基于数字露头的地质信息提取与分析——以鄂尔多斯盆地上三叠统延长组杨家沟剖面为例

刘学锋，马乙云，，曾齐红，邵燕林，张友焱，叶　勇

（1.长江大学地球科学学院，武汉430100；2.中国石油勘探开发研究院，北京100083）

基于数字露头的地质信息提取与分析
——以鄂尔多斯盆地上三叠统延长组杨家沟剖面为例

刘学锋1，马乙云1，2，曾齐红2，邵燕林1，张友焱2，叶勇2

（1.长江大学地球科学学院，武汉430100；2.中国石油勘探开发研究院，北京100083）

为了改进传统露头研究方法的不足，以及客观、全面地认识露头所揭示的地质信息，将激光雷达技术应用到露头地层成图研究中，并利用计算机技术实现地层图像可视化，形成了鄂尔多斯盆地上三叠统延长组杨家沟剖面数字露头。基于数字露头开展上三叠统延长组长3油层组层序地层、沉积旋回和砂体展布等地质信息的提取与分析，并利用典型层序界面识别标志，结合层序地层学理论，在数字露头上进行层序边界识别和层序界面追踪，划分出1个四级层序界面，其界面之下地层岩性表现为反旋回，界面之上地层岩性表现为正旋回，层序界面对应的位置砂体最厚。通过建立研究区沉积旋回的识别标志，在数字露头上进行沉积旋回界面的追踪与对比，识别出了3个不对称式短期旋回，这3个短期旋回又可组成1个四级基准面上升半旋回，为一套整体向上变细的四级准层序组，其砂体厚度向上具有减小的趋势。通过建立砂体解释标志，分别在四级基准面旋回底部和剖面顶部识别出了典型的河道砂体，进而对露头解剖的单砂体内部砂层进行了精细刻画与对比。总体认为，剖面岩性以细砂岩和粗粉砂岩为主，局部夹暗色泥岩和页岩；砂体侧向迁移，在垂向上呈多期叠置关系，横向上变化较大。

地面激光雷达；数字露头；层序界面；沉积旋回；砂体特征；延长组；鄂尔多斯盆地

0　引言

地面激光雷达（简称LIDAR）是近年来发展迅速的一种对地探测技术，也是国外近些年兴起的一种细致刻画野外露头三维形态的方法［1-5］，它可准确、快速、自动地获取野外地质露头的三维信息。通过对野外露头进行连续扫描，再将传统方法收集到的地质信息与其相结合，并利用计算机技术实现地层图像可视化，这样就可更客观、全面地认识野外露头所揭示的地质信息［6-7］。传统的露头研究主要以野外测量、描述、拍照和绘制手工剖面为手段，所建立的地质模型为二维模型，其精度低，受地形影响大，无法采集高危地区的露头资料。三维数字露头直接再现了野外露头的地质特征，同时借助三维可视化操作软件，在室内即可对数字露头进行多角度、多视野观察，并可作为室内露头区地质分析的第一手资料，减少野外地质工作量。本次研究借助地面激光雷达技术，采集鄂尔多斯盆地杨家沟剖面露头信息，构建其数字露头，并基于数字露头进行地质信息提取与分析，开展层序界面、沉积旋回的识别与划分，以及砂体空间分布特征精确测量与描述，认识并分析地层、岩相、砂体等的发育特征及空间展布规律等。

1　地质背景

鄂尔多斯盆地是位于中国西部的一个整体升降、坳陷迁移、构造简单的大型多旋回克拉通盆地，区域地质构造平缓，每千米坡降不足1°，广泛发育中新生代陆相地层。杨家沟剖面位于鄂尔多斯盆地陕北斜坡带东部，陕西省延安市延长县境内，地处杨家沟村延河北岸，气候干燥少雨，地表植被较不发育，地层出露状况良好，是开展激光雷达数据采集，构建数字露头的理想场所，也是开展曲流河三角洲平原研究的重点区域。该剖面发育上三叠统延长组长3油层组，厚度为100～110 m，地层产状平缓，褶皱、断层和节理均不发育，岩性以灰色中、厚层细粒砂岩为主，夹薄层暗色泥岩。

