复杂性科学在页岩油气勘探和研究中的应用

复杂性科学是当今世界科学重要的前沿领域之一。为了促进复杂性科学的基本理论和方法在页岩油气勘探和研究领域的广泛应用，笔者等重点围绕地质系统复杂性的基本内涵，从地质系统构成单元的多重耦合和相互作用、地质作用的复杂时空结构、地质作用过程中的自组织临界过程动力学以及矿产资源形成在混沌边缘等方面，介绍了地质系统复杂性研究的基本理论和研究方法。将上述地质系统复杂性理论运用于页岩油气系统，探讨了利用复杂系统的总体特征通过局域组成单元相互作用的“涌现”机制，来解决目前页岩储层中存在的如何利用微观局域精细表征进行客观刻画宏观储层特征问题；分析了利用地质作用的时空结构理论，建立页岩储层非均质性的静态和分形时空结构的方法；在整体论思想指导下，根据地质系统在混沌边缘分形生长这一规律，探讨了页岩油气在自组织临界态的混沌边缘富集预测方法。复杂性科学的理论和方法，必将在页岩油气的勘探研究中发挥越来越重要的作用。     

松散体边坡灾害自组织临界性及工程应用研究

我国的松散体边坡灾害频繁。为了解松散体边坡灾害的共性，从整体上认识其规律性信息，文章采用多种形式的非均匀沙堆作为松散体边坡灾害的概化模型，通过多组实验研究其演化行为规律。自组织临界性是解释具有无序的、非线性复杂系统行为特征的理论之一，分形和闪烁噪声是其空间与时间结构的特征。实验发现几种概化模型表现出自组织临界性。分析滑坡、崩塌及泥石流等松散体边坡灾害实例，也发现其呈现自组织临界性特征。研究表明幂律特征及自组织临界性是许多松散体边坡灾害的共性。进一步模拟真实的松散体边坡的组成特征和某些防治工程措施，进行对比实验，表明不同工程措施的防治作用。最后结合挡、锚、喷、排等工程防治措施，探讨了自组织临界理论对松散体边坡灾害防治的指导作用。     

Is the ocean floor a fractal?

The topographic structure of the ocean bottom is investigated at different scales of resolution to answer the question: Can the seafloor be described as a fractal process? Methods from geostatistics, the theory of regionalized variables, are used to analyze the spatial structure of the ocean floor at different scales of resolution. The key to the analysis is the variogram criterion: Self-similarity of a stochastic process implies self-similarity of its variogram. The criterion is derived and proved here: it also is valid for special cases of self-affinity (in a sense adequate for topography). It has been proposed that seafloor topography can be simulated as a fractal (an object of Hausdorff dimension strictly larger than its topological dimension), having scaling properties (self-similarity or self-affinity). The objective of this study is to compare the implications of these concepts with observations of the seafloor. The analyses are based on SEABEAM bathymetric data from the East Pacific Rise at 13°N/104°W and at 9°N/104°W and use tracks that run both across the ridge crest and along the ridge flank. In the geostatistical evaluation, the data are considered as a stochastic process. The spatial continuity of this process is described by variograms that are calculated for different scales and directions. Applications of the variogram criterion to scale-dependent variogram models yields the following results: Although the seafloor may be a fractal in the sense of the definition involving the Hausdorff dimension, it is not self-similar, nor self-affine (in the given sense). Mathematical models of scale-dependent spatial structures are presented, and their relationship to geologic processes such as ridge evolution, crust formation, and sedimentation is discussed.     

Symmetropy of Fault Patterns: Quantitative Measurement of Anisotropy and Entropic Heterogeneity

The purpose of the effort in this paper is to show symmetropy of fault patterns. This quantity can be considered as a measure of entropic heterogeneity and anisotropy. We describe this measure based on the discrete Walsh transform. The specific results of its applications are obtained as follows. When a rock specimen undergoes creep in a laboratory experiment, the fault propagation can be monitored by the decrease of symmetropy. Moreover, in a fault model with self-organized criticality, fault patterns of critical states and subcritical states are distinguished by the behavior of the symmetropy: subcritical fault patterns show almost constant value of symmetropy but it takes various values during critical states. These results demonstrate that symmetropy idea can be used for the quantification of fault patterns.     

