深度学习在活动构造与地貌研究中的应用

活动构造与地貌学主要涉及活动构造的运动学、地貌的演化过程及其相关动力机制,该研究方向是近几十年来地球系统科学交叉研究的热点之一。随着大数据与机器学习研究的发展,活动构造与地貌学的研究和深度学习的结合已成为该领域中受到广泛关注的新兴研究方向,并产出了大量优秀成果。文中总结并综述了现今深度学习在活动构造与地貌研究中的数据来源,以及利用深度学习的方法定量化解决活动构造与地貌中的重要科学问题(包括冰川识别、火山活动与地貌、水系分析、滑坡监测和地表形变等)。基于对上述实例的探索,文中运用深度学习中的卷积神经网络,对华南东南部福建地区的花岗岩岩石构造裂缝开展了基于高精度无人机航拍影像的深度学习自动识别。所搭建的卷积网络模型在55min的运行时间内自动识别出人工需消耗近一周才可识别的9000余条裂缝,并获得了85%的查准率与89%的查全率,表明该模型在准确识别构造裂缝的同时显著提升了工作效率。文中最后讨论并展望了未来深度学习方法在活动构造与地貌学领域的发展前景。

陡坎地貌定年理论及其在活动构造与地貌学研究中的应用

陡坎是构造活动、气候变化和侵蚀过程所产生的一种地貌现象。对陡坎中蕴含的地质信息进行解译,一方面可定量分析其地貌演变过程、重建相应地区的构造演化过程以及相关的地壳运动学过程及动力机制;另一方面也可了解地貌演化过程中构造、侵蚀与气候三者之间的互馈关系。然而,在地质条件欠佳的区域(无良好定年沉积物或人员无法到达),通常难以获得陡坎形成的年代。陡坎地貌定年很好地弥补了研究区的史料记载以及传统测年方法(如放射性碳同位素法、释光法和宇宙成因核素测年等)难以获得测年样品的不足。陡坎地貌定年的理论基础为“陡坎演化在稳定的侵蚀退化阶段可以通过坡面演化模型进行模拟”。不同坡面演化模型的提出及发展对研究构造活动、气候变化与地表剥蚀过程等有着重要意义。文中系统总结了陡坎定年理论及其数学模型,同时介绍了发育于不同地貌类型(活动断层、河流及海岸阶地、冲积扇、地外行星等)下的陡坎研究进展,并以帕米尔东北缘正断层陡坎地貌定年为研究实例,进一步探论并展望了陡坎地貌定年在构造地貌学领域的发展方向。

新生代柴达木盆地与周缘造山带的构造耦合

新生代以来,中国西部的一系列古老造山带和盆地在印-亚板块汇聚作用下重新复活,在青藏高原外围形成了现今全球最大的陆内挤压构造域,被称为环青藏高原盆山体系,其形成过程与机制对深入认识陆-陆碰撞如何影响大陆内部变形有重要意义。柴达木盆地是中国西部重要的新生代沉积盆地,四周均被巨型造山带所围限,共同构成了环青藏高原盆山体系北东段的主体。本文利用最新的石油地震勘探数据、地表地质和已发表的深反射地震数据,将上地壳变形与岩石圈深部变形有机结合,系统刻画了柴达木盆地与周缘三大造山带之间岩石圈尺度的构造耦合关系,在此基础上探讨环青藏高原盆山体系北东段的盆山汇聚过程与机制。柴达木盆地与南侧祁曼塔格—东昆仑山、北东侧南祁连山之间在上地壳尺度发育一系列倾向造山带的基底卷入高角度逆断裂体系,自新生代早期就开始活动,以垂直的基底抬升为主,水平缩短量有限;在下地壳和岩石圈地幔深度则发育倾向盆地一侧的深大断裂,使得柴达木盆地与周缘造山带之间发生截然的莫霍面错断。这些变形特征揭示柴达木盆地与南侧祁曼塔格—东昆仑山、北东侧南祁连山之间发育岩石圈尺度的构造楔,即盆地的岩石圈楔入至增厚的造山带下地壳,其发育主要受盆地与造山带岩石圈强度的横向不均一性控制。与上述挤压性盆山结构不同,阿尔金断裂作为一条巨型的左旋走滑断裂,直接切穿了柴达木盆地与西北侧阿尔金山的岩石圈,是柴达木盆地挤压成盆与变形的侧向边界。

