无人机在沉积学中的应用现状及展望

无人机是获取地表数字图像和进行样品采集的重要手段,近年来在沉积学领域正逐渐成为一种新兴的研究手段,改变着沉积学的研究范式。然而,目前国内基于无人机的沉积学研究尚处在起步阶段,本研究拟回顾近年来无人机在沉积学领域研究中的重要应用,对所涉及的关键技术背景和存在的问题进行了讨论,总结并展望了未来的发展前景,以期对后续相关研究提供参考。主要从沉积露头的三维数字重建、高分辨率沉积结构和构造特征的提取以及无人机协助样品采集3个方面综述了无人机在沉积学应用中的软硬件要求及典型研究案例。利用无人机摄影测量技术构建数字露头模型,有利于从多个空间尺度和视角观察沉积露头的几何形态、沉积相与岩相组合情况,结合数字露头模型信息提取软件,可对粒度、交错层理和生物遗迹等沉积结构和构造特征进行大范围的远程而高效的提取,未来还可进一步应用于沉积学野外实践教学工作中。此外,对无人机本身进行改造,还能够协助进行冰心等沉积物样品的采集。应用无人机技术进行沉积学研究,具有低成本和高效率的优势,保证了数据的时效性和连续性,也提高了野外工作的安全性。但是,无人机技术在数据可重复性、点云处理以及图像与模型质量方面也存在着不足。未来可借助人工智能方法,以及通过制定无人机图像采集与处理流程的标准规范来进一步改善。

基于格子Boltzmann法岩体裂隙粗糙特征对渗流的影响

裂隙在岩体中的形貌结构复杂,岩体裂隙的粗糙特征对裂隙的渗透性存在较大影响。目前传统的数值模拟软件主要是以等效连续介质为基础的宏观评价,无法模拟裂隙微小结构内的介观渗流特征;虽然存在考虑裂隙粗糙特征的粗糙裂隙渗透评估模型,但是将粗糙裂隙的剖面高度标准偏差值作为粗糙特征的定量表征缺乏物理意义并且存在局限性。首先运用W-M(Weierstrass-Mandelbrot)函数构建具有不同分形维数的二维粗糙单裂隙数字模型。其次基于格子Boltzmann法理论通过编程实现介观尺度的渗流模拟,并结合以裂隙剖面高度标准偏差值作为粗糙特征定量表征的立方定律公式进行分析。结果表明:以裂隙剖面高度标准偏差值作为粗糙特征定量表征的立方定律公式存在不足;以分形维数作为粗糙特征定量表征的局部修正立方定律公式相对可行。研究对于地下水污染防治以及地下水资源评估有着重要的工程实际意义。

履践致远,进而有为——《地质科技通报》创刊40周年寄语

自1982年创刊以来,《地质科技通报》(原《地质科技情报》)一路风尘仆仆,负重前行,走过了40年的荣光岁月。40年来,她不忘初心,矢志不渝。紧紧围绕地学领域重大关键问题或社会关注热点,着力报道地学研究领域新进展、新成果、新技术,特别是国家重大科技攻关项目、自然科学基金项目成果,促进地学学术交流,引领地学学科发展,服务国家经济建设。

上硬下软地层中h型桩与滑坡相互作用机理模型试验研究

组合式抗滑桩是加固大型滑坡的有效防护措施,但上硬下软等复合地层中h型抗滑桩的加固机理仍有待深入研究。基于一套自主研发的上硬下软地层滑坡-h型抗滑桩物理模型试验装置,综合应力应变监测、激光测距仪、高速相机与粒子图像测速(PIV)技术研究了上硬下软地层滑坡中h型桩的位移、内力响应规律与滑体变形破坏特征,揭示了上硬下软地层条件下h型桩与滑坡相互作用机理。研究结果表明,在坡顶荷载逐渐增加的条件下,h型桩加固的上硬下软地层滑坡的演化阶段可划分为蠕变阶段、匀速变形阶段、加速变形阶段和破坏阶段4个阶段。受连系梁影响,前排桩与后排桩桩顶位移较小,应变最大值出现在靠近滑面深度处;后排桩弯矩呈“S”型分布,前排桩弯矩呈三角形分布,负弯矩最大值位于连系梁下方20 cm处。随着硬岩体积分数(φ_(B))增加,桩顶位移逐渐减小,前、后排桩最大弯矩值也逐渐减小,但硬岩体积分数超过60%后最大弯矩值变化幅度较小。当φ_(B)=20%和40%时,后排桩土压力总体呈抛物线形式;当φ_(B)=60%和80%时,土压力总体呈反“S”型,且滑面附近出现第二个土压力峰值;前排桩土压力分布形式均为抛物线型。试验结果可为组合式抗滑桩加固机理研究和设计提供理论支撑。