2　数字露头表层模型的建立

为了能够获取更强的激光反射强度，在数据采集前，选择了地层出露良好且邻近采石场的位置。该处露头高度为40～50 m，露头剖面近乎垂直且连续，同时又具有多个不同方位剖面的良好条件，是LIDAR扫描仪最为理想的扫描对象。在这种情况下的数字露头所建立的地质模型能代表真实的地质情况。数字露头表层模型建立的工作流程包括三维点云数据的采集、地理坐标数据的采集和高精度纹理影像（数码照片）的采集、LIDAR数据处理、分块数据切割、TIN（不规则三角网网格）模型的建立、纹理影像贴图，以及模型的拼接与优化等［5］。为了得到与LIDAR扫描仪具有相同视角的高分辨率露头数码照片，所使用的集成高分辨率数码相机（宾得645 D，可达4 000万像素）需安置在扫描仪附近的位置，并进行影像采集。同时，在露头扫描区域选择3～5个不在一条直线上的特征点（GPS控制点），用于点云与大地坐标之间的转换与校正。部分激光雷达点云及相应的数码照片如图1所示。本次研究使用的是奥地利Rigel VZ-400远程三维激光扫描仪。由于现场受地形限制，将扫描距离设为150 m，扫描密度设为1 cm。杨家沟剖面数字露头连景图如图2所示。

图1　LIDAR点云（a）及相应的数码照片（b）Fig.1　The LIDAR point cloud（a）and corresponding digital photogragh（b）

图2　杨家沟剖面数字露头连景图Fig.2　Panorama of digital outcrop of Yangjiagou section

图3　杨家沟剖面四级层序界面划分Fig.3　The fourth-order sequence boundary division of Yangjiagou section

3　基于数字露头的地质信息获取与分析

露头是沉积储层地质学研究最直观、最真实、最详细的资料，具有钻井和地震资料所不具备的直观性、可测性、完整性、精确性、可检验性，以及便于大比例尺研究等特点。鉴于野外视野的局限性，较难在野外进行层序界面连续追踪与分析、短期沉积旋回识别与划分，以及区域沉积微相识别与追踪。借助数字露头，可以弥补野外露头观测与研究的不足。

3.1层序界面识别与划分

一套实际可用的基于数字露头的层序地层学研究方法应包括以下3个部分：①必须先在野外踏勘时选取典型的考察点进行尽可能详细的层序地层学研究，建立切实可行的适合于研究区的各级层序界面识别标志，划分各级层序边界，或者根据前人的研究成果，建立研究区的层序识别标志；②借助数字露头浏览与编辑软件，在数字露头上进行层序标定；③根据标定的边界和建立的识别标志在数字露头上进行层序边界识别和层序界面追踪，完成整个数字露头的层序划分与对比。本次研究，首先经过野外实地踏勘观测，建立了典型的层序界面识别标志［8-9］，并根据层序地层学理论划分了层序类型，然后对数字露头剖面进行层序标定，进而在数字露头上进行层序界面的追踪与对比（图3）。杨家沟剖面数字露头上能够识别出1个四级层序界面（图3中红线所示），该层序界面之下地层岩性自下而上为一由细到粗的反旋回，下部为泥质粉砂岩、细粉砂岩，向上过渡为粗粉砂—细砂岩；该层序界面之上地层岩性自下而上为一由粗到细的正旋回，下部为巨厚层的中、粗砂岩，向上过渡为中厚—薄层的粉砂质泥岩、细粉砂岩。层序界面识别标志是河道砂体底部形成的巨厚块状砂岩和河道滞留沉积，具冲刷面和泥砾，见交错层理，反映水体突然变化。在陆相地层剖面上，层序界面以上往往伴随厚砂体的分布。如图3中，层序界面对应的位置砂体最厚。

3.2沉积旋回识别与划分

在旋回地层对比研究中关键的问题是旋回界面的识别和旋回级次的划分。基于数字露头的沉积旋回研究方法与上述基于数字露头的层序地层学研究方法类似。笔者总结前人对基准面旋回级次划分及基本特征的认识，建立了研究区沉积旋回的识别标志，并对杨家沟剖面的数字露头剖面进行了沉积旋回划分，进而在数字露头上进行沉积旋回界面的追踪与对比（图4）。图4中的剖面可识别出3个不对称式短期旋回，每个旋回基准面相当于1个五级层序界面，可与五级层序进行对比。该短期旋回主要受控于天文因素（偏心率短周期）而非构造因素，与黄道倾斜的斜率周期中气候波动引起的基准面升降和A/S值变化有关，地层单元内基本等时［10-11］，是一套具低幅度水深变化的、彼此间成因联系极为密切的或由相似岩性、岩相地层叠加组成的湖进—湖退沉积序列。这3个短期旋回可组成1个四级基准面上升半旋回，为一套整体向上变细的四级准层序组，砂体厚度向上具有减小的趋势。

图4　杨家沟剖面沉积旋回划分Fig.4　Sedimentary cycles division of Yangjiagou section

图5　杨家沟剖面河道砂体的空间展布特征（a）以及河道底部孔洞局部切图（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砂体识别与精细描述

研究砂体特征最直观的手段是对野外露头进行直接观测和分析，但是因野外视野局限，对于连续展布的较大型砂体的空间形态、展布特征以及单砂体砂层的精细描述与连续性追踪等研究均难以实现。因此，利用数字露头的高精度、可缩放特征，借助数字露头浏览与编辑软件，可在数字露头上较好地刻画砂体的空间展布特征以及单砂体砂层的精细描述。

