基于數(shù)字露頭的地質(zhì)信息提取與分析
——以鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)延長組楊家溝剖面為例

劉學(xué)鋒，馬乙云，，曾齊紅，邵燕林，張友焱，葉　勇

（1.長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，武漢430100；2.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京100083）

基于數(shù)字露頭的地質(zhì)信息提取與分析
——以鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)延長組楊家溝剖面為例

劉學(xué)鋒1，馬乙云1，2，曾齊紅2，邵燕林1，張友焱2，葉勇2

（1.長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，武漢430100；2.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京100083）

為了改進(jìn)傳統(tǒng)露頭研究方法的不足，以及客觀、全面地認(rèn)識(shí)露頭所揭示的地質(zhì)信息，將激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用到露頭地層成圖研究中，并利用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)地層圖像可視化，形成了鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)延長組楊家溝剖面數(shù)字露頭?；跀?shù)字露頭開展上三疊統(tǒng)延長組長3油層組層序地層、沉積旋回和砂體展布等地質(zhì)信息的提取與分析，并利用典型層序界面識(shí)別標(biāo)志，結(jié)合層序地層學(xué)理論，在數(shù)字露頭上進(jìn)行層序邊界識(shí)別和層序界面追蹤，劃分出1個(gè)四級(jí)層序界面，其界面之下地層巖性表現(xiàn)為反旋回，界面之上地層巖性表現(xiàn)為正旋回，層序界面對應(yīng)的位置砂體最厚。通過建立研究區(qū)沉積旋回的識(shí)別標(biāo)志，在數(shù)字露頭上進(jìn)行沉積旋回界面的追蹤與對比，識(shí)別出了3個(gè)不對稱式短期旋回，這3個(gè)短期旋回又可組成1個(gè)四級(jí)基準(zhǔn)面上升半旋回，為一套整體向上變細(xì)的四級(jí)準(zhǔn)層序組，其砂體厚度向上具有減小的趨勢。通過建立砂體解釋標(biāo)志，分別在四級(jí)基準(zhǔn)面旋回底部和剖面頂部識(shí)別出了典型的河道砂體，進(jìn)而對露頭解剖的單砂體內(nèi)部砂層進(jìn)行了精細(xì)刻畫與對比?？傮w認(rèn)為，剖面巖性以細(xì)砂巖和粗粉砂巖為主，局部夾暗色泥巖和頁巖；砂體側(cè)向遷移，在垂向上呈多期疊置關(guān)系，橫向上變化較大。

地面激光雷達(dá)；數(shù)字露頭；層序界面；沉積旋回；砂體特征；延長組；鄂爾多斯盆地

0　引言

地面激光雷達(dá)（簡稱LIDAR）是近年來發(fā)展迅速的一種對地探測技術(shù)，也是國外近些年興起的一種細(xì)致刻畫野外露頭三維形態(tài)的方法［1-5］，它可準(zhǔn)確、快速、自動(dòng)地獲取野外地質(zhì)露頭的三維信息。通過對野外露頭進(jìn)行連續(xù)掃描，再將傳統(tǒng)方法收集到的地質(zhì)信息與其相結(jié)合，并利用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)地層圖像可視化，這樣就可更客觀、全面地認(rèn)識(shí)野外露頭所揭示的地質(zhì)信息［6-7］。傳統(tǒng)的露頭研究主要以野外測量、描述、拍照和繪制手工剖面為手段，所建立的地質(zhì)模型為二維模型，其精度低，受地形影響大，無法采集高危地區(qū)的露頭資料。三維數(shù)字露頭直接再現(xiàn)了野外露頭的地質(zhì)特征，同時(shí)借助三維可視化操作軟件，在室內(nèi)即可對數(shù)字露頭進(jìn)行多角度、多視野觀察，并可作為室內(nèi)露頭區(qū)地質(zhì)分析的第一手資料，減少野外地質(zhì)工作量。本次研究借助地面激光雷達(dá)技術(shù)，采集鄂爾多斯盆地楊家溝剖面露頭信息，構(gòu)建其數(shù)字露頭，并基于數(shù)字露頭進(jìn)行地質(zhì)信息提取與分析，開展層序界面、沉積旋回的識(shí)別與劃分，以及砂體空間分布特征精確測量與描述，認(rèn)識(shí)并分析地層、巖相、砂體等的發(fā)育特征及空間展布規(guī)律等。

