基于GIS的巖溶古地貌定量刻畫方法分析研究

霍紅英，朱正平*，劉義生，潘仁芳，翁雪波

（1.長江大學 油氣資源與勘查技術(shù)教育部重點實驗室，湖北 武漢 430100）

巖溶古地貌形成于風化、剝蝕、巖溶等多種地質(zhì)條件的綜合作用下，巖溶儲層發(fā)育的預測程度深受古地貌形態(tài)展布的影響。曾洪流[1]等在缺乏指示水深的地震相標志的情況下，結(jié)合鉆井資料利用傳統(tǒng)古地貌恢復技術(shù)，定性重建了巖溶沉積環(huán)境；李笑天[2]等結(jié)合地震、鉆井、地質(zhì)資料，利用印模法與地層厚度的組合關(guān)系定性恢復了巖溶古地貌，并分析了油氣的主要儲集區(qū)；蘇海[3]等在地震資料和聯(lián)井正演模型的基礎(chǔ)上，采用殘厚法和層拉平技術(shù)進行了古地貌的定性恢復，地貌單元的劃分為儲層預測提供了依據(jù)。巖溶儲層的發(fā)育與巖溶古地貌具有相關(guān)性，因此開展巖溶古地貌的恢復，對儲層分析和找尋油氣藏具有指導意義[4]。目前，巖溶古地貌的恢復多為定性方法，定量化研究雖有涉及但仍顯不足，因此尋求地貌單元間的定量化研究尤為迫切。

GIS強大的管理處理分析定量空間數(shù)據(jù)的功能可以很好地彌補定性解釋巖溶古地貌的不足。王京[5]等通過對古水文地質(zhì)環(huán)境的分析，獲取了古地貌侵蝕空間分布，并完成了裂縫發(fā)育預測，開創(chuàng)性地實現(xiàn)了GIS分析技術(shù)與地下構(gòu)造的結(jié)合；孫蘭[6]等對地表喀斯特區(qū)域的地貌分區(qū)研究和王毅[7]等對喀斯特地貌區(qū)植被覆蓋與地形因子的空間分析研究，均對開展地下巖溶地貌區(qū)劃具有借鑒意義。GIS在與其他學科相結(jié)合、定量化地貌描述以及對地貌進行分區(qū)研究方面具有突出優(yōu)勢，因此其在古地貌定量刻畫和分區(qū)方面的研究具有可行性。同時，隨著數(shù)字地形分析應(yīng)用與實踐的日益增多，利用數(shù)字地形分析原理提取地貌特征因子進行地形分類的方法日漸成為目前研究的趨勢。

鑒于傳統(tǒng)古地貌恢復的局限性以及空間分析技術(shù)的優(yōu)勢，本文以高石梯—磨溪區(qū)塊燈四段巖溶儲層為例，在傳統(tǒng)古地貌恢復方法印模法的基礎(chǔ)上，利用GIS技術(shù)空間分析方法進行了定量化地形分析和水文地質(zhì)環(huán)境分析，并進行了古地貌評價，為儲層分布提供預測。

1 研究區(qū)概況

本文選取高石梯—磨溪區(qū)塊為研究區(qū)，位于四川盆地中部平緩構(gòu)造帶，被北部川北古坳陷低緩帶、南部川南低陡穹型帶、西部川西坳陷低陡帶和東部川東高陡斷褶帶所環(huán)繞（圖1）。該沉積蓋層中燈影組頂部與其上覆寒武系下統(tǒng)筇竹寺組為不整合接觸，底部與震旦系下統(tǒng)陡山沱組整合接觸[8]。在地質(zhì)歷史時期，四川盆地經(jīng)歷眾多構(gòu)造運動，澄江運動使得四川盆地擁有統(tǒng)一的沉積基底，桐灣運動使得燈二段、燈四段抬升出露地表遭受大氣降水侵蝕作用，后又經(jīng)歷桐灣Ⅱ幕地形抬升作用，燈四段出露地表受降水影響的同時伴隨著風化作用，燈四段頂形成大量不同程度的溶蝕孔洞和溶蝕縫[9]。經(jīng)歷數(shù)次構(gòu)造沉積演化過程，該區(qū)域沉積了中下三疊統(tǒng)及其之下的以碳酸鹽巖為主的海相地層和上三疊統(tǒng)—侏羅系的以砂泥巖為主的陸相地層。本文采用西南油田分公司的川中地區(qū)燈四段劃分方案，即高磨區(qū)燈四段發(fā)育完整，但燈影組內(nèi)部存在假整合。