塔里木盆地东南缘新生代构造变形特征研究

塔里木盆地东南缘新生代变形特征研究对探讨阿尔金构造带新生代的活动特征及阿尔金构造带与西昆仑构造带的相互作用具有重要意义。本文在野外地质调查的基础上,结合地球物理和沉积学资料,探讨了塔里木盆地东南缘的新生代变形及演化特征。塔里木盆地东南缘新生代构造变形受西昆仑构造带、阿尔金构造带和车尔臣断裂带的控制,且变形由西向东减弱。西南部的构造样式主要表现为受西昆仑向北冲断作用控制的冲断构造;东南部为受阿尔金断层走滑作用控制的走滑-冲断构造;而北部则为受车尔臣断层走滑作用控制的基底卷入走滑-冲断构造。中新世,盆地东南缘受西昆仑构造带大规模的冲断活动影响,导致民丰山前盆地挠曲沉降和冲断层发育,而车尔臣断裂仅有微弱活动;上新世开始,构造变形扩展到整个研究区,不仅西昆仑构造带和车尔臣断裂带表现出强烈变形,而且阿尔金断层走滑作用强烈,导致北侧次级断层的强烈走滑冲断作用和若羌山前挤压挠曲盆地的形成。新生代时期,西昆仑构造带北向冲断作用要早于阿尔金构造带的走滑变形,阿尔金构造带的走滑作用对西昆仑构造带北向冲断构造有强烈的改造。

库车坳陷西部阿瓦特—博孜地区构造变形差异及数值模拟分析

库车坳陷西部的阿瓦特-博孜地区位于构造挤压转换区,沿走向构造变形差异显著。本文基于最新的三维地震资料和离散元数值模拟方法,对该区域进行了精细的地质建模,模拟了其形成演化过程,讨论了差异变形的控制因素。阿瓦特地区盐下沿克深断裂远距离逆冲推覆,形成上下叠置的两套沿侏罗系煤层滑脱的逆冲体系;盐上发育厚度较小的阿瓦特凹陷;盐构造以不整合型为主。博孜地区盐下在克深断裂以北为高角度基底卷入变形,以南为沿煤层的滑脱,整体为楔形叠瓦冲断构造;盐上发育厚度巨大的拜城凹陷;盐构造以整合型为主。模拟结果表明,温宿古隆起限制了中生界至古近系的沉积范围,阻碍了变形的向前传递,是造成阿瓦特-博孜地区变形差异性的最主要原因。先存盐底辟构造和南天山的差异挤压作用对该区域的差异变形也具有一定的控制作用。综合地震剖面解释和数值模拟结果的演化过程表明,该区域构造活动具有由弱到强的变化趋势,构造变形开始于早中新世吉迪克组沉积时期,在上新世早期康村组沉积之后发生显著的构造加速事件。

