引言

将计算机技术与其他学科的理论、方法交叉融合，已成为各学科寻找新的突破、实现创新的强大动力。在地学领域，运用计算机技术^[1]多角度、高效率地挖掘岩石地层中所保存的地质信息是区域地质调查等科研生产活动的重要技术支撑。早在20世纪80年代初，大量地学科研工作者即开始了地质信息的数字化研究^[2]，随之涌现了一系列软件平台和技术方案：如1986年，澳大利亚昆士兰地质调查所研发了用于野外地层数据采集的REGMAP系统^[3]；1991年，加拿大安大略地质调查所研发了集地层数据采集、传输、管理等于一体的FieldLog系统^[4]；2003年，中国地质调查局与国土资源部共同立项联合研发了RGMAP系统^[5-6]。这使得地层信息采集及管理的无纸化技术趋于成熟。在近20年里，为了进一步揭示海量地层数据中蕴含的潜在地质信息，科研工作者围绕地质数字建模做了大量工作，并取得丰硕成果，如：1998年，吴冲龙等研发的地质点源矿产信息系统，极大地推动了岩石地层信息数字化建设^[7-8]；2001年，李义才等基于地质点源信息系统研发了岩石地层剖面图编绘系统^[9]；2003年，李超龄等探讨了数字填图相关的PRB技术^[10]；2012年，郭福生等系统总结了数字填图系统的功能及其优点并提出了改进意见及使用技巧^[11]；2015年，王兆国等基于Fortran语言和GMT平台，开发了可用于迅速实现实测地层剖面绘图的软件系统^[12]。上述研究在地质信息数字化^[13]、计算机绘图及地质建模等方面取得了重大突破。但由于这些研究工作几乎均采用逐层描述方式处理岩石地层信息，从而难以通过逻辑运算和数值运算实现地层描述的数字化。2016年，赵刚等基于基本岩石地层单元理论^[14]，以自主研发的岩石地层数字描述系统软件为平台，实现了对柳江盆地亮甲山组岩石地层的一维数字描述^[15]，以此探索了一种新的岩石地层描述方法。

在前述研究工作基础上，本文进一步论述以基本岩石地层单元^[15]为细胞的岩石地层描述方法，以及运用计算机编程技术实现岩石地层数字描述的技术途径。该方法的基本思想是以地层单元与基本地层单元的自相似对比运算构建岩石地层描述的框架，再以抽象的岩石图元符号迭代运算实现框架内容的可视化。其实现主要包含3个步骤：(1)抽象岩石符号图元，其依据是国家岩石符号图例标准。(2)建立地层运算模型，基于系统学理论建立地层单元与基本地层单元的关联关系，并以此归纳提出地层的逻辑运算与数值运算规则。(3)构建系统和验证，在(1)、(2)的工作基础之上，以Visual Studio 2013为平台，研发岩石地层数字描述系统，并用实测剖面数据检验新方法的科学性及可行性。

1 岩石地层描述的数字方法 1.1 岩石符号的图元抽象

岩石符号作为岩石性状的图形符号表示，是岩石地层描述的数字化研究中构建可视化系统的重要组成要素^[16]，其绘制的便捷程度与地层描述的工作效率密切关联。目前流行的基于栅格填充与矢量填充的复合式的岩石符号绘制方法^[17]，较传统模式在一定程度上减少了绘图的工作量。然而，这种方法大多依然需要使用者自定义岩石符号，并没能将使用者从繁杂的图形编辑中解放出来。为此，在系统中集成岩石符号显得尤为适用。

