三维古地貌重建技术在中生代羌塘地体古地理演化分析中的应用.pdf

第 3 O卷第 5期 2 0 1 1年 5月 地质通报 GEoLoGI CAL BULL ETI N oF CHI N A Vo 1 _ 3 ( ) NO 5 M a v 2 01 1 三维古地貌重建技术在中生代羌塘地体古地理 演化分析中的应用 于 淼， 陈建平 ， 严 琼， 武 璺， 王春女， 于萍萍 YU Mi a o ， CHE N J ia n p in g ， Y AN Qi o n g ， WU Z h a o ， WA NG C h u n n fi， Y U P i n g p i n g 中国地质大学( 北京) 国土资源与高新技术研 究中心 北京 市国土资源信息研究：g - K r 点 实验室， 北京 1 0 0 0 8 3 I n s t i t u t e o f Hi g h a n d N e w T e c h n i q u e s A p p l i e d t o L a n d R e s o u r c e s ， C h i n a U n i v e r s i t y of G e o s c i e n c e s L a n d R e s o u r c e s I n f o r m a t io n D e v e l o p me n t a n d R e s e a r c h K e y L a b o r a t o r y o fB e i j i n g , B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h in a 摘要 ： 近年来， 从古地 貌一 沉积组合与油藏 关系的角度进行油 气远景评价成为研究热点。 针对 古地貌的复原研究 ， 提 出一种建立 三维古地 貌模 型的方法 将二维平面古地 理图通过 对资料 的整理 、 挖掘 与转换 ， 并结合 GI S技 术生成 了三维立体模型 ， 补充 了 区域地形地貌的相关信息。利用该方法， 建立 了青藏高原油气资源潜力最大的区域 羌塘地体在 三叠纪和侏 罗纪的一 系列 三维古地貌模型 进 而对其古环境和 演化过程进行分析 ， 这对于该 区域的沉积矿产资源的预测 与评价有重要 的参考价值。 关键词 ： 三维古地貌模 型； GI S ； 羌塘地体 ； 中生代 中图分类号： P 5 3 1 ； P 5 3 4 5 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 1 2 5 5 2 ( 2 0 1 1 ) 0 5 0 6 9 4 0 8 Y u M， Ch e n J P ， Y a n Q， Wu Z ， Wa n g C N ， Yu P P T h e a p p l ic a t io n o f t h e t e c h n o l o g y f o r t h r e e d i me n s i o n a l r e c o n s t r u c t io n o f a n c ie n t l a n d f o r m in t h e Me s o z o ic p a l e o g r a p h ic e v o l u t i o n o f Qia n g t a n g t e r r a n e ， T ib e t G e o l o g i c a l B u l l e t i n o f C h in a , 2 0 1 1 ， 3 0 ( 5 ) ： 6 9 4 7 0 1 Ab s t r a c t ： I n r e c e n t y e a r s ， t h e e v a l u a t io n o f p e t r o l e u m p r o s p e c t iv e h a s b e c o me a h o t r e s e a r c h t o p ic f r o m t h e a s p e c t o f t h e r e l a t io n s h ip be t we e n t h e a n c ie nt l a nd f or m s e d ime n t a r y a s s e mb l a g e a nd t he o il r e s e r vo ir Aime d a t t he r e s t o r a t io n of a nc ie nt l a nd f o rm ，t h e a u t ho rs pu t for wa r d a me t ho d f o r b ui l ding出r e e d ime n s ion a l r e c o ns t r u c ti o n mod e 1 o f t he a nc ie n t l