峨眉山大火成岩省对四川盆地油气储层的控制作用研究

四川盆地具有演化历史长、沉积盖层厚度大、油气资源丰富等特点,是我国大型含油气盆地之一。上扬子地区中、晚二叠世之间的峨眉山地幔柱活动改变了四川盆地古地理格局,造成地壳的快速抬升,盆地西南地区地壳抬升幅度最大,呈现古剥蚀高地,往北东方向的影响逐渐减弱,从而导致沉积环境自西南向北东由单一的海相依次转变为陆相、海陆过渡相至海相沉积。本文讨论了峨眉山大火成岩省的形成过程及对四川盆地油气储层的影响,认为峨眉山大火成岩省对四川盆地油气储层的影响主要体现在两个阶段、3种影响作用方式。两个阶段是指中二叠世末期和晚二叠世—早三叠世时期。3种方式是指峨眉山地幔柱导致的地壳抬升对下伏中二叠统灰岩储层的改造作用,表现为地幔柱核心区(大理—永仁)中二叠世地层发育风化壳岩溶型储层;峨眉山大火成岩省的火山喷发旋回对火山岩储层的空间发育的控制作用,发育了火山岩储层;峨眉山地幔柱活动控制的晚二叠世盆地构造格架对上覆沉积储层的控制作用,导致了峨眉山地幔柱外围伸展区(川东北—西北)发育海槽,控制了晚二叠世礁滩相沉积的发育等。峨眉山大火成岩省的形成过程不仅形成了优质的火山岩储层,同时也影响了沉积岩相的空间分布、改造了下伏碳酸盐岩的孔隙特征,进而控制了四川盆地的油气储层。

基于弹性板模型的塔里木盆地北部新生代沉降模拟:对南天山隆升的启示

在印度-欧亚板块碰撞远程效应影响下,天山造山带在新生代活化隆升,与其南缘相邻的塔里木盆地北部发生挠曲沉降并沉积了巨厚的新生代地层,该巨厚新生代地层和造山沉积地层为本文进一步探究南天山隆升过程提供了关键的沉积记录。本文采用有限弹性板数值模拟的方法,对盆地新生代不同时期基底沉降剖面分别进行建模研究。结果表明:盆地沉降受沉积负载和构造负载共同控制,66~<5.3 Ma期间沉积负载对盆地沉降的贡献量小于或等于构造负载的贡献量;约5.3 Ma至今沉积负载对盆地沉降的贡献量远大于构造负载。南天山构造负载变化速率表现为66~<26.3 Ma缓慢增长;26.3~<5.3 Ma南天山稳定增长;约5.3 Ma至今南天山造山带构造负载高度快速增长。基于对盆地沉降过程的分析,限制南天山新生代初始隆升时间为古近纪,其相对海拔高度从400 m增长到2 500 m;虽然在约5.3 Ma至今南天山相对海拔高度保持稳定,但构造负载高度仍在增加,这可能是盆地俯冲作用的加剧在一定程度上抑制了造山带平均海拔高度的增长,进而导致南天山的侵蚀和隆升达到相对平衡。

柴达木盆地西北缘尖顶山和黑梁子背斜的几何学与运动学特征分析

选取青藏高原北部柴达木盆地内尖顶山和黑梁子背斜作为研究对象,基于遥感影像和地震剖面,解释并分析该背斜构造带的地表次级断裂以及地下构造的变形样式与运动特征。遥感影像显示,尖顶山背斜的大部分地表次级断裂从北西走向的压扭断裂向东南方向过渡为南北走向的正断层,而黑梁子背斜的地表次级断裂为北北东走向的左行张扭断层。地震剖面显示,尖顶山和黑梁子背斜由上部逆冲滑脱断裂和下部基底正花状构造组成,深层与浅层的变形解耦主要受新生界下部路乐河组的膏盐层影响。结合地表次级断裂和地下基底断裂的平面展布样式、运动特征以及沿走向的变化,认为尖顶山和黑梁子背斜为右行压扭构造,推测在印度板块与欧亚大陆汇聚的背景下,柴达木盆地内部在持续缩短变形的过程中发生向东的差异性挤出,从而形成一系列压扭性质的背斜构造。

