以看出，Q-Q₃地质体整体厚度较薄，且其顶界面与底界面整体起伏程度较小；而N-Q地质体整体较厚，且其底界面起伏程度较大，表明研究区新近纪时期构造活动较为强烈。图 8为Q₃、Q及N地层底界面三维构造模型，从图中可以看出，只有2条断层错断Q₃地层底界面，这2条断层为盘谷寺-新乡断裂的两部分，说明盘谷寺-新乡断裂为该区活动性最强的断层，为活动断层。从Q地层底界面三维构造模型可以看出，实测断层均错断Q地层底界面，说明实测断层均为第四纪断层。综合Q₃、Q及N地层底界面三维构造模型可以看出，从N地层底界面到Q₃地层底界面起伏程度逐渐减小，说明研究区新近纪时期构造活动最为强烈，随后构造活动逐渐减弱，从而形成现今的构造形态。盘谷寺-新乡断裂控制研究区西部济源凹陷与太行山隆起，武陟断裂、平陵断裂、盘谷寺-新乡断裂东段、凤凰岭断裂和马坊泉断裂控制研究区东部济源凹陷、武陟隆起、修武凹陷以及局部小隆起。

3 焦作地区浅层三维构造特征

综合分析研究区地层与三维构造模型特征发现，研究区东北部缺失N₁地层，N₂地层与下伏古生界地层呈角度不整合接触，西南部发育有近1 000 m厚的古近系地层，说明研究区始新世开始遭受剥蚀。从地震剖面以及地质资料分析可知，该区实测断层多数错断新近系底界，并延伸至下伏古生界地层，说明该区发育的一系列正断层自古生代以来遭受剥蚀并持续发育，控制该区的断陷活动。结合该区地质构造图(图 9)可以看出，受东西向盘谷寺-新乡断裂、北西向武陟断裂控制，研究区西南济源-武陟一带形成近东西向沉积的济源凹陷，凹陷中古近纪地层厚度可达6 000 m，而其北侧盘谷寺-新乡断裂、武陟断裂的上升盘普遍缺失古近系地层。

研究区普遍缺失N₁地层，说明古近纪末至新近纪初，断陷活动减弱，该区发生剥蚀。研究区普遍发育N₂地层，表明新近纪末该区再次断陷，盘谷寺-新乡断裂、武陟断裂继续发育，南侧坳陷新近系沉积厚度可达数百米，北侧断裂上升盘明显隆升，且盘谷寺-新乡断裂自西向东其新近系底界断距逐渐减小，武陟断裂逐渐接替盘谷寺-新乡断裂成为济源凹陷的边界断裂。同时，新近纪时期研究区北侧凤凰岭断裂继续发育，造成研究区自南向北整体呈阶梯状隆升形态。研究区东侧武陟隆起的发育使得盘谷寺-新乡断裂倾向由南倾变为北倾，同时武陟隆起北侧边缘局部区域隆起形成平陵断裂。结合该区地质构造图中新生界底板等深线分析可知，北倾的盘谷寺-新乡断裂和南倾的凤凰岭断裂共同控制研究区东部修武凹陷的发育，南倾的凤凰岭断裂与北倾的马坊泉断裂控制修武凹陷北侧的小型隆起，隆起顶部发育有延伸长度较短的朱营断裂。

研究区缺失更新统下部Q_p1地层，第四系Q地层底界面各断层断距较小，地层起伏平缓，说明至上新世晚期或第四纪初期，该区发生短期剥蚀，各断层继续发育，之后断块隆升趋于停止，至Q₃地层底界面，仅盘谷寺-新乡断裂继续发育。同时，地层起伏更为平缓，逐渐形成现今的构造格局^[11-12]。

4 结语

本文运用专业地震解释及构造建模软件，综合利用浅层地震数据、钻孔以及地表高程数据分别构建焦作地区地表高程模型、近地表地层分布模型和第四纪断层模型，从而构建浅层三维构造模型。该构造模型可模拟出N地层底界面至Q₃地层底界面相对精确的构造特征，在一定程度上可帮助相关工作人员更加直观准确地分析焦作地区近地表各种复杂的地质现象。

焦作地区三维地质模型的构建，实际为利用已有的数据(可看作离散点)建立地层曲面与断层面，再利用两者相互关系建立地质体。在这个过程中，建立每个面、体的基本元素数据及其结合方式都会存在误差，对于所构建的浅层地质模型的误差可从以下几个方面进行控制：

1) 原始资料误差控制。模型构建使用的浅层勘探地震数据、钻孔数据以及地表高程数据均需进行数据检测，保证数据的完整性与一致性。

2) 插值误差控制。插值运算过程中，需实时查看计算结果，并根据实际情况选择增加或减少控制点、更换插值方法、对图形进行光滑处理等多种方法对图形效果进行优化，降低误差，从而使模型更贴近实际。

3) 建模误差控制。在由点生成面、由面生成体的每个过程中均需设置模型的网格，建模过程中需反复实验，从而选择合适的网格大小。

在构建焦作地区三维地质模型过程中反复核实原始资料，在保证原始数据完整性与一致性的基础上，正确加载基础数据，并实时查看插值与建模效果，最终选择克里金插值方法，同时对地层面进行光滑处理，选择100 m×100 m的计算网格，得到最终的构造模型。利用钻孔数据对最终模型进行校准，误差在10%以内，满足较大比例尺地质图制图精度的要求。

在焦作地区三维建模过程中还存在2个难点：1)多期浅层地震勘探数据之间存在层位不闭合现象，因此建议今后同一区域的反射地震数据采集以及处理参数应尽量一致；2)钻孔数据大多无法兼顾第四系内部地层分界信息与新近系及其下部地层分界信息，而钻孔的地质分层数据直接决定浅层反射地震数据的层位解释。建议今后第四系钻孔数据中能包含反映地层特性的测井曲线，进而合成地震记录，对地震剖面进行准确的层位标定。