基于GIS的岩溶古地貌定量刻画方法分析研究

霍红英，朱正平*，刘义生，潘仁芳，翁雪波

（1.长江大学 油气资源与勘查技术教育部重点实验室，湖北 武汉 430100）

岩溶古地貌形成于风化、剥蚀、岩溶等多种地质条件的综合作用下，岩溶储层发育的预测程度深受古地貌形态展布的影响。曾洪流[1]等在缺乏指示水深的地震相标志的情况下，结合钻井资料利用传统古地貌恢复技术，定性重建了岩溶沉积环境；李笑天[2]等结合地震、钻井、地质资料，利用印模法与地层厚度的组合关系定性恢复了岩溶古地貌，并分析了油气的主要储集区；苏海[3]等在地震资料和联井正演模型的基础上，采用残厚法和层拉平技术进行了古地貌的定性恢复，地貌单元的划分为储层预测提供了依据。岩溶储层的发育与岩溶古地貌具有相关性，因此开展岩溶古地貌的恢复，对储层分析和找寻油气藏具有指导意义[4]。目前，岩溶古地貌的恢复多为定性方法，定量化研究虽有涉及但仍显不足，因此寻求地貌单元间的定量化研究尤为迫切。

GIS强大的管理处理分析定量空间数据的功能可以很好地弥补定性解释岩溶古地貌的不足。王京[5]等通过对古水文地质环境的分析，获取了古地貌侵蚀空间分布，并完成了裂缝发育预测，开创性地实现了GIS分析技术与地下构造的结合；孙兰[6]等对地表喀斯特区域的地貌分区研究和王毅[7]等对喀斯特地貌区植被覆盖与地形因子的空间分析研究，均对开展地下岩溶地貌区划具有借鉴意义。GIS在与其他学科相结合、定量化地貌描述以及对地貌进行分区研究方面具有突出优势，因此其在古地貌定量刻画和分区方面的研究具有可行性。同时，随着数字地形分析应用与实践的日益增多，利用数字地形分析原理提取地貌特征因子进行地形分类的方法日渐成为目前研究的趋势。

鉴于传统古地貌恢复的局限性以及空间分析技术的优势，本文以高石梯—磨溪区块灯四段岩溶储层为例，在传统古地貌恢复方法印模法的基础上，利用GIS技术空间分析方法进行了定量化地形分析和水文地质环境分析，并进行了古地貌评价，为储层分布提供预测。

1 研究区概况

本文选取高石梯—磨溪区块为研究区，位于四川盆地中部平缓构造带，被北部川北古坳陷低缓带、南部川南低陡穹型带、西部川西坳陷低陡带和东部川东高陡断褶带所环绕（图1）。该沉积盖层中灯影组顶部与其上覆寒武系下统筇竹寺组为不整合接触，底部与震旦系下统陡山沱组整合接触[8]。在地质历史时期，四川盆地经历众多构造运动，澄江运动使得四川盆地拥有统一的沉积基底，桐湾运动使得灯二段、灯四段抬升出露地表遭受大气降水侵蚀作用，后又经历桐湾Ⅱ幕地形抬升作用，灯四段出露地表受降水影响的同时伴随着风化作用，灯四段顶形成大量不同程度的溶蚀孔洞和溶蚀缝[9]。经历数次构造沉积演化过程，该区域沉积了中下三叠统及其之下的以碳酸盐岩为主的海相地层和上三叠统—侏罗系的以砂泥岩为主的陆相地层。本文采用西南油田分公司的川中地区灯四段划分方案，即高磨区灯四段发育完整，但灯影组内部存在假整合。

图1 四川盆地构造分区图和工区位置

2 地貌因子分析

以灯四段上亚段为主要研究地层，印模法在定性表征该区域岩溶地貌方面具有良好效果，而GIS则在定量分析处理地貌方面独具优势。因此，为了提高对岩溶地貌的定量化描述水平，本文在印模法的基础上，对印模厚度进行矢量化处理，构建印模厚度DEM模型，从GIS的地貌因子出发，提取地形因子和水文因子。提取的地貌因子包括坡面、流域和区域3个尺度，如表1所示。

表1 地貌因子分类

2.1 地形因子分析

地形因子的选择对分析古地貌特征具有重要意义，本文在系统分析张磊[10]对地形因子与地貌形态空间格局关系的研究和王毅[7]等对喀斯特地貌区多种地形因子的定量分析结果的基础上，选取了最能反映喀斯特地貌区空间格局变化的5个地形因子，分别为高程、坡度、地表切割深度、地表粗糙度和地形起伏度。

2.1.1 高程

高程是指某点沿铅垂线方向到绝对基面的距离。作为描述地形表面基本属性的因子，高程在反映地形起伏形态方面发挥着重要作用，也是构建DEM的基础数据。在地形分析中，高程值可从DEM中直接读取，坡度、坡向、曲率、高程变异系数等也可通过一系列运算得出。

