井中方位纵波远探测: 理论、实验与现场应用

能够测量井外数十米地质构造距离和方位的远探测声波测井正成为一种重要的地球物理应用技术.1:1地层条件下井外含反射界面的远探测测量和分析为此技术提供了物理验证.本文首先利用虚源和柱面波展开理论推导了充液井孔中单极反射纵波方位接收声场的解析形式,通过模拟证明了单井的声波辐射和接收与双井之间的辐射和接收的等效性,在此基础上提出利用两口模型井来实现方位纵波远探测实验,即在测量井中放置多方位反射纵波接收声系,在另一口副井中放置单极子声源向测量井定向辐射纵波以等效来自井外地质体的反射波,依托实验室的模型井群进行井中方位纵波远探测实验研究.实验测量结果表明井中接收反射纵波的幅度和到时对井外反射体(定向辐射波)具有较好的方位灵敏度,可由此来实现井外地质异常体的精准定位.在理论与实验指导下自主设计研制了方位纵波远探测仪器样机并开展了现场井测试成功获得高信噪比的方位反射信号,充分验证了方位纵波远探测技术的准确性和有效性.

渤中凹陷中生界火山岩储层裂隙发育程度实验研究:以安山岩为例

渤海湾盆地中生界火山岩发育广泛,但含油气性横向变化较大,失利井较多,勘探风险大,了解火山岩潜山储层内部裂隙发育程度及规律可为中生界火山岩潜山勘探提供理论依据。本文选取中生界安山岩,开展不同构造环境下岩石微裂隙发育程度实验,分析安山岩在不同应力状态下微裂隙发育规模、频率以及微裂隙空间分布,探讨张性和压性构造应力环境下中生界火山岩微裂隙发育能力及空间展布规律。实验结果表明:安山岩在压性和张性环境下均有微裂隙发育;安山岩在较低的压应力作用下产生大量微裂隙,微裂隙发育规模不随应力增大而升高,其原因可能是安山岩本身含有大量先存构造缝、溶蚀缝和溶蚀孔,受较小的应力后“再活化”产生微裂隙;结合渤中凹陷的构造演化过程,安山岩经历了燕山早期北东向压扭、中期伸展,燕山晚期右旋压扭及喜山期伸展,导致其内部裂隙较为发育,其运储能力提升,具备成为优质储层的基本条件。

海洋声学地质调查技术现状与展望

海洋声学地质调查技术是揭示海底地形地貌和地球内部构造与性质的重要技术手段。通过回顾国内外海洋声学地质调查技术发展历程,在整理中国海洋声学地质调查技术现状的基础上分析了存在的问题,并结合目前和未来一段时期内中国海洋经济建设和海洋开发利用对海洋声学地质调查技术工作的需求,提出了相应的对策与建议。此外,对海洋声学地质调查技术发展趋势进行了展望,以期为我国海洋声学地质调查技术的发展提供参考。

海洋低信噪比小道距地震处理关键技术

海洋高分辨小道距地震探测方法具有高精度、作业方式灵活、适应区域广等优势,在浅表天然气水合物高精度识别、近海底地层层序确定方面都有广泛应用。基于现阶段研发设备的固有问题,原始地震数据的信噪比低、成像品质差。针对小道距高分辨率电缆固有的背景噪声严重、沉放深度和主频高引起的虚反射严重、电缆姿态不稳导致信号反射时间-距离不符合双曲线变化规律等问题,采用“叠前多域噪声压制技术”“基于F-K鬼波压制技术”“基于相干函数控制的电缆等浮校正技术”等关键手段,逐步质控,处理后的地震剖面信噪比高、波组特征清楚、地层反射连续性好,能满足浅层地质构造特征识别及地层层序划分的需求。

