CN111638552A - 一种古地貌恢复方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种古地貌恢复方法，包括以下步骤：步骤1：建立某一构造运动前的初始地质模型；步骤2：确定初始地质模型的岩石力学参数；步骤3：对初始地质模型施加载荷和约束以及进行网格化处理；步骤4：根据步骤3处理后的初始地质模型，进行应力‑应变模拟；步骤5：利用应力‑应变模拟，计算构造运动后的变形量；步骤6：根据变形量，绘制构造运动后的古地貌等值线图。本发明本发明从控制古地貌的根本地质营力‑构造应力出发，考虑沉积及岩相特征差异，通过模拟不同地层在构造控制下的应力‑应变响应，进行变形量计算，能够较真实地反映地层差异抬升或沉降，并与原始地貌进行叠加，从而更为真实地反映构造运动后的古地貌。
Description
技术领域
本发明属于基础地质研究领域，具体涉及一种为地层、沉积与古地理恢复提供依据的古地貌恢复方法。
背景技术
古地貌是某一地层在某一特定地质历史时期的地形特征，它是控制盆地后期地层沉积与剥蚀的一个主要因素，其在一定程度上控制着沉积体系的类型及展布，也是后期构造变形的基础。特别是在含油气盆地，古地貌进一步控制了烃源岩、储层与盖层等的分布，同时在一定程度上控制着后期油气藏的储盖组合以及油气藏分布，古地貌研究及恢复古地貌是油气勘探、开发中必不可少的环节。古地貌是构造变形、沉积充填、差异压实、风化剥蚀等多种地质综合作用的结果，其最重要的控制作用是构造运动，往往导致盆地面貌的整体变化，是其中最大的影响因素。沉积盆地的古构造格局对于盆地内潜在的油气生烃、运移、聚集、成藏各要素均起到一定的控制作用，恢复盆地内的古构造可以为盆地模拟、分析提供坚实可靠的依据。所以对盆地内古构造研究及恢复是盆地分析的一项重要内容，我国的含油气沉积盆地大多经历了多旋回、多期次的演化及复杂的地质运动，进行精细古构造恢复能够有效指导油气勘探。
现有的古地貌恢复方法包括残余厚度法、印模法、沉积学方法、经典及高分辨率层序地层学方法等；残余厚度法将待恢复地貌结束剥蚀开始上覆地层沉积时视为一等时面，然后选择沉积地层中某一特殊岩性段为基准面，将其拉平，该面以上残余厚度的大小则代表了古地貌的形态。印模法是利用上覆地层与残余古地貌之间的“镜像”关系，通过上覆地层的厚度半定量恢复古地貌的形态，该方法的前提是古地貌被新层系填平补齐。以上两种方法均基于现今地层厚度来恢复古地貌，但是现今残余地层厚度是经过压实改造后的厚度，与地层原始沉积厚度并不完全一致。虽然现在发展了多种通过剥蚀恢复与去压实恢复还原原始地层沉积厚度的方法，但误差不可避免。沉积学方法主要通过编制古地质图件(主要包括沉积前的古地质图、地层厚度等值线图、砂岩厚度等值线图、岩相古地理图)进行沉积相及古环境分析，研究沉积地层的发育特点和沉积时空配置特征，定性展示古地貌的时空格局，受制于定量化手段，该方法仅能实现相对古地貌的定性恢复。经典的层序地层学方法是在盆地的古地质背景、古构造特点分析基础上，选定对比层序的参照顶底面，精细解释参照面标准层，并在软件中完成顶面层拉平，此时生成的底面形态即为该层序地层沉积前的相对古地貌。该方法研究结果为沉积前相对古地貌，要恢复其绝对古地貌，需要考虑剥蚀厚度、去压实校正、古水深等。高分辨率层序地层学古地貌恢复法就是将基准面和最大洪泛面结合进行基准面旋回对比来反映沉积前古地貌形态。应用高分辨率层序地层学方法进行地层对比能使地层对比等时性更强、精度更高，进而能更好地反映原始古地貌特征，但在实际恢复过程中可操作性不强、工作难度大，利用该方法恢复古地貌的研究工作目前尚处于起步阶段。
此外，目前也已有许多专业的软件(ANSYS有限元数值模拟软件等)投入使用，这为古地貌恢复带来了很大的便利。
然而，以上这些技术方法大都涉及原始地层沉积厚度精确确定的问题，导致了古地貌恢复的精度不够，也都没有从控制古地貌的关键地质营力-“构造应力”出发进行恢复，目前尚不存在一种在应力-应变模拟的基础上，计算构造运动控制下的变形量，进而对古地貌进行恢复的技术方法。且由于地质条件尤其是构造条件的复杂性和多期性，古地貌恢复方法仍需继续探索。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种古地貌恢复方法，能够在应力-应变模拟的基础上，计算构造运动控制下的变形量，进而对古地貌进行恢复。
根据本发明提供了一种古地貌恢复方法，包括以下步骤：
步骤1：建立某一构造运动前的初始地质模型；
步骤2：确定初始地质模型的岩石力学参数；
步骤3：对初始地质模型施加载荷和约束以及进行网格化处理；
