0 引言

地球物理反演是获取地下地质信息的有效手段(赵金仁等，2005；冯旭亮等，2014；Lamri et al., 2016；Constantino et al., 2017；Miller et al., 2017；Rezaie et al., 2017；许林斌等，2017；Zhang et al., 2017；张春灌等，2017)，以往地下地质信息的表达以二维为主，随着计算机技术的发展，自20世纪80年代以来，三维可视化技术引用到了地学领域.GOCAD软件诞生后，三维地质建模技术取得了飞速发展，许多学者以GOCAD软件为平台对地学信息的表达及研究做了大量工作，Süss和Shaw(2003)运用声波测井数据和反射地震波数据以GOCAD软件为平台建立了加利福尼亚州洛杉矶盆地的速度结构模型；Carena等(2004)应用GOCAD软件构建了加利福尼亚州南部的圣安德烈亚斯断层三维模型，并通过模型分析了断裂引发地震的原因；Sorlien等(2006)以GOCAD软件为平台运用地震反演数据、钻孔数据及出露岩层数据构建加利福尼亚州洛杉矶市及临海地区三维可视化模型，并借助GPS数据推断圣塔莫尼卡-多美-马里布海岸断层系的活动速率；Ni和Chen(2014)通过对模型数据分析，研制了将GOCAD模型数据转换成FLAC3D模型数据格式的方法，并在工程实例中得到了证实.

笔者借鉴前人的经验，通过收集天津市大寺新家园—海河教育园区的重力反演资料、钻孔资料及MT剖面资料构建研究区三维可视化模型，并根据该区的热储形成条件及类型，推断地下热储有利位置，较直观地揭示了地下地质体的空间展布规律，为该区的地壳稳定性评价及地热资源评估提供了有价值的参考资料依据.

1 资料收集与整理 1.1 密度、电性参数统计

图 1为大寺新家园—海河教育园区的密度、电性参数统计图，从图中可以看出，随地质年代由新到老，地层的密度逐渐增大，视电阻率整体表现为相对低阻、低阻、中阻、高阻的分布特征，二者都呈现层状分布特点.密度层和视电阻率层分界面中除奥陶系及以前地层与上覆地层分界面相同外，其余分界面均有差异，且认为该界面起伏是造成区域重力异常和影响视电阻率纵向分布的主要原因.

1.2 重力场特征

研究区位于天津市中部重力高值区，区内的布格重力异常(图 2)沿北东—南西向展布，异常幅值由西北向东南呈现高、低、高的形态分布，为北东向白塘口凹陷内基底坳陷和两侧基底隆起的结果，高值区与低值区的重力异常变化，反映了各构造单元的断裂分布，其梯度带等值线的同向扭曲推断为断裂局部错动的反映.

1.3 断裂构造、构造单元划分

根据研究区布格重力场特征及地质认识，在区内划分9条断裂和3个构造单元(图 2).研究区构造主体为白塘口凹陷，左侧为双窑凸起，右侧为小韩庄凸起，构造总体走向为北东向，区内主要断裂为大寺断裂(F_Ⅱ-1)和白塘口东断裂(F_Ⅱ-2)，对区内凸起、凹陷的形成、发展及演化起着主要的控制作.根据每条断裂的平面位置、倾向、大致倾角，将断裂水平、纵向位置整理成三维空间坐标形式，并加载到GOCAD软件中(图 3).

1.4 钻孔资料收集与整理

在研究区内共收集到8个钻孔资料，主要分布在双窑凸起和小韩庄凸起两个构造单元上，对区内部分地层分界面深度起到校正和控制作用，将钻孔资料分别整理成井轨迹和标记形式，加载到软件中(图 3).

1.5 地层划分

根据上述密度层划分资料及钻孔资料，把研究区划分为7个地层，分别为第四系、明化镇组、馆陶组、东营组、古近系沙河街组-白垩系、侏罗系-石炭系、奥陶系及以前地层.白塘口凹陷中，所有地层均有分布，双窑凸起和小韩庄凸起只分布第四系、明化镇组、馆陶组、奥陶系及以前4个地层.将密度层的反演界面、地表高程及模型最底端深度(6000 m)整理成三维空间坐标的形式，导入到GOCAD软件中，并在缺失地层的底界面上加载上剥蚀框(软件生成地层时，剥蚀框内不生成)(图 3)，明化镇组地层分界面由钻孔标记控制，双窑凸起和小韩庄凸起内馆陶组底界面与第二密度层界面重合，白塘口凹陷内该层底界面由软件插值自动生成.

