Three-dimensional geological modeling of Cenozoic erathem in Jiangsu segment of the Tanlu fault zone
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摘要:
本文基于SKUA-GOCAD三维建模软件平台的构造-地层实体建模流程，通过整合研究区大量地质、地球物理资料和数据利用地质时间域坐标系转换和离散光滑插值（DSI）技术，并结合非定量化的地质基础利用地质网格功能建立了郯庐断裂带江苏段新生界的三维地质构造模型，该模型包括地表、第四系底部、新近系底部和基岩顶部等四个层面的地层模型和断层模型。该模型定量化地给出了研究区第四系、新近系底界的三维结构和特征，并刻画了主要活动断裂的三维空间分布，通过该模型可以更直观地显示研究区新生代地层单元和断裂的变化规律，对深入分析活动断裂带的沉积与构造具有重要的意义。
Abstract:The establishment of three-dimensional geological structure model of active fault zones is an important basis for studying active faults, earthquake and geological disasters. Based on the tectonic-stratigraphic entity model flow of the 3D modeling platform SKUA-GOCAD, the UVT and DSI techniques in the geological time domain are used in this study. A 3D geological structure model of the Neogene in the Jiangsu segment of the Tanlu fault system is established, combined with the non-quantified geological foundation and the geological grid function. The three-dimensional model includes fault model and strata model with four layers （the surface, Quaternary bottom, Neogene bottom and bedrock top surface）. The 3D model of Cenozoic erathem in Jiangsu segment of Tanlu fault zone gives the 3D structure and characteristics of Quaternary and Neogene basement quantitatively, and describes the 3D spatial distribution of main active faults. The three-dimensional model can more intuitively understand the Cenozoic stratigraphic units and faults in the studied area, which is of great significance to the in-depth analyses on the sedimentation and structure of active fault zones.
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引言
三维地质构造模型能够直观地反映出地形地貌、地下物质和结构等信息在三维空间的展布状态，而三维地质构造建模作为定量化研究三维地层结构和变化特征的重要方法，已成为模拟分析地质构造及其时空演变规律的重要有效手段之一（姬广军，朱吉祥，2019）。据统计，目前约有30种三维地质构造建模方法，且具有多种分类依据，如基于尺度、数据源、建模动态性和研究工具等的分类（潘懋等，2017），其中基于数据源的建模方法可以划分为基于地质剖面（吴志春等，2016a，b；张宝一等，2017）、离散点（窦帆帆等，2017）、钻孔数据（陈学习等，2005；朱良峰等，2004；贾志宾等，2017；李璐等，2018）、地球物理资料（白林等，2018；梁卫卫等，2019）、多层数字高程模型（digital elevation mode，缩写为DEM）数据（程朋根等，2005）、野外观测数据（Jessell，2001；Calcagno et al，2008）等。事实上，大多数三维建模都是基于多源数据（Wu，2004；Kaufmann，Martin，2008；何紫兰等，2018；Lu et al，2019）的综合应用。多源数据集成可以综合利用现有数据，较大程度地提高建模精度或分辨率以及约束程度。因此，多源数据的无缝衔接与有效整合，是目前三维地质构造建模研究的一个热点。
三维建模技术的不断成熟和计算机技术的快速发展，促使商业化软件大量涌现。当前应用较广泛的软件有SKUA-GOCAD，Petrel，Surpac，3DMine，Vulcan，MicroLynx，GSI3D等，其中SKUA-GOCAD软件是目前国内外应用最广的三维地质构造建模软件之一，其三维功能尤其强大：能处理任意复杂地质情况，如地层尖灭、透镜体、复杂逆断层等；能够在复杂地质构造模型约束下生成大规模的三维体地质网格，并将其作为属性模型的基础；所生成的网格能准确地匹配地质构造模型的几何形状（董梅等，2008）。三维地质构造建模在资源环境、工程地质等领域发挥着重要的作用（陈超，陈广峰，2012；张宝一等，2017；张颖慧等，2018）。针对活动断裂的三维建模，主要研究新生界发育的活动断裂（于贵华等，2009）和大地震产生地表破裂的断层及隐伏活动断层等（Li et al，2010；鲁人齐等，2018）。