扰动强度递增斜坡动力学演变规律的振动台试验

“5.12”汶川大地震和“4.20”芦山地震均触发了大量的崩塌、滑坡。实震资料显示,不同地震烈度区地震触发崩塌滑坡规模的整体分布规律会发生变化。这一统计层面的认知亟待得到物理试验的验证。在自组织临界状态理论的概念框架下,开展了振动台砂堆模型试验。试验表明：输入地震波峰值加速度（PGA）为0.075g～0.125g时,落砂量与发生频率的关系可用幂律描述;PGA增加到0.15g～0.25g时,该关系服从对数正态分布;PGA增加到0.35g～0.45g时,该关系具有正态分布特征。元胞自动机模拟试验结果表明,随扰动强度增加,砂堆模型的动力学特性也经历了幂律-幂律弱化-正态分布的演变过程。按照物理学中的普适性原理,汶川、芦山地震Ⅸ度区崩塌滑坡规模与出现频率之间所呈现负幂律分布的现象,以及汶川地震Ⅺ度区所呈现的对数正态分布,可能是具有普适性意义的规律。这些认识可望为不同烈度区地震触发崩塌滑坡灾势预测提供科学依据。     

沼泽环境中的河流类型及其侧向演化模式

本文以准噶尔盆地南缘侏罗系煤系地层为例,研究了在大面积地貌准平原化、低坡度沼泽沉积表面河流沉积的类型,提出了沼泽背景下河流的辫状河-低弯度曲流-高弯度曲流河-辫状型曲流河-交织河侧向演化模式。     

Metallogenic Districts of Yangtze Cratonic Rim at the Edge of Chaos

Ｔｈｒｅｅｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｔｈｅｏｒｉｅｓａｒｅｒａｉｓｅｄｆｏｒ“ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙａｎｄｓｅｌｆ－ｏｒｇａｎｉｚｅｄｃｒｉｔｉｃａｌｉｔｙ（ＳＯＣ）ｏｆｍｅｔａｌｏｇｅｎｉｃｄｙｎａｍｉｃｓｙｓｔｅｍｓ”（Ｙｕ,１９９８）：（１）Ｎｏｎｌ...     

孟加拉扇更新统加积型深水水道规模和演化

近年来,深水油气勘探发现的储量在全球新增储量中的占比逐年增加,2010年以来其占比已超过50%,深水已经成为未来油气勘探的重点领域。作为深水油气勘探主要储层之一的深水水道,同样成为深水油气勘探的重点研究对象。以高分辨率（40 Hz）三维地震资料为基础,对研究区内的加积型水道—天然堤复合体进行了精细刻画,着重刻画了水道—天然堤复合体内部不同期次水道的中心线,重点分析了深水水道的发育和演化特征。该水道天然堤复合体整体宽25～30 km,单期水道宽度约300 m,推测厚度约10 m。深水水道的演化整体表现为有序的发育过程,初期水道较顺直,弯曲度较低,后期弯曲度逐渐升高,晚期水道的平面形态较为稳定,变化较小。深水水道在演化过程中不仅向左右两侧迁移,同时也具有向下游方向迁移的特征;前人认为深水水道向下游迁移的现象非常罕见,但是研究表明在某些情况下,这种现象可能并不罕见。     

河西内陆河流域水资源及其动态变化

The Qilian Mountains is the cradle of all inland rivers in the Hexi arid region. The mountain glaciers are an important water resources for this region. Changes of the mountain runoffs resulted from global climate warming will have important impacts on the development of human society and economy in the region. In this paper, the river runoffs from the Qilian Mountains and their dynamic changes are analyzed on the basis of the instrumental data of precipitation, air temperature, and discharge from the weather and hydrological stations in the study area. The results show that the annual change in the mountain runoffs is affected mainly by precipitation in the east of the region, but also by temeprature in the west of the region. There are some obvious regional differences in the influence of climatic change on surface runoffs in the Hexi region. River runoffs in the western part of the Hexi region have been increasing, whereas those in the eastern part have been decreasing. River runoffs in the central part such as the Heihe River, present a slow increasing trend, although it is not quite visible     

鲕粒灰岩的溶解动力学特征和微观形貌的发育演化

鲕粒灰岩是重要的碳酸盐岩油气储层。通过常温常压下,北京西山鲕粒灰岩的溶解动力学实验发现,鲕粒灰岩的溶解主要受岩石和矿物的结构和化学成分控制。结构上表现为构造裂缝、鲕粒结合纹、颗粒晶体结合带等结构薄弱带优先发生溶蚀。成分上表现为白云岩化组分不仅自身较易溶蚀,而且能促进鲕粒灰岩的整体溶解;粘土矿物、石英等杂质组分常与鲕粒和白云岩化颗粒伴生,其对两者的阻溶效应更大。溶解过程中,鲕粒灰岩的构造裂隙、鲕粒放射结合纹和同心圈层等首先发生溶蚀,产生溶隙、粒内溶孔和粒间溶孔;其次为白云质组分以及白云质组分与方解石结合处而产生晶间溶孔、粒内溶孔;随着溶蚀强度的加强,围绕鲕粒形成环状溶蚀沟,在鲕粒溶蚀脱落后而形成鲕模孔。     

