CN112861322B - 一种海底阶梯式地貌演化定量分析方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种海底阶梯式地貌演化定量分析方法及系统。该方法包括：获取阶地边缘点的空间位置随时间的迁移变化数据；根据所述迁移变化数据，建立阶地地形参数演化过程与环境因子之间的第一定量计算模型；确定所述第一定量计算模型的参数；根据所述参数和所述第一定量计算模型，得到第二定量计算模型；根据所述第二定量计算模型，对海底阶梯式地貌形成的环境敏感因子及所述环境敏感因子的贡献度进行分析。本发明能够解决海底阶梯式地貌形成过程环境敏感因子分析难以定量的问题，提高海洋学家对阶梯式地貌所记录的关键环境信息提取和重建的精确度。
Description
技术领域
本发明涉及海洋地质地球物理研究领域，特别是涉及一种海底阶梯式地貌演化定量分析方法及系统。
背景技术
岛礁周缘及陆架坡折带边缘普遍发育阶梯式地貌单元，这一独特的地貌类型不仅记录着沉积物堆积“基线”的时空分布范围，成为古海平面高精度重建、岸线变迁以及岛礁生态状况评估的重要分析依据，而且还记载着珊瑚礁的沉没过程，是生物礁淹没机理、气候演变、区域构造沉降等基础科学研究的重要信息窗口。因此，利用海底阶梯式地貌重建关键的海洋环境演变信息的研究越来越受到国内外海洋学家及海洋工程勘察人员的广泛关注。
但海底阶梯式地貌的形成过程往往依赖于沉积物垂向加积、横向进积或退积、海平面波动以及海底沉降等某一因素或多因素的联合控制形成，若不能确定海底阶梯式地貌的主控因素(敏感因子)，就无法准确的实现对海洋环境信息的准确提取。以往研究通常以定性的方法确定海底阶梯式地貌主控因素，缺少对海底阶梯式地貌环境敏感因子的定量分析手段，大大限制了海洋学家对阶梯式地貌所记录的关键环境信息提取和重建。
发明内容
本发明的目的是提供一种海底阶梯式地貌演化定量分析方法及系统，解决了海底阶梯式地貌形成过程环境敏感因子分析难以定量的问题，提高了海洋学家对阶梯式地貌所记录的关键环境信息提取和重建的精确度。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种海底阶梯式地貌演化定量分析方法，包括：
获取阶地边缘点的空间位置随时间的迁移变化数据；
根据所述迁移变化数据，建立阶地地形参数演化过程与环境因子之间的第一定量计算模型；
确定所述第一定量计算模型的参数，所述参数包括地形因子坡度、海平面上升速率、基底构造沉降速率、垂向加积或侵蚀速率以及横向收缩速率；
根据所述参数和所述第一定量计算模型，得到第二定量计算模型；
根据所述第二定量计算模型，对海底阶梯式地貌形成的环境敏感因子及所述环境敏感因子的贡献度进行分析。
可选地，所述迁移变化数据包括水深、海平面上升值、海平面沉降量、初始边缘点位置、演化后边缘点位置、初始边缘点位置和演化后边缘点位置之间垂向距离、初始边缘点位置和演化后边缘点位置之间水平距离。
可选地，所述根据所述迁移变化数据，建立阶地地形参数演化过程与环境因子之间的第一定量计算模型，具体包括：
根据所述迁移变化数据，建立阶地地形参数演化过程与环境因子之间的第一定量计算模型：
其中，x,y分别为代表空间位置的经度和纬度，Φ为坡度，Slt‘为海平面上升速率，Sut’为基底构造沉降速率，Dt‘为岛礁垂向加积或侵蚀速率，Lt’为E点横向收缩速率，t为演化的时间。
可选地，所述确定所述第一定量计算模型的参数，所述参数包括地形因子坡度、海平面上升速率、基底构造沉降速率、垂向加积或侵蚀速率以及横向收缩速率，具体包括：
采用高分辨率多波束测深声纳系统，确定地形因子坡度；