塔里木盆地轮南低凸起构造特征及演化

轮南低凸起是位于塔里木盆地塔北隆起上的一个多套含油层系共存的巨型复式油气聚集区,油气储量丰富。自形成以来,轮南低凸起经历了多期复杂的构造运动。通过精细的二维地震测线解释,根据地震剖面上的削截、上超等反射特征,在该区共识别出11个重要的不整合面以及轮台、轮南、桑塔木等6条主要的断裂。这些断裂早期主要为逆冲断裂,主要活动时期为晚海西—印支期,强烈活动期为二叠纪,该认识有别于前人认为的断裂发育期为晚加里东—早海西期。之后的构造反转作用发生在古近纪末期,与前人研究结果相一致。通过构造演化剖面确定该区主要经历了五大演化阶段。在这些阶段中,晚海西—印支期发生的强烈挤压、抬升、剥蚀作用对研究区面貌影响最大,喜马拉雅期受印度板块向欧亚板块的快速楔入影响,研究区地层发生翘倾,由原来的南低北高转变为现今南高北低的形态,研究区面貌最终定型。

塔里木盆地东南缘中新生代变形史与构造演化

通过野外地质调查、地球物理资料解释和沉积相特征分析,构建了塔里木盆地东南缘地区地质大剖面。在平衡恢复的基础上,探讨了中新生代构造变形历史和盆地构造演化过程。结果表明,塔里木盆地东南缘经历了三叠纪末逆冲推覆变形,早侏罗世伸展变形,晚白垩世晚期-古近纪早期挤压变形,古近纪弱伸展变形和中新世以来逆冲-走滑变形;而塔东南地区盆地构造演化则经历了早侏罗世伸展断陷盆地阶段,中侏罗世-晚白垩世早期坳陷盆地阶段,晚白垩世晚期-古近纪早期挤压-抬升-剥蚀阶段,古近纪弱伸展盆地阶段和中新世以来陆内走滑型挤压挠曲盆地阶段等五个阶段的演化。

琼东南盆地2号断层构造转换带及其对砂体分布的控制

断陷盆地内构造转换带的有效识别对确定物源方向和扇体的发育位置具有重要意义。本文基于典型地震资料追踪、解释、闭合和钻井岩芯资料分析,通过应用断层活动性定量分析、以及古地貌恢复等技术,揭示了琼东南盆地2号断裂陵水-松南段发育一接近式构造转换带。转换带位置在剖面上表现为一系列堑垒结构低凸起;断层定量分析位移-距离曲线上表现为断层活动性微弱;古地貌上表现为一个分隔陵水凹陷和松南凹陷的NW向脊状凸起等特征。构造-地层分析表明,该转换带对陵水组陆相碎屑砂体具有非常显著的控制作用,砂体是沿着转换脊部位向两侧运移的,其下部毗邻的始新统、崖城组是重要的烃源岩层,垂向发育的断裂又组成了良好的油气垂向运移的运输通道,因此是寻找有利油气藏的关键部位。

鄂尔多斯地块中元古代长城纪盆地属性研究

中元古代长城纪华北克拉通南缘的大地构造背景一直备受关注。学者们主要依据该时期火成岩地球化学性质推断其构造背景,提出了B型俯冲、安第斯型俯冲、非造山环境以及与Columbia超大陆裂解有关的伸展环境。本次研究应用地球物理方法来剖析鄂尔多斯盆地中南部长城系构造格架和地层分布,以探索研究区大地构造背景及盆地属性。二维地震资料显示长城纪构造旋回包含裂陷期和裂后期。裂陷期半地堑主控边界断层活动强度大,下降盘发生旋转掀斜,发育次级地堑、半地堑,同时发育扇三角洲、水下扇沉积,楔状体沉积中心地层厚度大。裂后期断层活动减弱,水体范围扩大,地层超覆在早期楔状地层之上,地层厚度变化小。重力异常反演表明,研究区存在同期的凹陷和凸起,它们可能受控于边界断裂。结合地块周缘长城系沉积特征,我们认为鄂尔多斯地块中元古代长城纪盆地属性为陆内裂陷。