地下水硫酸盐溯源的进展、问题和发展趋势

识别地下水溶解性硫酸盐来源及其生物地球化学循环过程是保障饮用水安全和水生态安全的重要前提,对于地下水资源的管理和保护具有重要的意义。在广泛查阅文献的基础上,总结了不同地下水硫酸盐来源δ^(34)S_(SO 4)和δ^(18)O_(SO 4)值域范围;综述了地下水硫酸盐溯源及硫生物地球化学循环过程解析的研究进展,指出了存在问题和发展趋势。地下水硫酸盐来源识别方法经历了水化学方法→单同位素→双同位素→多同位素和多示踪剂定性识别→定量评估的发展历程;因特定地域来源的硫、氧同位素差异和生物地球化学转化过程等因素的影响,地下水硫酸盐溯源尚存在较大的不确定性。建议在地下水流系统框架上结合土地利用分布,布置采样点采集污染源和地下水样品,测定水化学和硫酸盐的硫氧同位素值及其他辅助性示踪剂同位素值或浓度,利用多学科、多方法充分融合研究区水文地球化学、渗流场、土地利用等信息,解析地下水硫酸盐的来源及其贡献,以支撑地下水资源保护和污染防治的科学实施。

渤海湾盆地渤中凹陷古近系烃源岩生物标志物特征及其地质意义

渤中凹陷位于渤海湾盆地中东部,主要发育沙三、沙一和东三段烃源岩层,具有良好的油气勘探前景,前期对渤中凹陷有机地球化学特征的研究主要基于岩屑样品,对岩心样品生物标志物特征的研究比较薄弱。本次研究综合利用岩心和岩屑样品,通过有机碳、岩石热解、氯仿沥青“A”、族组分饱和烃色谱-质谱等有机地球化学分析测试,重点对渤中凹陷古近系东营组三段和沙河街组一段、三段烃源岩的有机质丰度、类型、成熟度及母质来源与沉积环境进行研究,明确了渤中凹陷三套泥页岩的地球化学特征及发育控制因素,并建立了区分3套烃源岩的典型生物标志化合物组合特征,以期望为进一步厘清该区域优质烃源岩发育模式及时空分布提供一定的理论依据,进而有利于该区油气的勘探。研究结果表明:3套烃源岩的生烃潜力具有显著差异,沙三段>沙一段>东三段。沙三段烃源岩有机质丰度最高,为好-极好烃源岩,有机质类型为Ⅰ-Ⅱ_(1)型,处于成熟阶段;沙一段次之,为中等-好烃源岩,有机质类型为Ⅱ_(1)-Ⅱ_(2)型,整体处于成熟阶段;东三段稍差,为中等烃源岩,有机质类型以Ⅱ_(1)-Ⅱ_(2)型为主,处于低熟-成熟阶段。岩心样品的生物标志化合物中姥植比(Pr/Ph)、伽马蜡烷指数(Ga/C_(30)H)、C_(27)-C_(28)-C_(29)规则甾烷含量、4-甲基甾烷指数(4-MS/C_(29)甾烷)等参数表明母质输入和沉积环境是控制3套湖相烃源岩差异的主控因素,淡水藻源输入和良好的保存条件是沙三段优质烃源岩发育的关键,低等水生生物输入和强还原的保存条件是沙一段优质烃源岩发育的关键,混源输入和良好的保存条件是东三段优质烃源岩发育的关键。