步骤4：根据步骤3处理后的初始地质模型，进行应力-应变模拟；
步骤5：利用应力-应变模拟，计算构造运动后的变形量；
步骤6：根据变形量，绘制构造运动后的古地貌等值线图。
在一个实施例中，在步骤1中，所述初始地质模型包括平面地质模型和垂向地质模型。
在一个实施例中，在步骤1中，又具体包括以下步骤：
子步骤1.1：对目标区构造运动前的古地貌高程进行数值化，构建平面地质模型；其中，此处高程是指该构造运动前研究范围内不同构造位置同一地层地形最高点与该地层地形最低点之差值，选择有高程数值标注的信息点，通常与等高线配合表达地貌特征的高程信息。
子步骤1.2：根据目的层段的地层厚度，构建垂向地质模型。
在一个实施例中，所述步骤2中，根据不同地区沉积相、岩性差异为初始地质模型的不同地区确定不同的岩石力学参数。
力学参数的获取可以通过岩石力学试验获得。根据沉积相及岩性特征等差异，采集相应的野外样品或钻井岩心样品，根据古地貌高程推算岩石样品所处的温压状态，开展加温加压条件下的岩石力学参数实验，获取岩石密度、弹性模量、泊松比及内摩擦系数等数据。
在一个实施例中，所述步骤3中，所述对初始地质模型施加载荷和约束，包括以下步骤：依据目标区已知的构造运动的性质、应力背景及构造形迹，确定初始地质模型的边界条件、受力大小和受力方向。
目前确定古构造应力方向的方法主要有区域构造背景分析法和构造形迹分析法，在区域构造背景分析的基础上结合局部构造形迹就可以确定局部构造应力场的分布特征，通过对不同形成发育期构造形态的统计可以得到特定地质历史时期构造应力场的方向。同时可以利用断裂发育特征反推断裂活动时期的古应力场方向。根据库伦-莫尔准则，两组最大剪应力作用面并不沿理论分析的最大剪应力作用面的方位发育，其夹角即共轭剪切破裂角一般在40-60°之间，两组剪切面间的锐交角平分线方向指向最大主应力方向，钝夹角平分线的方向即是最小主应力的作用方向，据此可以根据不同时期发育断层的展布及构造形迹来推断断裂形成期的构造应力场方向。
在一个实施例中，所述步骤3中，所述对初始地质模型进行网格化处理，包括以下步骤：将构造运动前不规则的初始地质模型划分为有限个规则的网格单元；将每个网格单元中节点的三轴坐标表示为xi0、yi0、zi0，其中，i＝1,2,…n，n为节点的总数。
在一个实施例中，所述步骤5中，所述变形量包括：构造运动控制的各个节点在x、y方向的位移增量xi1、yi1和z方向的升降量zi1。
在一个实施例中，所述步骤6中，还包括以下步骤，将构造运动后x、y方向的位移增量及z方向的升降量分别与构造运动前的三轴坐标相加，得到构造运动后各节点平面坐标及垂向高程；所述构造运动后的平面坐标为：x＝xi0+xi1；y＝yi0+yi1；所述构造运动后的垂向高程为：z＝zi0+zi1。
在一个实施例中，所述步骤6中，根据构造运动后各节点平面坐标及垂向高程进一步绘制古地貌等值线图。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明从控制古地貌的根本地质营力-构造应力出发，考虑沉积相及岩相等特征的差异，通过模拟不同地层在构造运动控制下的应力-应变响应，进行变形量计算，能够较真实地反映地层差异抬升或沉降，并与原始地貌进行叠加，从而更为真实地反映构造运动后的古地貌。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
图1为本发明古地貌恢复方法的流程图；
图2为本发明实施例研究区加里东中期III幕构造运动前的古地貌图；
图3为本发明实施例研究区应力-应变模拟地质模型及加载示意图；
图4为本发明实施例研究区加里东中期III幕构造运动地表抬升量；
图5为本发明实施例研究区加里东中期III幕构造运动后的古地貌图。
在附图中相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。借此对本发明如何应用技术手段解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不存在冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
古地貌控制了地层的沉积与剥蚀，特别是在含油气盆地，古地貌进一步控制了烃源岩及储、盖层的分布，因而古地貌恢复对油气勘探、开发至关重要。目前尚不存在一种在应力-应变模拟的基础上，计算构造运动控制下的地层变形量，进而对古地貌进行恢复的技术方法。而通过应力-应变模拟，计算构造控制下的地层变形量，进而对古地貌进行恢复，可以为地层、沉积与古地理恢复提供依据。因此，本发明提供了一种古地貌恢复方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1：建立某一构造运动前的初始地质模型；