L-色氨酸促进二氧化碳水合物生成特性实验研究

深海水合物法封存二氧化碳(CO_(2))被视为极具潜力的碳封存技术,而实现CO_(2)水合物(以下简称“水合物”)快速生成是该技术推广应用的关键。采用恒温恒容法研究了L-色氨酸溶液在不同质量分数和搅拌状态下对水合物生成动力学的影响。同时研究了L-色氨酸溶液对水合物宏观形态的影响。结果表明,0.10%L-色氨酸溶液和纯水在静止状态下,液体表面形成一层水合物膜,阻止气液进一步接触,且水合物生成量较少,对水合物生成没有促进作用;质量分数为0.15%~0.50%的L-色氨酸溶液对水合物生成有促进作用,但促进效果不稳定;1.00%L-色氨酸溶液对水合物成核和生长速率具有显著促进作用,相比纯水显著增加了水合物生成量。开启搅拌可大幅提高纯水和0.50%L-色氨酸溶液的水合物生长速率,增加纯水中水合物生成量,但对0.50%L-色氨酸溶液中水合物生成量几乎没有影响。水合物倾向于首先在气液固三相界面成核,初期以二维横向模式生长,添加L-色氨酸可改变水合物宏观形态。分析认为,L-色氨酸的疏水端吸附在水合物晶体表面,使水合物疏松多孔,亲水端与水分子结合,增强了水合物表面亲水性,强化了气液接触,最终促进水合物生成。研究结果对开发新型绿色水合物动力学促进剂与促进CO_(2)捕集技术发展有理论指导意义。

元地球与数字孪生:思想突破、技术变革与范式转换

数字孪生在航天、工业制造领域已应用了20多年,但引入海洋科学还是首次。通过数字孪生技术,实现真实地球与虚拟地球的融合,构建一个真实地球与数字地球的虚实共同体,这里称为“元地球”。本文介绍了元地球与早期提出的数字地球、虚拟地球、玻璃地球、智慧地球的本质区别,进而突出元地球理念或思想上的巨大突破。基于现今元宇宙BIGANT技术体系,构架跨越地球各圈层的实时、全天候、立体观测感知系统,打通地球系统各圈层动力学模拟隔阂,实现超越现今地球,再现深时地球,实现时空穿越,从而集数字地球、虚拟地球、玻璃地球、智慧地球、现今地球、深时地球的特性于一个共同体,这个深时的虚实共同体就是元地球。这一理念必将催生新的技术范式变革,进而超越现实地球、虚拟地球,开启人类认识地球、探测地球、开发地球的全新方式。在实现研究范式转换的同时,推动元地球的多场景应用,这也必将催生未来的万亿新产业。

虚拟仿真技术与海洋科学类实践教学的融合路径研究

为解决长期以来海洋油气勘探相关课程实验内容难以实施、学生缺乏必要的实践操作学习和训练内容等问题,河海大学立足于国家海洋强国战略目标和海洋科学高层次人才培养要求,将虚拟仿真实验技术引入海洋油气地质课程群的实验教学,建设海洋油气勘探虚拟仿真实验教学平台系统。该教学系统借助1:1真实还原的先进海洋地质与地球物理调查船构建沉浸式的虚拟场景,融入海洋油气勘探前沿领域研究成果,提高学生实际操作和分析探索能力,综合运用多种教学方法,设计融合海底地形地貌调查、海洋地球物理探测、海洋地球化学探测和海洋油气成藏要素分析4个实验环节于一体的综合实验,提高实验难度,旨在培养学生解决海洋科学领域复杂问题的综合能力和专业思维,推进基于海洋油气勘探视角的新型海洋科学类实验教学。