南岭及邻区第四纪地层分区与综合地层格架

南岭及邻区的第四纪沉积以冲积物、残积物和洞穴堆积物为主,长期以来缺乏统一的地层格架和时间框架。基于剖面资料和实地调查,将南岭第四纪地层划分为永州-郴州、桂林-贺州、韶关-清远、赣州、道县-阳山等5个地层小区;通过厘定每个小区的岩石地层序列、生物地层和气候地层及其测年成果,建立了综合地层的对比格架。结果表明,南岭第四系与中国更新统泥河湾阶、周口店阶、萨拉乌苏阶和尚未建阶的全新统可一一对比;其生物地层以早更新世巨猿动物群和中更新世晚期以来的马坝人、道县人和柳江人等智人演化为特点;气候地层以洞穴石笋和高山泥炭重建的古气候记录为代表,主要反映东亚季风背景下的南岭局地气候。但由于测年数据较少,冲积层和残积层的对比仍然存在困难;生物演化阶段与气候变化之间也未能详细对比。因此,今后南岭的第四纪地层研究应围绕提高测年精度与建立统一的年代标尺开展,促进综合地层对比的精细化、延伸气候地层的时间尺度并拓展与南海海相地层的对比;这一基础性工作对水文、环境、工程等实践应用亦具有重要意义。

关中盆地新生界地层划分对比与第四纪下限

关中盆地巨厚的新生代沉积为研究区域构造、沉积环境演变与古气候变化研究提供了良好的地质记录,但目前对新生界地层划分和第四纪下限问题仍存在争论。基于钻孔和剖面资料,结合古地磁和生物地层,对关中盆地新生界地层进行了梳理和修订,就第四纪下限和新生界地层划分与对比问题进行了探讨。岩性地层、磁性地层、生物地层证据以及气候变化特征等都支持将第四纪下限定在传统三门组的黄三门与绿三门的交界处或风成黄土与红黏土的界线之处,即松山负极性向高斯正极性转换处(M/G),古地磁年龄为2.6 Ma。基于关中盆地钻孔和剖面的古地磁数据及前人资料,划分了新生界地层,重新厘定了各沉积地层的沉积年代,将新近纪和第四纪沉积分为风成相和河湖相两套同期异相沉积地层序列,风成红黏土的年代延伸到中中新世,建议将中新世的风成堆积命名为段家坡组。这对关中盆地沉积环境形成演化与古气候变化研究、盆地资源开发以及地质工程建设具有重要意义。

顺层深路堑边坡滑带土强度特性和基底预留厚度预警分析

含软弱夹层的顺层深路堑边坡在边坡工程中普遍存在,滑带土强度和基底预留厚度(开挖边坡基底到软弱夹层的距离)是影响其稳定性的2个关键性因素。以杨宣(杨柳-宣城)高速K42路堑边坡为例,分析了边坡变形演化过程和基底隆起变形特征,通过适合研究大剪切位移下土体抗剪强度的环剪试验揭示了边坡深部滑带土的特性,应用滑带土的饱和残余强度参数进行了边坡开挖基底预留厚度分析。结果表明:K42滑带土有明显的应变软化特性,且法向应力越小滑带土应变软化特性表现越明显;由峰值抗剪强度到残余抗剪强度,黏聚力和内摩擦角均表现出衰减效应,且黏聚力衰减程度大于内摩擦角;滑带土残余抗剪强度参数中的残余黏聚力随剪切速率的变化很小,而残余内摩擦角和剪切速率呈对数函数φ=0.1303ln v+7.3197关系变化,当剪切速率<2 mm/min时,滑带土残余抗剪强度参数对剪切速率较为敏感,反之敏感性较差;最后,依据边坡不同临界状态的回归方程h_(1)、h_(2)、h_(3)将不同坡率下的基底预留厚度分成A(失稳)、B(欠稳定)、C(基本稳定)以及D(稳定)4个区,并且在此基础上建立了基底预留厚度判据和边坡开挖基底预留厚度预警模型。