郯庐断裂带是我国东部规模最大的NNE向走滑断裂，在我国境内长度超过2 400 km。关于郯庐断裂带的起源、演化历史、左旋位移等方面已有大量的研究成果（朱光等，2002）。同时，郯庐断裂带也是我国东部规模最大的活动断裂带，其分段活动特征明显，强震活动多集中在渤海段和山东潍坊—嘉山段（施炜等，2003；王志才等，2005）。郯庐断裂带在江苏境内主要由五条分支断裂构成，存在晚更新世和全新世活动段落（张鹏等，2011；曹筠等，2018）。
活动断层的发震潜力和地震破裂分段受相关断层的几何复杂性控制（邓起东，闻学泽，2008；Guyonnet-Benaize et al，2015）。然而，对于郯庐断裂带的三维空间延伸、趋势变化、规模、断层组合和分段等细节还缺乏深入的研究。因此，掌握郯庐断裂带的三维地质与断层几何结构之间的相互关系，建立体现深浅构造的三维速度和断层模型，逐步优化并建立三维公共模型（Shaw et al，2015），对于模拟地震破裂、强地面震动和地震灾害等研究均具有重要意义。
鉴于此，本文拟以郯庐断裂带江苏宿迁—新沂段为例，将多源数据融合，利用建模软件的构造-地层实体建模流程法，采用地质时间域坐标系转换技术和离散光滑插值（discrete smooth interpolation，缩写为DSI）技术，结合非定量化的地质基础和网格功能，通过SKUA-GOCAD平台首次建立郯庐断裂带江苏段新生界的三维地质构造模型，籍此更直观地探求研究区新生代地层单元和断裂的变化规律。
引言
三维地质构造模型能够直观地反映出地形地貌、地下物质和结构等信息在三维空间的展布状态，而三维地质构造建模作为定量化研究三维地层结构和变化特征的重要方法，已成为模拟分析地质构造及其时空演变规律的重要有效手段之一（姬广军，朱吉祥，2019）。据统计，目前约有30种三维地质构造建模方法，且具有多种分类依据，如基于尺度、数据源、建模动态性和研究工具等的分类（潘懋等，2017），其中基于数据源的建模方法可以划分为基于地质剖面（吴志春等，2016a，b；张宝一等，2017）、离散点（窦帆帆等，2017）、钻孔数据（陈学习等，2005；朱良峰等，2004；贾志宾等，2017；李璐等，2018）、地球物理资料（白林等，2018；梁卫卫等，2019）、多层数字高程模型（digital elevation mode，缩写为DEM）数据（程朋根等，2005）、野外观测数据（Jessell，2001；Calcagno et al，2008）等。事实上，大多数三维建模都是基于多源数据（Wu，2004；Kaufmann，Martin，2008；何紫兰等，2018；Lu et al，2019）的综合应用。多源数据集成可以综合利用现有数据，较大程度地提高建模精度或分辨率以及约束程度。因此，多源数据的无缝衔接与有效整合，是目前三维地质构造建模研究的一个热点。
三维建模技术的不断成熟和计算机技术的快速发展，促使商业化软件大量涌现。当前应用较广泛的软件有SKUA-GOCAD，Petrel，Surpac，3DMine，Vulcan，MicroLynx，GSI3D等，其中SKUA-GOCAD软件是目前国内外应用最广的三维地质构造建模软件之一，其三维功能尤其强大：能处理任意复杂地质情况，如地层尖灭、透镜体、复杂逆断层等；能够在复杂地质构造模型约束下生成大规模的三维体地质网格，并将其作为属性模型的基础；所生成的网格能准确地匹配地质构造模型的几何形状（董梅等，2008）。三维地质构造建模在资源环境、工程地质等领域发挥着重要的作用（陈超，陈广峰，2012；张宝一等，2017；张颖慧等，2018）。针对活动断裂的三维建模，主要研究新生界发育的活动断裂（于贵华等，2009）和大地震产生地表破裂的断层及隐伏活动断层等（Li et al，2010；鲁人齐等，2018）。
郯庐断裂带是我国东部规模最大的NNE向走滑断裂，在我国境内长度超过2 400 km。关于郯庐断裂带的起源、演化历史、左旋位移等方面已有大量的研究成果（朱光等，2002）。同时，郯庐断裂带也是我国东部规模最大的活动断裂带，其分段活动特征明显，强震活动多集中在渤海段和山东潍坊—嘉山段（施炜等，2003；王志才等，2005）。郯庐断裂带在江苏境内主要由五条分支断裂构成，存在晚更新世和全新世活动段落（张鹏等，2011；曹筠等，2018）。
活动断层的发震潜力和地震破裂分段受相关断层的几何复杂性控制（邓起东，闻学泽，2008；Guyonnet-Benaize et al，2015）。然而，对于郯庐断裂带的三维空间延伸、趋势变化、规模、断层组合和分段等细节还缺乏深入的研究。因此，掌握郯庐断裂带的三维地质与断层几何结构之间的相互关系，建立体现深浅构造的三维速度和断层模型，逐步优化并建立三维公共模型（Shaw et al，2015），对于模拟地震破裂、强地面震动和地震灾害等研究均具有重要意义。
鉴于此，本文拟以郯庐断裂带江苏宿迁—新沂段为例，将多源数据融合，利用建模软件的构造-地层实体建模流程法，采用地质时间域坐标系转换技术和离散光滑插值（discrete smooth interpolation，缩写为DSI）技术，结合非定量化的地质基础和网格功能，通过SKUA-GOCAD平台首次建立郯庐断裂带江苏段新生界的三维地质构造模型，籍此更直观地探求研究区新生代地层单元和断裂的变化规律。
1. 研究区构造背景
郯庐断裂带中南段的江苏宿迁—新沂段宽约20—30 km，由五条主干断裂组成，由东向西分别为山左口—泗洪断裂F1、马陵山—重岗山断裂F5、新沂—新店断裂F2、墨河—凌城断裂F3和窑湾—高作断裂F4 （图1）。F1和F2控制发育东地堑，F3和F4控制西地堑，两地堑之间为中央地垒。两个NNE向的地堑内，自下而上充填了早白垩世青山群火山岩和晚白垩世王氏组地层，局部存在早白垩世小型岩体和岩脉。古近纪期间该段活动不明显，且未接受沉积。新近纪以来，随着西太平洋弧后扩张，中国东部地区遭受ENE−WSW向构造主应力作用，造成大规模断陷盆地抬升、消亡（刘备等，2015）。