基于VTI介质海洋CSEM和MT数据联合反演的黄海海相残留盆地深部结构研究

黄海海相残留盆地因其地层结构和深部地质构造的复杂性,一直是我国海洋地球科学的一项研究重点,虽然针对该研究区已开展了一系列的地球物理调查,但由于高速碳酸盐岩层对地震波存在着一定的屏蔽作用,致使该海域深部地震资料品质受到较大影响.海洋电磁法不受高速屏蔽层影响,有利于获得高速屏蔽层内部及其下方的深部结构信息.海洋可控源电磁法(Controlled source electromagnetic method,CSEM)和海洋大地电磁测深(Magnetotelleric,MT)能够提供海底电性结构的互补信息,较于单一的电磁方法,二者联合可获得更为准确的海底电性分布.本文提出了基于乘积目标函数的层状垂直各向异性(Vertical anisotropic,VTI)介质海洋可控源电磁和大地电磁资料联合反演方法,该方法在迭代过程中根据数据的拟合情况自适应调整CSEM和MT数据的权重和正则化因子的权重,反演参数包括海底介质的横向电阻率、垂向电阻率和地层厚度.以南黄海地质地球物理资料为例,建立浅水环境地电模型,并结合浅水环境的高噪声背景特点进行合成数据模型测试及分析.将本文所提出算法应用于理论模型合成数据和南黄海实测资料反演,结果表明,较于单独的海洋CSEM和MT反演,联合反演方法能够较准确地重构海底地层的电性分布,提高对海底地层各向异性电阻率的分辨能力.

深度学习技术在地震储层预测中的应用及挑战

传统地震储层预测技术已无法满足储层精细评价的需求,深度学习具有强大的特征提取和高维数据处理能力,近年来广泛应用于地震储层预测并取得了较好的效果。为此,本文深入讨论深度学习技术在地震储层预测中的应用、进展及它在实际工作中面临的挑战,并提出未来的发展方向。主要认识有:(1)在烃类定性检测方面,深度学习技术有助于综合利用多属性地震数据去提高效率和预测结果的准确率;在定量预测方面,深度学习技术可以更精准地逼近地震数据与目标之间复杂的非线性关系,实现储层的精细定量评价。(2)深度学习技术的应用面临的挑战主要是标签数据不足和样本不均衡等容易导致模型过拟合,泛化能力差;模型复杂,计算成本高;模型的“黑匣子”特征使预测结果缺乏物理可解释性;缺乏定性预测模型的评价标准和高精度的不确定性量化算法。(3)未来的研究方向应致力于克服数据可用性的不足和深度学习的局限性等,构建地球物理知识图谱,实现多源数据与知识的有效融合、共享,将深度学习与反馈强化学习等其他机器学习算法相结合,为油气勘探和开发提供更可靠的技术支撑。

下扬子区二叠系烃源岩评价与生源环境

基于下扬子区海域-陆域钻井岩心和露头岩样,通过有机岩石学和有机地球化学方法,应用有效指标参数,从不同维度综合分析下扬子区上二叠统大隆组、龙潭组和下二叠统孤峰组、栖霞组4套烃源岩在纵向及平面上的有机地球化学特征、生烃潜力和生源环境。根据测试数据及前人研究资料,栖霞组和大隆组烃源岩的有机质丰度为中等—好级别,龙潭组烃源岩的有机质丰度为一般—中等级别,孤峰组烃源岩有机质丰度达到很好级别。下二叠统烃源岩有机质丰度在平面展布上表现出海域优于陆域的特点,上二叠统则反之。根据干酪根碳同位素特征,栖霞组烃源岩有机质类型最好,为Ⅰ~Ⅱ型;其他3套烃源岩均为Ⅱ~Ⅲ型母质类型。4套烃源岩成熟度参数镜质体反射率主频分布范围为1.3%~2.0%,均达到高热演化阶段,在平面展布上表现出明显的非均一性。二叠系4套烃源岩生物来源以低等水生生物为主,有机质均在贫氧的弱还原—弱氧化条件下保存,其中大隆组沉积的水体动荡频繁和生物变化较明显。综合认为,下扬子区二叠系烃源岩有机质丰度高,类型较好,具有形成大型油气田的良好物质基础,尤其是以往被忽略的孤峰组烃源岩评价等级被提高,是一套潜在的优质烃源岩,其对该区进一步的油气勘探具有重要的指导意义。