1.6 密度、视电阻率属性资料整理

根据上述密度参数统计成果及密度层分界面，将各个密度界面间插入该层的密度值(网格大小为200 m×200 m×100 m)，并整理成空间坐标-属性值的格式，加载到软件中(图 3).

另外，研究区中有1条穿过双窑凸起、白塘口凹陷、小韩庄凸起的北西西向MT剖面穿过，将每个MT点用SSMT2000软件将时间域数据通过Robust变化加远参考资料处理转换为频率域功率谱文件，然后应用频率与深度对应关系将频率域数据转换为深度-视电阻率数据格式，然后整理成井轨迹和井属性的数据格式，并加载到GOCAD软件中(图 3).

1.7 热储特征

研究区内发育有新近系明化镇组、新近系馆陶组、古生界奥陶系、古生界寒武系昌平组和中元古界蓟县系雾迷山组五个热储层，其中明化镇组为碎屑岩类孔隙型热储，馆陶组热储地热流体富集于砂岩中，奥陶系、寒武系昌平组、雾迷山组热储流体富集于岩溶裂隙中，且昌平组热储在大寺断裂以东有分布，其余热储在白塘口凹陷全部区域均有分布(李嫄嫄，2014).根据上述特征，明化镇组和馆陶组热储在离地表最近处易开采，奥陶系、昌平组、雾迷山组热储则在断裂附近热储流体流通性较好，故奥陶系、雾迷山组热储在大寺断裂东侧附近(F_Ⅱ-1)或白塘口东断裂(F_Ⅱ-2)西侧附近易开采，昌平组热储在大寺断裂东侧附近易开采.

2 基于GOCAD系统的三维可视化建模

本次建模主要用到GOCAD软件的构建模型流、建立属性模型流两个模块，模块功能齐全，软件操作方便.

2.1 地质建模

构建地质模型，使用上文整理资料，利用GOCAD软件中构建模型流模块，主要包含以下7个步骤：

① 利用地层分界面建立初始地层模型，并设置地层间接触关系(表 1)，利用钻孔资料检查地层缺失设置是否正确；② 设置断层类型；③ 设置模型的平面范围(用给定的闭合曲线)，并输入纵向范围(-50~6000 m(向下为正))，并计算模型的空间范围；④ 选中断层数据，分别设置断层平面网格(200 m)和垂向网格(100 m)，并更新断层网络，修改断层的空间位置和接触关系，再更新断层网络，重复修改及更新，直至断层符合模型要求，建立断层面；⑤ 选中地层分界面数据，设置分界面平面网格大小(200 m), 预览分界面生成情况，如果分界面不符合模型要求，通过修改参数或删除不符合要求的数据，再次预览，如此重复，直至生成界面符合模型要求，建立地层分界面；⑥ 设置钻孔对分界面的影响范围，对与钻孔标记不一致的分界面进行校正；⑦ 设置模型的平面网格大小(200 m)和垂向网格大小(除沙河街组-白垩系地层设置为200 m、奥陶系及以前地层设置为300 m外，其余地层均设置为100 m), 预览模型网格，如不符合要求，重新设置网格大小，再预览，如此重复，直至网格符合要求，构建地质模型(图 4).

2.2 密度属性建模

构建密度属性模型，使用研究区密度资料及已建立的地质模型，运用GOCAD软件中属性流模块，主要包含以下6个步骤：

① 选择地质模型，设置属性数量(1) 及类型(连续)，输入属性名称(Density)；② 选择属性数据，设置属性列及属性数据与地质体网格匹配方式(最近原则)；③ 选择模拟区域(所有区域)；④ 选择建模方法(离散光滑插值)，并进行参数设置(迭代次数为10、拟合因子为1、置信因子为1)(Mallet, 1992, 2002; 孟小红等，2002；周军霞等，2008)；⑤ 检查属性参数；⑥ 建立密度属性模型(图 5).