济阳坳陷深层构造及其对中新生代盆地发育的控制作用

以3D地震资料和钻井资料的解释为基础,通过对济阳坳陷深层进行构造-地层分析和构造解析,系统阐明了中、新生代各期构造运动在研究区的地质表现,确定出收缩构造系统、伸展构造系统和走滑构造系统等多期构造样式;提出印支期逆冲断层系由多条显著向NE或NNE向凸出的弧形展布断裂系组成;识别出代表燕山主期构造运动的不整合界面(Tgm),确定了J3—K1时期断陷盆地的分布格局;认为印支期逆冲断裂系统是控制本区晚中生代和新生代早期盆地发育的重要的控制性先存基底构造。在区域动力学分析的基础上探讨了该盆地复杂的叠合结构和山脉-盆地的转换过程及机制。从盆地研究的角度,揭示了华北东部中、新生代陆内动力学过程,对于研究区油气勘探实践具有重要意义。

伸展型盆地裂后期沉降过程及其动力学背景研究

伸展型盆地是与地壳和岩石圈伸展、减薄作用有关的一类裂陷盆地,包含了重要的沉积矿产和能源资源。综合近年来国内外伸展型盆地的研究,包括大西洋被动大陆边缘、澳大利亚被动边缘以及中国大陆东部的新生代盆地,发现不论是被动边缘还是会聚板块背景下的伸展型盆地,其裂后阶段盆地的沉降过程都不是简单的仅仅由岩石圈的热作用所控制的均匀缓慢的沉降过程,而是呈现多幕式的、快速沉降的特征,反映了盆地裂后演化阶段周缘板块的构造活动及其深部岩石圈的动力因素的控制作用。文章正是从这一角度出发,简述了近年来国内外一些典型的伸展盆地区裂后期快速沉降的研究进展情况,并结合琼东南盆地裂后期沉降演化特征的定量模拟研究,对幕式快速沉降的动力学机制进行了探讨。

祁连山南部地区三叠纪弧后前陆盆地——基于沉积填充与大地构造的证据

本文通过对祁连山南部地区三叠纪沉积充填特征的研究,建立了盆地形成过程中沉积充填与区域构造演化的关联。依据沉积充填特征、构造接触关系及区域地质背景,认为祁连山南部地区三叠纪盆地具有弧后前陆盆地的构造属性;综合分析年代学、沉积物性和盆地内部填充单元的差异划分出与柴达木岛弧带和祁连山南部弧后前陆盆地相关的区域大地构造单元。认为早三叠世-中三叠世中期,南部遭受俯冲作用持续向北挤压推覆导致盆地挠曲沉降;中三叠世中期-晚三叠世中期发生弧(东昆仑-柴北缘)-陆(巴颜喀拉地块)碰撞,祁连山南部盆地挠曲沉降增大,其间形成区域性断裂和不整合等盆地记录的地质事件;晚三叠世晚期祁连山南部盆地发生过补偿陆相填充,弧后前陆盆地消亡。

黄骅坳陷新生代关键性构造运动面的确定及盆地演化过程

基于黄骅坳陷高分辨率三维地震资料的精细追踪和闭合,对其新生代的各个地层界面进行了重新厘定,根据识别出的关键性古构造运动面,将盆地新生代划分为同裂陷演化阶段和裂后演化阶段。在此基础上,依据不同阶段区域应力场的变化,进一步确定了断陷期、走滑断陷期、走滑拗陷期和加速沉降期4个不同格局的原型盆地的叠加和改造过程,相应的每个阶段的盆地构造样式在继承前期构造的基础上,又有其自身的典型特征。对盆地构造演化过程的正确认识,不仅有助于分析其各阶段的沉降、沉积过程,确定沉降中心的迁移及沉积体系的展布规律,而且有助于了解油气运聚成藏过程中的构造控制因素,进而指导油气勘探。