1　地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地是位于中國西部的一個(gè)整體升降、坳陷遷移、構(gòu)造簡單的大型多旋回克拉通盆地，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造平緩，每千米坡降不足1°，廣泛發(fā)育中新生代陸相地層。楊家溝剖面位于鄂爾多斯盆地陜北斜坡帶東部，陜西省延安市延長縣境內(nèi)，地處楊家溝村延河北岸，氣候干燥少雨，地表植被較不發(fā)育，地層出露狀況良好，是開展激光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集，構(gòu)建數(shù)字露頭的理想場所，也是開展曲流河三角洲平原研究的重點(diǎn)區(qū)域。該剖面發(fā)育上三疊統(tǒng)延長組長3油層組，厚度為100～110 m，地層產(chǎn)狀平緩，褶皺、斷層和節(jié)理均不發(fā)育，巖性以灰色中、厚層細(xì)粒砂巖為主，夾薄層暗色泥巖。

2　數(shù)字露頭表層模型的建立

為了能夠獲取更強(qiáng)的激光反射強(qiáng)度，在數(shù)據(jù)采集前，選擇了地層出露良好且鄰近采石場的位置。該處露頭高度為40～50 m，露頭剖面近乎垂直且連續(xù)，同時(shí)又具有多個(gè)不同方位剖面的良好條件，是LIDAR掃描儀最為理想的掃描對象。在這種情況下的數(shù)字露頭所建立的地質(zhì)模型能代表真實(shí)的地質(zhì)情況。數(shù)字露頭表層模型建立的工作流程包括三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集、地理坐標(biāo)數(shù)據(jù)的采集和高精度紋理影像（數(shù)碼照片）的采集、LIDAR數(shù)據(jù)處理、分塊數(shù)據(jù)切割、TIN（不規(guī)則三角網(wǎng)網(wǎng)格）模型的建立、紋理影像貼圖，以及模型的拼接與優(yōu)化等［5］。為了得到與LIDAR掃描儀具有相同視角的高分辨率露頭數(shù)碼照片，所使用的集成高分辨率數(shù)碼相機(jī)（賓得645 D，可達(dá)4 000萬像素）需安置在掃描儀附近的位置，并進(jìn)行影像采集。同時(shí)，在露頭掃描區(qū)域選擇3～5個(gè)不在一條直線上的特征點(diǎn)（GPS控制點(diǎn)），用于點(diǎn)云與大地坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換與校正。部分激光雷達(dá)點(diǎn)云及相應(yīng)的數(shù)碼照片如圖1所示。本次研究使用的是奧地利Rigel VZ-400遠(yuǎn)程三維激光掃描儀。由于現(xiàn)場受地形限制，將掃描距離設(shè)為150 m，掃描密度設(shè)為1 cm。楊家溝剖面數(shù)字露頭連景圖如圖2所示。

圖1　LIDAR點(diǎn)云（a）及相應(yīng)的數(shù)碼照片（b）Fig.1　The LIDAR point cloud（a）and corresponding digital photogragh（b）

圖2　楊家溝剖面數(shù)字露頭連景圖Fig.2　Panorama of digital outcrop of Yangjiagou section

圖3　楊家溝剖面四級(jí)層序界面劃分Fig.3　The fourth-order sequence boundary division of Yangjiagou section

3　基于數(shù)字露頭的地質(zhì)信息獲取與分析

露頭是沉積儲(chǔ)層地質(zhì)學(xué)研究最直觀、最真實(shí)、最詳細(xì)的資料，具有鉆井和地震資料所不具備的直觀性、可測性、完整性、精確性、可檢驗(yàn)性，以及便于大比例尺研究等特點(diǎn)。鑒于野外視野的局限性，較難在野外進(jìn)行層序界面連續(xù)追蹤與分析、短期沉積旋回識(shí)別與劃分，以及區(qū)域沉積微相識(shí)別與追蹤。借助數(shù)字露頭，可以彌補(bǔ)野外露頭觀測與研究的不足。

