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    工程地质学与灾害地质学
    不同滑坡样本点和多边形表达模式下的易发性评价
    邓明东, 巨能攀, 吴天伟, 文艳, 解明礼, 赵伟华, 何佳阳
    2024, 49(5): 1565-1583. doi: 10.3799/dqkx.2022.393
    摘要:
    滑坡编录模式常为点和多边形面,滑坡点的定位及多边形的采样范围会给滑坡易发性评价结果产生影响.为研究不同点和多边形滑坡样本采样方式下的易发性结果差异,以四川省宁南县为例,采用滑坡多边形和陡坎缓冲区来比较不同多边形表达模式对易发性评价的影响,用滑坡陡坎点和滑坡质心点来比较不同点表达模式对易发性评价的影响,选取3种评价模型支持向量机(SVM)、随机森林(RF)和人工神经网络(ANN)进行滑坡易发性建模,采用ROC曲线、均值、标准差等分析建模的差异.结果如下:(1)在滑坡样本为多边形表达模式下,陡坎缓冲区的评价效果优于滑坡多边形.在滑坡样本为点表达模式下,滑坡质心点的评价效果优于滑坡陡坎点.(2)RF模型在不同采样方式下易发性评价效果更好,不同采样方式下基于RF模型的易发性结果差异性也较小,相比SVM和ANN模型有更好的泛化能力.(3)离散型因子是导致点表达模式下采样方式易发性结果差异的主要因素.陡坎缓冲区采样方式相比于滑坡多边形保留如岩组等离散型环境因子的空间信息,因此评价效果较好.可见在县级尺度下使用滑坡陡坎区域等精细化地形特征作为滑坡采样方式可以提高易发性评价精度.
    基于知识图谱的滑坡易发性评价文献综述及研究进展
    郭飞, 赖鹏, 黄发明, 刘磊磊, 王秀娟, 何政宇
    2024, 49(5): 1584-1606. doi: 10.3799/dqkx.2023.058
    摘要:
    滑坡易发性评价是滑坡风险评估的基础和核心内容,开展滑坡易发性文献计量分析可以定量化地分析其研究进展及发展趋势,为国内开展地灾风险评估工作提供参考.利用Web of Science和CNKI数据库,基于CiteSpace可视化知识图谱分析工具对1985-2022年已发表的滑坡易发性文献进行计量分析,并对摘要部分进行了LDA分析,来细分该领域内的研究.结果表明:(1)滑坡易发性评价仍然是当前的研究热点,中国是滑坡易发性研究较为活跃的国家且国际间合作较多;(2)滑坡易发性领域发文量前10的作者中4位来自中国,中国科学院成为发文最多的机构,接收易发性评价类文章最多的中英文期刊分别是《中国地质灾害与防治学报》和《Natural Hazard》,中国国家自然科学基金和国土资源大调查项目大力资助了滑坡易发性课题的研究;(3)近5年来,机器学习模型(包括深度学习等)在滑坡易发性的应用快速增长,已成为最热门的研究方法;(4)为了实现滑坡易发性建模的精简化和智能化,并进一步提高滑坡易发性评价结果的精度和实用性,滑坡易发性在滑坡编目、指标体系、评价单元、评价模型、联接方法和精度评价等方面还需开展深入探索.
    考虑机器学习建模中训练/测试集时空划分原则的滑坡易发性预测建模
    黄发明, 欧阳慰平, 蒋水华, 范宣梅, 连志鹏, 周创兵
    2024, 49(5): 1607-1618. doi: 10.3799/dqkx.2022.357
    摘要:
    滑坡易发性预测时大多按空间随机来划分模型训练/测试数据集,但随机划分方式难免将不确定性因素引入建模中.因为理论上滑坡易发性是基于过去的滑坡来预测将来发生滑坡的空间概率,具有显著的时间顺序特征而非单纯的空间随机,可见有必要探索基于滑坡发生的时间顺序划分模型训练/测试集.以浙江文成县为例获取11类环境因子及128个时间准确的滑坡;之后将联接了环境因子的滑坡-非滑坡样本分别按照滑坡时间顺序和空间随机的原则,划分为两类不同训练/测试集;其划分比例分别设定为9∶1、8∶2、7∶3、6∶4和5∶5等以避免不同比例影响研究结果,由此得到10种组合工况下的训练/测试集;最后再训练测试支持向量机(SVM)、多层感知器(MLP)和随机森林(RF)等模型以预测滑坡易发性并分析其不确定性.结果表明:(1)训练/测试集按时间顺序划分的SVM、MLP和RF模型预测的滑坡易发性的不确定性略低于按空间随机性划分的模型,验证了按时间顺序划分的可行性;(2)训练/测试集按时间顺序划分实际上是其在空间随机划分下的一种更符合滑坡发生实际情况的“确定性”特征,当然对缺乏滑坡发生时间的数据集开展空间随机划分也是可行的.