柴达木盆地北缘中生代盆地性质研究——对大柴旦凹陷的解剖

柴达木盆地北部地区的中生代地层是柴达木盆地油气勘探的重点层系之一。利用地震剖面解释成果和野外地质资料绘制了侏罗纪与白垩纪的地层残余分布图和断裂分布图;利用平衡剖面对地震剖面进行了平衡恢复,恢复了侏罗纪与白垩纪的原始与剥蚀后形态。通过对中生代各期(主要是侏罗纪和白垩纪)残余地层、断裂的分布和地震剖面构造演化的综合分析,认为柴达木盆地北部地区中生代经历了三个不同性质的盆地演化阶段:早侏罗世为伸展环境下的(箕状)断陷盆地,主要表现为一系列小型断陷盆地群;中侏罗世—早白垩世为伸展型坳陷盆地;晚白垩世末盆地受挤压整体隆升,形成古隆起。

四川盆地西北部新生代构造变形模式讨论--对认识青藏高原东北缘新生代变形机制的意义

综合造山带内的构造热年代学及盆地内部进行的磷灰石裂变径迹研究,提出了四川盆地西北部的三个背斜(潼梓关背斜、九龙山背斜和南阳坝背斜)主要是新生代构造变形的产物。野外观察发现汉中盆地是一个第四纪的拉分盆地,其主控断层具左行走滑性质。新生代青藏高原东缘大型地块向东挤出,遭遇强硬的四川克拉通阻挡之后,沿着龙门山形成了一个右行的走滑挤压带,并且影响到邻近的四川盆地,形成北东向背斜。这期构造变形往北延伸进入米仓山,形成具有逆冲性质的北东向断层。四川盆地北面也存在向东的挤出作用,这和汉中盆地主控断层的左行走滑性质是匹配的。四川盆地北面的地块挤出影响了米仓山前缘的四川盆地,由于龙门山和米仓山构造变形的叠加,使得最东面的南阳坝背斜相对于其它两个背斜在褶皱轴上发生了偏转。

柴北缘大型基底断裂--马仙断裂的构造特征研究

利用地面地质、地球物理和钻井资料,对位于柴达木盆地北缘的马仙断裂带的平面分布和剖面结构特征进行了分析,详细的研究了该断裂的形成、发育时间和运动学特征,在此基础上,提出了一个合理的断裂活动的运动学模型。研究认为马仙断裂形成于晚白垩世,在整个新生代期间长期活动,控制了断裂两侧的盆地结构、沉积分布和油气聚集,是一条断面南倾的具有左行走滑分量的斜向冲断层。马仙断裂的运动特征源于南祁连山对盆地的差异性推覆作用。

沉积盆地构造核心理论和关键技术方法:前沿与发展方向

系统分析前人在沉积盆地构造研究的基础上,论文总结了沉积盆地构造核心理论和关键技术方法的前沿与发展方向。沉积盆地构造核心理论包括盆地分类理论、成盆机制理论、变形定量分析理论和盆地充填过程理论。盆地分类理论是依据不同分类标准建立盆地分类方案,其发展趋势是基于资源与构造背景的原型盆地分类和基于盆地演化的叠合盆地分类;成盆机制理论是定量模拟不同作用机制下(纯热机制、构造作用、负载作用)盆地沉降过程及其控制因素,其发展趋势是三维成盆动力学模拟;变形定量分析理论包括断层相关褶皱理论、临界楔理论和盐构造理论,其发展趋势是三维构造建模与三维定量变形分析;盆地充填过程理论主要开展不同构造成因盆地的充填过程对比与盆山过程的源汇分析,其发展趋势是多元源汇分析与定量化盆地分析。沉积盆地构造关键前沿技术包括三维构造建模技术、构造物理模拟与数值模拟技术和基于三维构造恢复的裂缝预测技术。构造物理模拟技术包括了基于工业CT扫描成像物理模拟技术:可以无损动态监测构造带内部变形演化过程,精确构建变形带三维空间展布形态;基于PIV的有限应变分析的物理模拟技术:可以定量分析变形的演化过程,直观展示应变分布特征,探讨构造应变动态分布规律;基于超重力离心机的构造物理模拟技术:可以模拟不同尺度构造流变过程,探讨岩石圈浅层脆性变形与深层韧性流变之间的动力学机制。