江汉盆地新生代早期河流演化研究:来自地表河流和盆地钻孔碎屑锆石U-Pb年龄的约束

大型河流的演化是构造-气候相互作用的结果,对其开展演化历史研究是揭示地球深部动力过程对地表过程影响的关键切入点。保存于江汉盆地的新生代地层详细记录了汉江、长江等大型河流的演化信息。通过对汉江流域进行系统的碎屑锆石U-Pb年龄分析(n=690),结合前人在江汉盆地主要汇入河流发表的锆石U-Pb年龄数据,将其与江汉盆地内早始新世沉积钻孔的锆石U-Pb年龄数据进行了对比。结果表明,汉江下游的碎屑锆石U-Pb年龄物质组成混合了秦岭西部、大巴山和秦岭东部的河流碎屑物质信号,采用其下游干流样品的锆石U-Pb年龄组成进行物源对比更具有代表性;江汉盆地早始新世的碎屑物质主要来自秦岭和大别山,这主要归结为江汉盆地内部断陷与这些造山带的隆升形成显著的地势差异,为大型河流发育奠定基础;发源于武陵山和黄陵背斜的河流此时并不是江汉盆地中部、东部和南部凹陷的物质供给河流;黄陵背斜以西的长江在早始新世未进入江汉盆地。总体而言,江汉盆地在新生代早期的沉积物源以近源造山带为主,是对盆地周缘造山带隆升和类季风气候的沉积响应。

吐哈盆地胜北洼陷中侏罗统致密砂岩储层孔隙发育特征及控制因素

吐哈盆地中侏罗统致密砂岩储层是非常规致密油气勘探开发的主要目的层。以胜北洼陷8口井中侏罗统致密砂岩样品为主要研究对象,从储层岩石学特征、成岩作用、物性、孔隙结构等方面系统刻画了研究区中侏罗统致密砂岩储层特征,探讨了影响储层孔隙发育的主要因素。研究结果表明胜北洼陷中侏罗统低孔-特低渗致密砂岩储层以长石岩屑砂岩为主,岩屑砂岩次之;该储层遭受了强烈的压实作用,矿物胶结、交代和溶蚀现象明显,孔隙类型以次生长石溶蚀孔为主,同时发育矿物残余粒间孔、石英粒内溶蚀孔、黏土矿物层间孔和微裂缝等;储层内5~50 nm孔喉最为发育,然而储层物性则主要受50 nm~1μm和100~800μm孔喉发育程度控制,主要体现在两者孔喉体积与孔隙度和渗透率呈良好的正相关关系。储层物性与石英和长石含量呈正相关关系,与黏土矿物和碳酸盐矿物含量呈负相关关系,其原因一方面是该储层遭受了强烈压实,石英颗粒破裂导致其内微裂缝较发育,刚性石英含量增加有利于保存部分原始粒间孔,其内溶蚀孔也较发育,含有机酸的烃类流体运移至中侏罗统地层内促使长石发生了大规模溶蚀,形成大量次生长石溶蚀孔,孔径50 nm~1μm和100~800μm孔喉相对发育,储层物性因此得以改善;另一方面黏土矿物和碳酸盐矿物多以胶结物形式充填在原始粒间孔和次生微裂缝内,方解石交代长石降低了长石溶蚀的增孔效应,不利于孔径50 nm~1μm和100~800μm孔喉发育和储层物性改善。因此,研究区储层孔隙发育与早期原始沉积环境和后期成岩作用关系密切,压实作用、长石溶蚀和自生矿物胶结对储层孔隙发育及物性具有关键控制效应。该研究对吐哈盆地胜北洼陷中侏罗统致密砂岩油气有利勘探区分布预测具有指导意义。

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基于改进FCM聚类算法的三维重力反演

在重力反演中,传统的反演方法通常会生成平滑的反演结果,即不同的地质单元之间没有明显的边界。为了提高反演结果的空间分辨率和反演精度,采用模糊C均值聚类算法(fuzzy C-means,简称FCM)解决上述问题。但当异常体体积远小于围岩体积以及目标函数FCM聚类项权重系数选择不当时,该算法容易造成异常体反演结果均匀收缩,导致反演精度降低,甚至反演失败。反演失败的主要原因通常是因为异常体体积比围岩体积小很多。为此在反演的目标函数FCM聚类项中引入了缩放因子,用以平衡模型参数对每个聚类的隶属度,减小异常体体积远小于围岩体积的影响。通过建立缩放指数e_(k)与归一化的聚类中心与实际聚类中心间距离S_(normal)的简单正相关关系,使得缩放因子ρ_(k)随反演过程不断更新,从而显著降低了目标函数FCM聚类项权重系数的选择难度,避免了异常体反演结果均匀收缩的问题,增强了反演的稳定性。理论重力异常数据反演数值试验和实际数据反演表明,相比于此前的FCM方法,改进算法有更高的反演稳定性和反演精度。