东海陆架盆地CO_(2)地质封存适宜性评价

温室气体过量排放引起了明显的全球气候变化及诸多次生灾害,CO_(2)捕集与地质封存技术应运而生。中国东海沿岸CO_(2)排放源众多,但陆上盆地面积狭小,无法满足巨量CO_(2)封存的需求。根据相关学者做出的中国全海域级碳封存适宜性评价,东海陆架盆地在中国近海盆地中碳封存适宜性排名第3,面积宽广且封闭性好,因此,在此基础上对东海陆架盆地开展了盆地级碳封存适宜性评价。结合专家意见和相关学者研究成果,利用模糊综合评价法和层级分析法确立了适宜性评价指标体系及指标权重,再根据盆地内各二级构造单元的相关地质资料,按照评价指标分级赋分表对各单元的每个评价指标进行评分,结合权重计算出综合适宜性评分。综合考虑碳封存容量、封闭性及可操作性的评价结果认为,台北坳陷为盆地中碳封存综合适宜性最好的单元,可作为优先实验性封存区。

海岸海洋碳循环过程与CO_(2)负排放

海岸海洋接受大量来自陆源的碳物质和营养盐,涉及大量以碳为中心的相互作用,是重要的碳循环海域;同时,该区域也常发育具有良好圈闭条件的储-盖系统,具有明显的CO_(2)储集潜力。该文以海岸海洋及其下发育的沉积盆地为研究对象,综述了碳物质在海岸海洋中的循环过程、CO_(2)通量的影响因素和海岸海洋沉积盆地的储碳机理。从“双碳”角度,重点论述了海岸海洋在促进CO_(2)负排放方面的意义、促进海洋负碳排放的潜在途径和在沉积盆地的储碳潜力及面临的问题。海岸海洋是重要的碳汇区域之一,高效率的微生物碳泵和碳酸盐碳泵是增强海岸海洋CO_(2)负排放的核心过程;同时,海岸海洋沉积盆地中的储-盖系统,不但提供了额外的CO_(2)封存空间,也保障了CO_(2)封存的安全性。未来的研究应以抑制海岸海洋中碳物质向CO_(2)转化的进程和保障沉积储层中CO_(2)封存的安全性为主要方向,为CO_(2)负排放提供理论依据与技术保障。

辽东湾北部JXC-1孔孢粉组合特征及其古环境意义

【目的】研究辽东湾北部JXC-1孔孢粉学特征,以更好地认识早更新世晚期以来辽东湾古环境演化。【方法】对JXC-1孔沉积地层选取159个样品进行孢粉鉴定,结合测年数据,对比有孔虫丰度和粒度变化等指标,开展孢粉组合及含量变化分析。【结果】划分出9个孢粉带,孢粉组合可以反映渤海陆缘区植被面貌,其中草本花粉在整个剖面占绝对优势,含量在60%以上,具有超代表性,而木本花粉代表性低。【结论】对比冰期、间冰期气候变化过程,研究区早更新世晚期以来孢粉组合变化特征指示气候呈冷干-温湿交替。中更新世末期以来辽东湾经历了3次高海平面过程,与孢粉组合指示的气候变化趋势一致,MIS7和MIS5时期,阔叶树种和蒿属比例较高,有孔虫丰度较高,气候偏暖,属沉积动力相对稳定的浅海或滨海环境;而MIS6和MIS4时期,孢粉浓度极低,气候偏冷,属沉积动力相对复杂的滨岸湖泊或沼泽等陆相环境。MIS3时期至全新世(MIS1)时期,气候由凉湿向温湿转变。全新世孢粉组合指示气温先升后降的变化趋势,与海平面变化响应明显。

古地貌动态模拟研究进展综述

作为连接深时地球内外系统的关键界面,重建的古地貌为跨圈层耦合、多学科交叉研究提供了重要途径。地球系统理论的进步以及计算机模拟技术的发展,使得深时古地貌动态重建成为可能。近年来,Badlands(Basin and Landscape Dynamics)区域古地貌模拟软件和goSPL(Global Scalable Paleo Landscape Evolution)全球古地貌模拟软件的开发,将地球深部构造过程、降水、海平面变化等若干地球系统因素联系起来,为理解地表系统演化及其与地球固体圈层相互耦合提供了新的技术基础。基于这些新兴模拟技术,聚焦东亚地形倒转和水系重组、显生宙古地貌演变与海洋物种多样性关系等问题,国内外学者分别已开展了相关模拟工作并取得了很好的研究成果。但鉴于高程代用指标本身的不确定性,不同古地貌重建模型之间存在差异;此外,这些古地貌重建模型很难做到与高精度的地质观测记录完全吻合,迫切需要开展超高(时间和空间)分辨率的海陆古地貌重建。