步骤2：确定初始地质模型的岩石力学参数；
步骤3：对初始地质模型施加载荷和约束以及进行网格化处理；
步骤4：根据步骤3处理后的初始地质模型，进行应力-应变模拟；
步骤5：利用应力-应变模拟，计算构造运动后的变形量；
步骤6：根据变形量，绘制构造运动后的古地貌等值线图。
在一个实施例中，在步骤1中，所述初始地质模型包括平面地质模型和垂向地质模型。
在一个实施例中，在步骤1中，又具体包括以下步骤：
子步骤1.1：对目标区某一构造运动前的古地貌高程进行数值化，构建平面地质模型；其中，此处高程是指该构造运动前研究范围内不同构造位置同一地层地形最高点与该地层地形最低点之差值，选择有高程数值标注的信息点，通常与等高线配合表达地貌特征的高程信息。
子步骤1.2：根据目的层段的地层厚度，构建垂向地质模型。
在一个实施例中，所述步骤2中，根据不同地区沉积相、岩性差异为初始地质模型的不同地区确定不同的岩石力学参数。
力学参数的获取可以通过岩石力学试验获得。根据沉积相及岩性特征等差异，采集相应的野外样品或钻井岩心样品，根据古地貌高程推算岩石样品所处的温压状态，开展加温加压条件下的岩石力学参数实验，获取岩石密度、弹性模量、泊松比及内摩擦系数等数据。
在一个实施例中，所述步骤3中，所述对初始地质模型施加载荷和约束，包括以下步骤：依据目标区已知的构造运动的性质、应力背景及构造形迹，确定初始地质模型的边界条件、受力大小和受力方向。
目前确定古构造应力方向的方法主要有区域构造背景分析法和构造形迹分析法，在区域构造背景分析的基础上结合局部构造形迹就可以确定局部构造应力场的分布特征，通过对不同形成发育期构造形态的统计可以得到特定地质历史时期构造应力场的方向。同时可以利用断裂发育特征反推断裂活动时期的古应力场方向。根据库伦-莫尔准则，两组最大剪应力作用面并不沿理论分析的最大剪应力作用面的方位发育，其夹角即共轭剪切破裂角一般在40-60°之间，两组剪切面间的锐交角平分线方向指向最大主应力方向，钝夹角平分线的方向即是最小主应力的作用方向，据此可以根据不同时期发育断层的展布及构造形迹来推断断裂形成期的构造应力场方向。
在一个实施例中，所述步骤3中，所述对初始地质模型进行网格化处理，包括以下步骤：将构造运动前不规则的初始地质模型划分为有限个规则的网格单元；将每个网格单元中节点的三轴坐标表示为xi0、yi0、zi0，其中，i＝1,2,…n，n为节点的总数。
在一个实施例中，所述步骤5中，所述变形量包括：构造运动控制的各个节点在x、y方向的位移增量xi1、yi1和z方向的升降量zi1。
在一个实施例中，所述步骤6中，还包括以下步骤，将构造运动后x、y方向的位移增量及z方向的升降量分别与构造运动前的三轴坐标相加，得到构造运动后各节点平面坐标及垂向高程；所述构造运动后的平面坐标为：x＝xi0+xi1；y＝yi0+yi1；所述构造运动后的垂向高程为：z＝zi0+zi1。
在一个实施例中，所述步骤6中，根据构造运动后各节点平面坐标及垂向高程进一步绘制古地貌等值线图。
本实施例以塔里木盆地某地区中-上奥陶统为例，应用本发明进行分析，对加里东中期III幕运动后的古地貌进行恢复，具体步骤如下。
步骤1：建立构造运动前的初始地质模型。
如图2所示(等高程，单位m)，为该地区加里东中期III幕构造运动前的古地貌格局，即初始地质模型；其中，对目标区古地貌高程进行数值化以及根据目的层段的地层厚度，构建所述初始地质模型。
步骤2：确定初始地质模型的岩石力学参数。
根据不同地区沉积相、岩性差异为初始地质模型的不同地区确定不同的岩石力学参数，所述岩石力学参数通过根据目标区内重点钻井目的层段岩石样品力学实验获得，本实施例中的初始地质模型包括三个地区：I区、II区、III区，如表1所示，为本实施例初始地质模型中不同地区确定的不同关键岩石力学参数。
表1不同地区岩石力学参数表
| 地区 | 泊松比 | 弹性模量(GPa) | 密度(kg/m<sup>3</sup>) |
| I区 | 0.390 | 48.3 | 2250 |
| II区 | 0.377 | 51.4 | 2200 |
| III区 | 0.340 | 43.5 | 2250 |
步骤3：对初始地质模型施加载荷和约束以及进行网格化处理。