二氧化碳爆破致裂激发干热岩储层作用效果

采用二氧化碳爆破致裂为激发干热岩储层提供了一种新的技术思路和途径。为了探究二氧化碳爆破致裂激发干热岩储层的作用效果,开展了二氧化碳爆破致裂干热岩储层作用范围的数值模拟研究。考虑实际开采过程中钻井液对井壁附近干热岩储层的降温影响,采用以温差为变量的拟合函数设置损伤区储层材料参数,用洗井后井壁附近储层温度分布函数设置损伤区储层温度场,并借助炸药爆破的相关理论、公式设置爆破荷载,结合COMSOL软件模拟了二氧化碳爆破致裂激发干热岩储层的过程。结果表明,二氧化碳爆破致裂干热岩过程中存在多次应力集中作用,且在炮孔附近压应力集中造成压碎区,压碎区外拉应力作用形成裂隙区;储层的初始温度以及定压片厚度都会影响二氧化碳爆破致裂激发干热岩储层的作用效果,其中初始温度对爆破压碎区范围影响较大,对裂隙区范围影响较小,定压片厚度改变对压碎区范围影响较小,主要影响爆破裂隙区的分布。本研究成果可为干热岩地热能后续的开采利用提供理论支持和参考。

水平开发井在海上油田储量评价和开发生产中的应用

海上油田开发初期由于钻井少,资料录取有限,且缺少动态资料,油田储量认识存在较大不确定性,随着开发程度的提高,往往会出现储量与产量之间的矛盾,而储量再评价是解决这种矛盾的重要方式。为提高开发效率,缩减成本,海上油田更多以水平井开发,受井型的影响,开发阶段资料录取往往受限,因此新增水平井资料成为油田储量再评价中获得新的地质油藏认识以及提高储量估算精度的关键。为进一步获得可靠的储量评价结果,解决油田的动静态矛盾,笔者在分析珠江口盆地储量变化主控参数的基础上,根据水平井钻井特征,充分挖掘水平开发井在提高主控参数精度上的作用。分析结果显示含油面积和有效厚度在储量评估中的不确定性最大,是引起储量变化的两个主控参数,水平开发井在提升油田产能、确定有效厚度下限、微构造研究、岩性边界以及流体界面识别等方面具有较好的作用,在资料录取有限的情况下,利用水平开发井能有效提高主控参数精度,获得相对合理的地质储量,解决油田生产动态矛盾的同时,也为油田后期挖潜指明方向。南海东部多个油田的应用实例也证实这一认识。

渤海郯庐断裂西支构造特征及对潜山形成的控制作用

渤海郯庐断裂西支是指郯庐断裂渤海段西侧分支断层,其形成演化对前新生代地层展布和潜山构造发育具有重要控制作用。基于三维地震、钻井、分析化验等资料,对渤海郯庐断裂西支构造特征、成因演化模式,以及对潜山形成的控制作用进行了分析。研究表明:①渤海郯庐断裂西支具有印支期、燕山早期、燕山中期、喜山早期多期叠加活动的特征,喜山晚期活化作用弱,整体隐伏于新生代沉积物之下;②渤海郯庐断裂西支具有显著的分段性,被近东西向断裂分割成北、中、南3段,各段在关键地质时期构造变形型式和强度存在一定差异;③印支期不均一南北向挤压所导致的走滑转换是渤海郯庐断裂西支的启动机制;④渤海郯庐断裂西支在印支期-燕山早期走滑逆冲活动及伴生褶皱是控制潜山地层展布及渤中19-6等潜山构造形成的关键因素。研究成果可以为渤海海域的油气勘探提供基础。