    考虑非滑坡样本选取和集成机器学习方法的水库滑坡易发性预测
    王悦, 曹颖, 许方党, 周超, 余蓝冰, 吴立星, 汪洋, 殷坤龙
    2024, 49(5): 1619-1635. doi: 10.3799/dqkx.2022.407
    摘要:
    准确的滑坡易发性建模对预警预报和风险管控具有重要意义.针对机器学习技术建模中非滑坡样本随机选取和单个分类器存在的精度不高问题,提出了一种耦合多模型的区域滑坡易发性建模框架.以三峡库区秭归-巴东段为例,选取高程、坡度等12个因子构建评价指标体系,应用信息量法定量分析各指标对滑坡空间发育的影响程度.随机选取70%的滑坡作为训练样本,剩余的30%作为验证样本;应用逻辑回归模型(LR)制作研究区的初始易发性分区图,确定非滑坡随机采样的约束范围.随后,分别采用LR模型约束和无约束条件下随机选取的非滑坡样本,应用单个分类回归树(LR-CART和No-CART)及分类回归树-Bagging组合模型(LR-CART-Bagging和No-CART-Bagging)开展滑坡易发性建模,并应用多个指标进行精度评估.结果发现:高程和水系等是滑坡发育的主控因素;LR-CART-Bagging模型精度为0.973,高于LR-CART模型的0.889;相比于No-CART和No-CART-Bagging模型,LR-CART和LR-CART-Bagging模型精度分别提升了0.057和0.047.LR模型可以有效约束非滑坡样本的选取范围,提升样本的选取质量;CART-Bagging模型综合了机器学习和集成学习的优势,预测性能更强,提出的LR-CART-Bagging模型是一种准确可靠的滑坡易发性建模方法.
    基于迁移成分分析的库岸跨区域滑坡易发性评价
    苏燕, 黄绍翔, 赖晓鹤, 陈耀鑫, 杨凌鋆, 林川, 谢秀栋, 黄斌
    2024, 49(5): 1636-1653. doi: 10.3799/dqkx.2022.453
    摘要:
    考虑到滑坡编录制作的耗时性,建立一种“可迁移”的滑坡易发性模型已越发重要.合理利用现有完整滑坡数据地区的样本集对无样本区域进行易发性预测具有重要意义.运用迁移成分分析(transfer component analysis,TCA)方法,结合深度学习卷积神经网络(convolutional neural network,CNN),尝试引入一种基于迁移学习域自适应方法的TCA-CNN模型,并以福建省两个库岸地区为例,提取11个库岸相关环境因子建立滑坡空间数据库,将有样本的池潭库区易发性模型迁移至无样本的棉花滩库区进行预测,实现跨区域滑坡易发性评价.通过对棉花滩库区进行易发性预测,结果显示:(1)采用TCA方法处理后的不同研究区数据最大均值差异(maximize mean discrepancy,MMD)明显降低(0.022),数据实现近似同分布;(2)TCA-CNN模型的跨区域预测精度为0.854,高于CNN模型(0.791),且通过历史滑坡验证其落入高、极高易发性区间的滑坡频率比占比最高(89.1%);(3)受试者工作特性(receiver operating characteristic,ROC)曲线下面积TCA-CNN模型为0.93,高于CNN模型的0.90.可见TCA-CNN模型能够有效运用建模区的样本数据实现对无样本区域的易发性评价,且相比于传统机器模型在进行跨区域预测时具有更高、更稳定的预测准确率,具备更强的泛化能力.
    基于卷积神经网络的滑坡易发性评价: 以辽南仙人洞国家级自然保护区为例
    郑德凤, 高敏, 闫成林, 李媛媛, 年廷凯
    2024, 49(5): 1654-1664. doi: 10.3799/dqkx.2023.113
    摘要:
    为了解决滑坡易发性评价过程中存在的滑坡编录数据不足,主观或者随机地选取非滑坡栅格单元而导致模型准确率较低等问题,以辽南仙人洞国家级自然保护区为研究区,首先,从地形地貌、地质条件、水文气象条件和人类工程活动等方面选取了12个评价因子构建滑坡评价体系;其次,利用SMOTETomek综合采样方法解决滑坡与非滑坡样本类别的比例失衡问题,进而建立滑坡易发性评价模型的数据集;最后,针对研究区东西两侧(A区和B区)的非线性滑坡数据,通过构建卷积神经网络(Convolutional Neural Networks,CNN)模型进行滑坡易发性评价,并精准绘制了研究区滑坡易发性分布图.结果表明:CNN模型具有良好的适应性,绘制的滑坡易发性分区图显示出合理的空间分布,A区和B区的测试集AUC面积分别为91.2%和94.3%;70%的滑坡数据分布在较高及以上等级的易发区,68.7%的非滑坡数据分布在较低及以下等级的易发区;滑坡高易发区主要位于研究区东北部猫岭北沟山一带、冰峪沟风景区的北部山区和碧流河水库沿岸区.研究成果为辽南仙人洞国家级自然保护区的地质灾害防治规划、应急预案制定等提供了重要的科学依据.