由图2可知，研究区高程介于248～651 m之间，属中低山，全区大部海拔较低，区域海拔落差不大，高石梯大部和磨溪中部区域地表高程变化较缓和；在高石梯向磨溪的过渡地带以及磨溪西部、西北部存在明显落差区，地形的高低起伏影响着水流的侵蚀与走向。

2.1.2 坡度

坡度是指目标点的法线方向与切平面方向之间的夹角，具有表达地表坡面倾斜程度的作用，同时地表物质运动和能量转化也受其影响。坡度作为影响侵蚀的主控因素，在地貌研究分析中独具意义[11]。地表某点坡度的计算公式为：

式中，fx为南北方向上的高程变化率；fy为东西方向上的高程变化率。

由图3可知，研究区坡度介于0～18°之间，总体坡度变化较小，全区大部介于0～1°、1～2°区间；2～5°区间多呈条带状分布，位于高石梯—磨溪的过渡地区和磨溪西部；5～7°、7～18°区间零星分布于过渡区以及西部边界区，面积虽小，但侵蚀程度较强，流水切割作用也较强，因此对地貌塑造作用也最强。

2.1.3 地表切割深度

地表切割深度是指特定研究单元内所包含栅格中平均高程值与最小高程值之差。作为衡量地表被切割深度的重要指标，在水土流失、地表侵蚀、地貌分类等分析方面具有实际应用价值。地表切割深度的计算公式为：

式中，Hmean为区域内平均高程值；Hmin为区域内的最小高程值。

由图4可知，研究区内地表切割深度介于1～142之间，变化较大，全区大部切割深度介于1～3.7区间；3.7～6.3区间呈条带状，多分布于磨溪地区中部以及研究区西部边界；6.3～142区间零星分布于高石梯向磨溪过渡带以及研究区西部边界。相较于高石梯区块，磨溪区块的地表切割深度偏大，因此就裂缝发育来说，磨溪区块的缝洞比高石梯区块更发育一些。

2.1.4 地表粗糙度

地表粗糙度作为衡量一定地表区域地势起伏复杂程度的重要指标，用地表区域的实际面积与投影面积之比来表示，在地质构造、水土流失方面具有重要应用价值[12]。地表粗糙度越大，地表起伏变化就越大，地表遭受侵蚀程度也就越强。地表粗糙度的计算公式为：

式中，S为研究区域内的坡度。

由图5可知，在研究区内高石梯—磨溪区块西部边缘以及两区块衔接区地表粗糙度较高，最高可达1.054，其余部分均较小，地表粗糙度接近于1，这表明高石梯—磨溪区块西部边缘以及两区块衔接区地形起伏较大，地表遭受侵蚀程度较强，地形也较为复杂。

图2 研究区高程图

图3 研究区坡度分级图

图4 研究区地表切割深度图

2.1.5 地形起伏度

地形起伏度是地表单元内所涉栅格的最大高程值与最小高程值之差，作为表达地形起伏的指标，在区域地形研究中发挥着重要作用。地形起伏度的计算公式为：

式中，Hmax为地表单元的最大高程值；Hmin为地表单元的最小高程值。

由图6可知，研究区内的地形起伏变化范围适中，其中起伏度为0～30 m的占比最大，起伏度为0～70 m的占比次之，起伏度为70～120 m、120～200 m、200～240 m的零星分布于研究区西部边界以及高石梯向磨溪的过渡区。总体来说，研究区内的地形起伏变化不大，北部和南部大部区域地形起伏度较小，只在西部地区和部分呈条带状区域地形起伏较大。流水侵蚀作用为该区域岩溶地貌的形成与演化准备了充分条件。

为了进一步提高对岩溶古地貌恢复的精度，需对地形因子进行遴选。核心地形因子既要从不同尺度出发描述岩溶地貌形态、空间分异、规律与机理，又要兼顾代表性、完整性、独立性和可操作性，因此通过分析各地形因子，本文选取高程、坡度、地形起伏度作为核心地形因子。

2.2 水文因子分析

恢复古河道和古地理侵蚀环境对于研究该区域水文地质条件具有积极作用，因此本文对研究区的水流、河网和流域进行了分析。

2.2.1 水流长度

水流长度是指从水流起始点沿水流方向到水流终点所流经的最大长度投射到水平面上的长度。坡面的长短影响着水流的侵蚀能力，当坡面越长、坡度越大、汇流流量越大时，地表所受水流的侵蚀也就越强[13]。由图7可知，水流长度高值区分布于高石梯向磨溪过渡区的东部以及研究区中西部边界，这些区域水流长度较大，因此地表遭受水流侵蚀程度也较大。

2.2.2 河网分级

在水文学中通过河流的流量、形态等因素对河流进行分级；而在水文分析中，可通过河流的级别推断河流的流速大小，在霍顿划分方法中，河流级别越低、流速越快，河流级别越高、流速越慢。由图8可知，1、2级支流落差较大，对地表侵蚀作用较强，3级支流落差较小，对地表侵蚀作用较弱。