圖1 四川盆地構(gòu)造分區(qū)圖和工區(qū)位置

2 地貌因子分析

以燈四段上亞段為主要研究地層，印模法在定性表征該區(qū)域巖溶地貌方面具有良好效果，而GIS則在定量分析處理地貌方面獨具優(yōu)勢。因此，為了提高對巖溶地貌的定量化描述水平，本文在印模法的基礎(chǔ)上，對印模厚度進行矢量化處理，構(gòu)建印模厚度DEM模型，從GIS的地貌因子出發(fā)，提取地形因子和水文因子。提取的地貌因子包括坡面、流域和區(qū)域3個尺度，如表1所示。

表1 地貌因子分類

2.1 地形因子分析

地形因子的選擇對分析古地貌特征具有重要意義，本文在系統(tǒng)分析張磊[10]對地形因子與地貌形態(tài)空間格局關(guān)系的研究和王毅[7]等對喀斯特地貌區(qū)多種地形因子的定量分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，選取了最能反映喀斯特地貌區(qū)空間格局變化的5個地形因子，分別為高程、坡度、地表切割深度、地表粗糙度和地形起伏度。

2.1.1 高程

高程是指某點沿鉛垂線方向到絕對基面的距離。作為描述地形表面基本屬性的因子，高程在反映地形起伏形態(tài)方面發(fā)揮著重要作用，也是構(gòu)建DEM的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在地形分析中，高程值可從DEM中直接讀取，坡度、坡向、曲率、高程變異系數(shù)等也可通過一系列運算得出。

由圖2可知，研究區(qū)高程介于248～651 m之間，屬中低山，全區(qū)大部海拔較低，區(qū)域海拔落差不大，高石梯大部和磨溪中部區(qū)域地表高程變化較緩和；在高石梯向磨溪的過渡地帶以及磨溪西部、西北部存在明顯落差區(qū)，地形的高低起伏影響著水流的侵蝕與走向。

2.1.2 坡度

坡度是指目標點的法線方向與切平面方向之間的夾角，具有表達地表坡面傾斜程度的作用，同時地表物質(zhì)運動和能量轉(zhuǎn)化也受其影響。坡度作為影響侵蝕的主控因素，在地貌研究分析中獨具意義[11]。地表某點坡度的計算公式為：

式中，fx為南北方向上的高程變化率；fy為東西方向上的高程變化率。

由圖3可知，研究區(qū)坡度介于0～18°之間，總體坡度變化較小，全區(qū)大部介于0～1°、1～2°區(qū)間；2～5°區(qū)間多呈條帶狀分布，位于高石梯—磨溪的過渡地區(qū)和磨溪西部；5～7°、7～18°區(qū)間零星分布于過渡區(qū)以及西部邊界區(qū)，面積雖小，但侵蝕程度較強，流水切割作用也較強，因此對地貌塑造作用也最強。

2.1.3 地表切割深度

地表切割深度是指特定研究單元內(nèi)所包含柵格中平均高程值與最小高程值之差。作為衡量地表被切割深度的重要指標，在水土流失、地表侵蝕、地貌分類等分析方面具有實際應(yīng)用價值。地表切割深度的計算公式為：

式中，Hmean為區(qū)域內(nèi)平均高程值；Hmin為區(qū)域內(nèi)的最小高程值。

由圖4可知，研究區(qū)內(nèi)地表切割深度介于1～142之間，變化較大，全區(qū)大部切割深度介于1～3.7區(qū)間；3.7～6.3區(qū)間呈條帶狀，多分布于磨溪地區(qū)中部以及研究區(qū)西部邊界；6.3～142區(qū)間零星分布于高石梯向磨溪過渡帶以及研究區(qū)西部邊界。相較于高石梯區(qū)塊，磨溪區(qū)塊的地表切割深度偏大，因此就裂縫發(fā)育來說，磨溪區(qū)塊的縫洞比高石梯區(qū)塊更發(fā)育一些。

2.1.4 地表粗糙度

地表粗糙度作為衡量一定地表區(qū)域地勢起伏復雜程度的重要指標，用地表區(qū)域的實際面積與投影面積之比來表示，在地質(zhì)構(gòu)造、水土流失方面具有重要應(yīng)用價值[12]。地表粗糙度越大，地表起伏變化就越大，地表遭受侵蝕程度也就越強。地表粗糙度的計算公式為：

