三维地层建模钻孔数据预处理研究

钻孔数据是三维地层建模的主要数据来源之一,在三维地层建模中,地层界面一般基于钻孔数据插值而成,正确处理钻孔数据是构建理想三维地层模型的前提和基础。三维地层拓扑关系极其复杂,地层界面插值数据在数学上选择也不是惟一的,因此,常导致构建地层模型出现与事实相悖的情形。针对这一点,根据地层地质演变历史,建立地层层序序列,此序列记录地层地质年代顺序及其拓扑关系。根据地层地质特征,可将地层拓扑关系概化为两类：“覆盖”和“侵蚀”。据此地层层序序列可惟一确定地层界面插值数据,从而构建正确地层模型。采用python语言实现了该钻孔数据预处理算法,实例表明,该预处理方案能正确地预测实际地层。     

工程地质钻孔信息模型及数据库研究

为了建立结构规范统一的工程地质勘察信息数据库,提出了“用户”与“系统”两级数据库相互映射的技术,把用户对数据的操作和计算机处理数据的过程分离开来。其中用户数据库面向用户的需要,系统数据库则满足信息管理的要求。在系统数据库中采用“块-层”结构的地层数据模型,对钻探区域进行了“地层层序”优化。“块-层”模型把钻探区域的“优化地层层序”作为一个基本块,针对性强,层次清晰地表达了复杂多变的地层信息,将有不同地层层序的各个钻探点统一成相同的结构,解决了在地层模型中难以表达地层翻转、缺失信息的问题,极大地方便了后续的信息处理和钻孔数据插值的进行。     

基于实体建模的三维地层构造

以三维实体模型为基础,提出了三维地层实体模型,给出了三维实体地层模型的体系数据结构和几何拓扑结构,完整描述了三维地层模型。给出了地层模型的构造过程,并讨论了地层缺失、倒转等的特殊地质状况的构模处理方法。三维地层实体模型是完整,全面的地层模型,比基于多层网格和三棱柱体元的地层模型具有更多的优点。     

基于Voronoi图的三维地层自动建模方法

三维地质建模是一项学科交叉的研究内容,也是学界的研究热点。针对目前三维地质建模方法中建模效率差、自动化程度低以及对地层尖灭、夹层识别不足的问题,提出一种基于钻孔平面点集Voronoi图的三维地层自动建模方法。首先分析处理钻孔数据,按地层块体属性归类,而后通过平面连通性与高程连通性判定,确立基于Voronoi图的地层边界,最后将地层块体分为普通地层和夹层两种地层块体,分层构建地质模型。该方法在南京某地下工程中应用结果表明,文中建模适用于沉积地层的建模,能够较好地识别地层分布中常见的尖灭和夹层现象,实现,无需人工干预的自动化快速建模。     

城市级三维地质建模的统一地层序列方法

三维地质建模是“智慧城市”建设的基础内容之一,涉及数百平方公里到数千平方公里的城市级地质范围。由于城市级地质范围跨越地质单元多、地质情况复杂,传统的三维地质建模方法对跨地质单元的地层连线考虑不足,常导致不同地质单元间的地层连线出现错误。针对该问题,提出一种基于地层沉积顺序的统一地层序列方法,进而识别钻孔分层中的缺失和倒转情况,将同一岩性中倒转与正常的情况加以区分,避免建模时的错误连线或插值。通过添加0厚度层,使所有钻孔的地层序列可完全一致,构建各钻孔分层间的对应关系,以降低不同地质单元间的地层连线错误率。通过讨论地层缺失、倒转、重复等特殊情况和实例验证,研究结果能够有效地对城市级三维建模中各种地质情况的连线问题做出明确的判断,减少在跨越地质单元多、地质情况复杂的城市级三维地质建模中的地层连线错误,为“智慧城市”建设提供底层支撑。     

含复杂倒转的地层层序统一修正与连接方法

在三维地质模型构建过程中,由于复杂地质构造运动形成的地层倒转、褶皱、节理等现象,传统的地层连接方法对相邻钻孔的地层对应考虑不足,从而导致三维模型地层连接不合理.针对该问题,提出一种含复杂倒转的地层层序统一修正与连接方法,引入逻辑钻孔递归统一地层层序思想,通过地层底板高程插值依据倒转地层的判别规则计算零厚度层的插入位置,统一钻孔的地层序列及修正标准地层层序,对钻孔中倒转、缺失、重复问题进行建模前的处理.通过讨论地层缺失、倒转、重复等复杂地层构造情况和实验验证,研究结果表明该方法能够充分解决零厚度层插入位置的二义性和倒转地层判定的二义性问题.该算法能够有效解决复杂地层倒转现象,为三维地质建模中地层连接提供依据.     