3.1層序界面識(shí)別與劃分

一套實(shí)際可用的基于數(shù)字露頭的層序地層學(xué)研究方法應(yīng)包括以下3個(gè)部分：①必須先在野外踏勘時(shí)選取典型的考察點(diǎn)進(jìn)行盡可能詳細(xì)的層序地層學(xué)研究，建立切實(shí)可行的適合于研究區(qū)的各級(jí)層序界面識(shí)別標(biāo)志，劃分各級(jí)層序邊界，或者根據(jù)前人的研究成果，建立研究區(qū)的層序識(shí)別標(biāo)志；②借助數(shù)字露頭瀏覽與編輯軟件，在數(shù)字露頭上進(jìn)行層序標(biāo)定；③根據(jù)標(biāo)定的邊界和建立的識(shí)別標(biāo)志在數(shù)字露頭上進(jìn)行層序邊界識(shí)別和層序界面追蹤，完成整個(gè)數(shù)字露頭的層序劃分與對比。本次研究，首先經(jīng)過野外實(shí)地踏勘觀測，建立了典型的層序界面識(shí)別標(biāo)志［8-9］，并根據(jù)層序地層學(xué)理論劃分了層序類型，然后對數(shù)字露頭剖面進(jìn)行層序標(biāo)定，進(jìn)而在數(shù)字露頭上進(jìn)行層序界面的追蹤與對比（圖3）。楊家溝剖面數(shù)字露頭上能夠識(shí)別出1個(gè)四級(jí)層序界面（圖3中紅線所示），該層序界面之下地層巖性自下而上為一由細(xì)到粗的反旋回，下部為泥質(zhì)粉砂巖、細(xì)粉砂巖，向上過渡為粗粉砂—細(xì)砂巖；該層序界面之上地層巖性自下而上為一由粗到細(xì)的正旋回，下部為巨厚層的中、粗砂巖，向上過渡為中厚—薄層的粉砂質(zhì)泥巖、細(xì)粉砂巖。層序界面識(shí)別標(biāo)志是河道砂體底部形成的巨厚塊狀砂巖和河道滯留沉積，具沖刷面和泥礫，見交錯(cuò)層理，反映水體突然變化。在陸相地層剖面上，層序界面以上往往伴隨厚砂體的分布。如圖3中，層序界面對應(yīng)的位置砂體最厚。

3.2沉積旋回識(shí)別與劃分

在旋回地層對比研究中關(guān)鍵的問題是旋回界面的識(shí)別和旋回級(jí)次的劃分?；跀?shù)字露頭的沉積旋回研究方法與上述基于數(shù)字露頭的層序地層學(xué)研究方法類似。筆者總結(jié)前人對基準(zhǔn)面旋回級(jí)次劃分及基本特征的認(rèn)識(shí)，建立了研究區(qū)沉積旋回的識(shí)別標(biāo)志，并對楊家溝剖面的數(shù)字露頭剖面進(jìn)行了沉積旋回劃分，進(jìn)而在數(shù)字露頭上進(jìn)行沉積旋回界面的追蹤與對比（圖4）。圖4中的剖面可識(shí)別出3個(gè)不對稱式短期旋回，每個(gè)旋回基準(zhǔn)面相當(dāng)于1個(gè)五級(jí)層序界面，可與五級(jí)層序進(jìn)行對比。該短期旋回主要受控于天文因素（偏心率短周期）而非構(gòu)造因素，與黃道傾斜的斜率周期中氣候波動(dòng)引起的基準(zhǔn)面升降和A/S值變化有關(guān)，地層單元內(nèi)基本等時(shí)［10-11］，是一套具低幅度水深變化的、彼此間成因聯(lián)系極為密切的或由相似巖性、巖相地層疊加組成的湖進(jìn)—湖退沉積序列。這3個(gè)短期旋回可組成1個(gè)四級(jí)基準(zhǔn)面上升半旋回，為一套整體向上變細(xì)的四級(jí)準(zhǔn)層序組，砂體厚度向上具有減小的趨勢。