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图 1 研究区地质构造简图F1：山左口—泗洪断裂；F2：新沂—新店断裂；F3：墨河—凌城断裂；F4：窑湾—高作断裂；F5：马陵山—重岗山断裂Figure 1. Geological tectonic settings of the studied areaF1：Shanzuokou-Sihong fault；F2：Xinyi-Xindian fault；F3：Mohe-Lingcheng fault；F4：Yaowan-Gaozuo fault； F5：Malingshan-Chonggangshan fault研究区出露的最古老地层为太古界（图1），由一套经过强烈区域变质作用和混合岩化的变质岩系组成，主要分布于研究区F1东侧，局部出露于F2与F3之间形成的地垒中；震旦纪—古生代地层主要为碳酸盐岩、碎屑岩等，广泛分布于F4西侧；晚侏罗世—古近纪地层主要为断陷盆地型沉积；新近纪—第四纪地层十分发育。第四纪以来，该断裂带进入新的构造活动期（刘备等，2015），断层活动强烈，控制或影响了第四纪地层的沉积。
1. 研究区构造背景
郯庐断裂带中南段的江苏宿迁—新沂段宽约20—30 km，由五条主干断裂组成，由东向西分别为山左口—泗洪断裂F1、马陵山—重岗山断裂F5、新沂—新店断裂F2、墨河—凌城断裂F3和窑湾—高作断裂F4 （图1）。F1和F2控制发育东地堑，F3和F4控制西地堑，两地堑之间为中央地垒。两个NNE向的地堑内，自下而上充填了早白垩世青山群火山岩和晚白垩世王氏组地层，局部存在早白垩世小型岩体和岩脉。古近纪期间该段活动不明显，且未接受沉积。新近纪以来，随着西太平洋弧后扩张，中国东部地区遭受ENE−WSW向构造主应力作用，造成大规模断陷盆地抬升、消亡（刘备等，2015）。
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图 1 研究区地质构造简图F1：山左口—泗洪断裂；F2：新沂—新店断裂；F3：墨河—凌城断裂；F4：窑湾—高作断裂；F5：马陵山—重岗山断裂Figure 1. Geological tectonic settings of the studied areaF1：Shanzuokou-Sihong fault；F2：Xinyi-Xindian fault；F3：Mohe-Lingcheng fault；F4：Yaowan-Gaozuo fault； F5：Malingshan-Chonggangshan fault研究区出露的最古老地层为太古界（图1），由一套经过强烈区域变质作用和混合岩化的变质岩系组成，主要分布于研究区F1东侧，局部出露于F2与F3之间形成的地垒中；震旦纪—古生代地层主要为碳酸盐岩、碎屑岩等，广泛分布于F4西侧；晚侏罗世—古近纪地层主要为断陷盆地型沉积；新近纪—第四纪地层十分发育。第四纪以来，该断裂带进入新的构造活动期（刘备等，2015），断层活动强烈，控制或影响了第四纪地层的沉积。
2. 三维建模数据
本研究收集到研究区30 m分辨率的数字高程模型DEM和影像图、89条人工地震反射剖面、479个钻孔柱状图、5条地质剖面、4幅1 ∶ 5万地质图①②③④、2幅1 ∶ 20万地质图⑤⑥和1幅1 ∶ 20万基岩地质图，参考1 ∶ 20万宿迁水文地质勘察报告、江苏省新沂地区农田供水水文地质普查报告、新沂市城镇供水水文地质详查报告和郯庐断裂带苏皖段地壳稳定性调报告。以上数据覆盖了除骆马湖湖区、梅花镇以南地区以外的所有研究区，如图2所示。因此，研究区作为活动断裂带研究的一个典型区域，已具备三维地质构造建模所需的大量且重要的数据基础。
2. 三维建模数据
本研究收集到研究区30 m分辨率的数字高程模型DEM和影像图、89条人工地震反射剖面、479个钻孔柱状图、5条地质剖面、4幅1 ∶ 5万地质图①②③④、2幅1 ∶ 20万地质图⑤⑥和1幅1 ∶ 20万基岩地质图，参考1 ∶ 20万宿迁水文地质勘察报告、江苏省新沂地区农田供水水文地质普查报告、新沂市城镇供水水文地质详查报告和郯庐断裂带苏皖段地壳稳定性调报告。以上数据覆盖了除骆马湖湖区、梅花镇以南地区以外的所有研究区，如图2所示。因此，研究区作为活动断裂带研究的一个典型区域，已具备三维地质构造建模所需的大量且重要的数据基础。
3. 数据处理与融合方法
3.1 数据处理
由于郯庐断裂带的研究历史较长，研究人员对于该断裂带的活动性、分段、延伸情况和沉积地层等均有不同的认识，且资料种类、数据格式均有所不同。为确保模型的准确性，数据的预处理和分析非常必要。本次建模以最新的宿迁市、新沂市活动断层探测项目成果为主，参考以往资料进行分析和处理。
数据处理分两步进行：首先，对收集到的地球物理、地质、钻孔等资料（图2）进行汇总，统一坐标系；其次，进行格式转换，使之成为符合三维建模软件的标准格式。SKUA-GOCAD接受多种格式的数据，如Dxf，Acview shape，XYZ，Column-based File等文件格式。
数据处理之后，还需要进行数字化栅格图像。在ArcGIS下对栅格图进行配准和坐标系投影转换。配准后的地图进行点（钻孔）、线（等厚线、地层分界线、断裂、地质剖面线）、面（地层）等要素的数字化，并填写相应的属性信息。这样将CAD，MapGIS，MapInfo，ArcGIS等软件的矢量数据格式转换为SKUA能够接受的格式。
3.1 数据处理
由于郯庐断裂带的研究历史较长，研究人员对于该断裂带的活动性、分段、延伸情况和沉积地层等均有不同的认识，且资料种类、数据格式均有所不同。为确保模型的准确性，数据的预处理和分析非常必要。本次建模以最新的宿迁市、新沂市活动断层探测项目成果为主，参考以往资料进行分析和处理。