式中，S為研究區(qū)域內(nèi)的坡度。

由圖5可知，在研究區(qū)內(nèi)高石梯—磨溪區(qū)塊西部邊緣以及兩區(qū)塊銜接區(qū)地表粗糙度較高，最高可達1.054，其余部分均較小，地表粗糙度接近于1，這表明高石梯—磨溪區(qū)塊西部邊緣以及兩區(qū)塊銜接區(qū)地形起伏較大，地表遭受侵蝕程度較強，地形也較為復雜。

圖2 研究區(qū)高程圖

圖3 研究區(qū)坡度分級圖

圖4 研究區(qū)地表切割深度圖

2.1.5 地形起伏度

地形起伏度是地表單元內(nèi)所涉柵格的最大高程值與最小高程值之差，作為表達地形起伏的指標，在區(qū)域地形研究中發(fā)揮著重要作用。地形起伏度的計算公式為：

式中，Hmax為地表單元的最大高程值；Hmin為地表單元的最小高程值。

由圖6可知，研究區(qū)內(nèi)的地形起伏變化范圍適中，其中起伏度為0～30 m的占比最大，起伏度為0～70 m的占比次之，起伏度為70～120 m、120～200 m、200～240 m的零星分布于研究區(qū)西部邊界以及高石梯向磨溪的過渡區(qū)?？傮w來說，研究區(qū)內(nèi)的地形起伏變化不大，北部和南部大部區(qū)域地形起伏度較小，只在西部地區(qū)和部分呈條帶狀區(qū)域地形起伏較大。流水侵蝕作用為該區(qū)域巖溶地貌的形成與演化準備了充分條件。

為了進一步提高對巖溶古地貌恢復的精度，需對地形因子進行遴選。核心地形因子既要從不同尺度出發(fā)描述巖溶地貌形態(tài)、空間分異、規(guī)律與機理，又要兼顧代表性、完整性、獨立性和可操作性，因此通過分析各地形因子，本文選取高程、坡度、地形起伏度作為核心地形因子。

2.2 水文因子分析

恢復古河道和古地理侵蝕環(huán)境對于研究該區(qū)域水文地質(zhì)條件具有積極作用，因此本文對研究區(qū)的水流、河網(wǎng)和流域進行了分析。

2.2.1 水流長度

水流長度是指從水流起始點沿水流方向到水流終點所流經(jīng)的最大長度投射到水平面上的長度。坡面的長短影響著水流的侵蝕能力，當坡面越長、坡度越大、匯流流量越大時，地表所受水流的侵蝕也就越強[13]。由圖7可知，水流長度高值區(qū)分布于高石梯向磨溪過渡區(qū)的東部以及研究區(qū)中西部邊界，這些區(qū)域水流長度較大，因此地表遭受水流侵蝕程度也較大。

2.2.2 河網(wǎng)分級

在水文學中通過河流的流量、形態(tài)等因素對河流進行分級；而在水文分析中，可通過河流的級別推斷河流的流速大小，在霍頓劃分方法中，河流級別越低、流速越快，河流級別越高、流速越慢。由圖8可知，1、2級支流落差較大，對地表侵蝕作用較強，3級支流落差較小，對地表侵蝕作用較弱。

2.2.3 流域分析

流域是以分水嶺為界限的水系覆蓋區(qū)和集水區(qū)。本文在提取水流方向和匯流累計量的基礎(chǔ)上進行流域分析。流域分析的數(shù)據(jù)結(jié)果展示了區(qū)域內(nèi)每個流域匯水面積的大小，結(jié)合水流的方向與長度可反映不同流域的侵蝕程度。由圖9可知，4號、5號流域的范圍最大，結(jié)合水流長度，說明這兩個區(qū)域的侵蝕程度比其他流域強，同時外力作用程度也較強。

對水流長度、河網(wǎng)分級和流域分析進行研究，不僅有利于了解研究區(qū)水文地質(zhì)條件，而且能在增進對巖溶古地貌侵蝕環(huán)境的認識方面發(fā)揮積極作用。從流域尺度考慮，根據(jù)巖溶地貌的侵蝕機理，同時兼顧水文因子的代表性，本文選擇河網(wǎng)分級作為核心水文因子。