华北早白垩世古地貌动态演变及热河生物群东迁

早白垩世期间,华北地区东北部分布着极其重要的生物群——热河生物群,其繁盛期对应着华北克拉通破坏峰值时期(125 Ma)。华北克拉通破坏导致的古地貌和古气候等环境变化,可能是引起热河生物群分布时空发生变迁的重要外部驱动因素之一。然而,目前缺少对华北地区早白垩世古地貌动态演变过程的定量描述。因此,本研究主要通过构建古土壤风化指标(PWI、CFX_(Na))、碳酸盐同位素等数据库,重建了华北地区晚侏罗世—早白垩世之交(145 Ma)的古地形;并结合磷灰石/锆石裂变径迹、剥蚀厚度恢复、海平面变化等数据,利用Badlands软件定量化动态模拟了华北地区早白垩世古地貌演变过程。模拟结果表明,早白垩世期间,受控于古太平洋板块俯冲后撤的影响,华北克拉通经历了由“东高西低”变为“西高东低”的地形翘变和破坏过程,并伴随着自西向东的断陷盆地的迁移;大规模火山喷发与断陷盆地的出现共同控制了热河生物群的向东迁移,热河生物群在燕山地区的山间盆地兴起。

中新世以来上印度扇水道-堤岸体系几何学特征及演化

以中新世以来上印度扇水道-堤岸体系为研究对象,利用高精度二维地震资料开展地震精细解释与几何学分析,刻画水道-堤岸体系几何学特征及时空演化过程,探讨中新世以来上印度扇发育演化主要期次及特征。结果表明,中新世以来上印度扇水道-堤岸体系可划分为中新世、上新世及更新世至今三大期次,整体表现出“单期水道-侧向迁移-扁长型”到“多期水道-垂向叠置-厚窄型”的演化特征。深入探讨中新世以来上印度扇水道-堤岸体系的几何学特征及演化可为重力流水道的沉积构型样式研究提供新的例证,并为深海油气勘探开发提供参考。

南黄海SYS90-1A孔第四纪沉积物磁性地层学研究

可靠的年代地层框架是开展南黄海地区第四纪环境演变研究的基础。目前南黄海南部地区缺乏可靠年代学控制的长序列钻孔。通过对南黄海南部SYS90-1A孔(孔深90.1 m)沉积物开展详细的磁性地层学研究,并结合AMS14C测年结果及区域已有磁性地层学结果,建立南黄海南部地区第四纪沉积物年代地层框架。结果显示,SYS90-1A孔岩芯记录了从布容(Brunhes)正极性时至松山(Matuyama)负极性时上部,包括Kamikatsura和Santa Rosa地磁漂移事件。早、中更新世界线即布容正极性时与松山负极性时界线(B/M界线)深度位于74.2 m,Kamikatsura和Santa Rosa地磁漂移事件深度分别位于79.75~82.47 m和85.25~87.74 m。根据Kamikatsura和Santa Rosa地磁漂移事件的年代控制点和平均沉积速率,推算钻孔底部年龄为0.96 Ma。南黄海SYS90-1A孔早更新世晚期的沉积速率约为8.66 cm/ka,中更新世以来的沉积速率约为9.5 cm/ka,而全新世以来的沉积速率为12.8 cm/ka,沉积速率自早更新世晚期以来呈增加趋势。这一结果不仅为南黄海南部第四纪沉积物研究提供了有效的年代学约束,而且为南黄海地区第四纪地层划分和对比、沉积环境与气候变化、物源示踪等研究提供了重要的时间标尺。