    考虑注意力机制的新型深度学习模型预测滑坡位移
    郭子正, 杨玉飞, 何俊, 黄达
    2024, 49(5): 1665-1678. doi: 10.3799/dqkx.2022.306
    摘要:
    现有的基于数据驱动的滑坡位移预测模型大多是基于时间序列数据的单点建模,不能考虑整个边坡的变形相关性和滑坡变形的全局建模.为了克服这一缺点,本研究提出了一种基于时空注意(spatial-temporal attention,STA)机制的深度学习模型,该模型将卷积神经网络(convolutional neural network,CNN)与长短时记忆(long short-term memory)神经网络相结合.通过CNN和卷积注意力模块提取滑坡位移的空间变形特征,利用时间注意机制和LSTM模型从外部因素的时间序列数据中捕获重要的历史信息.注意力机制输出的注意权重值可以揭示滑坡变形的时间-空间特征.以三峡库区泡桐湾滑坡为例,对该模型的性能进行了验证.结果表明,STA-CNN-LSTM模型预测的均方根误差(RMSE)和平均绝对百分比误差(MAPE)与传统灰狼算法优化的支持向量机(GWO-SVM)模型相比分别下降了9.28%和13.88%.模型因子权重计算结果表明,在监测期内随着时间的推移,降雨对泡桐湾滑坡变形的影响逐渐增加,而库水位的影响逐渐减小.
    暴雨及水位骤降条件下渗流参数空间变异的水库滑坡概率分析
    蒋水华, 熊威, 朱光源, 黄卓涛, 林列, 黄发明
    2024, 49(5): 1679-1691. doi: 10.3799/dqkx.2022.361
    摘要:
    传统滑坡概率分析没有合理考虑滑坡体渗透系数空间变异性的影响.为有效表征滑坡体渗透系数空间变异性对滑坡概率的影响,提出基于反向传播神经网络(BPNN)的参数空间变异性边坡可靠度分析方法,其中采用Karhunen-Loève级数展开方法离散滑坡体饱和渗透系数非高斯随机场,基于BPNN构建边坡稳定系数代理模型.以白水河滑坡为例,分别进行暴雨和库水位骤降条件下滑坡概率分析,并与其他方法对比验证了提出方法的有效性.结果表明:提出方法不仅可有效考虑渗透系数空间变异性对滑坡概率的影响,而且具有较高的计算效率,可为实际复杂水库滑坡概率计算提供一种有效的工具.考虑滑坡体渗透系数空间变异性的作用,白水河滑坡在连续5 d暴雨作用下有19.5%的可能性发生局部失稳破坏,而在水位骤降条件下发生局部失稳破坏的可能性很小.
    Verhulst反函数预测模型的改进及滑坡时间概率预测
    陈铭熙, 陶培捷, 周创兵, 姜清辉
    2024, 49(5): 1692-1705. doi: 10.3799/dqkx.2023.003
    摘要:
    滑坡时间预测是滑坡灾害防治的重要组成部分,但由于滑坡演化存在不确定性,准确预测滑坡的发生极为困难.Verhulst反函数模型是一种常用的滑坡时间预测模型,但其存在计算起始时刻选择不当会造成监测数据拟合质量差和预测精度低的问题.针对这一不足,提出了一种改进的Verhulst反函数模型(MVIF模型),并进行近实时概率预测分析.结果表明:(1)MVIF模型改善了原模型对计算起始时刻选择苛刻的问题;(2)MVIF模型预测精度较高,在滑坡进入中等加速变形阶段之后可进行可靠的预测;(3)预测滑坡时间与破坏概率结合提供了一种新的滑坡预报准则.该研究可为蠕滑型滑坡的预警预报提供有价值的参考.