根据全球海平面曲线，确定海平面上升速率；
根据高分辨率地震资料，确定基底构造沉降速率；
根据钻孔岩芯恢复的沉积层剖面，确定垂向加积或侵蚀速率；
根据地震地层结构以及地形水深分布记录的退积或进积的空间范围，确定横向收缩速率。
一种海底阶梯式地貌演化定量系统，包括：
迁移变化数据确定模块，用于获取阶地边缘点的空间位置随时间的迁移变化数据；
第一定量计算模型确定模块，用于根据所述迁移变化数据，建立阶地地形参数演化过程与环境因子之间的第一定量计算模型；
参数确定模块，用于确定所述第一定量计算模型的参数，所述参数包括地形因子坡度、海平面上升速率、基底构造沉降速率、垂向加积或侵蚀速率以及横向收缩速率；
第二定量计算模型确定模块，用于根据所述参数和所述第一定量计算模型，得到第二定量计算模型；
环境敏感因子分析模块，用于根据所述第二定量计算模型，对海底阶梯式地貌形成的环境敏感因子及所述环境敏感因子的贡献度进行分析。
可选地，所述迁移变化数据包括水深、海平面上升值、海平面沉降量、初始边缘点位置、演化后边缘点位置、初始边缘点位置和演化后边缘点位置之间垂向距离、初始边缘点位置和演化后边缘点位置之间水平距离。
可选地，所述第一定量计算模型确定模块，具体包括：
第一定量计算模型确定单元，用于根据所述迁移变化数据，建立阶地地形参数演化过程与环境因子之间的第一定量计算模型：
其中，x,y分别为代表空间位置的经度和纬度，Φ为坡度，Slt‘为海平面上升速率，Sut’为基底构造沉降速率，Dt‘为岛礁垂向加积或侵蚀速率，Lt’为E点横向收缩速率，t为演化的时间。
可选地，所述参数确定模块，具体包括：
地形因子坡度确定单元，用于采用高分辨率多波束测深声纳系统，确定地形因子坡度；
海平面上升速率确定单元，用于根据全球海平面曲线，确定海平面上升速率；
基底构造沉降速率确定单元，用于根据高分辨率地震资料，确定基底构造沉降速率；
垂向加积或侵蚀速率确定单元，用于根据钻孔岩芯恢复的沉积层剖面，确定垂向加积或侵蚀速率；
横向收缩速率确定单元，用于根据地震地层结构以及地形水深分布记录的退积或进积的空间范围，确定横向收缩速率。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供一种海底阶梯式地貌演化定量分析方法，获取阶地边缘点的空间位置随时间的迁移变化数据；根据所述迁移变化数据，建立阶地地形参数演化过程与环境因子之间的第一定量计算模型；确定所述第一定量计算模型的参数；根据所述参数和所述第一定量计算模型，得到第二定量计算模型；根据所述第二定量计算模型，对海底阶梯式地貌形成的环境敏感因子及所述环境敏感因子的贡献度进行分析。本发明能够解决海底阶梯式地貌形成过程环境敏感因子分析难以定量的问题，提高海洋学家以及海洋工程人员对阶梯式地貌所记录的关键环境信息提取和重建的精确度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为海底阶梯式地貌演化定量分析方法流程图；
图2为t至t+Δt时期阶地边缘点迁移演变过程的示意图；
图3为海底阶梯式地貌演化定量系统结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种海底阶梯式地貌演化定量分析方法及系统，解决了海底阶梯式地貌形成过程环境敏感因子分析难以定量的问题，提高了海洋学家对阶梯式地貌所记录的关键环境信息提取和重建的精确度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明依据地形因子的数学定义，建立地形参数与海床基准点垂向变化(加积或侵蚀)、横向迁移(退积或进积)、构造沉降以及海平面变化等影响因子之间的多元函数关系，然后利用多元非线性回归分析方法，构建阶梯式地貌形成过程的影响因子定量评价模型(数学模型)，为阶梯式地貌环境敏感因子分析以及关键海洋环境信息重建，提供一种定量计算方法。图1为海底阶梯式地貌演化定量分析方法流程图。如图1所示，一种海底阶梯式地貌演化定量分析方法包括：