数据处理分两步进行：首先，对收集到的地球物理、地质、钻孔等资料（图2）进行汇总，统一坐标系；其次，进行格式转换，使之成为符合三维建模软件的标准格式。SKUA-GOCAD接受多种格式的数据，如Dxf，Acview shape，XYZ，Column-based File等文件格式。
数据处理之后，还需要进行数字化栅格图像。在ArcGIS下对栅格图进行配准和坐标系投影转换。配准后的地图进行点（钻孔）、线（等厚线、地层分界线、断裂、地质剖面线）、面（地层）等要素的数字化，并填写相应的属性信息。这样将CAD，MapGIS，MapInfo，ArcGIS等软件的矢量数据格式转换为SKUA能够接受的格式。
3.2 多源数据约束方法
不同资料和数据如何相互约束、互为补充，是准确建立三维地质构造模型必须解决的问题。考虑到物探解译结果对第四系底界的不确定性，在地层建模过程中，第四系以收集到的钻孔资料为主，利用DSI插值方法（Mallet，1989）进行空间拓展；物探解译剖面和第四系等厚线对模型数据空白区进行补充，并加以约束。新近纪地层主要以物探解译成果为主，通过地质图确定地质体的地表出露形态，在数据空白区则利用钻孔资料进行约束和补充。前白垩系采用中深层物探解译成果，用钻孔资料和基岩地质图的地质界线对空白区加以补充和约束。出露的岩体通过其地表的地层分界线和基岩地质图上的地质边界建立透镜体进行处理。
3.2 多源数据约束方法
不同资料和数据如何相互约束、互为补充，是准确建立三维地质构造模型必须解决的问题。考虑到物探解译结果对第四系底界的不确定性，在地层建模过程中，第四系以收集到的钻孔资料为主，利用DSI插值方法（Mallet，1989）进行空间拓展；物探解译剖面和第四系等厚线对模型数据空白区进行补充，并加以约束。新近纪地层主要以物探解译成果为主，通过地质图确定地质体的地表出露形态，在数据空白区则利用钻孔资料进行约束和补充。前白垩系采用中深层物探解译成果，用钻孔资料和基岩地质图的地质界线对空白区加以补充和约束。出露的岩体通过其地表的地层分界线和基岩地质图上的地质边界建立透镜体进行处理。
4. 三维建模技术与流程
本文利用SKUA-GOCAD软件的构造-地层实体建模流程法建立三维地质模型。三维建模的关键技术是将SKUA-GOCAD的地质时间域坐标系转换技术引用到建模技术中。该转换技术是指将整个构造的发育过程按地质时间进行分阶段标定，通过对地质时间域的划分进行地质构造建模，以克服普通地质网格受断层约束的限制。建模过程采用离散光滑插值（DSI）法来建立地层界面及断层界面，用SKUA-GOCAD中的地质网格（grid）功能建立三维地质体。
DSI插值法系Mallet （1989）提出，其基本思想是在各个离散化数据点间建立相互联络的网络，如果网络上的已知节点值满足某种约束条件，则未知节点上的值可以通过解线性方程得到。该方法只依赖于网格结点的拓扑关系，不以空间坐标为参数，是一种不受维数限制的差值方法。DSI插值法可以保持优化后的网格与原始网格的几何细节特征一致，施加离散控制点约束，极大地提高了网格质量，改善了可视化效果。
地质时间域坐标系转换技术是一种数学导出的三维方法，通过该技术将地质空间内平面上每一个点（x，y，z）转换为参数空间的一个点（U，V，T），一个处于xyz空间内的层位H（t）在UVT空间内应该是平的，除此之外，在进行地质时间域坐标系转换的过程中H（t）的变形程度最小，这样水平与地层间距就能够被保存。一旦计算出任一类型的断层格架中的 UVT 变换，所有xyz空间的点与 UVT 空间相关联并具有已知点。这样，即可知道所有与T对应的地层层位，而且这些T的每一个界面都被断层错开。总的来讲，这些具有断层的层位构成了地层上一致的三维构造模型。
SKUA-GOCAD软件采用向导式的工作流程，按步骤导入建模数据，同时在流程中定义断层类型、构造接触关系等。在流程中校正建模数据，生成地层面和断层面的空间展布形态、位置和相互关系，较好地处理断层与地层的相交、切割关系。在流程中重点考虑钻孔中地层分层对地层面的校正作用；自动计算断层断距更符合建模需求。流程建模的核心为地层柱定义，即定义地层的接触关系（整合、不整合、剥蚀等）以及断层的类型（正断、逆断、走滑）。
如图3所示，本次三维建模主要分五个阶段开展：
1） 数据准备。选取断层和地层数据。本次工作建立的是地表、第四系、新近系和前白垩系的地层单元，生成的地层柱中设置第四系与新近系为不整合接触，前白垩系与新近系为不整合接触。
2） 建立断层模型。断层面模型受地震反射剖面上断层轨迹和断层倾角的约束（图2）。在流程中定义断层接触关系，编辑断层边界点、接触线，修改断层框的范围，建立断层体模型。由于每种数据的类型不确定，模型的有效性主要取决于数据精度和数据采样点空间分布的均匀性。
3） 建立地层模型。地层-构造模型由钻孔、地层、构造、物探解译以及地质图等数据约束构建，通过地层和断层的选取建立地表、第四系、新近系和前白垩系的三维地层单元，对生成的地层面进行检查，清除异常地层数据。
4） 检查模型结构。检查地层面与断层面之间的年代几何关系，检查和处理断层面之间的关系（分支、交叉）、地层面之间的关系（整合与不整合接触）、地层面与断层面之间的错动关系。建模软件根据地层柱的定义自动生成断层面和地层面，但是在建模过程中，需要加入大量的非定量化的地质构造认识和推理信息。加入专业经验和认识后，数据处理尽可能保证三维地质模型是逐步接近真实地质构造的过程。
本次建模首先将白垩系、太古宇（Ar）、元古宇（Pt）作为一个基岩顶部整体建模，在最后生成的地质模型体中采用切割区域的方法，用地层分界线生成的面将模型切割为不同地质体的区域，最后针对不同的地质体进行岩性定义，从而生成最终的三维地质模型。