    基于改进PSO-RBF神经网络的三维边坡可靠度分析
    彭宗桓, 盛建龙, 叶祖洋, 袁乾峰
    2024, 49(5): 1706-1721. doi: 10.3799/dqkx.2022.341
    摘要:
    三维边坡模型能真实反映边坡空间效应,提升边坡可靠度计算精度,然而由于三维边坡模型计算量庞大且安全系数缺少显示表达,边坡可靠度分析主要以二维简化模型为主,针对三维边坡可靠度分析的研究仍存在不足.提出一种基于Spencer方法、自适应变异粒子群优化算法(PSO)和径向基函数神经网络(RBF)的三维边坡可靠度分析方法.通过对传统PSO算法引入变异算子,改善了其搜索精度较低、后期迭代效率不高等缺点.以三维Spencer方法为基础,结合改进PSO算法与RBF神经网络构建三维边坡安全系数的计算模型进行可靠度分析,实现三维边坡功能函数的显示化,通过标椎椭球滑体可靠度分析,验证了该方法相较于传统方法计算精度和效率的提升;进一步研究了卡基娃左岸边坡减载开挖过程稳定性及可靠度的变化规律,结果表明:削坡减载作用后有效提升了边坡的稳定性,边坡失效概率减小了近2个数量级.
    TBM破岩关键参数跨工程转换关系
    李海波, 李旭, 王双敬, 陈祖煜, 荆留杰
    2024, 49(5): 1722-1735. doi: 10.3799/dqkx.2022.331
    摘要:
    TBM信息化施工中采集了海量数据,通过数据挖掘建立机器学习模型,是实现TBM智能化的前提.然而在TBM新建工程初期,由于数据量稀少导致机器学习模型预测效果不佳;同时由于TBM设备结构和刀盘直径存在差异,基于历史工程训练得到的机器学习模型也并不适用于新建工程.为了解决这一瓶颈问题,基于单刀受力分析、经验方法和扭剪实验模型等多种换算关系推导得到了仅与刀具数量和刀盘直径有关的物理不变量,利用由不变量组成的转换方案,可以对新建工程数据进行转换;之后针对围岩分类和机器学习模型上的应用效果,比选出最佳的破岩关键参数转换方案;进而采用遗传算法,以比选得到的转换方案不变量作为初值,迭代搜索出适合当前工程的最优转换方案不变量.研究结果表明,引绰工程(新建工程)数据经过不变量的转换后输入到引松工程(历史工程)机器学习模型,其刀盘扭矩T和刀盘推力F预测结果的拟合优度R2分别达到了0.84和0.70.本研究采用该转换方案不变量,可将不同工程的TBM施工数据归一化,将其统一到同一个框架下进行分析,实现了基于历史工程数据训练得到的机器学习模型指导新建工程施工.研究结果可为TBM机器学习模型跨工程应用提供参考.
    基于时序InSAR与机器学习的大范围地面沉降预测方法
    罗袆沅, 许强, 蒋亚楠, 孟冉, 蒲川豪
    2024, 49(5): 1736-1745. doi: 10.3799/dqkx.2023.048
    摘要:
    地面沉降是由自然因素和人为因素综合作用下形成的地面标高损失,为预防这种累进性的缓变地质灾害,高效的大范围地面沉降预测显得尤为重要.现有的预测方法忽略了地面沉降的空间特征,且基于单点循环预测存在高耗时现象.针对上述问题,提出了一种基于时序InSAR与机器学习的大范围地面沉降预测方法.首先,利用SBAS-InSAR技术获取大范围的地面沉降时序信息;其次,采用经验正交函数(empirical orthogonal function,EOF)提取时序信息的空间模态及对应的主成分(principal components,PCs);最后,采用基于误差反馈的岭多项式神经网络(ridge polynomial neural network with error-output feedbacks,RPNN-EOF)模型训练与预测PCs,将预测结果重构回地面沉降时序.以延安新区2018年8月至2021年5月的84景Sentinel-1A数据为例,获取了新区的地面沉降时序.同时,EOF所提取的空间模态能清晰地表达整个新区的空间变化特征.预测结果显示,相较于传统点循环模式以及主流的时间序列预测方法,本文方法的均方根误差至少降低了22.7%,建模耗时至少降低了27.5%,因此该方法具有良好的实用性.
    基于卷积神经网络的土体含水率智能识别
    庞元恩, 王智诚, 李旭, 杜赛朝
    2024, 49(5): 1746-1758. doi: 10.3799/dqkx.2023.043
    摘要:
    土体含水率是影响细粒土性质的主要因素.土体表层含水率的快速识别是农业和岩土工程中智能监测和智能建造技术发展中的急迫需求.为了克服传统含水率测量或监测方法无法满足土体表层含水率的实时无损监测的局限性,特研发基于图像的含水率智能识别算法.首先在实验室中收集了4种不同类别的土体、在不同含水率下的表面照片,获得了超过1 400张图片的高质量样本库,为机器学习模型构建奠定了数据基础.然后采用经典的卷积神经网络对土体含水率图像数据集进行学习,建立了土体含水率智能识别模型.模型比选结果表明:基于ResNet34架构的土体含水率识别模型效果最佳,在测试集上的含水率预测平均误差约为2%.该模型初步满足了土体表层含水率的实时无损监测需求,能够为农业和岩土工程中智能监测和智能建造技术发展提供重要手段.