研究区长3沉积期发育三角洲平原亚相。三角洲平原是三角洲的陆上沉积部分，位于从河流大量分叉处到湖平面之间，以分流河道和分流河道间洼地的砂泥岩互层沉积为特征，其中分流河道沉积是主要的储集砂体之一［12-15］。研究区分流河道砂体的空间展布如图5所示（图中1号和2号位置），其在数字露头剖面上呈厚层块状或扁平透镜状，易于识别，通常发育于四级基准面旋回底部。1号砂体宽度较宽，约390 m，几乎横穿研究区整个北西—南东向的剖面，最大厚度为8.2 m，砂体宽厚比较大，顺物源方向沉积，横向延伸性较好；2号砂体宽度约为137 m，最大厚度为14.8 m，发育在剖面顶部，砂体宽厚比小于10。此外，在数字露头上，发现较多的大小不等、呈叠瓦状定向排列的孔洞发育于河道砂体的底部，出现该现象的主要原因可能是由于河床下伏的泥砾在后期的风化淋滤作用下剥蚀而形成。

为了对砂体内部结构特征进行更精确的测量与描述，深入分析沉积砂体的横向分布和砂体的连通关系，本次研究通过露头解剖进行了单砂体内部砂层的精细刻画与对比。在沿公路杨家沟剖面北西—南东向长度近500 m的剖面上进行了野外露头岩性柱状剖面实测，实测剖面垂直高度为2 m，共测得9条岩性剖面，各条剖面之间横向距离为40～50 m（视沿路地形条件而定），实测岩性示意图如图6（a）所示，实测岩性剖面位置如图6（b）所示。对剖面进行砂层对比，结果发现该剖面岩性以灰色细砂岩和粗粉砂岩为主，局部夹暗色泥页岩，砂体侧向迁移频繁。不同剖面位置的砂体在垂向上呈多期叠置关系，表现为纵向上单层砂体连续叠置或有泥页岩夹层，横向上变化较大。据统计（统计数据见表1），单砂层厚度为15～200 cm，平均为67.7 cm。其中，泥质粉砂岩厚度为40～80cm，平均为53.3 cm；粗粉砂岩厚度为15～200 cm，平均为76 cm；细砂岩厚度为20～150 cm，平均为62.2 cm；砂体发育情况良好，砂泥比高。

图6　杨家沟剖面实测岩性示意图与实测剖面位置Fig.6　Schematic diagram of measured lithology and measured profile location of Yangjiagou section

表1　单砂层发育情况统计表Table 1　Development statistics of single sand of Yangjiagou section cm

4　结论

（1）利用数字露头剖面，可以更方便地研究层序界面和沉积旋回及对砂体进行识别。

（2）基于鄂尔多斯盆地杨家沟数字露头剖面对上三叠统延长组长3油层组的研究表明，该剖面可以划分出1个四级层序界面，层序界面对应的位置砂体最厚；可以识别出3个不对称式短期旋回；可分别在四级基准面旋回底部和剖面顶部识别出典型的河道砂体。单砂体的岩性以细砂岩和粗粉砂岩为主，局部夹暗色泥岩和页岩，砂体侧向迁移，在垂向上呈多期叠置关系，横向上变化较大。

（References）：

［1］Bellian J A，Kerans C，Jennette D C.Digital outcrop models：Applications of terrestrial scanning lidar technology in stratigraphic modeling［J］.Journal of Sedimentary Research，2005，75（2）：166-176.

［2］Janson X，Kerans C，Bellian J A，et al.Three-dimensional geological and synthetic seismic model of Early Permian redeposited basinal carbonate deposits，Victorio Canyon，West Texas［J］.AAPG Bulletin，2007，91（10）：1405-1436.

［3］Phelps R M，Kerans C，Scott S Z，et al.Three-dimensional modeling and sequence stratigraphy of a carbonate ramp-to-shelf transition，Permian Upper San Andres Formation［J］.Sedimentology，2008，55（6）：1777-1813.

［4］Fabuel-Perez I，Hodgetts D，Redfern J.Integration of digital outcrop models（DOMs）and high resolution sedimentology-workflow and implications for geological modelling：Oukaimeden Sandstone Formation，High Atlas（Morocco）［J］.Petroleum Geoscience，2010，16（2）：133-154.

［5］Zeng Qihong，Xie Xing.Digital outcrop modeling and geology information extraction based on ground-based Lidar［C］.International Conference on Audio，Shanghai：Language and Image Processing，2012.