基于地质雷达和钻孔数据的三维地层建模

为了结合地质雷达探测图像和钻孔数据共同用于地层的三维建模,根据反射波组的同相性和反射波形的相似性,通过与钻孔采样数据的对比,从处理后的地质雷达数据中提取出虚拟钻孔数据用于建模;基于该类数据的一般分布特点,根据曲面光顺的条件构建了网格的插值算法。采用该方法对某区域进行了三维地层建模。     

一种含断层的复杂层状地质体三维自动构模方法研究

为了使复杂地质体建模过程趋向于自动化、简单化,在分析了复杂层状地质体的空间信息特征的基础上,提出了一种针对含断层的层状地质体的自动构建方法。该方法先对地质钻孔资料、地质报告图进行预处理,从而获得离散的数据点;然后选择基于表面模型的建模方法,根据从钻孔分层信息到剖面图再到地层面的建模流程,分别构建出地质体的顶、底两个地层表面模型;根据空间拓扑关系处理断层结构,将断层以两条首尾相连的约束线嵌入地面模型中;最后使用轮廓线拼接法生成侧面,将顶、底、侧面缝合成封闭的三维地层体模型。利用自主开发的三维可视化系统对该方法进行验证实现,并成功应用于山西省某煤田矿区的三维地质建模中,实践表明,该建模方法高效快速,自动化程度高,所构建的地质体模型表达复杂地质结构的效果良好。     

基于子面模板库的第四纪三维地质模型快速构建

为了实现第四纪地质三维地质模型的快速半自动构建,利用地表地形图、第四系分区图、钻孔、剖面等第四系相关数据源,按照第四系具有的严格自上而下的标准层序,依次计算每一地层的地层分区.将所有地层分区图在一张平面图上进行叠加分析,得到平面分区求交后的碎小多边形集合即地层二维子面模板库.从二维子面模板库中提取各个地层所包含的子面,并利用钻孔、剖面上相应地层的高程样本数据插值得到地层的三维顶面和底面模型,进行拓扑处理建立三维地质模型.该方法完全参照第四系三维地质填图工作的基本流程,引入二维子面模板库的概念,通过将三维地层面构建分解为地层平面分布各子区域构建和地层子面高程计算两个部分,将三维建模过程中大量计算工作转化到二维平面中完成,在保证三维地质模型精度的前提下,大大提高了建模的效率.      

复杂地层建模与三维可视化

提出了一种新的复杂地层建模方法。该方法先将离散的钻孔数据点分类,而后将不同类的离散数据点用径向基函数进行拟合;所生成的拟合曲面相交、裁剪得到地层的空间范围;由离散的数据点以及拟合插值点生成地层交界面格网,再经过计算机图形处理生成地层模型的三维图形。利用该方法对复杂地层建模,自动化程度较高、效果较好。     

河流侵淤作用下三维地层模型的构建

基于钻孔数据的多层DEM构模技术是构建沉积环境下三维地层模型的有效方法,但该方法对在河流的侵蚀和淤积交替作用下形成的地层建模效果并不理想。针对这种缺陷,对传统的建模流程加以改进,充分考虑到河流侵蚀作用对地层的切割影响,在建模的过程中对地层层面进行了两次插值与高程调整,使在钻孔附近地层的尖灭处理更为自然与合理。应用实例表明,该方法的建模结果非常接近于实际地层分布情况,从而验证了该方法的可靠性。     

地震沉积学在川东北YB地区沉积相分析中的应用

将地震沉积学理论应用于川东北YB地区陆相须家河组二段沉积相分析。以低频层序界面为约束条件,采用三维地震相位展开技术建立高频层序地层格架;利用三维Wheeler变换技术自动拉平高分辨层序地层格架的地震同相轴,建立等时年代地层格架,将地震数据体转换为年代地层数据体;在此基础上,提取具有等时意义的年代地层切片进行沉积相分析。结果表明:该方法能直观地反映沉积体的几何形态、展布规律、纵向演化和平面变迁等特征,对后续的勘探开发具有指导意义。      

基于钻孔数据的三维地层建模关键技术

在基于钻孔数据进行三维地层建模方法中,钻孔样本间地层层序不一致导致建模时难以确定各地层的拓扑关系,快速准确地确定各地层层序和充分利用钻孔数据是建模的关键难点之一。拟通过综合考虑区域内所有钻孔数据,基于地质解释方法理论,以地层出现次数频率高原则进行全自动确定地层层序。首次引入子钻孔递归思想,利用表面建模方法,自下而上逐层创建三维地层模型,可确保钻孔数据不丢失且准确地应用于地层建模中,并能适应地层尖灭、地层超覆、透镜体等复杂地质构造。该方法地学意义明确,具有鲁棒性好、运行效率高及可操作性强等特点,算法已在同济曙光软件中实现,并已在多个实际地质建模工程中得到了验证。研究结果表明,该算法能充分利用已有钻孔信息,建模过程全自动完成,对复杂地层建模亦具有较强的适应性。     