a n d f o rm M e a n wh il e ，in c o mb in a t io n wit h t he GI S t e c h no l o g y，3 D s t e r e o mo de l wa s c r e a t e d by r e s ha p in g，t a p pin g a nd c on ve r t in g d a t a o f 2D pl a n e pale og r a ph ic c ha r t A s e ri e s o f 3 D J u r a s s i c a n d T r ia s s ic l a n d f o rm mo d e l s we r e b u i l t b y t h is me t h o d f o r Qi a n g t a n g t e r r a n e ， t h e l a r g e s t p e t r o l e u m r e s o u r c e p o t e n t i a l r e g io n i n Qi n g h a i T i b e t a n P l a t e a u Mo r e o v e r ， t h e p a l e o g r a p hi c e v o l u tio n p r o c e s s o f t h i s r e gi o n w a s a n al y z e d ， a n d t h e r e s u l t s o b t a i n e d a r e o f g r e a t r e f e r e n c e v a l u e in t h e p r e d ic t i o n a n d e v al u a t io n o f s e d i me n t a ry m in e r a l r e s o u r c e s i n t h is r e gi o n Ke y wo r d s： t h r e e d ime n s i o n a n c i e n t l a n d for m； GI S ； Qi a n g t a n g t e r r a n e ； Me s o z o i c 古地理学作为一门重要的地球科学 ，受到了国 内外学者 的重视 ， 取得了丰硕的科研成果 ， 其中包括 大量的古地理 图 - 2 。 在此基础上 ， 随着 3 D、 G I S技术 的 日趋成熟 古地貌的复原研究也取得了一些进展。 Ro n B l a k e y在所编制的一系列古地理 图的基础上 ， 应用 3 D晕渲技术 ，完成了含有古地貌信息的美国 西部古地理演化图集t 3 。刘学锋等 基于 G I S技术利 用 回剥分析对盆地古构造进行再造，为含油气盆地 古构造演化史提供了多维的直接证据。 近年来 ，青藏高原以其特殊 的地质构造和资源 收稿 日期 ： 2 0 1 1 一 O 2 2 5 ； 修订 日期 ： 2 0 1 1 0 3 2 3 资助项 目： 中国石油化T股份有限公司项 目 青 藏特提斯活动古地理与油气远景 ( 编号 ： T 0 6 0 0 0 7 Z S 1 5 ) 作者简介 ： 于淼( 1 9 8 4 一 ) ， 女 ， 在读 博士， 地球探测 与信息技术专业 。E ma i l ： y u mi a o 4 5 0 3 2 1 0 1 2 6 c o m 通讯作 者 ： 陈建平 ( 1 9 5 9 一 ) ， 男 ， 教 授 ， 博 士生导 师 ， 从 事矿产 资源定量 预测评价 和“ 3 s ” 技术集 成应用 的教学与研 究工作 。E m a i l ： 3 s C U 曲 e d u C H 第 3 0卷 第 5期 于淼等 ： 三维古 地貌重建技术在 中生代羌塘地体古地理演化分析中的应用 6 9 5 能源潜力成为国内外地学界普遍关注的热点和研究 的难点5 _ 7 】 ， 其中中生代羌塘盆地被认为是青藏高原 油气资源潜力最大的首选盆地。 研究表明， 通过古地 形地貌的复原重建可以揭示沉积 区、 剥蚀区、 海陆变 迁等古地理环境 ，有助于深刻了解沉积盆地的演化 史 ， 对石油 、 天然气和沉积矿产资源的寻找有重大的 实用 价值 因此 笔者提出了一种基于 G I S技术建立三维 古地貌模 型的方法嘲 ， 以岩相古地理 图和相关 地质 背景资料为基础 ，将沉积相信息挖掘转换为高程信 息 ， 从而建立含地形地貌特征的三维立体模型 。 本文 首先介绍建模相关 的技术方法 ，然后建立羌塘地体 三叠纪和侏罗纪一系列的三维古地貌模型 ，进而分 析其古地理演化过程。 1 建模理论依据和步骤 1 1 原 理和地 质模 型 Z ie g l e r 等 提 出的古地貌复原 的基本原则 ： 现 代地表环境 、 大地构造背景及其高程、 地形学特征表 示的对应关系是可以应用到过去的，即遵从均变论 ( Un if o r mi t a r ia n s im)。