圖5 研究區(qū)地表粗糙度圖

圖6 研究區(qū)地形起伏度圖

圖7 研究區(qū)水流長度圖

圖8 研究區(qū)河網(wǎng)分級圖

圖9 研究區(qū)流域分析圖

圖10 研究區(qū)地貌分區(qū)成圖

3 巖溶古地貌單元刻畫與特征分析

3.1 定量化刻畫的方法與原理

地貌類型的判別深受地貌分類方案的影響，因此分類原則的確定對劃分地貌類型具有重要影響。桑琴[14]等在對蜀古巖溶地貌單元劃分時采用地貌成因分類方案；孫蘭[6]等在基本地貌類型劃分時采用地貌成因—形態(tài)分類方案；本文借鑒前人關(guān)于劃分地貌類型的研究并結(jié)合研究區(qū)地貌特征，初步嘗試以地貌成因—形態(tài)分類原則為依據(jù)進行定量分析。

1）以參考文獻[15]、[16]為依據(jù)，綜合分析各核心地貌因子，結(jié)合研究區(qū)典型地貌特征，本文確定影響本區(qū)地貌類型劃分的三大敏感因子為高程、坡度、地形起伏度（如表2所示）。

2）對上述敏感因子進行重分類操作和空間疊加分析處理，并以此成圖對地貌類型進行初步劃分。

3）結(jié)合區(qū)域水文地質(zhì)特征，做進一步修正處理，得到研究區(qū)的地貌分區(qū)成圖（圖10）。

表2 研究區(qū)基本地貌類型分級分類體系

3.2 地貌單元劃分與評價

由圖10可知，研究區(qū)地貌共分為巖溶高地、巖溶緩坡、巖溶緩坡過渡帶和巖溶洼地4類，其中巖溶高地的地勢整體較高，坡度較小且展布平緩，處于大氣降水補給區(qū)，地表水系不發(fā)育，經(jīng)歷風化侵蝕和大氣降雨淋濾，巖溶主要表現(xiàn)為垂向滲濾，以溶蝕裂縫、溶洞為主，且易被后期形成的沉積物所填充，故而巖溶儲層質(zhì)量差，不利于后期油氣的聚集；巖溶緩坡呈環(huán)狀分布于巖溶高地周圍，地形地勢起伏較大，且處于巖溶補給徑流區(qū)，地表水系發(fā)育，具有較好的水動力條件，區(qū)域巖溶作用表現(xiàn)為垂直滲流和水平潛流相結(jié)合，受燈影組碳酸鹽巖物質(zhì)基礎(chǔ)影響，垂向和橫向巖溶均十分發(fā)育，溶蝕物質(zhì)被快速帶離，因此保存有大型巖溶孔洞，為良好的油氣聚集地；巖溶緩坡過渡帶位于巖溶緩坡向巖溶洼地的過渡區(qū)，雖地勢起伏不大，但同樣具有地勢坡降，坡降程度小于巖溶緩坡，水動力較弱，降水較長時間停留，溶蝕作用雖強烈但由于巖溶作用時間周期長，導致侵蝕物質(zhì)未被帶走又遭填充，雖發(fā)育一定量孔洞但巖溶發(fā)育條件一般，油氣的儲集性能比巖溶緩坡差；巖溶洼地位于研究區(qū)西部邊界，地勢起伏小，較為平坦，水動力條件弱，流動緩慢，巖溶作用以表層巖溶和淺層巖溶為主，作為水流系統(tǒng)的匯水區(qū)和排泄區(qū)，該區(qū)域侵蝕物質(zhì)充填作用強烈，導致巖溶作用下形成儲集空間變小，連通性能減弱，因此不利于油氣的形成儲存。

4 結(jié) 語

在地貌學基礎(chǔ)、數(shù)字地形分析理論知識的指導下，本文在傳統(tǒng)古地貌恢復方法——印模法的基礎(chǔ)上，利用GIS空間分析技術(shù)，定量刻畫和恢復了巖溶古地貌。

1）本文利用印模厚度DEM模型進行地貌因子分析，并提取了反映研究區(qū)地貌特征的地形因子和水文因子；再從中選擇了核心因子，并進一步確定地貌敏感因子；最后刻畫了巖溶古地貌，并進行了地貌單元劃分。

2）結(jié)合地貌組合特征與水文地質(zhì)環(huán)境，研究區(qū)地貌分區(qū)包括巖溶高地、巖溶緩坡、巖溶緩坡過渡帶和巖溶洼地4類，其中巖溶高地因沉積物填充儲層質(zhì)量差，不利于后期油氣聚集；巖溶緩坡存在大型孔洞，是良好的油氣聚集地；巖溶緩坡過渡帶因溶蝕物質(zhì)滯留、空間變小，導致儲集性比巖溶緩坡弱；巖溶洼地因填充作用強而導致儲集空間較小。