A simple approach to define Holocene sequence stratigraphy using borehole and cone penetration test data

Cone penetration testing has been widely used since the 1950s for determining the subsurface geotechnical conditions of unconsolidated sediments. This paper highlights the potential value of cone penetration testing as an aid to define the stratigraphic structure of Holocene sedimentary deposits. By calibrating cone penetration test logs with adjacent borehole logs and by utilizing all the available information produced during geotechnical surveying, stratigraphic models that accurately describe the vertical and lateral boundaries, as well as the stacking pattern, of Late Quaternary systems can be constructed. The widespread application and technical simplicity of cone penetration testing, combined with simple data interpretation via correlation with adjacent borehole logs, yield a useful and inexpensive tool for sedimentological investigations. This methodology is illustrated using data from 36 cone penetration tests and 11 boreholes on the Holocene deltaic plain of the Aliakmon River, Greece. Sedimentological and stratigraphic information from core log correlations, the spatial distribution of cone penetration test parameters, sediment grain size and per cent concentration of organic matter are utilized. The results suggest, that in sequence stratigraphic terms, the delta is divided into a lowstand systems tract composed by fluvial gravels and sands (U0) of Late Pleistocene age, as well as from red oxidized clays, and a transgressive systems tract represented by fluvial channel sands (U1), overlain by a thin transgressive sand sheet of coastal origin (U2), characterized by fining upward trends. The highstand systems tract is constituted by a variety of stratigraphic units (U3 to U7) and depositional environments, characterized by coarsening upward sequences, representing both aggradational and progradational facies, and dominated by the presence of three prograding wedges. Detailed definition of the thickness, vertical boundaries and stacking pattern of the resolved stratigraphic units, presented as a two‐dimensional stratigraphic model, demonstrates the applicability of the proposed method.     

滇黔桂盆地及邻区二叠纪层序地层格架及古地理演化

滇黔桂盆地及邻区的二叠系包括船山统、阳新统和乐平统。船山统与阳新统之交的黔桂运动主幕不整合面、阳新统和乐平统之交的东吴运动主幕不整合面的不整合特征明显,同时因其代表了研究区沉积盆地性质发生较大变化的界面而成为较为典型的I型层序界面。滇黔桂盆地及邻区的二叠系以其明显的沉积相分异而引人注目：在连陆台地上发育含煤地层,而在连陆台地边缘及孤立台地上发育海绵生物礁,形成一个典型的“台-盆-丘-槽”的古地理格局。伴随着强烈的东吴运动第一幕,研究区西北部发生强烈的火山活动,形成分布范围较广的峨嵋山玄武岩;东南部的“钦防残留海槽”关闭,使研究区的古地理格局发生了较大变化。二叠系与三叠系之交发生的较为典型的台地淹没事件形成了一个较为典型的淹没不整合面。根据沉积物的时间演化序列和沉积相的空间展布形式所指示的规律,研究区的二叠系可以划分为以下三级层序：船山统与下伏石炭系顶部的地层构成一个三级层序(SQ¹⁹),阳新统包含四个三级层序(SQ²⁰到SQ²³),乐平统包括两个三级层序(SQ²⁴和SQ²⁵)。在层序地层框架内,系列古地理图和系列层序地层格架栅状图较为系统地反映了研究区二叠纪复杂而有序的时间和空间相变特征。主要的时间相变面即形成层序界面,具有明显的“跳相”和地层间断现象,由于在不同地点间断的时限不一致而造成“间断面穿时”;沉积环境的空间变化,以及伴随着时间变化中的相带迁移所造成的空间相变,其相应的相变面总是斜交时间面而造成“相变面穿时”;不同沉积阶段的层序具有不同的相序组构,并在空间上形成有序的变化,从而代表了不同的古地理背景。因此,层序地层研究的核心内容是“沉积物的时间演变序列和沉积相的空间展布形式所代表的规律性”,结合生物地层特征,这种规律性本身也可以作为地层划分和对比的标志。     