岩石符号图元是指从岩石符号中抽象出的能精确表示岩石内容的最小图形，是实现岩石符号集成的重要途径。解析国家区域地质图图例标准^[18]发现，岩石符号由简单几何图形组合而成，并以不同的几何图形代表岩石的不同结构、组成、岩性。如图 1a中以纵向上直线的间距表示层厚；图 1b中以不同的符号表示不同岩石的次主要组分；图 1c中以不同条纹表示岩石类型。据此，从岩石符号中抽象出岩石符号图元的过程可以概括为：将标准图例依据其几何图形与表达内容，按照结构、组成及岩性的差异进行拆分，再根据花纹的重复规律归纳出能表达图例所包含的全部信息的最小几何单体的复合图形。如图 2所示，以薄层状沥青页岩、中层状炭质灰岩、厚层状泥质白云岩为例，演示了将岩石花纹图例拆分为基本符号要素，然后由基本要素构建可用于纹理填充的岩石符号图元过程。

作为能广泛适用的岩性符号必须在提高绘制效率的同时保障其通用性，所以抽象出的岩石符号图元应具备如下特性：(1)标准化，要求岩石内容的表达形式必须严格遵行国家或行业标准，避免因随意性导致图元示意的混乱。(2)最小粒化，即要求图元是根据标准图例抽象出的最小化表达，这是满足岩石地层描述不同精度要求的必要保障。(3)对象化，图元的计算机表达以对象的形式体现，以降低其在应用程序中使用的复杂度，来提高用户工作效率。

抽象的图元在软件系统中的运用有两种途径：一是通过第三方绘图软件，依据图元模型绘制相应位图提供给软件系统；二是在软件系统中以内置函数的形式构建，即在系统中运用编程技术以类^[19]的形式定义岩石符号，然后以实例化的对象^[20]供被调用。前者实现难度较低，但精度有一定损耗；后者编码工作量巨大，且对编程技术具有较高要求，但在可视化过程中具有极佳的便捷性。为此，在图元抽象对象化实施过程中可根据系统研发目标与阶段选择合理方案。

1.2 岩石地层单元与基本岩石地层单元

岩石地层单元是沉积物在环境协同作用下，经历搬运、沉积、成岩、侵蚀等过程，最终保存下来的具有成因联系的自然岩石单层组合体^[14]，其主要特征有：(1)连续与渐变，由于沉积过程的连续性及沉积分异作用^[21]，岩石地层单元在结构和构造上具有连续渐变的特征。(2)不完整性，其作为沉积体经历冲刷、剥蚀等沉积成岩作用改造后保存下来的沉积序列^[22]，相对原始沉积序列存在上或下缺失^[15]。(3)宏观可识别，相邻岩石地层单元以肉眼可识别的顶底侵蚀面或者间断面分隔开，同类别的地层单元具有相同相似沉积结构和构造、岩石组合^[14]。

基本岩石地层单元是从岩石地层单元中遴选出的保存着该类沉积系统特征相对最为完整的自然沉积序列。如图 3a^[15]为亮甲山组基本岩石地层单元结构图，示意了在亮甲山组类沉积系统中沉积并最终保存下来的完整序列具有如下特征：该类基本岩石地层单元最下为暗灰色钙质页岩，向上渐变为薄层状灰岩，随之过渡为厚层状竹叶状灰岩。如图 3b为栖霞组^[23-24]基本岩石地层单元结构图：底部为黑色薄层状页岩，向上泥质减少、灰质增多并出现眼球眼皮状灰岩团块；再向上眼球眼皮状团块逐渐变大；随之可见生物团块，并出现大量生物碎屑。

由于沉积事件的随机性或后期成岩改造作用，大多岩石地层单元相对于基本岩石地层单元常表现为上或下缺失，即岩石地层单元所包含的信息是基本岩石地层单元信息的子集。因此，对岩石地层的描述可简化为对基本岩石地层单元的详细描述，并通过数值与逻辑运算实现。

1.3 地层叠覆运算

由于沉积基底的下沉、压实或者海平面的上升为新生沉积序列的诞生提供可容空间^[25]，所以在稳定的沉积系统中形成的沉积序列具有相似性。而岩石地层单元可视为沉积序列内容的子集，基本岩石地层单元又近似于原始沉积序列的记录实体，故而对纵向上叠覆的地层的描述可转换为对基本岩石地层单元的详尽描述，以及运用基本单元进行地层数值与逻辑运算的过程。实施过程主要包含以下3部分：