5） 生成地质网格（grid）模型。SKUA-GOCAD将地质时间域坐标系转换技术应用到建模过程，将地质空间内平面上的每一个点（x，y，z）转换为参数空间的一个点（U，V，T），从而建立地质网格模型。在UVT空间，地质模型具有等时面的真正意义，地质网格完美地模拟了复杂地层和不同类型断层之间的错断关系，最大程度地还原了地层与断层之间的错断关系。
4. 三维建模技术与流程
本文利用SKUA-GOCAD软件的构造-地层实体建模流程法建立三维地质模型。三维建模的关键技术是将SKUA-GOCAD的地质时间域坐标系转换技术引用到建模技术中。该转换技术是指将整个构造的发育过程按地质时间进行分阶段标定，通过对地质时间域的划分进行地质构造建模，以克服普通地质网格受断层约束的限制。建模过程采用离散光滑插值（DSI）法来建立地层界面及断层界面，用SKUA-GOCAD中的地质网格（grid）功能建立三维地质体。
DSI插值法系Mallet （1989）提出，其基本思想是在各个离散化数据点间建立相互联络的网络，如果网络上的已知节点值满足某种约束条件，则未知节点上的值可以通过解线性方程得到。该方法只依赖于网格结点的拓扑关系，不以空间坐标为参数，是一种不受维数限制的差值方法。DSI插值法可以保持优化后的网格与原始网格的几何细节特征一致，施加离散控制点约束，极大地提高了网格质量，改善了可视化效果。
地质时间域坐标系转换技术是一种数学导出的三维方法，通过该技术将地质空间内平面上每一个点（x，y，z）转换为参数空间的一个点（U，V，T），一个处于xyz空间内的层位H（t）在UVT空间内应该是平的，除此之外，在进行地质时间域坐标系转换的过程中H（t）的变形程度最小，这样水平与地层间距就能够被保存。一旦计算出任一类型的断层格架中的 UVT 变换，所有xyz空间的点与 UVT 空间相关联并具有已知点。这样，即可知道所有与T对应的地层层位，而且这些T的每一个界面都被断层错开。总的来讲，这些具有断层的层位构成了地层上一致的三维构造模型。
SKUA-GOCAD软件采用向导式的工作流程，按步骤导入建模数据，同时在流程中定义断层类型、构造接触关系等。在流程中校正建模数据，生成地层面和断层面的空间展布形态、位置和相互关系，较好地处理断层与地层的相交、切割关系。在流程中重点考虑钻孔中地层分层对地层面的校正作用；自动计算断层断距更符合建模需求。流程建模的核心为地层柱定义，即定义地层的接触关系（整合、不整合、剥蚀等）以及断层的类型（正断、逆断、走滑）。
如图3所示，本次三维建模主要分五个阶段开展：
1） 数据准备。选取断层和地层数据。本次工作建立的是地表、第四系、新近系和前白垩系的地层单元，生成的地层柱中设置第四系与新近系为不整合接触，前白垩系与新近系为不整合接触。
2） 建立断层模型。断层面模型受地震反射剖面上断层轨迹和断层倾角的约束（图2）。在流程中定义断层接触关系，编辑断层边界点、接触线，修改断层框的范围，建立断层体模型。由于每种数据的类型不确定，模型的有效性主要取决于数据精度和数据采样点空间分布的均匀性。
3） 建立地层模型。地层-构造模型由钻孔、地层、构造、物探解译以及地质图等数据约束构建，通过地层和断层的选取建立地表、第四系、新近系和前白垩系的三维地层单元，对生成的地层面进行检查，清除异常地层数据。
4） 检查模型结构。检查地层面与断层面之间的年代几何关系，检查和处理断层面之间的关系（分支、交叉）、地层面之间的关系（整合与不整合接触）、地层面与断层面之间的错动关系。建模软件根据地层柱的定义自动生成断层面和地层面，但是在建模过程中，需要加入大量的非定量化的地质构造认识和推理信息。加入专业经验和认识后，数据处理尽可能保证三维地质模型是逐步接近真实地质构造的过程。
本次建模首先将白垩系、太古宇（Ar）、元古宇（Pt）作为一个基岩顶部整体建模，在最后生成的地质模型体中采用切割区域的方法，用地层分界线生成的面将模型切割为不同地质体的区域，最后针对不同的地质体进行岩性定义，从而生成最终的三维地质模型。
5） 生成地质网格（grid）模型。SKUA-GOCAD将地质时间域坐标系转换技术应用到建模过程，将地质空间内平面上的每一个点（x，y，z）转换为参数空间的一个点（U，V，T），从而建立地质网格模型。在UVT空间，地质模型具有等时面的真正意义，地质网格完美地模拟了复杂地层和不同类型断层之间的错断关系，最大程度地还原了地层与断层之间的错断关系。
5. 三维模型分析
通过上述技术方法和流程，首先建立郯庐断裂带江苏段的三维地质模型，如图4所示。三维模型的宽为30 km，长为80 km，深度为0.6 km。三维模型显示了断层的复杂几何分布及其与地层的接触关系。模型中包含五条被第四系覆盖的主要断层以及地表地质、第四系底部、新近系底部和基岩顶部的四个层面。
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图 4 郯庐断裂带江苏段沿NE向（a）和SW向（b）的三维地质构造模型F1：山左口—泗洪断裂；F2：新沂—新店断裂；F3：墨河—凌城断裂；F4：窑湾—高作断裂；F5：马陵山—重岗山断裂Figure 4. 3-D geological structural models of the Jiangsu segment of the Tanlu fault zone along NE （a） and SW （b）F1：Shanzuokou-Sihong fault；F2：Xinyi-Xindian fault；F3：Mohe-Lingcheng fault；F4：Yaowan-Gaozuo fault； F5：Malingshan-Chonggangshan fault5. 三维模型分析
通过上述技术方法和流程，首先建立郯庐断裂带江苏段的三维地质模型，如图4所示。三维模型的宽为30 km，长为80 km，深度为0.6 km。三维模型显示了断层的复杂几何分布及其与地层的接触关系。模型中包含五条被第四系覆盖的主要断层以及地表地质、第四系底部、新近系底部和基岩顶部的四个层面。