圖4　楊家溝剖面沉積旋回劃分Fig.4　Sedimentary cycles division of Yangjiagou section

圖5　楊家溝剖面河道砂體的空間展布特征（a）以及河道底部孔洞局部切圖（b）Fig.5　Spatial distribution characteristics of channel sand body（a）and partial slicing of the river bottom hole（b）of Yangjiagou section

3.3砂體識(shí)別與精細(xì)描述

研究砂體特征最直觀的手段是對野外露頭進(jìn)行直接觀測和分析，但是因野外視野局限，對于連續(xù)展布的較大型砂體的空間形態(tài)、展布特征以及單砂體砂層的精細(xì)描述與連續(xù)性追蹤等研究均難以實(shí)現(xiàn)。因此，利用數(shù)字露頭的高精度、可縮放特征，借助數(shù)字露頭瀏覽與編輯軟件，可在數(shù)字露頭上較好地刻畫砂體的空間展布特征以及單砂體砂層的精細(xì)描述。

研究區(qū)長3沉積期發(fā)育三角洲平原亞相。三角洲平原是三角洲的陸上沉積部分，位于從河流大量分叉處到湖平面之間，以分流河道和分流河道間洼地的砂泥巖互層沉積為特征，其中分流河道沉積是主要的儲(chǔ)集砂體之一［12-15］。研究區(qū)分流河道砂體的空間展布如圖5所示（圖中1號(hào)和2號(hào)位置），其在數(shù)字露頭剖面上呈厚層塊狀或扁平透鏡狀，易于識(shí)別，通常發(fā)育于四級(jí)基準(zhǔn)面旋回底部。1號(hào)砂體寬度較寬，約390 m，幾乎橫穿研究區(qū)整個(gè)北西—南東向的剖面，最大厚度為8.2 m，砂體寬厚比較大，順物源方向沉積，橫向延伸性較好；2號(hào)砂體寬度約為137 m，最大厚度為14.8 m，發(fā)育在剖面頂部，砂體寬厚比小于10。此外，在數(shù)字露頭上，發(fā)現(xiàn)較多的大小不等、呈疊瓦狀定向排列的孔洞發(fā)育于河道砂體的底部，出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因可能是由于河床下伏的泥礫在后期的風(fēng)化淋濾作用下剝蝕而形成。

為了對砂體內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行更精確的測量與描述，深入分析沉積砂體的橫向分布和砂體的連通關(guān)系，本次研究通過露頭解剖進(jìn)行了單砂體內(nèi)部砂層的精細(xì)刻畫與對比。在沿公路楊家溝剖面北西—南東向長度近500 m的剖面上進(jìn)行了野外露頭巖性柱狀剖面實(shí)測，實(shí)測剖面垂直高度為2 m，共測得9條巖性剖面，各條剖面之間橫向距離為40～50 m（視沿路地形條件而定），實(shí)測巖性示意圖如圖6（a）所示，實(shí)測巖性剖面位置如圖6（b）所示。對剖面進(jìn)行砂層對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該剖面巖性以灰色細(xì)砂巖和粗粉砂巖為主，局部夾暗色泥頁巖，砂體側(cè)向遷移頻繁。不同剖面位置的砂體在垂向上呈多期疊置關(guān)系，表現(xiàn)為縱向上單層砂體連續(xù)疊置或有泥頁巖夾層，橫向上變化較大。據(jù)統(tǒng)計(jì)（統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表1），單砂層厚度為15～200 cm，平均為67.7 cm。其中，泥質(zhì)粉砂巖厚度為40～80cm，平均為53.3 cm；粗粉砂巖厚度為15～200 cm，平均為76 cm；細(xì)砂巖厚度為20～150 cm，平均為62.2 cm；砂體發(fā)育情況良好，砂泥比高。