步骤101：获取阶地边缘点的空间位置随时间的迁移变化数据，所述迁移变化数据包括水深、海平面上升值、海平面沉降量、初始边缘点位置、演化后边缘点位置、初始边缘点位置和演化后边缘点位置之间垂向距离、初始边缘点位置和演化后边缘点位置之间水平距离。
本发明定义岛礁周缘阶梯式地貌为岛礁阶地，阶地边缘点为阶地顶部向斜坡过渡处的坡度突变点(类似“尼克点”)，时期的阶地边缘点记为(图2)，则岛礁阶地就可以视为由不同时期的岛礁边缘点形成的空间组合，从而岛礁阶地的形成过程，转变为：阶地边缘点的空间位置随时间的迁移变化过程。
步骤102：根据所述迁移变化数据，建立阶地地形参数演化过程与环境因子之间的第一定量计算模型，具体包括：
根据所述迁移变化数据，建立阶地地形参数演化过程与环境因子之间的第一定量计算模型：
其中，x,y分别为代表空间位置的经度和纬度，Φ为坡度，Slt‘为海平面上升速率，Sut’为基底构造沉降速率，Dt‘为岛礁垂向加积或侵蚀速率，Lt’为E点横向收缩速率，t为演化的时间。
假设t时期，E(t)分布水深记为D(t)；经过Δt演化后，新的边缘点为E(t+Δt)，对应水深记为D(t+Δt)，原边缘点E(t)记为E'(t+Δt)，对应水深为H(t+Δt)；由t演化至t+Δt时期，海平面上升值记为Sl(Δt)，构造沉降量记为Su(Δt)，E(t+Δt)与E'(t+Δt)之间垂向距离记为G(Δt)，水平距离记为L(Δt)(如图2)。则有：
根据数学极限原理与地形参数的数学定义，当Δt趋向于0时，左边β就变成了岛礁边缘点的坡度Φ，式2右侧通过微分近似，则有：
若考虑不同空间位置的影响，则(3)式转化为，
其中，x,y分别为代表空间位置的经度和纬度。
通过式(3)建立岛礁阶地地形参数与其影响因子之间的定量关系，变换后：
若对式(4)两边同时求取对数，又得到：
步骤103：确定所述第一定量计算模型的参数，模型公式中关键的参数有5个，所述参数包括地形因子坡度、海平面上升速率、基底构造沉降速率、垂向加积或侵蚀速率以及横向收缩速率，具体包括：
步骤1031：采用高分辨率多波束测深声纳系统，确定地形因子坡度。
步骤1032：根据全球海平面曲线，确定海平面上升速率，具体的，可参考Miller etal.(2005)与Kominz et al.(2008)的全球海平面曲线进行提取。
步骤1033：根据高分辨率地震资料，确定基底构造沉降速率。
基底构造沉降速率，可利用高分辨率地震资料，在构建地震地层模型的基础上，采用地层回拨方法进行计算，其基本原理为把地层序列变化的各地层单元依次逐层剥去，通过一系列校正(脱压实校正、沉积物负荷校正、古水深校正、古海平面校正)，计算不用时期的沉降值，计算公式为：
其中，Y为不同时期构造沉降量。
S为压实校正后的沉积物厚度，与地层孔隙度有关，可由钻井岩芯资料获到；
ρm为地幔密度，通常取上地幔平均密度，为3200kg/m3。
ρs为沉积物柱的平均密度，可由钻井岩芯资料测试得到。
ρw为空隙水的密度，也可通过沉积物岩心资料测试得到。
Wd为古水深，根据钻井岩芯记录的古生物化石组合进行判断和估算。
ΔSL为古海平面相对于现今海平面的高度，可参考Miller et al.(2005)与Kominz et al.(2008)的全球海平面曲线。