    矿物学·岩石学·矿床学
    松辽盆地东南缘卡伦湖地区上白垩统泉头组地球化学特征、碎屑锆石年龄与物源分析
    李彤, 俞礽安, 王铁军, 殷栋法, 司庆红, 朱强, 文思博, 涂家润
    2024, 49(5): 1759-1777. doi: 10.3799/dqkx.2021.264
    摘要:
    选取吉林长春卡伦湖地区的上白垩统泉头组砂岩,通过X荧光光谱仪、ICP-MS等离子体质谱仪以及锆石LA-ICP-MS U-Pb定年等方法进行岩石地球化学及碎屑锆石U-Pb年代学研究,探讨研究区物源以及区域沉积构造背景. 结果显示,研究区泉头组源区岩石的主要类型为具有大陆边缘构造背景的火成岩组合;根据研究区主、微量元素和稀土元素特征以及样品锆石的U-Pb年龄,松辽盆地张广才岭地区与研究区所采集样品的地化数据表现出相似性,二者岩石都富集大离子亲石元素以及轻稀土元素,亏损高场强元素和重稀土元素,具有火山弧岩浆岩的地球化学特征等,并且研究区泉头组的碎屑锆石U-Pb年龄分布峰值和比例与前人研究的张广才岭地区的花岗岩锆石U-Pb年龄分布具有极大相似性. 结合研究区泉头组砂体展布、沉积体系以及东部隆起区水系展布特征及前人研究结果,综合认为研究区物源来自张广才岭地区,泉头组下段主要沉积作用为填平补齐,充填粗碎屑岩和红色泥岩不整合于阜新组之上,上段以超覆式沉积作用为主,以河流相红色砂泥岩沉积逐渐向盆地中心过渡. 对于重塑松辽盆地东南缘构造与物源演化过程、矿产资源分布以及松辽盆地东南缘泉头组砂岩储层评价做出重要贡献,为盆地东南缘潜在铀矿层的预测以及铀矿区铀源的进一步评价等方面提供了重要借鉴.
    东昆仑哈日扎-那更康切尔银矿区花岗岩年代学、地球化学及岩石成因
    马忠元, 柴佳兴, 张爱奎, 燕正君, 张金阳
    2024, 49(5): 1778-1792. doi: 10.3799/dqkx.2022.418
    摘要:
    东昆仑东西部发育多处大型银矿床,但东昆仑古特提斯构造演化和银矿成矿构造背景争议很大,基于此,对东昆仑哈日扎-那更康切尔银矿区岩心样品花岗岩及花岗斑岩开展年代学与地球化学方面研究.LA-ICP-MS锆石U-Pb定年结果表明,哈日扎花岗岩年龄为255 Ma,哈日扎-那更康切尔花岗斑岩年龄在220 Ma到224 Ma.哈日扎晚二叠世花岗岩整体上体现高硅、富碱、贫钙及贫镁的特征,轻稀土元素富集,重稀土元素及Nb、Ta等高场强元素亏损,具有强烈的负Eu异常,Ga/Al比值和Zr+Nb+Ce+Y含量明显偏高,符合A型花岗岩的特点.由于岩石K2O/Na2O与FeO/MgO比值较高,可能来自地壳钙碱性Ⅰ型花岗岩的部分熔融,形成于晚二叠世弧后伸展体制.晚三叠世花岗斑岩是银成矿期岩石,主量元素与晚二叠世花岗岩相似,体现钙碱性过铝质的特点,但稀土元素与微量元素含量远低于晚二叠世花岗岩.结合前人研究成果,晚三叠世花岗斑岩及成矿可能形成于后碰撞构造背景,花岗斑岩是岩浆强烈结晶分异的产物.
    鄂尔多斯盆地西南缘中下侏罗统地层物源及构造演化对铀成矿的制约
    俞礽安, 李彤, 杨桐旭, 赵华雷, 涂家润, 胡永兴, 唐永香
    2024, 49(5): 1793-1809. doi: 10.3799/dqkx.2023.088
    摘要:
    鄂尔多斯盆地西南缘位于阿拉善地块、秦岭造山带与祁连造山带3个构造单元的交汇部位,给含铀岩系地层的物源体系和铀成矿作用研究带来一定困难.通过选取泾川研究区的直罗组和延安组砂岩进行碎屑锆石U-Pb测年和微量元素研究,分析结果显示:泾川地区直罗组砂岩的碎屑锆石年龄呈215~767 Ma和1 501~1 905 Ma;延安组砂岩的碎屑锆石年龄呈215~453 Ma、1 506~1 918 Ma和2 136~2 579 Ma.与源区同位素年代学对比认为直罗组和延安组砂岩的物源成分较为复杂,主要来自于阿拉善地块,其次来自于华北板块北缘和北祁连地区.从延安组到直罗组沉积期,祁连山和阿拉善陆块发生了快速隆升和剥蚀,为直罗组提供了物源,并且古生代和中生代侵入岩体提供物源的占比逐渐增大.研究西部靠近盆缘地区以中侏罗统砂岩层为找矿目的层,靠近盆内含矿层位逐渐变年轻.
