为了厘清古太平洋板块俯冲动力学过程、 牡丹江洋闭合残留效应及区域构造域的叠加关系, 并 对东北亚大陆边缘中生代构造演化框架进行精准重建。 笔者通过对萝北黑龙江杂岩中新识别的中兴林 场花岗质岩石开展野外地质、 岩相学、 锆石U-Pb年代学和全岩地球化学的系统研究, 确定其形成时 代和岩石成因, 旨在查明岩脉形成时代并探讨其成因与地球动力学背景。 研究结果表明, 中兴林场花 岗质岩石为黑云母花岗闪长岩, 野外可见其呈岩脉侵入到黑龙江杂岩变质碎屑岩基质中。 锆石LA ICP-MS U-Pb 定年结果显示中兴林场花岗闪长岩结晶于 (103±1) Ma, 表明黑龙江杂岩在早白垩世 之前已经就位于松辽地块和佳木斯地块之间。 中兴林场早白垩世花岗闪长岩属准铝质钙碱性系列, w (Na2O) >3.2 %, AI值<0.85, Ga/Al <2.6 ×104, w (Zr) <250 ×10-6, CIPW 标准矿物不出现 刚玉, 表明其应为I型花岗岩。 花岗闪长岩的微量元素比值接近下地壳, Zr饱和温度属高温I型花岗 岩范畴, 呈现平坦的重稀土配分型式, 明显亏损Ti、 P, 存在微弱的Eu负异常, 指示其岩浆来源于 基性下地壳且经历了富钛矿物-磷灰石-斜长石等矿物的结晶分异。 结合区域岩浆岩组合及构造特征, 认为中兴林场早白垩世花岗闪长岩的形成与古太平洋板块俯冲有关的弧后伸展密切相关。

为了系统揭示内蒙古根河市三河铅锌矿床深部矿体的空间展布情况与富集规律, 指导矿区深部 找矿预测工作, 笔者采用三维地质建模技术, 并与构造运动相结合, 对矿区规模最大、 工业价值最高 的1号矿体进行了深入研究。 通过系统收集与整理矿区勘查报告、 钻孔数据、 剖面图件等地质资料, 构建了规范的地质数据库。 同时, 运用3DMine矿业软件, 建立了1号矿体的三维实体模型和块体模 型, 并采用距离幂次反比法对块体模型中Pb、 Zn、 Ag品位及矿体厚度属性进行了赋值, 实现了矿化 信息的三维数字化表征。 结合区域构造运动背景, 对控矿构造与矿化富集规律进行了综合分析。 研究 结果表明, 1号矿体的形态、 产状及富集程度严格受NWW向成矿断裂带控制。 矿体在走向上可划分 为3个明显的矿化富集段, 在倾向上可划分为4个矿化富集段。 矿化富集区的分布在走向上以NWW 方向, 在倾向上以SW方向为主要发育方向。 断裂带局部拉张作用强烈的区段, 尤其是走向与倾向拉 张区相互重叠的部位, 是成矿流体汇聚和沉淀的最有利空间, 是矿化富集的核心区域。 综合三维模型 展示的矿体形态、 品位富集规律以及构造控矿进行分析, 本次研究在1号矿体深部圈定了4个具有较 大找矿潜力的成矿靶区。 为了明确靶区的找矿优先顺序, 建立了一套地质依据充分、 空间推断可靠及 探矿工程相关的半定量分级体系, 将其分为Ⅰ级靶区和Ⅱ级靶区两类, Ⅰ级靶区优先钻孔验证。

 以河北省峪耳崖—肖营子矿集区为对象, 基于1 ∶ 5万水系沉积物地球化学测量, 并结合区域 内典型矿床勘查成果, 笔者系统剖析了金及多金属矿的成矿规律与找矿方向。 研究区地处华北克拉通 北缘, 受燕山期构造-岩浆活动控制, 地层以太古界迁西岩群及中元古界为主, 断裂构造发育, 为金 矿形成提供热源与赋矿空间。 通过化探异常圈定与分类, 识别甲、 乙、 丙、 丁类异常34处。 甲类异 常 (如峪耳崖、 铧尖金矿) 已证实具找矿价值; 乙类异常 (如崔杖子、 七道河) 虽部分无矿化显示, 但与有利地质背景耦合, 具潜在成矿性。 典型矿床 (峪耳崖、 铧尖、 长城金矿) 地球化学研究表明, Au、 Ag 为直接指示元素, As、 Sb、 Hg指示盲矿, Cu、 Pb、 Zn 反映多金属叠加, Bi指示矿体尾部。 金异常带呈北西向展布, 受控于北东、 北西向断裂, 元素组合特征可反映矿床规模与品位。 结合区域 地质背景, 明确太古界变质岩为主要矿源层, 燕山期构造-岩浆活动驱动Au等元素富集。 研究筛选 出崔杖子、 龙辛庄、 大马坪3处找矿靶区, 基于其异常元素组合复杂 (含Au、 Hg、 Ag等), 浓度分 带达3级以上, 与已知矿床地质环境相似, 且断裂构造发育等特征, 具良好找矿潜力。 综上, 本研究 揭示了矿集区成矿地质条件与地球化学异常的耦合机制, 建立了岩浆热液型金矿找矿标志。