步骤1034：根据钻孔岩芯恢复的沉积层剖面，确定垂向加积或侵蚀速率。
步骤1035：根据地震地层结构以及地形水深分布记录的退积或进积的空间范围，确定横向收缩速率。
步骤104：根据所述参数和所述第一定量计算模型，得到第二定量计算模型。
步骤105：根据所述第二定量计算模型，对海底阶梯式地貌形成的环境敏感因子及所述环境敏感因子的贡献度进行分析，具体包括：
利用所述第二定量计算模型，通过多参数非线性相关分析，可实现对海底阶梯式地貌形成的环境敏感因子及其贡献度进行计算和评价。
利用公式3建立的地形因子与海平面变化曲线、基底沉降速率曲线、海底沉积物垂向沉积速率或侵蚀速率、海底沉积物横向迁移速率等4个主要环境因子之间的定量函数关系，确定其中3个环境因子情况，可对另外一个进行重建计算。
利用公式(4)和(5)可以对海底阶梯式地貌形成的环境敏感因子及其贡献度进行计算分析。
式(4)中，将
整体视为tanΦ(x,y)的变量因子，求取其相关系数和偏相关系数，在不考虑L’(x,y,t)影响的前提下，可判定
即海平面变化，构造沉降以及岛礁垂向加积或侵蚀过程等影响因子对岛礁阶地形成过程的贡献度。
式(5)中，将
整体视为ln(tanΦ(x,y))的影响因子，求取其相关系数和偏相关系数，可判定
即岛礁边缘地层退积或进积过程对岛礁阶地形成过程的贡献度。
图3为海底阶梯式地貌演化定量系统结构图。如图3所示，一种海底阶梯式地貌演化定量系统包括：
迁移变化数据确定模块201，用于获取阶地边缘点的空间位置随时间的迁移变化数据；所述迁移变化数据包括水深、海平面上升值、海平面沉降量、初始边缘点位置、演化后边缘点位置、初始边缘点位置和演化后边缘点位置之间垂向距离、初始边缘点位置和演化后边缘点位置之间水平距离。
第一定量计算模型确定模块202，用于根据所述迁移变化数据，建立阶地地形参数演化过程与环境因子之间的第一定量计算模型。
参数确定模块203，用于确定所述第一定量计算模型的参数，所述参数包括地形因子坡度、海平面上升速率、基底构造沉降速率、垂向加积或侵蚀速率以及横向收缩速率。
第二定量计算模型确定模块204，用于根据所述参数和所述第一定量计算模型，得到第二定量计算模型。
环境敏感因子分析模块205，用于根据所述第二定量计算模型，对海底阶梯式地貌形成的环境敏感因子及所述环境敏感因子的贡献度进行分析。
所述第一定量计算模型确定模块202，具体包括：
第一定量计算模型确定单元，用于根据所述迁移变化数据，建立阶地地形参数演化过程与环境因子之间的第一定量计算模型：
其中，x,y分别为代表空间位置的经度和纬度，Φ为坡度，Slt‘为海平面上升速率，Sut’为基底构造沉降速率，Dt‘为岛礁垂向加积或侵蚀速率，Lt’为E点横向收缩速率，t为演化的时间。
所述参数确定模块203，具体包括：
地形因子坡度确定单元，用于采用高分辨率多波束测深声纳系统，确定地形因子坡度。
海平面上升速率确定单元，用于根据全球海平面曲线，确定海平面上升速率。
基底构造沉降速率确定单元，用于根据高分辨率地震资料，确定基底构造沉降速率。
垂向加积或侵蚀速率确定单元，用于根据钻孔岩芯恢复的沉积层剖面，确定垂向加积或侵蚀速率。
横向收缩速率确定单元，用于根据地震地层结构以及地形水深分布记录的退积或进积的空间范围，确定横向收缩速率。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (6)
1.一种海底阶梯式地貌演化定量分析方法，其特征在于，包括：
获取阶地边缘点的空间位置随时间的迁移变化数据；
根据所述迁移变化数据，建立阶地地形参数演化过程与环境因子之间的第一定量计算模型，具体包括：