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图 4 郯庐断裂带江苏段沿NE向（a）和SW向（b）的三维地质构造模型F1：山左口—泗洪断裂；F2：新沂—新店断裂；F3：墨河—凌城断裂；F4：窑湾—高作断裂；F5：马陵山—重岗山断裂Figure 4. 3-D geological structural models of the Jiangsu segment of the Tanlu fault zone along NE （a） and SW （b）F1：Shanzuokou-Sihong fault；F2：Xinyi-Xindian fault；F3：Mohe-Lingcheng fault；F4：Yaowan-Gaozuo fault； F5：Malingshan-Chonggangshan fault5.1 断层模型
郯庐断裂带三维断裂模型（图5）显示，F1，F2，···，F5各断裂的断面视倾角一般介于60°—85°之间。从断层模型的上断面看，郯庐断裂带各分支断裂及不同地段的活动程度有明显差异：F5切割第四系底部，活动性最强；F1和F4未明显切割第四系地层，活动性最弱。
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图 5 郯庐断裂带江苏段三维断裂模型Figure 5. 3D faults model of the Jiangsu segment of Tanlu fault zone如图5所示，马陵山—重岗山断裂F5在江苏段主要分布在F1与F2所夹持的东部地堑内部，倾向多变、倾角陡。F5基本由东西两条断裂组成，这两条断裂为F5的东西边界，两个近乎平行的分支贯穿整个江苏段。在宿迁南部的三棵树乡附近表现为三条分支断裂，呈右阶排列。研究区白垩系出露地表的位置均在F1与F2之间，结合郯庐断裂带的应力场分析（孙业君等，2015）可推断，晚第四纪F5的活动总体以右旋走滑兼具挤压逆冲为特征。根据物探解译成果（许汉刚等，2013）生成，F3分为东、西两支。
5.1 断层模型
郯庐断裂带三维断裂模型（图5）显示，F1，F2，···，F5各断裂的断面视倾角一般介于60°—85°之间。从断层模型的上断面看，郯庐断裂带各分支断裂及不同地段的活动程度有明显差异：F5切割第四系底部，活动性最强；F1和F4未明显切割第四系地层，活动性最弱。
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图 5 郯庐断裂带江苏段三维断裂模型Figure 5. 3D faults model of the Jiangsu segment of Tanlu fault zone如图5所示，马陵山—重岗山断裂F5在江苏段主要分布在F1与F2所夹持的东部地堑内部，倾向多变、倾角陡。F5基本由东西两条断裂组成，这两条断裂为F5的东西边界，两个近乎平行的分支贯穿整个江苏段。在宿迁南部的三棵树乡附近表现为三条分支断裂，呈右阶排列。研究区白垩系出露地表的位置均在F1与F2之间，结合郯庐断裂带的应力场分析（孙业君等，2015）可推断，晚第四纪F5的活动总体以右旋走滑兼具挤压逆冲为特征。根据物探解译成果（许汉刚等，2013）生成，F3分为东、西两支。
5.2 地层模型
5.2 地层模型
5.2.1 第四系底界
图6给出了研究区第四系底界地形（图6a）和第四系等厚线（图6b），可见：研究区第四系厚度分布不均，厚度差别较大；第四系在郯庐断裂带内的厚度明显大于其两侧地区，而且东部地堑中第四系厚度大于西部；全区第四系厚度约为0—180 m，总体上，马陵山—重岗山断裂F5附近第四系厚度变化大，远离F5区域的第四系厚度变化较小。研究区地层二维剖面图和地质构造剖面特征见图7和图8。
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图 6 研究区第四系底界地形（a）及第四系等厚线（b）Figure 6. Quaternary bottom boundary （a） and Quaternary isopachs （b） in the studied area受郯庐断裂带马陵山—重岗山断裂F5的影响，从新安、唐店、三棵树乡至龙河镇东南由北向南出现第四系沉降洼地（图8），在新安到唐店形成一个约长15 km，宽2 km，深度为100 m的NNE走向的窄长凹陷，其中三棵树附近第四系厚度可达150 m，其附近F5断裂呈右阶排列特征，故形成三棵树沉降中心（拉分盆地）。
郯庐断裂带沿线存在两个相对隆起，位于晓店镇、埠子镇附近；第四系厚度较薄（图8），晓店镇附近白垩系基岩出露地表，埠子镇附近第四系埋深最浅处只有30 m左右。沿F5出现凹凸相间的第四系沉积特征，说明F5对第四系沉积具有控制作用。
5.2.1 第四系底界
图6给出了研究区第四系底界地形（图6a）和第四系等厚线（图6b），可见：研究区第四系厚度分布不均，厚度差别较大；第四系在郯庐断裂带内的厚度明显大于其两侧地区，而且东部地堑中第四系厚度大于西部；全区第四系厚度约为0—180 m，总体上，马陵山—重岗山断裂F5附近第四系厚度变化大，远离F5区域的第四系厚度变化较小。研究区地层二维剖面图和地质构造剖面特征见图7和图8。
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图 6 研究区第四系底界地形（a）及第四系等厚线（b）Figure 6. Quaternary bottom boundary （a） and Quaternary isopachs （b） in the studied area受郯庐断裂带马陵山—重岗山断裂F5的影响，从新安、唐店、三棵树乡至龙河镇东南由北向南出现第四系沉降洼地（图8），在新安到唐店形成一个约长15 km，宽2 km，深度为100 m的NNE走向的窄长凹陷，其中三棵树附近第四系厚度可达150 m，其附近F5断裂呈右阶排列特征，故形成三棵树沉降中心（拉分盆地）。