    能源地质学
    应力加载对花岗岩粗糙裂隙渗透率影响规律
    那金, 谢康路, 袁可涵, 袁益龙
    2024, 49(5): 1810-1820. doi: 10.3799/dqkx.2022.082
    摘要:
    本研究选取青海共和盆地干热岩靶区储热层印支期花岗岩为目标层,利用高压流体驱替实验装置开展岩心裂隙渗流-应力耦合下循环加卸载试验,分析应力加载过程对花岗岩粗糙裂隙渗透率影响规律,并通过数值模拟技术分析实验过程中花岗岩裂隙渗透率的演化特征.研究结果表明:(1)应力加载导致裂隙接触面产生变形,是影响裂隙渗流的主要因素,裂隙渗透率与围压呈负相关关系;(2)裂隙渗透率对不同应力加载模式敏感性存在差异;(3)在试验基础上得出数学经验公式,并通过数值模拟分析花岗岩裂隙通道内渗流演化规律,模拟结果同实验拟合较好.
    渤中凹陷孔店组致密砂砾岩微裂缝形成机制及影响因素
    王清斌, 臧春艳, 万琳, 潘文静, 刘晓健, 李新琦, 周淋
    2024, 49(5): 1821-1831. doi: 10.3799/dqkx.2022.210
    摘要:
    渤中凹陷西南部多口井钻遇巨厚孔店组砂砾岩,整体埋深大,储层明显致密化,部分井段产能不足10 m3/d,少部分井产能较高,储层差异演化机制是制约勘探的核心问题.针对储层形成机制,开展了薄片、扫描电镜、压实模拟等实验.研究表明,微裂缝发育程度决定了储层物性差异,储层裂缝发育程度受砾石成分构成及杂基含量的影响.以花岗岩为母岩的低杂基砂砾岩,钾长石裂缝发育,溶蚀作用强,储层物性好;高杂基砂砾岩,裂缝不发育,溶蚀作用弱,测试产能低;混杂了大量碳酸盐岩砾石的砂砾岩,储层早期胶结作用强,整体致密,压裂改造后效果仍较差.压实应力物理模拟实验表明,在模拟埋深2 500 m以下,砾石出现粒内缝,并随着模拟埋深加大不断增加;裂缝发育的类型、特点与研究区微裂缝特征可比对,证实压实成缝是研究区裂缝形成的重要机制.钾长石与斜长石裂缝生成有很大差异性:钾长石更容易发育破裂缝,经后期流体溶蚀改造,形成粒内溶蚀扩大缝;斜长石由于易发生高岭土化、钠黝帘石化等次生改造作用,改变了矿物的力学性质,不易产生裂缝.
    渤海湾盆地辽中凹陷南洼超压发育特征及成因
    王冰洁, 王德英, 郭涛, 王鑫, 惠冠洲, 薛明旺
    2024, 49(5): 1832-1843. doi: 10.3799/dqkx.2021.254
    摘要:
    针对渤海湾盆地辽中凹陷南洼古近系地层超压成因问题,通过对多种地质资料和研究方法综合应用,提出生烃作用是超压形成的主要机制,在局部地区(W-D构造)存在欠压实和生烃作用叠加形成的超压.主要证据如下:(1)测井曲线除W-D构造外,普遍不具备欠压实地层高孔隙度和低密度的典型特征;(2)沉积背景分析由欠压实作用形成超压的顶面深度与实际不符;(3)超压顶面发育在大套泥岩段内部,深度变化范围较大(2 200~3 100 m),与烃源岩生烃顶面基本一致;(4)地层有效应力和速度及密度关系表明,超压点均落在“卸载”曲线上,为生烃超压的特征;(5)超压段地层现今处于大量生烃阶段,持续为超压形成提供保证;(6)欠压实作用和生烃作用叠加形成的超压,导致了地层的高孔隙度和低密度,也使地层有效应力与地层速度和密度关系曲线表现出“卸载”现象.