根据所述迁移变化数据，建立阶地地形参数演化过程与环境因子之间的第一定量计算模型：
其中，x,y分别为代表空间位置的经度和纬度，Φ为坡度，Slt‘为海平面上升速率，Sut’为基底构造沉降速率，Dt‘为岛礁垂向加积或侵蚀速率，Lt’为E点横向收缩速率，t为演化的时间；
确定所述第一定量计算模型的参数，所述参数包括地形因子坡度、海平面上升速率、基底构造沉降速率、垂向加积或侵蚀速率以及横向收缩速率；
根据所述参数和所述第一定量计算模型，得到第二定量计算模型；
根据所述第二定量计算模型，对海底阶梯式地貌形成的环境敏感因子及所述环境敏感因子的贡献度进行分析。
2.根据权利要求1所述的海底阶梯式地貌演化定量分析方法，其特征在于，所述迁移变化数据包括水深、海平面上升值、海平面沉降量、初始边缘点位置、演化后边缘点位置、初始边缘点位置和演化后边缘点位置之间垂向距离、初始边缘点位置和演化后边缘点位置之间水平距离。
3.根据权利要求1所述的海底阶梯式地貌演化定量分析方法，其特征在于，所述确定所述第一定量计算模型的参数，所述参数包括地形因子坡度、海平面上升速率、基底构造沉降速率、垂向加积或侵蚀速率以及横向收缩速率，具体包括：
采用高分辨率多波束测深声纳系统，确定地形因子坡度；
根据全球海平面曲线，确定海平面上升速率；
根据高分辨率地震资料，确定基底构造沉降速率；
根据钻孔岩芯恢复的沉积层剖面，确定垂向加积或侵蚀速率；
根据地震地层结构以及地形水深分布记录的退积或进积的空间范围，确定横向收缩速率。
4.一种海底阶梯式地貌演化定量系统，其特征在于，包括：
迁移变化数据确定模块，用于获取阶地边缘点的空间位置随时间的迁移变化数据；
第一定量计算模型确定模块，用于根据所述迁移变化数据，建立阶地地形参数演化过程与环境因子之间的第一定量计算模型，具体包括：
第一定量计算模型确定单元，用于根据所述迁移变化数据，建立阶地地形参数演化过程与环境因子之间的第一定量计算模型：
其中，x,y分别为代表空间位置的经度和纬度，Φ为坡度，Slt‘为海平面上升速率，Sut’为基底构造沉降速率，Dt‘为岛礁垂向加积或侵蚀速率，Lt’为E点横向收缩速率，t为演化的时间；
参数确定模块，用于确定所述第一定量计算模型的参数，所述参数包括地形因子坡度、海平面上升速率、基底构造沉降速率、垂向加积或侵蚀速率以及横向收缩速率；
第二定量计算模型确定模块，用于根据所述参数和所述第一定量计算模型，得到第二定量计算模型；
环境敏感因子分析模块，用于根据所述第二定量计算模型，对海底阶梯式地貌形成的环境敏感因子及所述环境敏感因子的贡献度进行分析。
5.根据权利要求4所述的海底阶梯式地貌演化定量系统，其特征在于，所述迁移变化数据包括水深、海平面上升值、海平面沉降量、初始边缘点位置、演化后边缘点位置、初始边缘点位置和演化后边缘点位置之间垂向距离、初始边缘点位置和演化后边缘点位置之间水平距离。
6.根据权利要求4所述的海底阶梯式地貌演化定量系统，其特征在于，所述参数确定模块，具体包括：
地形因子坡度确定单元，用于采用高分辨率多波束测深声纳系统，确定地形因子坡度；
海平面上升速率确定单元，用于根据全球海平面曲线，确定海平面上升速率；
基底构造沉降速率确定单元，用于根据高分辨率地震资料，确定基底构造沉降速率；
垂向加积或侵蚀速率确定单元，用于根据钻孔岩芯恢复的沉积层剖面，确定垂向加积或侵蚀速率；
横向收缩速率确定单元，用于根据地震地层结构以及地形水深分布记录的退积或进积的空间范围，确定横向收缩速率。
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