2.3 地热资源集成

根据研究区热储特征及模型构造特征，选定模型中明化镇组和馆陶组中离地表最近区域，认为是该层热储有利区，根据区内钻孔及地质资料，判定奥陶系的大致厚度，判定寒武系昌平组和蓟县系雾迷山组的大致深度和厚度，并选定模型中大寺断裂和白塘口东断裂附近连通性最好的区域，定为该层热储有利区，将不同地层的热储区和非热储区分别用不同属性值表示(离散数据，每个值对应一种颜色)，并整理成空间坐标-属性值的格式，加载到GOCAD软件中.采用属性建模的方式，把属性值对应的颜色附加到地质模型中，建立热储有利区模型(图 6).

3 模型展示

天津市大寺新家园—海河教育园区三维可视化模型展示包括内容展示和功能展示两方面，通过不同方面的展示能从不同的角度了解大寺新家园—海河教育园区的地下地质、地球物理特征.

3.1 内容展示 3.1.1 地质模型

图 4为天津市大寺新家园—海河教育园区三维可视化地质模型展示图，模型中包含1个Ⅲ级构造单元(沧县隆起)、3个Ⅳ级构造单元、3条Ⅱ级断裂构造、1条Ⅲ级断裂构造、4条Ⅳ级断裂构造(构造单元、断裂构造名称、编号与图 2中一致)和7个地层单元.

(1) 构造单元：模型中展示构造单元主要为在Ⅲ级构造单元沧县隆起上划分的Ⅳ级构造单元，包括双窑凸起、白塘口凹陷、小韩庄凸起，构造单元边界主要为Ⅱ级断裂(图 4).

通过模型与区内布格重力异常分布特征(图 2)对比可以发现，三个构造单元中，白塘口凹陷对应布格重力异常的低异常，双窑凸起和小韩庄凸起都对应高异常，分析认为与各构造单元内奥陶系基底的起伏及上覆地层的厚度变化有关.

(2) 构造断裂：展示的断裂构造主要为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级断裂，分别用不同颜色的边框线表示，Ⅱ级断裂用红色边框线，Ⅲ级断裂用蓝色边框线，Ⅳ级断裂用黄色边框线(图 7).从图中可以看出断裂的走向、倾向、大致倾角、空间展布及断裂间的接触关系，基本能反映真实断裂的空间分布情况.模型中包含3条Ⅱ级断裂构造、1条Ⅲ级断裂构造、4条Ⅳ级断裂构造.

从各断裂构造的空间分布来看，F_Ⅳ-1、F_Ⅳ-2断裂在南西走向方向上被F_Ⅱ-1断裂截断，且F_Ⅳ-1断裂在纵向延伸方向上被F_Ⅱ-1断裂截断；F_Ⅱ-2断裂被F_Ⅲ-1断裂错断；F_Ⅳ-3断裂与F_Ⅳ-4断裂在纵向延伸方向上被相互截断.结合各构造单元地层分布情况(图 5)及布格重力异常分布特征(图 2)可以看出，F_Ⅱ-1断裂是造成双窑凸起与白塘口凹陷间重力梯度带的主要原因；F_Ⅱ-2断裂是造成白塘口凹陷与小韩庄凸起间重力梯度带的主要原因，且F_Ⅲ-1断裂是引起该梯度带向东弯曲的原因.

(3) 地层：建模时把可视化模型分成7层，不同地层用不同颜色表示，如图 4所示，第一层为第四系，用浅粉红色层表示；第二层为明化镇组，用黄层表示，第三层为馆陶组，用暗黄层表示，第四层为东营组，用浅蓝色层表示；第五层为沙河街组-白垩系，用棕红色层表示；第六层为侏罗系-石炭系，用灰白色层表示；第七层为奥陶系及以前所有地层，用蓝色层表示.

从地层的空间分布来看，白塘口凹陷内地层分布较全，双窑凸起和小韩庄凸起内均缺失东营组、沙河街组-白垩系、侏罗系-石炭系三个地层(图 5d、e、f)，该三层在白塘口凹陷内呈现东北宽、西南窄的分布状态，加之奥陶系顶界面的起伏特征，共同影响着了研究区布格重力场的分布特征.