(1) 典型岩石地层单元遴选

现存的岩石地层单元几乎均为原生沉积序列经历沉积作用改造后的地质实体，因此要想从地层记录中遴选出相对最为完整的岩石地层单元作为基本岩石地层单元，需要依据野外实地调查及文献资料，从系统学角度深入剖析岩石地层组分、结构、构造特征及分布规律，通过各个单元信息内容的包含或交叉关系，最终确定典型岩石地层单元。

(2) 剖面数据统计

根据剖面的实际露头情况，数据统计有以下两种方式供选择：针对岩石地层厚度稳定、横向延伸性良好的情况，可采取自下而上逐层描述记录的方式。记录内容有地层单元编号、地层厚度、上缺失厚度、下缺失厚度、岩性描述等属性；对于地层破碎、延伸性差的剖面，则采取统计岩石地层单元的厚度区间、岩性描述及剖面总长度的方式。

(3) 数字描述运算规则

岩石地层单元与基本岩石地层单元间的信息包含关系客观地反映了稳定沉积系统^[26]结构的自相似性，单元内部信息的“重复”则反映了沉积内容的相似性。依据传统方法进行的地层描述工作中潜在的巨大工作量即来自于对相似性结构与内容的重复描述，而这种规律性的重复恰为岩石地层描述提供了运算规则，即以基本岩石地层单元为原型，根据剖面统计数据计算岩石地层单元的缺失结果，并逐层累计。

假设某类型地层剖面的基本岩石地层单元由如图 4a中“x”、“y”、“z”3种岩石单层构成，其中每个岩性单层包含物质成分、结构、构造等信息的表达。那么，在该类剖面中最多可出现13种岩石地层单元序列，分别为完整型图 4a、上缺失型图 4b、下缺失型图 4c、上下均缺失型图 4d。由于沉积条件与成岩后作用的差异性，并非每种序列都会出现在同一剖面。

某些发生在地质历史时期的标志性事件，会以特征沉积记录保存在地层里。其持续时间相对沉积系统稳态年龄较短，从而该类地质事件记录仅存于少数地层。为此，在实施岩石地层数字描述的过程中，通过交互式动态编辑岩石地层信息也是必要的。

2 数字化描述方法的实现

在上述理论方法的指导下，结合先后两个版本的软件系统实施方案，通过对实测岩石地层数据采集、处理、绘图等工作流程的分析，构建的岩石地层数字描述系统可概括为数据输入、可视化交互、剖面图框架预设、成果输出4个模块(图 5)。

2.1 数据规范及输入

(1) 数据规范

岩石地层描述的初始数据来自野外剖面实测。野外岩石地层数据内容与记录格式大多较为随意，限制了数据的复用性，同时也对野外采集工作提出了更高要求。为了尽可能减少野外剖面实测工作量，增强数据的可读性，以便格式化输入系统，需对数据采集内容与记录格式作必要限定。

对于露头出露完整、地层延展性较好的剖面，采用二维表格式记录岩石地层的层编号、厚度、颜色、构造、生物化石、照片编号、照片描述、岩性描述、备注等属性。对于露头破碎、延伸性较差厚度较小的地层剖面，则记录典型岩石地层单元的全部信息、地层单元的厚度区间、单个岩性层的厚度、颜色、构造等。

(2) 数据输入

录入系统的数据包括基本岩石地层单元信息、岩石地层单元数据。基本岩石地层单元数据以岩性单层为单位输入系统。基本岩石地层单元结构图需要用户根据从野外实测地层中遴选的地层成因单元特征，借助第三方平台绘制并输入。岩石地层单元输入分为两类，其中实测地层单元类依次输入上缺失、下缺失；随机地层单元类输入随机地层总厚度、地层单元厚度区间。