为了揭示营城组三段 (营三段) 火山喷发旋回的活动规律和断陷末期的盆地充填特征, 并为深 层油气精细勘探提供科学参考, 笔者根据野外剖面观察、 岩心观察、 薄片鉴定、 地球化学分析等, 对 营三段火山喷发旋回进行系统研究。 研究结果表明, 松辽盆地东南隆起区营三段发育3个火山喷发旋 回, 序列关系清晰。 下部 (旋回一) 由酸性火山碎屑岩夹流纹岩组成, 中部 (旋回二) 为中基性熔 岩夹碎屑 (熔) 岩, 上部 (旋回三) 则为酸性熔岩夹碎屑熔岩。 旋回一和旋回三在地球化学特征上 较为相似, 表现为富Si、 富K, 属钾质-高钾质钙碱性系列, 具有显著的轻重稀土分异和Eu负异常, 强烈富集Pb, 并富集Rb、 K等大离子亲石元素, 同时亏损Ti、 Ce、 Eu等高场强元素, 强烈亏损Sr 和P。 旋回二则以富Na和高Al为特征, 碱质量分数较高, 属于钠质碱性-钙碱性系列, 稀土总量较 高, 轻重稀土分异明显, 但未出现显著的Eu异常, 富集Ba、 K和Pb, 强烈亏损Ti, 并亏损Th、 Nb、 Ta 等高场强元素。 这些特征表明, 营三段是太平洋板块向欧亚大陆边缘俯冲影响下的板内大陆裂谷 岩浆作用产物。 旋回一和旋回三的岩浆可能来源于下地壳部分熔融, 而旋回二则起源于亏损地幔并经 历了较强的分异作用。 三者之间缺乏连续演化关系, 其中, 旋回一记录了早期间歇性的酸性火山喷发 及火山物质再搬运沉积, 旋回二反映了大规模、 相对宁静的中-基性熔岩持续喷溢, 旋回三则代表下 地壳熔融及热源供应进入衰退期后较大规模的酸性岩浆喷发。

吐哈盆地台北凹陷胜北洼陷水西沟群致密砂岩储层是盆地内油气勘探的重点目标层系, 且普遍 发育超压, 为系统分析该层段超压现象的成因, 综合运用测井曲线组合分析法、 声波速度-密度交会 图法、 孔隙度对比法、 压力计算反推法和包裹体古压力恢复法对超压成因进行系统分析。 研究结果表 明, 超压主要发育于胜北洼陷2000~5500 m深度段, 压力系数为1.2~1.5, 主要发育快速沉积和泥 岩封隔造成的欠压实超压及生烃增压产生的超压。 结合研究区地质资料, 最适用于研究区的超压成因 研究方法为测井曲线组合分析法及孔隙度对比法, 前者通过声波、 电阻率等曲线的响应特征识别高压 层段, 后者则通过实测孔隙度与理论压实趋势的偏离判断是否存在压力封闭, 进而反演超压的发育强 度与分布范围。 此外, 结合铸体薄片、 物性测试及包裹体镜下特征等方法, 研究了超压对储层的影 响。 结果表明, 生烃增压产生的超压对储层具有显著的建设性: ①生烃增压可诱导岩石产生微裂缝系 统, 有效改善致密砂岩的渗透性, 为油气运移提供优势通道; ②伴随生烃过程释放的有机酸对储层矿 物 (如长石) 产生溶蚀作用, 形成大量粒内溶孔, 从而优化储集空间。 与此同时, 由欠压实作用所 保存的原生孔隙, 也是形成异常高孔带的关键因素之一。