这 里 需要 指 出 ， 地 学 问题 是 很 复杂的， 局部地区可能不符合“ 均变论” ， 但是作为地 质模型， 目前的研究是在“ 均变论” 的假设下 ， 根据所 研究区域的具体地质背景略作调整。 具体复原方法概括如下。 有沉积记录的区域可以根据沉积相特征推断其 古地形地貌 。 如河流、 湖泊 、 三角洲、 滨海、 浅海 、 深海 沉积相等都可以通过现代地形地貌特征推断其古地 形地貌。 山脉作为沉积物源区，其位置需根据古沉积相 来进行推断 ： 利用洪积扇、 冲积扇等相单元来推断山 坡走势 ：波痕等古水流方向用于指示剥蚀 山脉的大 致方位。山脉的整体展布可以根据与造山相关的古 构造进行推测 。 如近似平行于碰撞带的造山带 ， 在收 缩挤压应力作用下形成谷一 脊构造 ，与造 山带走 向 平行或斜交的伸展拉应力形成盆岭构造等。结合冰 川沉积相的分析 ，对 于古山脉位置的展布和古高程 的确定也有很重要的意义。 利用上述方法对该区域古地理环境有了初步认 识 的基础上 ， 结合项 目组针对研究区域沉积相类型、 构造特点整理的古地形和古水深高程值的范围对各 类沉积边界进行赋值 ( 表 1 ) 。本研究在单个沉积相 表 1 古高程和古水深的高程范围 Ta b l e 1 El e v a t io n r a n g e s o f p a l a e o t o p o g r a p h y a n d p a l a e o b a t h y me t r y 沉积相 高程 m 大洋盆底 大洋盆地 海底扇 斜坡 陆棚 碳酸盐岩台地 滨岸 三角洲 冲积扇 曲流 河与冲积平 原 辫状河 洪积扇 古陆 50 00 600 0 2O 0O - 300 0 比盆底浅 1 O 1 0 0 -3O O 3 00 0 5 O 3 00 0 。 3 00 50 5O 5 200 0 50 O 5 O l 00 5 0 0 50 0 1 000 0 3O 00 的高程范围的基础上 ，还考虑了各临近沉积相在空 间上的相互关系， 来确定具体的高程值。 1 2 空间插值和 3 D 晕渲 本研究利用 GI S空间分析工具 。 通过对 已知高 程等值线插值生成数字古高程模型( P a l a e o DE M) ， 将上述对地形地貌的推断结果用比较直观准确的方 式表达出来。基本思路是岩相古地理 图中各种沉积 相指示着对应的地貌 。可以认为沉积相边界的高程 是基本一致的， 将其作为等值线 ， 设置对应高程值后 插值生成古高程模型。 为了突出图中各 种沉积相类型和地貌高程变 化 ， 利用 3 D 晕渲技术 ( 3 D S h a d e d Re l ie f ) ， 根据各 沉积相高程值 的特点设置了分级节点 ，并相应选择 了能够鲜明地表达地表和水深的颜色生成特定的晕 渲色彩方案。 1 3建模 技 术流 程 本研究建模 的方法主要分为 2个步骤 ：首先从 岩相古地理 图中提取古地理单元边界和属性 ，结合 解释的古高程和古水深范围，进行古地形地貌的复 原 ： 然后利用相关数学算法和 G I S技术对等值线 图 进行空间插值得到古地形高程数据 ；再通过 3 D晕 渲技术 实现含地貌特征的三维古地理图的表达方 式 。图 1 为建立古高程模型方法流程图。 第 3 0卷 第 5期 于淼等 ： 三维古地貌重建技术在中生代 羌塘地体古地理演化分析中的应用 响 原 中央隆起处于挤压状态 而逐渐 隆升。 西 部 和东部 也 出现 了大量的陆地 在陆地与 陆棚过渡带发育 了大量三角洲 相 ， 海域面积缩小 ， 南北两侧产 生 了深 海 远洋 和 海底 扇相 。早 侏罗世对应于班公 湖一怒江缝 合带 主碰撞期 ，总体呈现北陆 南海 的格局 ，陆源剥蚀 区主要 为北侧的可可西里带和 中央隆 起带 ， 南部海域明显萎缩 。 海相 以内外陆棚亚相为主出现潮 坪和泻湖相 。在原中央隆起带 出现 了较大规模的火山带。中 侏罗世是羌塘地体最大的海侵 期 ，海水频繁地越过中央隆起 带向北浸漫，沉积范围显著扩 大 ， 盆地整体性 下沉【 】 陆源剥 蚀 区缩小， 原暴 露古 陆西部 和 东北部大部分保 留为陆地 ， 并 发 育了河流、 三角洲等。 晚侏罗 世 ，由于拉萨地体与羌塘地体 碰撞 ，中央隆起表现为低平 陆 地 或水下 隆起 。 海水 大量退 出， 海域面积减少 但海水仍残 留在羌塘地体 的低地 中。呈北 西一南东向横穿于大陆之间 。 岩相 古地 理 图包 含 了准 确 详 细 的沉 积相 类 型和分 布 信 息 ，是建立古地貌模型的基础 图件资料 ，但作为项 目内部成 果 ，本文仅 引用羌塘地体早三 叠世的岩相古地理 图( 图 3 ) 作 为示 例 。 2 3 模型成果及分析 从上述 资料 中可 以看 出 目前关于羌塘地体中生代的古 地理 相关研究成果 比较 丰硕 但是对于古地形地貌 的认识较 少。