西江和北江三角洲区的水沙特点及河道演变特征

通过对珠江三角洲区有关水文泥沙资料的分析, 初步揭示了西江和北江在流速与流量、水位、含沙量、断面宽深比之关系方面的差别。结合河道平面及断面形态和河道冲淤特性, 探讨了其河型特点及成因。认为研究区西江为典型的网状河流, 而北江仍处于网状河流的发育初期。该区网状河流多河道的形成遵循冲裂机制, 人工堤围加速了河道沉积、抑制了河漫滩地的淤积, 从而使河道及河漫滩地的加积表现为不均一性。     

砂质辫状河心滩坝的发育演化过程探讨--沉积数值模拟与现代沉积分析启示

心滩坝作为辫状河中一种重要的沉积单元,国内外学者基于地下储层、露头、现代沉积进行了大量研究,但并未建立完整的心滩坝发育演化模式,明确心滩坝两侧辫状水道对其的影响。因此,采用沉积数值模拟技术（Delft3D）再现心滩坝的生长与演化过程,并且通过现代沉积相互验证,建立了心滩坝演化模式。研究表明:1）心滩坝的演化过程可划分为三个阶段,心滩坝的形成、生长及向下游方向迁移,心滩坝的侧向迁移,"坝尾沉积"及复合心滩坝的形成;2）由于两侧辫状水道的冲刷作用,心滩坝头部两侧均遭受侵蚀,表现为坝体向下游方向迁移,随着发育演化时间的增长,向下游迁移速率逐渐减小,最终坝体稳定;3）心滩坝中下部由于两侧辫状水道的不对称性,一侧侵蚀,一侧沉积,心滩坝侧向迁移;4）沉积物在心滩坝尾部卸载,形成"坝尾沉积",其发育程度取决于两侧辫状水道水动力强度,水动力越强,"坝尾沉积"越发育,随着"坝尾沉积"的不断延长,最终充填心滩坝之间的辫状水道,形成复合心滩坝。     

青藏高原及邻区三阶段构造演化与成矿演化

青藏高原具有典型的三分时空结构和3种尺度动力学体系.青藏高原由3个构造结调整的3个盆山体系组成, 北部、东部和南部3个盆山体系分别受控于古亚洲洋及西伯利亚、西太平洋和特提斯三大构造域, 经历了前寒武纪超大洋一超大陆耦合、加里东期-印支期-燕山期和喜马拉雅早期自北而南的洋陆耦合和板内盆山耦合三大构造发展过程, 形成于地核流层驱动的地核(或全球) 动力学过程、地幔流层驱动的地幔(或岩石圈) 动力学过程和地壳流层驱动的地壳(或大陆) 动力学过程, 构成历史地球系统动力学系统.青藏高原不是印度板块与欧亚板块碰撞的结果, 而是形成于下地壳流动驱动的板内盆山作用, 可分为以中、新生代有序向南迁移式构造隆升、水平运动、地质作用和成矿作用为特征的板内造山阶段和以脉动式快速隆升、垂直运动、地理作用和环境变化为特征的均衡成山阶段.构造谱系决定了成矿谱系, 区域构造叠加演化造成地壳成熟度的不断增加和矿床密集度的不断提高.青藏高原3个构造成矿演化阶段包括1.8~1.4Ga、500~420Ma、300~260Ma、180~120Ma、65~30Ma、23~7Ma等6个主金属成矿期, 1.8~1.4Ga超大陆裂解事件形成与深地幔火山岩浆作用有关的大红山式海相火山喷流沉积改造型铁铜矿、金川式与镁铁-超镁铁质岩有关的铜镍硫化物浆矿床, 500~420Ma、300~260Ma和180~120Ma特提斯裂解环境下形成罗布莎式地幔剪切-改造脉型(豆荚状) 铬铁矿床、呷村式海相火山成因块状硫化物矿床等, 180~120Ma、65~30Ma和23~7Ma是青藏高原自北而南板内伸展环境下大规模成矿期, 形成驱龙式斑岩铜矿床、哀牢山式剪切带型金矿床、金顶式陆相盆地沉积型铅锌矿床, 构成一个完整的地球系统成矿动力学演化体系.      