郯庐断裂带沿线存在两个相对隆起，位于晓店镇、埠子镇附近；第四系厚度较薄（图8），晓店镇附近白垩系基岩出露地表，埠子镇附近第四系埋深最浅处只有30 m左右。沿F5出现凹凸相间的第四系沉积特征，说明F5对第四系沉积具有控制作用。
5.2.2 新近系底界
图9给出了研究区新近系底界地形及新近系等厚线，可见江苏段新近系沉积厚度整体呈北薄南厚、东薄西厚的特征。新近系郯庐断裂带内发育NNE走向的窄长凹陷，断裂带内新近系厚度可达100 m，局部近200 m，F1与F2之间分布的EW向隆起和NE向凹陷将新近系底界分为几段。
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图 9 研究区新近系底界地形（a）及新近系等厚线（b）Figure 9. Neogene bottom boundary （a） and Neogene isopachs （b） in the studied area隆起区新近系沉积厚度不足20 m，如马陵山镇、晓店镇、龙河镇、新店镇地区。由于当时及后期的断块抬升，沉积厚度变薄，甚至缺失新近系，例如山左口—泗洪断裂 F1东侧的地层普遍缺失新近系。沿郯庐断裂带走向新近系厚度急剧变化，晓店镇、北沟镇厚不足20 m，马陵山镇约厚30 m，宿迁南部三棵树乡附近埋深超过300 m，唐店附近埋深180 m左右。因为郯庐断裂带的左旋走滑作用，局部地区出现拉分盆地。
三维模型（图10）显示棋盘镇—小湖、唐店镇—瓦窑镇、皂河镇附近存在一个近WNW−ESE走向的断陷带，其两侧基岩落差约60 m。三维模型基岩面凹凸起伏的现象，是否说明存在NW−WNW向断裂，是否可以作为后续断层调查的依据，尚待后期布置测线加以论证。
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图 10 研究区基岩顶部三维地形图Figure 10. 3D topography on the topof the bedrock in the studied area上述横向与纵向的厚度及埋深差异（图9）显示上新世及后期运动较剧烈，表明存在明显的断块升降活动。断裂带内出现地堑断陷盆地，堆积了较厚的新近系宿迁组沉积物，上新统与上覆地层呈角度不整合，下覆的白垩系部分侵入新近系，说明上新世末至早更新世初有一期强烈构造变动。
5.2.2 新近系底界
图9给出了研究区新近系底界地形及新近系等厚线，可见江苏段新近系沉积厚度整体呈北薄南厚、东薄西厚的特征。新近系郯庐断裂带内发育NNE走向的窄长凹陷，断裂带内新近系厚度可达100 m，局部近200 m，F1与F2之间分布的EW向隆起和NE向凹陷将新近系底界分为几段。
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图 9 研究区新近系底界地形（a）及新近系等厚线（b）Figure 9. Neogene bottom boundary （a） and Neogene isopachs （b） in the studied area隆起区新近系沉积厚度不足20 m，如马陵山镇、晓店镇、龙河镇、新店镇地区。由于当时及后期的断块抬升，沉积厚度变薄，甚至缺失新近系，例如山左口—泗洪断裂 F1东侧的地层普遍缺失新近系。沿郯庐断裂带走向新近系厚度急剧变化，晓店镇、北沟镇厚不足20 m，马陵山镇约厚30 m，宿迁南部三棵树乡附近埋深超过300 m，唐店附近埋深180 m左右。因为郯庐断裂带的左旋走滑作用，局部地区出现拉分盆地。
三维模型（图10）显示棋盘镇—小湖、唐店镇—瓦窑镇、皂河镇附近存在一个近WNW−ESE走向的断陷带，其两侧基岩落差约60 m。三维模型基岩面凹凸起伏的现象，是否说明存在NW−WNW向断裂，是否可以作为后续断层调查的依据，尚待后期布置测线加以论证。
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图 10 研究区基岩顶部三维地形图Figure 10. 3D topography on the topof the bedrock in the studied area上述横向与纵向的厚度及埋深差异（图9）显示上新世及后期运动较剧烈，表明存在明显的断块升降活动。断裂带内出现地堑断陷盆地，堆积了较厚的新近系宿迁组沉积物，上新统与上覆地层呈角度不整合，下覆的白垩系部分侵入新近系，说明上新世末至早更新世初有一期强烈构造变动。
5.2.3 基岩顶部
图10给出了研究区基岩顶部的三维地形图，可以看出，郯庐断裂带江苏段的白垩系一般夹在F1与F3之间，局部出露于地表。基岩顶部的起伏说明郯庐断裂带各断裂活动的差异性，结合该区域构造应力场分析推断，郯庐断裂带江苏段总体受EW方向的挤压作用为主，这些应力场环境与实际的三维构造地质是一致的。由构造作用导致的局部地区基岩抬升至出露地表，形成基岩山，如南马陵山、北马陵山。
5.2.3 基岩顶部
图10给出了研究区基岩顶部的三维地形图，可以看出，郯庐断裂带江苏段的白垩系一般夹在F1与F3之间，局部出露于地表。基岩顶部的起伏说明郯庐断裂带各断裂活动的差异性，结合该区域构造应力场分析推断，郯庐断裂带江苏段总体受EW方向的挤压作用为主，这些应力场环境与实际的三维构造地质是一致的。由构造作用导致的局部地区基岩抬升至出露地表，形成基岩山，如南马陵山、北马陵山。
6. 讨论与结论
本文以郯庐断裂带江苏段为例，综合地质、地球物理勘探、遥感、钻探等多源数据融合方法，对数据进行了详细的处理与解释，之后借助SKUA-GOCAD软件先进的三维建模技术和方法，结合非定量化的地质经验，首次建立了郯庐断裂带江苏段的三维地质模型。该模型定量化地给出了郯庐断裂带在江苏地区的第四系底界和新近系底界的三维展示，结果更加直观。三维断层模型清楚地揭示了郯庐断裂带江苏段断裂的三维几何特征，地层底界呈凹凸起伏，断裂带断面视倾角一般处于60°—85°之间。