2.2.3 流域分析

流域是以分水岭为界限的水系覆盖区和集水区。本文在提取水流方向和汇流累计量的基础上进行流域分析。流域分析的数据结果展示了区域内每个流域汇水面积的大小，结合水流的方向与长度可反映不同流域的侵蚀程度。由图9可知，4号、5号流域的范围最大，结合水流长度，说明这两个区域的侵蚀程度比其他流域强，同时外力作用程度也较强。

对水流长度、河网分级和流域分析进行研究，不仅有利于了解研究区水文地质条件，而且能在增进对岩溶古地貌侵蚀环境的认识方面发挥积极作用。从流域尺度考虑，根据岩溶地貌的侵蚀机理，同时兼顾水文因子的代表性，本文选择河网分级作为核心水文因子。

图5 研究区地表粗糙度图

图6 研究区地形起伏度图

图7 研究区水流长度图

图8 研究区河网分级图

图9 研究区流域分析图

图10 研究区地貌分区成图

3 岩溶古地貌单元刻画与特征分析

3.1 定量化刻画的方法与原理

地貌类型的判别深受地貌分类方案的影响，因此分类原则的确定对划分地貌类型具有重要影响。桑琴[14]等在对蜀古岩溶地貌单元划分时采用地貌成因分类方案；孙兰[6]等在基本地貌类型划分时采用地貌成因—形态分类方案；本文借鉴前人关于划分地貌类型的研究并结合研究区地貌特征，初步尝试以地貌成因—形态分类原则为依据进行定量分析。

1）以参考文献[15]、[16]为依据，综合分析各核心地貌因子，结合研究区典型地貌特征，本文确定影响本区地貌类型划分的三大敏感因子为高程、坡度、地形起伏度（如表2所示）。

2）对上述敏感因子进行重分类操作和空间叠加分析处理，并以此成图对地貌类型进行初步划分。

3）结合区域水文地质特征，做进一步修正处理，得到研究区的地貌分区成图（图10）。

表2 研究区基本地貌类型分级分类体系

3.2 地貌单元划分与评价

由图10可知，研究区地貌共分为岩溶高地、岩溶缓坡、岩溶缓坡过渡带和岩溶洼地4类，其中岩溶高地的地势整体较高，坡度较小且展布平缓，处于大气降水补给区，地表水系不发育，经历风化侵蚀和大气降雨淋滤，岩溶主要表现为垂向渗滤，以溶蚀裂缝、溶洞为主，且易被后期形成的沉积物所填充，故而岩溶储层质量差，不利于后期油气的聚集；岩溶缓坡呈环状分布于岩溶高地周围，地形地势起伏较大，且处于岩溶补给径流区，地表水系发育，具有较好的水动力条件，区域岩溶作用表现为垂直渗流和水平潜流相结合，受灯影组碳酸盐岩物质基础影响，垂向和横向岩溶均十分发育，溶蚀物质被快速带离，因此保存有大型岩溶孔洞，为良好的油气聚集地；岩溶缓坡过渡带位于岩溶缓坡向岩溶洼地的过渡区，虽地势起伏不大，但同样具有地势坡降，坡降程度小于岩溶缓坡，水动力较弱，降水较长时间停留，溶蚀作用虽强烈但由于岩溶作用时间周期长，导致侵蚀物质未被带走又遭填充，虽发育一定量孔洞但岩溶发育条件一般，油气的储集性能比岩溶缓坡差；岩溶洼地位于研究区西部边界，地势起伏小，较为平坦，水动力条件弱，流动缓慢，岩溶作用以表层岩溶和浅层岩溶为主，作为水流系统的汇水区和排泄区，该区域侵蚀物质充填作用强烈，导致岩溶作用下形成储集空间变小，连通性能减弱，因此不利于油气的形成储存。

4 结 语

在地貌学基础、数字地形分析理论知识的指导下，本文在传统古地貌恢复方法——印模法的基础上，利用GIS空间分析技术，定量刻画和恢复了岩溶古地貌。

1）本文利用印模厚度DEM模型进行地貌因子分析，并提取了反映研究区地貌特征的地形因子和水文因子；再从中选择了核心因子，并进一步确定地貌敏感因子；最后刻画了岩溶古地貌，并进行了地貌单元划分。

2）结合地貌组合特征与水文地质环境，研究区地貌分区包括岩溶高地、岩溶缓坡、岩溶缓坡过渡带和岩溶洼地4类，其中岩溶高地因沉积物填充储层质量差，不利于后期油气聚集；岩溶缓坡存在大型孔洞，是良好的油气聚集地；岩溶缓坡过渡带因溶蚀物质滞留、空间变小，导致储集性比岩溶缓坡弱；岩溶洼地因填充作用强而导致储集空间较小。