 为明确松辽盆地北部青山口组致密页岩储层的孔隙结构特征、 孔隙非均质性, 揭示分形特征的 主控因素, 笔者以松辽盆地北部青山口组致密页岩储层为研究对象, 通过X-射线衍射 (X-raydiffrac tion, XRD)、 总有机碳 (total organic carbon, TOC) 测试、 氮气吸附-脱附实验及压汞实验等多种分析 手段系统分析了页岩样品的孔隙结构、 有机碳质量分数及孔隙结构参数, 采用分形理论计算不同孔径 区间 (微孔、 介孔、 大孔、 宏孔) 的分形维数及综合分形维数, 深入探究孔隙分形特征与矿物组成、 TOC 质量分数、 比表面积及平均孔径的相关性。 结果表明: 研究区页岩样品矿物组成以黏土矿物与长 英质矿物为主, 储集空间主要为黏土矿物粒间孔。 孔隙具有分选好、 细歪度的特征, 主要发育孔径小 于50 nm的微孔和介孔, 仅发育少量宏孔。 微孔对应的分形维数介于2.47~2.88, 平均为2.71; 介孔 对应分形维数介于2.41 ~2.53, 平均为2.46; 大孔对应的分形维数介于2.07 ~2.88, 平均为2.26; 宏孔对应分形维数介于2.46~3.08, 平均为2.75。 综合分形维数Ds介于2.41 ~2.55, 平均为2.47。 总体而言, 研究区页岩样品孔隙较为复杂, 非均质性较强。 且分形维数与黏土矿物质量分数、 TOC质 量分数、 比表面积与平均孔径有着不同程度的相关性, 其中与介孔对应分形维数相关性最高, 说明介 孔是研究区页岩样品储集空间的主要贡献者。

为了精细表征珠江口盆地白云凹陷重力流沉积的非限制性陆坡水道储层结构, 笔者以白云凹陷 X气田为研究对象, 综合运用岩心、 测井、 地震反演等资料, 分级次研究了非限制性水道储层内部结 构和定量特征, 建立了非限制性水道内部结构精细表征方法, 并揭示了水道砂体接触连通关系。 研究 结果表明: ①研究区主要发育中-细粒长石石英砂岩, 岩心粒度数据点基本平行于C=M基线, 发育 块状泥砾和强烈生物扰动, 无明显下切底形, 为非限制性水道体系; ②研究区水道体系内发育4个复 合水道系列、 多条复合水道和单一水道, 复合水道系列宽度在千米级, 宽深比为133~136, 复合水 道宽度在1000 m±, 宽深比为10~55, 单一水道规模较难确定, 宽约50~100 m, 宽深比为4~8; ③非限制性水道内部砂体存在垂向孤立式、 水道-水道侧向切叠式、 水道-水道侧向拼接式和孤立水道 4 种叠置方式, 其中切叠式储层结构连通关系最好, 拼接式储层结构连通关系较好, 孤立式储层结构 不连通。 该研究成果可用于指导非限制性重力流水道油气田精细开发和开发调整。

为了深入揭示超临界二氧化碳 (supercritical carbon dioxide, SCCO2) 解除致密砂岩水锁的微观 机制, 笔者以松辽盆地梨树断陷沙河子组致密砂岩为研究对象, 对储层在水饱和、 水锁形成、 常规 N2 驱替以及 SCCO2 混相处理后的孔隙结构与赋水状态变化进行了系统实验分析。 实验包括真空饱 水-高压保水水锁模拟、 不同压差下N2驱替、 水-SCCO2 混相处理与后续 N2 气驱, 并结合核磁共振 (nuclear magnetic resonance, NMR) T2 谱反演、 孔径分布分析及铸体薄片观察, 对各阶段孔隙度、 孔 喉尺度及可动水比例的变化进行量化表征。 饱水实验表明, 致密砂岩的初始含水饱和度低于束缚水饱 和度, 水相入侵过程可划分为3个阶段: 1~5 min为快速饱水阶段, 大量水相迅速占据微纳米孔隙; 5 min ~5 h 为缓慢入侵阶段, 含水率持续上升; 5 h之后基本稳定, 显示水锁形成时间短、 稳定性强。 常规N2 驱替呈现明显的孔径选择性。 在压差达到3MPa时, >300 nm的大孔隙水首先被驱替; 压差 升至4~6 MPa后, 80~300 nm孔隙水仅部分被移除, 而更细微的孔隙水仍难以驱出, 整体驱替效率 维持在30%以下。 SCCO2 混相处理明显改变了岩心孔喉结构。 SCCO2 的低黏度与高扩散性使其能够 进入优势孔道, 并与孔隙内碳酸盐胶结物发生酸溶蚀反应, 导致孔隙度增加40% ~80%, 平均孔喉 半径扩大, 孔隙连通性增强。 实验结果表明, SCCO2处理后的砂岩孔隙体系更加开放, 水相束缚程度 降低, 与常规N2驱替相比, 混相-气驱组合更有利于解除微纳米孔隙中的水锁。 该联合流程在改善 致密砂岩孔隙结构及提升驱替效率方面表现出明显优势。