通过三维模型不仅直观准确地描绘了研究地区地层单元和断裂的分布，还深化了对研究区新生界地质情况的认识。但由于受地球物理测线解译深度限制，该模型仅反映了研究区新生界的三维地质构造。日后可进一步结合地球物理深部测线、研究区三维速度模型、小震精定位、震源机制解、电法、重磁等资料综合研究深浅构造关系、地震与断裂的关系，或进行数值或物理模拟分析强地面震动和灾害破坏效应等。
帕拉代姆技术（北京）有限公司为本文提供了SKUA-GOCAD软件，审稿专家给出了宝贵的意见和修改建议，作者在此一并表示衷心的感谢！
6. 讨论与结论
本文以郯庐断裂带江苏段为例，综合地质、地球物理勘探、遥感、钻探等多源数据融合方法，对数据进行了详细的处理与解释，之后借助SKUA-GOCAD软件先进的三维建模技术和方法，结合非定量化的地质经验，首次建立了郯庐断裂带江苏段的三维地质模型。该模型定量化地给出了郯庐断裂带在江苏地区的第四系底界和新近系底界的三维展示，结果更加直观。三维断层模型清楚地揭示了郯庐断裂带江苏段断裂的三维几何特征，地层底界呈凹凸起伏，断裂带断面视倾角一般处于60°—85°之间。
通过三维模型不仅直观准确地描绘了研究地区地层单元和断裂的分布，还深化了对研究区新生界地质情况的认识。但由于受地球物理测线解译深度限制，该模型仅反映了研究区新生界的三维地质构造。日后可进一步结合地球物理深部测线、研究区三维速度模型、小震精定位、震源机制解、电法、重磁等资料综合研究深浅构造关系、地震与断裂的关系，或进行数值或物理模拟分析强地面震动和灾害破坏效应等。
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江苏省地质矿产局. 1995. 郯城县幅1 ∶ 50 000地质图、基岩地质图说明书. 12−36.江苏省地质矿产局. 1995. 王庄镇幅1 ∶ 50 000地质图、基岩地质图说明书. 12−40.江苏省地质矿产局. 1995. 晓店幅1 ∶ 50 000地质图、基岩地质图说明书. 11−38.江苏省地质矿产局. 1995. 宿迁市幅1 ∶ 50 000地质图、基岩地质图说明书. 10−35.江苏省地质局. 1980. 新沂幅1 ∶ 20万区域水文地质普查报告. 12−27.江苏省地质局. 1980. 宿迁幅1 ∶ 20万区域水文地质普查报告. 13−21. -
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图 4 郯庐断裂带江苏段沿NE向（a）和SW向（b）的三维地质构造模型
F1：山左口—泗洪断裂；F2：新沂—新店断裂；F3：墨河—凌城断裂；F4：窑湾—高作断裂；F5：马陵山—重岗山断裂
Figure 4. 3-D geological structural models of the Jiangsu segment of the Tanlu fault zone along NE （a） and SW （b）
F1：Shanzuokou-Sihong fault；F2：Xinyi-Xindian fault；F3：Mohe-Lingcheng fault；F4：Yaowan-Gaozuo fault； F5：Malingshan-Chonggangshan fault
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图 1 研究区地质构造简图
F1：山左口—泗洪断裂；F2：新沂—新店断裂；F3：墨河—凌城断裂；F4：窑湾—高作断裂；F5：马陵山—重岗山断裂
Figure 1. Geological tectonic settings of the studied area
F1：Shanzuokou-Sihong fault；F2：Xinyi-Xindian fault；F3：Mohe-Lingcheng fault；F4：Yaowan-Gaozuo fault； F5：Malingshan-Chonggangshan fault
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图 5 郯庐断裂带江苏段三维断裂模型
Figure 5. 3D faults model of the Jiangsu segment of Tanlu fault zone
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图 6 研究区第四系底界地形（a）及第四系等厚线（b）
Figure 6. Quaternary bottom boundary （a） and Quaternary isopachs （b） in the studied area
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图 9 研究区新近系底界地形（a）及新近系等厚线（b）
Figure 9. Neogene bottom boundary （a） and Neogene isopachs （b） in the studied area
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白林,林敏,彭伟航. 2018. 基于剖面的福建石门火山口三维地质建模方法[J]. 中国科技论文,13(15):1716–1721. doi: 10.3969/j.issn.2095-2783.2018.15.005 Bai L,Lin M,Peng W H. 2018. 3D geological modeling of Fujian Shimen crater based on cross sections[J]. China Science-paper,13(15):1716–1721 (in Chinese).
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