基于GIS空间分析的虚拟钻孔确定与实现方法

在三维地质建模过程中,通过引入一定数量的虚拟钻孔,对地层分界面几何形态更加精确的控制,不仅能够明显改善地质分界面网格的质量,而且能够提高模型精度和可视化效果。现有虚拟钻孔的引入途径主要通过手工添加实现,受人为主观因素影响较大,且自动化水平低,耗时、费力,针对这一问题,提出了一种基于GIS空间分析的虚拟钻孔确定与实现方法。以地质勘查获取的钻孔数据和地质剖面图为数据源,在ArcGIS平台的支持下,综合运用自动矢量化（Arc Scan）、要素转点（Feature To Point）、创建TIN （Create Tin）、TIN转三角形（Tinto Triangle）、泰森多边形（Create Thiessen Polygons）和相交（Intersect）等空间分析和文件转换工具,分别生成断层构造和建模区域内的二维（2D）虚拟钻孔点;而后,在利用插值工具生成各地层栅格表面的基础上,结合图形插值（Interpolate Shape）工具将2D虚拟钻孔点投影为三维（3D）虚拟钻孔;然后,利用Model Builder可视化建模工具设计了生成虚拟钻孔的模型,实现虚拟钻孔创建的自动化;最后,将获得的3D虚拟钻孔应用于三维地质建模,并进行了建模对比实验,结果表明,该方法具有一定有效性、实用性和可操作性。      

Application of stratigraphic frameworks and thermochronological data on the Mesozoic SW Gondwana intraplate environment to retrieve the Paraná-Etendeka plume movement

Since plate tectonics has been linked to material flow in the Earth's mantle, it is commonly accepted that convective motion in the sublithospheric mantle results in vertical deflections and horizontal plate motion on the Earths surface. Those mantle flow-driven vertical deflections are recognized through significant signals and traces in the sedimentary records (unconformities and missing sections). Recently, Friedrich et al. (2018) introduced an event-based plume stratigraphic framework that uses such signals in the stratigraphic record to detect the geological evolution near, and on the Earth's surface in areas of interregional scale caused by mantle plume movement. Information about these dynamic processes is stored in geological archives, such as (1) stratigraphic records of sedimentary basins and (2) thermochronological data sets of igneous, metamorphic, and sedimentary rocks.For the first time, this research combines these two geological archives and applies them to the Mesozoic SW Gondwana intraplate environment to retrieve the Paraná-Etendeka plume movement prior to the Paraná-Etendeka LIP. We compiled 18 stratigraphic records of the major continental and marine sedimentary basins and over 35 thermochronological data sets including >1300 apatite fission-track ages surrounding the Paraná-Etendeka Large Igneous Province to test the event-based plume stratigraphic framework and its plume stratigraphic mapping to retrieve the timing and spatial distribution of the Paraná-Etendeka plume.The plume stratigraphic mapping, using the stratigraphic records is suitable to demark a possible plume center, plume margins and distal regions (Friedrich et al., 2018). Thermochronological data reveal centers of a significant thermal Paraná-Etendeka plume influence. Both archives show significant signals and traces of mantle plume movement well in advance of the flood basalt eruptions. Our LTT data combined with stratigraphic records are modeled successfully with respect to a viable mantle plume driven thermal evolution and therefore, we suggest that thermochronological data, in combination with stratigraphy records have the potential to retrieve the Paraná-Etendeka plume movement.     

基于机器学习的地层序列模拟

地层结构及其分布的模拟是地质信息化研究与工程规划设计建造的迫切需求。现有的研究方法主要以钻孔数据为基础,选择插值方法进行二维剖面绘制和三维地层建模。插值方法是决定模拟结果准确程度的重要因素,但插值方法的选取受主观因素影响,缺乏科学合理性,难以推广应用。针对这一问题,本文提出一种基于钻孔数据进行机器学习的地层序列模拟方法,即将钻孔地层数据处理为地层类型序列与地层层厚序列,利用循环神经网络与序列-序列架构建立地层序列模拟模型。通过将模拟结果与实际钻孔数据对比分析,发现地层序列模型可以较准确地模拟地表到基岩面之间的地层类型与厚度范围。研究可为地层模拟提供新方法。     

华南泥盆系层序地层与岩石-年代地层界线间相关性探讨

以广西六景、象州大乐、桂林塘家湾及贵州独山与贵阳东北郊乌当剖面为例,在已有的地层、古生物、沉积相研究的基础上,开展了层序地层学研究.通过这项研究,认为那高岭组与莲花山组的界线是一年代地层、岩石地层及层序地层合一的界面;论证了大乐剖面应堂组的古琶段与贵州独山剖面的龙洞水组属于下泥盆统的可行性;总结了吉维特阶与艾菲尔阶间多处存在沉积间断面或沉积停滞面的客观事实,确认该界面为一符合实际又易于识别的自然界面,可作为D_2~2 /D_2~1的界面;讨论了存在于不同沉积相中的D_3/D_2界面,认为该界面置于D_2~2上部层序之上的海进体系域顶面,与以牙形类为准确立的界线很接近,但其更利于野外实际工作;对贵阳东北郊乌当剖面乌当组的归属提出疑问,并将其定为吉维特阶早期.