基于沙西北构造带馆陶组火山岩岩石物理特征, 笔者将其分为玄武岩和凝灰岩两大类, 岩石物 理参数差异较大, 玄武岩表现为高速高密特征, 局部与砂岩有重叠区, 而凝灰岩与砂泥岩在速度和密 度上均难以区分。 针对火山岩岩石物理参数重叠导致的识别问题, 结合地震反演技术, 笔者提出了一 种新的基于分相位重构的分频反演方法, 可多级多参数精确识别火山岩。 该方法首先基于玄武岩的高 速高密特征开展分相位重构技术反演, 其核心是优选地震90°相位分量, 有效凸显高阻抗微小变化, 精细刻画了玄武岩边界; 其次开展基于火山岩的低伽马特征非线性分频反演, 其关键是重构0°+90° 相位地震数据为非线性分频反演提供准确的学习样本, 从而有效提高火山岩反演精度。 该方法深化了 火山岩反演技术, 克服了单一参数反演精度低的局限性和非线性分频反演学习样本不准确等问题, 实 现了火山岩精确的多参数和多尺度表征。 实际应用表明, 通过火山岩边界的精细刻画, 最终在沙西北 构造带新增多个构造岩性圈闭, 直接新增以新层序为目的层位设计井1口并钻探获得油层, 证实了构 造岩性圈闭的有效性, 明显提升了火山岩发育区勘探成效, 为井位设计、 井位优化及储量发现提出了 有效的决策方案。

为探究黑龙江流域碳储量的时空变化, 并对该流域未来的碳储量情况进行分情景的模拟预测, 笔 者在黑龙江流域对比3个元胞自动机模型, 选定并利用斑块生成土地覆盖模拟模型 (patch generating land use simulation, PLUS) 耦合生态系统服务和交易的综合评估模型 (integrated valuation of ecosystem services and trade-offs, InVEST) 来模拟黑龙江流域未来的土地利用和土地覆盖 (land use and land cover, LULC) 以及碳储量演变, 开展大尺度跨国LULC演变和碳储量变化研究。 结果表明: ① PLUS 模型对于黑龙江流域的大尺度跨国LULC模拟有较好的精度 (OA=0.897 2, Kappa=0.842 6)。 ② 2000—2020 年, 黑龙江流域内的土地覆盖转变以林地、 耕地和草地之间的转变为主, 同时人造地表 迅速扩张, 挤占耕地面积。 气温和降水是林地、 草地和耕地扩张的重要驱动因素, 耕地的扩展因素还 和GDP有较大的关系。 ③PLUS模型耦合InVEST模型能够实现在黑龙江流域的碳储量变化分析和预测。 从2000 到2020 年, 黑龙江流域内的碳储量先减少后增加, 总体减少了3.171×107 t, 其中中国部分的 碳储量减少1.930×107 t, 俄罗斯部分减少0.090×107 t, 蒙古国部分减少0.017 ×107 t。 分情景预测 2030 年的LULC 和碳储量, 生态保护优先情景的碳储量最大, 达到了619.350×107 t, 中国部分增加 0. 530 ×107 t, 达到325.110 ×107 t, 俄罗斯部分增加0.010 ×107 t, 达到249.250 ×107 t, 蒙古国部分 减少0.180 ×107 t, 达到44.990 ×107 t。 研究表明人类活动与自然环境在实现碳中和中的重要性, 并 指出应采取生态保护措施以提升区域碳储量水平。