基于接收函数法的阿拉斯加中南部地幔转换带特征研究

太平洋板块向北美板块俯冲,在北美洲阿拉斯加大陆边缘形成了碰撞造山带和俯冲构造带,前人对该区域阿拉斯加俯冲带地幔转换带的研究存在分歧,一种观点认为太平洋板块俯冲至阿拉斯加中南部下方的地幔转换带内部,引起地幔转换带增厚,另一种观点则认为地幔转换带增厚是由于库拉板块残留造成的。因此,研究阿拉斯加俯冲带区域地幔转换带的精确成像对于厘清太平洋板块俯冲机制和俯冲过程具有重要意义。本文利用美国地震联合学会(IRIS)在阿拉斯加区域布设的USArray部分固定台站接收到远震事件的波形资料,采用天然地震P波接收函数与共转换点道集叠加的方法,反演得到了阿拉斯加山脉和育空高原410 km、660 km间断面和地幔转换带的厚度结构。结果表明:由于太平洋板块俯冲至地幔转换带内部,使得410 km间断面在阿拉斯加山脉东部和育空高原与阿拉斯加山脉交界处的弧形区域出现了抬升现象,抬升幅度为0~20 km,进而导致在该区域出现不同程度的地幔转换带增厚的现象,验证了第一种观点。另外,该地区地幔转换带结构显示,660 km间断面在阿拉斯加山脉东部以及阿拉斯加山脉与育空高原交界的东部出现下沉现象,故此推测阿拉斯加中南部部分区域太平洋板块已经俯冲至地幔转换带底部。

基于旋转交错网格的TI介质二维三分量面波模拟

基于标准交错网格(Standard Staggered Grid,SSG)的有限差分法在面波的正演模拟中应用广泛。单一的瑞利波或勒夫波模拟已不能满足横向各向同性(TI)介质中面波模拟的需求。为此,提出一种基于旋转交错网格(Rotated Staggered Grid,RSG)的TI介质二维三分量面波模拟方法。首先,采用一阶速度—应力二维三分量波动方程将P-SV波方程和SH波方程联合;其次,将RSG有限差分法结合多轴完美匹配层技术,实现包含瑞利波和勒夫波的二维三分量面波模拟;然后从波前快照、波形曲线和频散曲线三个方面,定性和定量地对比RSG和SSG有限差分法在二维各向同性介质均匀半空间面波模拟的效果和精度;最后,将所提方法应用在均匀半空间TI介质(包括VTI、HTI和TTI)和两层速度递增TTI介质的二维三分量面波模拟,通过波场快照、地震记录和频散能量图分析TI介质中的面波特征和各向异性参数对面波频散特征的影响。实验分析结果证明了文中方法在面波模拟实践中的适用性,为二维全波场地震波模拟甚至是全波场反演提供了重要参考,对进一步认识各向异性介质中面波的传播特征具有重要意义。

逆冲-走滑作用叠加的复合构造变形机制砂箱模拟研究:以张家口-蓬莱断裂带渤海段为例

逆冲构造体受走滑作用影响形成新的复合构造体系在自然界中较为常见。新生代以来张家口-蓬莱断裂带渤海段的左旋走滑运动,改造了渤海湾盆地内燕山期挤压运动形成的逆冲构造。北西向的张家口-蓬莱断裂带渤海段受新生代以来太平洋板块俯冲驱动,与共轭的北东向郯庐断裂带共同控制了渤海湾盆地现今的构造样式,同时又是地震多发区和油气聚集区。本文通过砂箱模拟实验,研究不同走滑速率不同基底强度条件下,逆冲推覆构造受走滑作用改造的复合构造演化机制。实验结果显示,在挤压背景下,实验模型中先产生一系列的逆冲断层,形成逆冲推覆构造和冲起构造;叠加走滑作用后,走滑断层切割先存逆冲断层,具有明显的负花状构造特征。剖面上看,走滑速率越大,则断层数量越多,断层断距更大,花状构造更为复杂。在局部塑性基底模型中,无叠加的走滑构造区可形成断陷。结合研究区构造演化过程,模拟结果与张家口-蓬莱断裂带渤海段构造演化过程具有一定相似性,尤其沙北断裂、沙东断裂内部花状构造发育最为典型。走滑断裂对构造圈闭具有一定的控制作用,本模型可对逆冲叠加走滑复合区域的构造演变及动力机制分析提供参考和借鉴。