通过收集羌塘地体的岩相 古地理图、 古地理演化、 地质构 造背景等资料 ，在对研究区域 u I 上 叫 。 唔 【 I 州 u s u 口 J o 导吕 u 争 0 。 o 【 。 a0 专【 1 团尉舞扭罂 档嘲 噼 营磐 n函 第 3 0卷 第 5期 于淼等 ： 三维古地貌重建技术在 中生代羌塘地 体古地理演化分析 中的应用 7 0 1 有 了充分 认识 的基 础 上 ，首先对 上述 地质 资料 进行 整理和挖掘 ， 然后基于 GI S技术实现三维模 型的建 立和表达 。如图 4至图 9为羌塘地体三叠纪和侏罗 纪以“ 世 ” 为单位的三维古地貌模型 ， 其下方 曲线为 对应的地形剖面图。 通过建立一系列的古地貌立体模型 ，可以直观 清楚地看到羌塘地体早三叠世一晚侏罗世不同地质 年代 的地形地貌特征及演化过程 。 早三叠世 ， 作为龙 木错一双湖缝合带碰撞造山作用的产物 ，中央隆起 带是分隔南北部盆地的构造地貌高地且带中存在较 深的凹陷 ， 如图 4所示 。中三叠世 ， 中央隆起陆源物 质减少 ， 高程降低 ， 东南部暴露陆地 ， 地形较平坦 。 位 于中央隆起带中部的凹陷变浅 。海底 出现 了多种地 貌类型 ， 见图 5 。晚三叠世 ， 金沙江缝合带 的碰撞 闭 合导致陆海面积的增减变化 ，同时地表隆升幅度较 大 ， 原 中央隆起地形相对复杂 ， 如图 6所示。早侏罗 世 ， 由于碰撞挤压从 中央隆起 向北 区域出露海面 形 成大面积的暴露古陆， 地表地形起伏较复杂 沿海陆 边界有火 山地貌 。 见图 7 。中侏罗世 ， 随着盆地 的下 沉和海水的侵漫， 中央隆起东段大部分地区被夷平 西南部存在山区地貌剥蚀 区，古地形总体趋于平坦 并伴有火山和辫状河流地貌 ，如图 8所示 。晚侏罗 世 ， 由于地体碰撞导致陆地面积增加 地势升高且地 形较单一 ， 海域面积相对减少 。 仍保留丰富的地貌类 型 ， 见 图 9 3 结论 结果表明， 按照三维古地貌重建的方法 ， 对古环 境进行近似的 3 D 渲染复原是可行的 建立的三维 古地貌模型可以清楚地将羌塘地体在不 同地质年代 的沉积区与剥蚀 区的分界，在不同的地质事件影响 下陆地 的高程和形态的变化 ，盆地水深和海底不同 的沉积特征的变化 ， 凹陷、 三角洲 、 辫 状河流等不同 地形地貌类型都直观地表达出来 ，为羌塘沉积盆地 古环境演化的研究提供 了有效的途径。 本研究将二维平面古地理图，通过对相关资料 的整理 、 挖掘与转换 ， 并结合 G I S技术 。 生成了三维 立体模型，补充了研究区域地形地貌的相关信息和 细节 ，多角度地表达了研究区域的古环境背景及其 演化过程 。 这对石油 、 天然气和沉积矿产资源的寻找 有重大的实用价值 ， 同时将计算机和 GI S技术应用 于古地理重建工作 ，为中国古地理重建的信息化与 定量化发展提供了一种新的研究方法和手段。 致谢 ： 感谢 中国石化勘探研究院郑和荣副院长、 孙红军总工、吴博博士的协助和项 目组专家王成善 教授、 李祥辉教授等的指导 参考 文献 i i 鸿祯 中国古地理 图集 M】 北京： 地 图出版社， 1 9 8 5 ： 1 -8 5 ( 文) ， 1 2 8 ( 英 文) 2 Go l o n k a J ，F o r d D P a n g e a n (L a t e Ca r b o n if e r o u s Mi d d l e J u r a s s ic ) p a l e o e n v i r o n me n t a n d lit h o f a c i e s 【 1 P a l a e o g e o g r a p h y ， P a l a e o li ma t o l o g Y ， P a l a e o e c o l o g y ， 2 0 0 0 ， I 6 1 ( 1 2 ) ： 1 3 4 3 Dr Ro n Bl a k e y P a l e o g e o g r a p h y a n d T e c t o ni c E v o l u t i o n o f L a t e P a l e o z o ic S e d ime n t a r y Ba s in s ，S o u t h we s t e rn N o r t h Ame r ic a htt p ： j a n U C C n a u e d u r c b 7 g a r ma b s t r a c t h t m1 No r th e r n Ar i z o n a Un i v e r s it y ， 2 0 0 5 4 刘学锋 ， 孟令奎， 黄长青， 等 GI S支持下 的盆地古构 造再造 以 松辽 盆地北部古 中央隆起带为例【 I 】 地球科学， 2 0 0 3 ， 2 8 ( 3 ) ： 3