［6］朱如凯，白斌，袁选俊，等.利用数字露头模型技术对曲流河三角洲沉积储层特征的研究［J］.沉积学报，2013，31（5）：867-877. Zhu Rukai，Bai Bin，Yuan Xuanjun，et al.A new approach for outcrop characterizationand geostatistical analysis of meandering channels sandbodies within a delta plain setting using digital outcrop models：Upper Triassic Yanchang tight sandstone Formation，Yanhe outcrop，Ordos Basin［J］.Acta sedimentologica Sinica，2013，31（5）：867-877.

［7］郑剑锋，沈安江，乔占峰，等.基于激光雷达技术的三维数字露头及其在地质建模中的应用——以巴楚地区大班塔格剖面礁滩复合体为例［J］.海相油气地质，2014，19（3）：72-78. Zheng Jianfeng，Shen Anjiang，Qiao Zhanfeng，et al.Lidar-based 3D digital outcrop modeling and application in geologic modeling：A case of modeling of middle Ordovician reef-beach carbonate body at Dabantage outcrop in Bachu Uplift，Tarim Basin［J］.Marine Origin Petroleum Geology，2014，19（3）：72-78.

［8］罗忠，罗平，张兴阳，等.层序界面对砂岩成岩作用及储层质量的影响——以鄂尔多斯盆地延河露头上三叠统延长组为例［J］.沉积学报，2007，25（6）：903-914. Luo Zhong，Luo Ping，Zhang Xingyang，et al.Effect of sequence boundary on sandstones diagenesis and reservoir quality：An outcrop study from the Upper Triassic Yanchang Formation，Ordos Basin，northwest China［J］.Acta Sedimentologica Sinica，2007，25（6）：903-914.

［9］朱小燕，李爱琴，段晓晨，等.镇北油田延长组长3油层组精细地层划分与对比［J］.岩性油气藏，2007，19（4）：82-86. Zhu Xiaoyan，Li Aiqin，Duan Xiaochen，et al.Fine stratigraphic classification and correlation of Chang 3 reservoir of Yanchang Formation in Zhenbei Oilfield［J］.Lithologic Reservoirs，2007，19（4）：82-86.

［10］张昌民，尹太举，李少华，等.基准面旋回对河道砂体几何形态的控制作用——以枣园油田孔一段枣Ⅱ—Ⅲ油组为例［J］.岩性油气藏，2007，19（4）：9-12. Zhang Changmin，YinTaiju，Li Shaohua，et al.Control of base level cycles on channel sand geometry：A case study on ZaoⅡ-Ⅲreservoirs，Zaoyuan Oilfield［J］.Lithologic Reservoirs，2007，19（4）：9-12.

［11］刘波.基准面旋回与沉积旋回的对比方法探讨［J］.沉积学报，2002，20（1）：112-117. Liu Bo.Discussion on the correlation methods of base-level cycle and sedimentary cycle sequence［J］.Acta Sedimentologica Sinica，2002，20（1）：112-117.

［12］宋凯，吕剑文，杜金良，等.鄂尔多斯盆地中部上三叠统延长组物源方向分析与三角洲沉积体系［J］.古地理学报，2002，4（3）：59-66. Song Kai，Lü Jianwen，Du Jinliang，et al.Source direction analysis and delta depositional systems of Yanchang Formation of the Upper Triassic in the central Ordos Basin［J］.Journal of Palaeogeograph，2002，4（3）：59-66.

［13］石雪峰，杜海峰.姬塬地区长3—长4+5油层组沉积相研究［J］.岩性油气藏，2008，20（1）：59-63. Shi Xuefeng，Du Haifeng.Study on the sedimentary facies of the member 3 and 4+5 of Yanchang Formation in Jiyuan area［J］.Lithologic Reservoirs，2008，20（1）：59-63.

［14］郑荣才，王海红，韩永林，等.鄂尔多斯盆地姬塬地区长6段沉积相特征和砂体展布［J］.岩性油气藏，2008，20（3）：21-26. Zheng Rongcai，Wang Haihong，Han Yonglin，et al.Sedimentary facies characteristics and sandbody distribution of Chang 6 member in Jiyuan area of Ordos Basin［J］.Lithologic Reservoirs，2008，20（3）：21-26.

［15］王伟力，高海仁.鄂尔多斯盆地中东部致密砂岩储层地质特征及控制因素［J］.岩性油气藏，2013，25（6）：71-77. Wang Weili，Gao Hairen.Geologic characteristics and controlling factors of tight sand reservoir in the mid-eastern Ordos Basin［J］. Lithologic Reservoirs，2013，25（6）：71-77.

（本文编辑：杨琦）

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

国家重大科技专项“复杂储层油气测井解释理论方法与处理技术”（编号：2011ZX05020-008）资助

刘学锋（1967-），男，博士后，教授，主要从事含油气盆地构造分析、地理信息系统应用、地学三维建模与可视化等方面的教学与科研工作。地址：（430100）湖北省武汉市蔡甸区大学路111号长江大学地球科学学院。E-mail：lxf02@163.com。