利用GS-LightGBM机器学习模型识别致密砂岩地层岩性

以交会图为代表的传统岩性识别图版无法适用于致密砂岩地层,其主要原因是大部分地层岩性的测井响应特征相似度高,难以基于图版分析被有效识别。LightGBM较传统模式识别模型能更高效地解决问题,为此采用该模型识别致密砂岩地层岩性。由于LightGBM在建模时利用了较多的超参数,导致预测结果难以保证为最优,所以采用GS算法进行优化,进而提出GS-LightGBM。实验目的层为姬塬油田西部长4+5段致密砂岩地层。提出模型的预测能力通过设计两个实验来验证。为突出验证效果,实验中加入SVM和XGBoost作为对比模型。实验结果显示,GS-XGBoost和GS-LightGBM的准确率、F 1-score和AUC指标相接近,都最高,但GS-LightGBM的计算时间只有GS-XGBoost的约1/23。实验结果表明,GS-LightGBM模型可在不失精度的情况下,能快速给出预测结果,具备了在致密砂岩地层岩性识别研究上的应用价值和推广性。

川南地区龙马溪页岩气体滑脱效应实验研究

针对页岩储层气体滑脱效应特征及其影响机制不清问题,选取四川盆地长宁地区志留系龙马溪组页岩样品,开展了低温氮气吸附孔隙结构表征实验,并利用非稳态脉冲衰竭方法测量了不同围压下氦气、氮气在页岩岩心上的气体渗透率,分析了平均孔隙压力、气体类型、围压对滑脱效应的影响,建立了滑脱因子的预测关系式。结果表明:压力低于2.5 MPa时,页岩气体滑脱效应不能忽略。由于“分子筛效应”的影响,页岩克氏渗透率与测试流体介质类型有关,以氦气为流动介质测试得到的克氏渗透率大于以氮气为流动介质的测试结果。滑脱效应与气体类型有关,龙马溪组页岩的氦气滑脱因子约为氮气滑脱因子的1.7倍。利用滑脱因子计算得到围压为10~40 MPa时,氦气在页岩上的有效渗流孔径为113~166 nm,氮气的有效渗流孔径为66~99 nm,均远大于液氮吸附法测试的平均孔径。建立了龙马溪组页岩气体滑脱因子与克氏渗透率的幂函数关系,为页岩气流动模型的建立提供了基础。

东海盆地西湖凹陷西北缘中始新世构造变革厘定及成因探讨

通过西湖凹陷西北缘断裂体系、构造格局、火成岩演变等构造条件综合分析,首次明确了区内中始新世存在构造变革。研究结果表明,构造变革在平湖组底界形成了显著的不整合,主要表现为削平、削超,愈向西邻近长江坳陷不整合愈发显著;构造变革前后西湖凹陷格局发生了显著变化,在杭州斜坡带主要表现为大断裂走向由早期差异到后期逐步趋同,最终导致早期分隔、多沉积中心在后期连片统一。认为中始新世这期构造变革作用的发生与周缘板块俯冲调整有关,构造变革期在时间上与西部印度板块俯冲引发高原隆升和东部太平洋板块俯冲转向、后撤作用相同步,是在西部挤压作用逐步增强背景下,盆地由整体拉张背景到西压、东张的差异化发育转变作用的主要响应。在西湖凹陷内这种构造变革作用具有广泛性,在平湖组与下伏宝石组地层的烃源岩特征上形成差异,对油气资源差异富集的贡献需要做更深入的研究。

黔西逆冲滑脱构造及其对铅锌矿床的控制

黔西地区位于上扬子地块西南缘,大地构造处于古特提斯构造域与太平洋构造域共同控制与影响的区域.该区广泛出露中上泥盆统-下三叠统(D2-T1)碳酸盐岩为主的沉积岩,下伏下泥盆统与志留系巨厚页岩和粉砂岩,构成了该区的底部滑脱层.在D2-T1碳酸盐岩为主的强硬岩层中夹有的页岩-粉砂岩、炭质页岩构成了次级滑脱层.在中生代,受上述两大构造域远程复合作用,黔西地区发生了多次构造活动与叠加变形.在挤压收缩过程中,强硬层与软弱层之间的滑脱作用形成了黔西地区复杂的构造格局.不同阶段不同规模的逆冲滑脱作用(顺层滑脱→切层滑脱→小型逆冲→大型逆冲)对铅锌富集起到了不同的控制作用.顺层滑脱形成了与层理一致的铅锌富集;切层滑动(小型逆冲)控制了稍陡于岩层的铅锌矿富集;小型平移或张性断层控制了陡倾铅锌矿的富集;而大型逆冲断层则控制了大型、超大型铅锌矿床的富集.因此,逆冲滑脱作用是控制黔西铅锌矿床富集的最重要因素.