2.2 可视化及交互

简化用户交互可视化操作是地质绘图系统的关键。可视化即将文本记录以图形图像形式表示。遵照行业标准，建立野外实测地层综合柱状剖面图基础模板作为可视化初始框架。在初始框架的基础上，系统预设了便捷的可视化编辑功能，包括可扩展列、单元格的合并拆分、文本编辑。用户可根据实测资料及需求增删可扩展列，合并或拆分单元格，在相应单元格里输入文本并设置文本字型及大小。

2.3 成果输出

成果输出包括位图、矢量图和自定义的.rsd类数据文件。位图作为文本资料的直观表达，地质师可直接用于地质现象的解释及分析。输出的矢量图可被再次编辑，增强了图件的可扩展性。自定义的.rsd数据文件保存了图件的全部信息，不仅方便二次编辑，以基本岩石地层单元为“细胞”的地层描述数据，还可作为经过数据清洗、整理的地层信息的数据挖掘资料。其中位图输出与.rsd数据文件输出已在先后两个不同的软件版本中实现。矢量图输出功能有待进一步完善。

3 应用实例

为验证基于成因单元的岩石地层数字描述方法的科学性，本文选取重庆市石柱县六塘乡冷水溪栖霞组实测数据，在自主研发的岩石地层数字描述系统的平台上，进行了地层单元的数字描述，并绘制了地层剖面综合柱状图。

该剖面位于距离打风凹隧道口约350 m的山坡顶部新开挖的公路两侧，地层出露较为完整。如表 1所示，实测地层剖面总厚度为5 040 cm，共11个岩石地层单元。其中，9号地层单元底部为黑色薄层状页岩，厚65 cm；下部为灰黑色中薄层眼球状灰岩，厚175 cm；向上渐变为深灰色中层状眼球状灰岩，厚138 cm；再向上过渡为灰白色中厚层状眼球状灰岩，厚185 cm；上部为灰白色块层状生物碎屑灰岩，可见生物团块，厚198 cm；顶部为灰白色中层状生物碎屑灰岩，厚365 cm。该地层单元沉积体系结构完整，与上下地层单元均为整合接触，与该剖面其他栖霞组地层单元具有自相似性，因此，可作为冷水溪栖霞组岩石地层剖面描述的基本岩石地层单元。

将基本单元数据与地层单元数据输入平台系统，经过简单交互，最终绘制了比例尺为1：200的冷水溪栖霞组实测地层剖面综合柱状图(图 6)。图件说明基于平台系统实施的岩石地层数字描述结果与野外实测结果相符，清晰地反映了栖霞组沉积体系的客观规律与地层内容。

4 结语

以基本岩石地层单元为理论核心，通过抽象最小岩石符号图元，进一步论述了岩石地层描述的数字方法。并在以该理论为基础的自主研发的软件平台系统上成功地完成了栖霞组地层剖面的岩石地层数字化描述。这种新的地层描述方法强调以岩石地层单元(又称基本层序)作为地层描述的最小地质实体，其运用结果相对传统方法更为精确地反映了地层在纵向上规律性地变化，有力地证明了采用以岩石地层单元进行地层描述和对比研究的可行性、实用性及科学性。

基于岩石地层单元构建的地层描述模型，为破除传统数据在实施数据挖掘过程中存在的数据整理、清洗壁垒提供了新的思路，为进一步深度挖掘岩石地层记录中蕴含的信息成为可能。

自主研发的岩石地层数字描述软件平台系统，根据行业规范内置了剖面图标准模板、自定义编辑区块，在精简用户操作的同时保持了绘图功能的敏捷性。用户只需输入协定格式的数据，简单设置输出属性，即可完成剖面图的绘制。同时，系统保持了数据文件与图形的动态统一，可通过修改数据文件或者图件的方式实施二次编辑，具有较强操作性。实践证明该系统操作简捷，图件成果符合野外实测岩石地层描述要求，可以推广应用到能源及矿产地质调查、沉积学研究等领域，为地层对比、建立高精度岩石地层的定量地层研究及区域地质填图提供理论支撑与应用工具。