    燕山地区中-新元古界烃源岩地球化学特征及油源对比
    孙中良, 陈媛, 李志明, 申宝剑, 祝庆敏, 贾梦瑶, 吴琰
    2024, 49(5): 1844-1864. doi: 10.3799/dqkx.2022.125
    摘要:
    燕山地区中-新元古界的油气富集情况一直以来都是学者们关注的热点.运用总有机碳(TOC)测试、热解、气相色谱(GC)、气相色谱质谱(GC-MS)等方法,对其有机地球化学特征,特别是生物标志化合物、有机质来源和沉积环境进行了详细的讨论,对比油苗/沥青与烃源岩中生物标志化合物组成特征,识别燕山地区中-新元古界地层中的主力烃源岩.研究得出,下马岭组、洪水庄组烃源岩有机碳含量高,生烃潜力大,热演化程度适中,为好-极好的烃源岩,铁岭组烃源岩为差-中等烃源岩,高于庄组烃源岩热演化程度过高,已不能判断烃源岩类型.根据研究区的生物标志化合物特征,可以将其划分为两类,其中洪水庄组、铁岭组及下马岭组为第Ⅰ类烃源岩,以无环类异戊二烯姥鲛烷(Pr)和植烷(Ph)的相对含量极低,具有一定丰度的C20规则三环萜烷(C20TT)和C19TT以及特殊的13α(正烷基)-三环萜烷系列化合物,富含四环萜烷(C24TeT)、降新藿烷(Ts和C29Ts)和重排藿烷(C30Dia),缺失甾烷化合物为特征,揭示了第Ⅰ类烃源岩具有较高的热演化程度,缺氧的沉积环境以及特殊的成烃生物.高于庄组为第Ⅱ类烃源岩,以高丰度的C23~C25TT以及规则藿烷,普遍存在C27~C29规则甾烷,低丰度的C24四环萜、降新藿烷和重排藿烷,未检测到补身烷和13α(正烷基)-三环萜系列化合物为特征,呈现出典型海相碳酸盐岩沉积环境下的原油特征以及指示了较为多样的生物来源.油源对比表明,第Ⅰ类油苗/沥青主要来源于洪水庄组烃源岩,而第Ⅱ类沥青砂岩的有机地球化学组成特征和高于庄组烃源岩十分相似.
    琼东南盆地天然气水合物地震识别与饱和度预测
    邓勇
    2024, 49(5): 1865-1875. doi: 10.3799/dqkx.2022.133
    摘要:
    琼东南盆地是我国新发现的天然气水合物勘探靶区,主要发育孔隙型水合物和烟囱型水合物,两者在地震上表现出不同的反射特征,仅利用地震似海底反射(BSR)识别琼东南盆地深水区天然气水合物存在局限性.为成功实现琼东南盆地天然气水合物识别与饱和度预测,利用三维地震数据和钻井资料,开展了AVO正演和宽频地震反演分析,明确了天然气水合物弹性参数特征,建立了天然气水合物地球物理识别方法.在此基础上,针对孔隙型和烟囱型两种不同类型的水合物,分别建立各向同性和各向异性饱和度评价方法,利用有效介质理论实现水合物饱和度定量评价.基于高品质地震资料开展的宽频地震反演和饱和度预测研究,实现了琼东南盆地孔隙型水合物和烟囱型水合物识别,并圈定了天然气水合物富集区,优选出了3个最大饱和度在50%以上水合物矿藏,预测结果得到实际钻探的验证.本次研究成果对琼东南盆地水合物钻探站位选取以及降低水合物钻探风险具有指导意义,其研究方法对于其他类似盆地水合物勘探具有借鉴价值.
    环境地质学与水文地质学
    基于SWAT模型的珠江流域地下水资源评价
    赵良杰, 王莹, 周妍, 曹建文, 杨杨, 王喆
    2024, 49(5): 1876-1890. doi: 10.3799/dqkx.2022.004
    摘要:
    在梳理珠江流域地下水资源评价现状及历史的基础上,讨论了SWAT分布式水文模型基本原理和基础数据库,将珠江流域划分为129个地下水子流域,充分考虑岩溶、基岩裂隙及孔隙含水介质参数敏感性的基础上,基于9个水文站2008-2016年逐月实测径流量进行参数率定和模型校准,并根据1957-2017年降雨量计算不同年份降雨保证率,分析评价珠江流域多年地下水资源量,最后开展降雨入渗系数和地下水补给模数参数反演.通过本次评价,珠江流域2010-2016年平均补给量为1 488.02亿m3,特枯年(2011)、平水年(2010)及丰水年(2016)地下水总补给量分别为719.49亿m3、1 446.82亿m3、1 781.87亿m3,其中丰水年的降雨量约为特枯年的1.7倍,地下水补给量为2.48倍,岩溶、基岩裂隙及孔隙含水介质的年均补给总量分别为529.91亿m3、445.13亿m3、512.98亿m3,通过参数反演获得年均地下水补给模数为10.83 L/s·km2,降雨入渗系数为0.246,以期为流域内地下水开发利用与治理保护提供数据支撑和科学服务.