根据塔里木盆地区域的构造运动的性质、应力背景及构造形迹，确定初始地质模型的边界条件、受力大小和受力方向；具体地，加里东中期III幕，北昆仑洋开始向北碰撞发生大规模逆冲，研究区南部大面积抬升，北部局部隆升，该时期主要受到由南向北的挤压作用，因而加载方式为在模型南部加载由南向北的挤压力，北部边界加载由北向南的局部挤压力，其强度弱于南部(如图3所示)。
对初始地质模型进行网格化处理，具体地，将构造运动前不规则的初始地质模型划分为有限个规则的网格单元；将每个网格单元中节点的三轴坐标表示为xi0、yi0、zi0，其中，i＝1,2,…n，n为节点的总数。本实施例中，共划分16747个规则的网格单元以及确定了27934个节点。
步骤4：根据步骤3处理后的初始地质模型的基础上，进行应力-应变模拟。
步骤5：利用应力-应变模拟，计算构造运动后的变形量(如图4所示，单位m)；
所述变形量包括：构造运动控制的各个节点在x、y方向的位移增量xi1、yi1和z方向的升降量zi1；由图4所示可知，加里东中期III幕，研究区东南部抬升量明显大，且具有自南东-北西逐渐减小的趋势，研究区东北部具有一定的构造抬升，中部抬升最弱。
步骤6：根据变形量，绘制构造运动后的古地貌等值线图。
绘制古地貌等值线图：将构造运动后x、y方向的位移增量及z方向的升降量分别与构造运动前的三轴坐标相加，得到构造运动后各节点平面坐标及垂向高程；所述构造运动后的平面坐标为：x＝xi0+xi1；y＝yi0+yi1；所述构造运动后的垂向高程为：z＝zi0+zi1。如图5所示，为该目标区加里东中期III幕构造运动后的古地貌图(等高程，单位m)。由图5所示的古地貌图可以看出，该地区在加里东中期III幕构造运动后，整体南、北部为隆起区，中部为相对坳陷区，且南部构造隆升幅度大于北部。
虽然已经参考如上优选实施例对本发明进行了描述，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (9)
1.一种古地貌恢复方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：建立构造运动前的初始地质模型；
步骤2：确定初始地质模型的岩石力学参数；
步骤3：对初始地质模型施加载荷和约束以及进行网格化处理；
步骤4：根据步骤3处理后的初始地质模型，进行应力-应变模拟；
步骤5：利用应力-应变模拟，计算构造运动后的变形量；
步骤6：根据变形量，绘制构造运动后的古地貌等值线图。
2.根据权利要求1所述的古地貌恢复方法，其特征在于，在步骤1中，所述初始地质模型包括平面地质模型和垂向地质模型。
3.根据权利要求2所述的古地貌恢复方法，其特征在于，在步骤1中，又具体包括以下步骤：
子步骤1.1：对目标区构造运动前的古地貌高程进行数值化，构建平面地质模型；
子步骤1.2：根据目的层段的地层厚度，构建垂向地质模型。
4.根据权利要求1所述的古地貌恢复方法，其特征在于，所述步骤2中，根据不同地区沉积相、岩性差异为初始地质模型的不同地区确定不同的岩石力学参数。
5.根据权利要求1所述的古地貌恢复方法，其特征在于，所述步骤3中，所述对初始地质模型施加载荷和约束，包括以下步骤：依据目标区已知的构造运动的性质、应力背景及构造形迹，确定初始地质模型的边界条件、受力大小和受力方向。
6.根据权利要求1所述的古地貌恢复方法，其特征在于，所述步骤3中，所述对初始地质模型进行网格化处理，包括以下步骤：将构造运动前不规则的初始地质模型划分为有限个规则的网格单元；将每个网格单元中节点的三轴坐标表示为xi0、yi0、zi0，其中，i＝1,2,…n，n为节点的总数。
7.根据权利要求1所述的古地貌恢复方法，其特征在于，所述步骤5中，所述变形量包括：构造运动控制的各个节点在x、y方向的位移增量xi1、yi1和z方向的升降量zi1。
8.根据权利要求1所述的古地貌恢复方法，其特征在于，所述步骤6中，还包括以下步骤，将构造运动后x、y方向的位移增量及z方向的升降量分别与构造运动前的三轴坐标相加，得到构造运动后各节点平面坐标及垂向高程；所述构造运动后的平面坐标为：x＝xi0+xi1；y＝yi0+yi1；所述构造运动后的垂向高程为：z＝zi0+zi1。
9.根据权利要求8所述的古地貌恢复方法，其特征在于，所述步骤6中，根据构造运动后各节点平面坐标及垂向高程进一步绘制古地貌等值线图。
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- 2019-03-01 CN CN201910157324.9A patent/CN111638552A/zh active Pending
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