3.1.2 属性模型

图 5为天津市大寺新家园—海河教育园区三维可视化属性模型图，从图中可以看出以下规律：① 模型中地质体分层与密度层有差异，明化镇组、馆陶组和东营组属同一密度层，随着密度层由新到老，密度值表现出逐渐增大的趋势，且密度最高值地层(奥陶系及以前地层)最厚，该层的起伏对布格重力场的分布起着决定性作用；② 每一密度层上表面黏附低于本密度层密度值的地质体，下表面黏附高于本密度层密度值的地质体，与上下地层密度值有关；③ 断裂及附近密度值低于同深度地质体的密度值，反映出断裂及附近地质体较松散，密度值偏低的特点.

3.2 功能展示

(1) 截取剖面功能

截取剖面功能为GOCAD软件中的自带功能，图 8为南北和东西方向上截取的两组剖面，每组剖面间距为12 km.从图中可以清楚的看到剖面经过位置的地层、断裂结构，从整个截图上可以看出白塘口凹陷内，地层分布较全，双窑凸起和小韩庄凸起内奥陶系以上地层较薄，部分地层缺失.

(2) 透明显示功能

图 6为天津市大寺—海河教育园区热储层模型展示图，图中除地热有利区域外，其他区域进行了透明化显示，从图中可以清楚的看到断裂构造在地质体内的空间展布、断裂间的接触关系及热储区在地质体内的具体位置.

通过断裂的空间分布(图 7)与研究区内各构造单元(图 4)内地层分布(图 5)及布格重力场特征(图 2)对比分析，认为F_Ⅱ-1和F_Ⅱ-2断裂是控制白塘口凹陷下降、两侧双窑凸起和小韩庄凸起相对上升的主要构造，引起白塘口凹陷内布格重力场值较低，两侧值较高.F_Ⅲ-1断裂造成白糖口凹陷北部地区向东扩张，引起布格重力场低值区向东延伸.

4 剖面对比及虚拟钻孔验证

运用上文MT剖面整理的井轨迹和井属性，利用GOCAD软件的属性分析流模块，制作MT虚拟钻孔(图 9c)，通过与重力曲线(图 9a)及拟合地质剖面(图 9b)、模型截取剖面(图 9c)对比，可以看出，布格重力曲线的升降基本反映研究区基底的起伏和沉积层的厚度变化情况，模型截取地质剖面与曲线拟合地质剖面中的密度层纵向分布、断裂构造位置、构造单元划分基本一致，MT虚拟钻孔在模型地层中视电阻率分层现象与物性统计基本一致(MT1、MT4、MT5、MT8、MT9)，在断裂及附近，受断裂影响，静态效应现象明显，视电阻率整体降低(MT2、MT3、MT6、MT7)，说明在密度分层和电性结构两面，三维可视化模型能够较真实地反映地下地质结构.

5 结论

本文通过GOCAD软件对天津市大寺新家园—海河教育园区的重力数据反演成果资料、钻孔资料、MT剖面反演资料和热储层资料进行了加载，将上述资料有机结合在一起，构建了天津市大寺新家园—海河教育园区地质模型、密度属性模型、热储资源集成模型及虚拟钻孔，并利用GOCAD软件对模型进行了全方位展示，使研究区地质结构以立体形式展示在人们面前，对今后地质、地球物理工作具有示范意义.

(1) 利用天津市大寺新家园—海河教育园区的重力数据反演界面、断裂构造和钻孔资料构建了研究区的地质模型，并将密度属性添加到模型中，将热储资源集成到模型中，实现了研究区全部收集资料的三维可视化.

(2) 分别从内容和功能上对三维可视化模型进行了展示，模型在内容上从地层、断裂构造、构造单元三个方面反映了地下真实情况，细致的展示了研究区地下地质结构，在功能上通过截取剖面和透明化显示两方面功能，展示了模型的内部结构，通过两方面展示使人们对研究区地质结构有了全面了解.

(3) 通过模型分析，认为大寺断裂(F_Ⅱ-1)和白塘口东断裂(F_Ⅱ-2)是造成白塘口凹陷内地层下降、两侧地层上升的主要原因，F_Ⅲ-1断裂是造成白塘口凹陷东北宽、西南窄的主要原因，它们共同影响区内布格重力场的分布.

(4) 通过模型截取剖面与实测重力数据拟合地质剖面、MT虚拟钻孔分层成果对比，证明三维可视化模型是可信的.

致谢 感谢审稿专家提出的修改意见和编辑部的大力支持！