    人类活动对木里冻土区水文环境影响的多元同位素示踪
    邢剑伟, 李小倩, 周爱国, 庞守吉, 李鑫, 余迎祥
    2024, 49(5): 1891-1906. doi: 10.3799/dqkx.2021.253
    摘要:
    为查明人类活动对木里冻土区水文环境造成的影响,选取高寒冻土区人类活动最为显著的木里煤田聚乎更矿区,以区内大通河支流水系河水为研究对象,基于水化学组成空间特征,利用氢、氧、碳、氮、硫、锶等多元同位素开展示踪研究.研究表明:(1)冻结层上水是河水的主要补给来源,煤矿开采、天然气水合物钻探等人类活动破坏原有冻土结构,增加了冻结层上水对河水的贡献比例;(2)河水中主要溶解性营养物质(SO42-、NO3-和DOC)浓度的增加源于人类活动的影响:硫氧同位素揭示了大规模的煤矿露天开采促进还原硫氧化,是导致冻结层上水和河水中SO42-升高的主要原因;氮氧同位素表明河水中高浓度的NO3-来源于散养式放牧的牲畜粪便;DOC主要来源于高寒草甸植物降解产生的土壤有机质,人类活动影响下增加了DOC和DIC的输出,增强了源区河水中的微生物活动;(3)除H2CO3风化碳酸盐岩外,受人类活动煤矿开采影响下硫酸参与的碳酸盐岩和硅酸盐岩岩石风化作用增强,进而影响着区域岩石风化的碳汇作用.研究成果为认识人类活动影响下高寒冻土区水文环境的演化提供研究思路,为高寒冻土区生态环境保护提供科学依据.
    寒旱区内陆河流域碳通量年际变化控制机制
    王同红, 王旭峰, 张松林, 谭俊磊, 张阳, 任志国, 白雪洁
    2024, 49(5): 1907-1919. doi: 10.3799/dqkx.2022.269
    摘要:
    为了解寒旱区内陆河流域碳通量的年际变化及其控制机制,使用涡度相关技术和气象观测系统同步对黑河流域典型生态系统(草地、农田、湿地、荒漠、森林)的碳通量和气象环境要素进行了长期定位观测.分析观测数据显示:黑河流域内农田(玉米)生长季净生态系统生产力(NEP)与总初级生产力(GPP)最大(729.81 g C/m2/a与1 184.60 g C/m2/a),戈壁荒漠最小(94.18 g C/m2/a与134.97 g C/m2/a);湿地生长季生态系统呼吸(Reco)最大(460.22 g C/m2/a),戈壁荒漠最小(41.18 g C/m2/a).黑河上游高寒生态系统温度对NEP、GPP和Reco年际变化的解释度明显高于黑河中下游干旱生态系统,而上游高寒生态系统土壤水分对NEP、GPP和Reco年际变化的解释度低于中下游干旱生态系统.在上游的高寒生态系统中,各站点间温度与NEP、GPP和Reco为正相关,而在中下游则为负相关.浅层土壤水分在黑河流域内高寒区和干旱区均与生态系统的NEP、GPP和Reco为正相关,上游高寒区浅层土壤水分与NEP、GPP和Reco的相关性要高于深层土壤水分,而中下游干旱区则是深层土壤水分与NEP、GPP和Reco的相关性更高.
    固氮鱼腥藻介导As(Ⅲ)氧化及其对铵氮输入的响应
    钟兆淇, 谢作明, 毛青, 赵欣鑫, 刘太坤
    2024, 49(5): 1920-1930. doi: 10.3799/dqkx.2022.079
    摘要:
    铵氮在砷的生物地球化学循环过程中发挥着重要作用,但铵氮输入对藻类介导的As(Ⅲ)生物氧化机理尚不清楚.以固氮蓝藻鱼腥藻(Anabaena sp.)为研究对象,通过室内模拟实验,研究在不同浓度As(Ⅲ)条件下,鱼腥藻对As(Ⅲ)的毒性响应和氧化作用,并研究了外源铵氮输入对鱼腥藻的生长以及氧化As(Ⅲ)的影响.结果表明,鱼腥藻的半抑制浓度(IC50)值为15.59 mg/L,当As(Ⅲ)的浓度为0.1 mg/L、1 mg/L和10 mg/L时,分别在1 d、2 d和7 d内被完全氧化为As(Ⅴ),并且随着As(Ⅲ)浓度增加,鱼腥藻的固氮作用增强.NH4+浓度在234 mg/L以内时,对鱼腥藻(Anabaena sp.)的生长有促进作用,随着NH4+浓度从0 mg/L增加至1 mg/L、45 mg/L和234 mg/L,1 mg/L As(Ⅲ)分别在48 h、36 h、24 h和12 h被完全氧化.随着NH4+浓度增加,鱼腥藻对砷的吸附量增加,As(Ⅲ)的氧化加速.研究结果有助于阐释天然水体中铵氮在砷生物转化过程中的作用.