为了保证基坑稳定性, 预防地面塌陷、 山体滑坡等地质灾害的发生, 实施长期、 连续的变形监 测至关重要。 徕卡TS60测量机器人作为一款高精度的监测设备, 被广泛应用于多种变形监测任务, 能够实现自动化、 高频率的数据采集。 然而, 在实际使用过程中, 该设备仍存在一定局限, 主要体现 在数据传输实时性较差、 无法进行实时数据处理与分析等方面。 为解决上述工程应用中存在的问题, 利用徕卡TS60提供的大地测量通信 (geodetic communication, GeoCOM) 开发接口, 结合移动互联网 与云计算技术, 构建了一套集成化、 智能化的变形监测系统。 该系统利用Android蓝牙通信技术与 TS60 测量机器人建立通信连接, 实现对TS60的无线控制与数据的实时采集, 借助手机APP进行数据 采集与误差计算, 检验合格的数据保存成JSON格式, 并上传至云服务器, 在MySQL数据库进行数据 存储与管理, 在Web端软件实现形变量计算、 形变误差统计, 采用GM (1, 1) 模型进行变形趋势分 析以及变形量预测与预警, 自动生成监测日报表等功能。 应用测试结果表明, 系统可以实现高精度的 数据采集和形变数据的自动化处理, 减少人工干预, 提高变形监测效率。 另外, 该系统所实现的形变 预测结果与专业统计分析软件SPSSpro的输出结果一致, 表明其分析预测模块的可靠性。

采空区精准探测是保障矿山安全与生态环境修复的核心环节。 针对单一地球物理方法多解性严 重, 在采空区识别中存在的分辨率不足、 深度误差大的问题, 笔者提出一种引入归一化算子的交叉梯 度联合反演方法。 综合利用重力、 地震和瞬变电磁 (transient electromagnetic method, TEM) 数据的优 势信息, 通过在交叉梯度函数中嵌入归一化算子, 克服了不同物性参数幅值差异对交叉梯度结构耦合 的影响, 并利用拉格朗日乘子法将结构约束转化为优化问题, 实现多物性参数同步反演。 模型试算表 明: 深部邻近的小尺度采空区模型中, 联合反演结果精度提升显著, 基于反演结果与真实物性分布的 相对差异公式计算, 重力数据精度提升了50.53%, 电法数据精度提升了21.22%, 地震数据精度提 升了13.65%, 且虚假异常得到有效抑制, 采空区边界刻画更加清晰。 抗噪性测试显示, 即使在10% 随机噪声干扰下, 联合反演仍能有效识别采空区位置与范围, 仅在无异常物性的围岩位置出现虚假异 常, 表明该方法具有良好的稳定性和实用性。 将该方法应用于煤矿采空区实测数据, 联合反演给出的 采空区水平位置 (2150 ~ 2520 m) 及深度范围 (40 ~ 80 m) 与已知地质资料高度一致, 验证了方 法的可靠性与工程实用性。 研究结果表明, 该方法能够有效提高采空区探测的精度和分辨率, 为矿山 采空区的安全监测与治理提供了一种新的技术手段。

为了实现地热资源的可持续利用, 避免回灌低温尾水导致热突破, 保障地热资源长期稳定地开 采, 笔者根据详实的地质勘探和测井资料, 采用热储法系统评估了黑龙江省通河县的地热资源总量和 可开采潜力, 在此基础上, 基于COMSOL Multiphysics 平台构建了考虑地层结构、 水热耦合机制和回 灌边界条件的三维数值模型, 模型尺寸为1600 m×1200 m×500 m, 埋深约1400 m, 中部含水热储 层厚度为174 m。 通过设置 “一注一采” 开采模式, 采用周期性采灌运行机制, 设置回灌井与生产井 等流量运行, 综合分析不同采灌量及井间距组合方案下的热储层温度场演化规律, 分析了低温扰动锋 面的迁移路径及其对生产井温度的影响, 并以生产井温度下降2℃作为热突破判定标准, 进而确定合 理的井间距与采灌量。 研究结果表明, 黑龙江通河县地区地热资源总储热量约2.07×1018 J, 可开采 量折合标准煤2.17×107 t, 地热开发潜力较大; 同时模拟显示, 低温尾水在回灌过程中形成的冷锋随 系统运行时间不断向生产井推进, 过小的井间距或过大的采灌量会加剧热干扰并导致热突破, 影响系 统运行寿命和换热稳定性, 为确保系统持续稳定运行100 a不发生热突破, 不同采灌量对应的最小安 全井间距需严格匹配。 具体而言, 当采灌量为30 m3 /h时, 井间距需大于300 m才能确保系统在 100 a运行周期内不发生热突破; 采灌量分别为40、 60、 80、 100、 120 m3 /h时, 所需合理井间距也需 相应增大至350、 400、 450、 500、 550 m。