中国大尺度区域地下水演化研究起源与进展

中国大尺度区域地下水演化研究起源于20世纪90年代中期。在过去10年的研究中,构建了长3500km、高差5000m和跨度2万年的大陆尺度气候一地质环境陆地水系统演化断面,揭示了华北平原地下水形成的古地质环境与古气候演化过程及动因,发现近2万年以来该平原地下水的每一主要补给周期为1000-2000年,而且不同尺度系统间存在自相似性,在突变或灾变事件发生之前存在一个熵值较大的平衡期,可作为预测或判断突变或灾变事件依据之一;近50年来人类活动影响使连续统一的华北平原地下水循环系统演变成局部以垂向运动为主模式。在西北内陆黑河流域,相对百年尺度冷期,地下水补给量减少4．38～7．61亿m^3／a,这种变化与山区降水和气温关联度分别为0．97和0．80,与平原区降水和气温关联度仅为0．43和0．60;人类活动对该流域水循环的影响强度由20世纪50年代的19％、经过60～70年代28％,增至80～90年代的54％,进而导致下游区生态环境严重退化;上述成果实现了数字化和虚拟实现的可视化。     

窟野河流域水沙演变的尺度效应驱动因素研究

流域下垫面的变化影响着流域的水文水沙特性,不同尺度及流域下垫面的变化特性也会对窟野河输沙率及径流量产生不同程度的影响,通过对已有数据和研究资料的分析比对,从1980~2013年以窟野河三个不同尺度的流域作为研究对象,研究在不同尺度情况下下垫面变化对水沙演变影响,用灰色分析法计算影响其变化的驱动因素的关联度。     

鄂尔多斯盆地西峰油田长8油组辫状河三角洲沉积特征与层序演化

对鄂尔多斯盆地西峰油田长8油组辫状河三角洲沉积特征与层序演化的研究表明,在长8组油组沉积时,湖盆分别经历了强烈下降和缓慢下沉两个不同的沉积阶段,湖盆层序的演化明显控制着辫状河三角洲沉积体系及有利相带的发育和分布.在长8油组沉积早期,湖盆缓慢下沉,沉积物供给充分,辫状河三角洲形成强进积层序,其分流作用及侧向迁移能力强,区内平原亚相覆盖面广,有利砂层厚度大,分布稳定,预测其将成为区内进一步油气勘探的重要目的层;在长8油组沉积晚期,湖盆强烈下降,沉积速率减小,以退积层序发育为特征,退积过程中,辫状河三角洲平原亚相向湖岸退缩,导致西峰油田主要赋存于辫状河三角洲前缘水下分流河道之中.     

A New Model for Quantifying Anisotropic Scale Invariance and for Decomposition of Mixing Patterns

A new power–law function has been derived to represent the relationship between area of the set consisting of wave numbers with spectral energy density above S (A(>S)) on the two-dimensional frequency plane and S. The power–law relation holds if the field concerned possessing isotropic scale invariance or generalized scaling invariance involves rotational and ratio-scale changing transforms. The equation is valid for dealing with common exploration geophysical and geochemical fields encountered in mineral exploration and environmental assessment. This power–law function not only provides a new model for characterizing anisotropic scaling invariance for generalized scaling field, for example, estimating the power exponent of power spectrum of generalized scale invariance measure in frequency domain, but also forms a theoretical base for the S–A filtering technique developed for decomposing a mixing field into components on the basis of distinct scaling properties in the frequency domain. It is demonstrated that the method has potential to become a general technique for image processing and pattern recognition.     

苏里格气田苏120区块盒8段浅水辫状河三角洲砂体演化规律

通过岩芯观察、测井相分析、沉积相剖面和砂体平面展布分析,认为苏里格气田苏120区块盒8段属浅水辫状河三角洲平原亚相沉积,但是各小层分流河道砂体发育程度不同。盒81上小层辫状分流河道发育程度低,呈似曲流河状,属弱辫状化分流河道类型;盒81下小层、盒82下小层、盒82上小层辫状分流河道发育程度高,呈现宽条带状,属强辫状化分流河道类型。对比两者的区别,最终建立辫状化程度不同的浅水辫状河三角洲沉积模式。同时,对该区盒8段分流河道（砂体）进行中心线叠合处理,得出分流河道砂体的演化既存在继承性又存在迁移性的规律,继承性表现为不同小层分流河道的数量和大体位置较稳定,迁移性表现为分流河道始终向两侧迁移,包括东移、西移和往返3种侧向迁移方式。     

赣江三角洲形成及其演变遥感研究

以鄱阳湖区2个时相的M SS、TM遥感影像和1:5万地形图作为数据源,在具有最大信息量背景下,依据地物光谱、形态等影像特征对赣江河道变迁及三角洲成因进行了解译,发现河道的变迁主要表现为河流的改道和袭夺;采用人机交互式手段,利用多时相影像数据对赣江三角洲1976~1991年来演变进行了遥感动态监测,统计出15年间三角洲前缘新淤面积为37.6km2,整体淤积速度约2.5km2/a,且各部位淤积程度不一,并以中支淤积速度最快。