圖6　楊家溝剖面實(shí)測巖性示意圖與實(shí)測剖面位置Fig.6　Schematic diagram of measured lithology and measured profile location of Yangjiagou section

表1　單砂層發(fā)育情況統(tǒng)計(jì)表Table 1　Development statistics of single sand of Yangjiagou section cm

4　結(jié)論

（1）利用數(shù)字露頭剖面，可以更方便地研究層序界面和沉積旋回及對砂體進(jìn)行識(shí)別。

（2）基于鄂爾多斯盆地楊家溝數(shù)字露頭剖面對上三疊統(tǒng)延長組長3油層組的研究表明，該剖面可以劃分出1個(gè)四級(jí)層序界面，層序界面對應(yīng)的位置砂體最厚；可以識(shí)別出3個(gè)不對稱式短期旋回；可分別在四級(jí)基準(zhǔn)面旋回底部和剖面頂部識(shí)別出典型的河道砂體。單砂體的巖性以細(xì)砂巖和粗粉砂巖為主，局部夾暗色泥巖和頁巖，砂體側(cè)向遷移，在垂向上呈多期疊置關(guān)系，橫向上變化較大。

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（本文編輯：楊琦）

Geological information extraction and analysis based on digital outcrop：A case of Yangjiagou section of the Upper Triassic Yanchang Formation in Ordos Basin

Liu Xuefeng1，Ma Yiyun1，2，Zeng Qihong2，Shao Yanlin1，Zhang Youyan2，Ye Yong2
（1.School of Geosciences，Yangtze University，Wuhan 430100，China；2.PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration&Development，Beijing 100083，China）

In order to improve the shortcomings of the traditional method of outcrop research and cognize geological information more objectively and comprehensively from outcrop，the laser radar technique was applied to the study of outcrop stratigraphic mapping.With the use of computer visualization，this paper constructed digital outcrop of Yangjiagou section of the Upper Triassic Yanchang Formation，Ordos Basin.Geological information extraction and analysis were carried out based on digital outcrop，such as the sequence stratigraphy，sedimentary cycle and sand body distribution of Chang 3 oil reservoir set of Yanchang Formation.Through establishing typical sequence boundary identification marks and combining with the theory of sequence stratigraphy，sequence boundary identifying andtracking on digital outcrop were conducted and a fourth-order sequence boundary was identified.A positive cycle and a reverse cycle were respectively developed above and below the boundary，and the location of the thickest sand body is corresponding to the fourth-order sequence boundary.Through establishing sedimentary cycle identification marks，tracing and contrasting sedimentary cycle interface on digital outcrop，three asymmetric short-term cycles were identified.These three short-term cycles can compose a fourth-order base level rising half cycle.It is a set of the overall upward trend of the fourth-order parasequence-set，with the trend of decreasing thickness upward of sand body.Through the establishment of sand body interpretation marks，typical channel sand body were respectively identified at the bottom of the fourth-order base level cycle and the top of the profile.And then，fine description and comparison of the internal layer of single sand body was made according to the outcrop anatomy.Comparison results show that the main lithology of the profile is fine sand and coarse silt，locally clipping dark mudstone or shale.

ground-based Lidar；digital outcrop；sequence boundary；sedimentary cycle；sand body characteristics；YanchangFormation；OrdosBasin

P931

A

1673-8926（2015）05-0013-06

2015-04-20；

2015-06-03

國家重大科技專項(xiàng)“復(fù)雜儲(chǔ)層油氣測井解釋理論方法與處理技術(shù)”（編號(hào)：2011ZX05020-008）資助

劉學(xué)鋒（1967-），男，博士后，教授，主要從事含油氣盆地構(gòu)造分析、地理信息系統(tǒng)應(yīng)用、地學(xué)三維建模與可視化等方面的教學(xué)與科研工作。地址：（430100）湖北省武漢市蔡甸區(qū)大學(xué)路111號(hào)長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院。E-mail：lxf02@163.com。