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    2013年,习近平主席提出共建“一带一路”倡议以来,中国与沿线国家的合作显示出了早期的成效。哈萨克斯坦是中国“一带一路”建设的重要伙伴国家,习近平主席2013年访问哈萨克斯坦,在纳扎尔巴耶夫大学发表演讲时倡议,用创新的合作模式,共同建设“丝绸之路经济带”。

    为使有意了解哈萨克斯坦的地质矿产勘探开发的人员对此有一个大概了解,地调局地学文献中心情报室依托二级项目“地学情报综合研究与产品研发”,编写了本专辑,对哈萨克斯坦的地质矿产勘探开发相关的现状进行了跟踪研究。分为七章,介绍了哈萨克斯坦的地质行业现状、国家地质调查与地下资源利用领域的管理部门、往年的地质勘探工作成果、2015~2019年地质勘探工作规划及该规划的落实措施、勘探开发相关的所有法律问题以及美国地调局2016年6月底发布的《2013年哈萨克斯坦的矿产工业年报》,在专辑的最后进行简单总结,提出了哈萨克斯坦地质行业投资存在的问题及建议。

    哈萨克斯坦矿产储量丰富,近年来矿产储量在加速增长,同时也是矿产生产大国,国家工业总产值的大部分来自矿产开采业。国家重视地质行业发展,地质调查程度较高,出台了多项规划来提高地质研究水平和保障矿产资源储量的增长。为了吸引国外投资进入地质勘探开发领域,国家通过修正法律、提高矿物原料行业透明度、开放地质信息等措施致力于创造良好的投资环境。

    虽然,哈萨克斯坦矿产资源丰富,矿产生产量巨大,法律齐全,对国外投资者无歧视。但也存在着政治及法律的风险,在我们“走出去”的过程中要开放合作思路并防范投资风险。

    今后,地学文献中心情报室将继续追踪“一带一路”俄语国家地质矿产相关领域的信息,形成系列产品。

     

    地学文献中心完成《哈萨克斯坦地质矿产勘探开发指南...

    11月11日下午,中国地质调查局广州海洋地质调查局机关第二党支部组织到广州起义纪念馆开展教育活动,参观了广州起义纪念馆以及《南粤沃土铸伟业—庆祝中国共产党成立95周年纪念展》。展馆通过大量历史照片和文物,展示了广州起义的过程及广东在建党早期的探索历程、主要成就和重要地位。

    广州海洋局党委书记温宁以普通党员身份参加了支部的党日活动。党员们重温了中国共产党在广东的那段特殊又难忘的岁月,感受共产党人为了革命信念不懈奋斗精神,在战斗中表现出的临危不惧、不怕牺牲的英雄主义气概,为挽救革命、为民族解放,甘用热血和生命探寻革命道路的大无畏精神。

    通过参观学习,党员们感受到中国革命、建设和改革开放取得的伟大成绩来之不易,不同时期共产党员,应该肩负起各自的历时使命,投身于党的伟大事业。作为当代党员、新时期的海洋地质工作者,我们要加强党史学习,传承老一辈革命先烈坚守信念、追求真理的崇高精神,坚定理想信念,为海洋地质调查事业、建设海洋强国做出努力。

     

    广州海洋局机关第二党支部开展红色教育活动

    受全球气候变化影响,近年来极端暴雨引发的突发性、群发性地质灾害,给当前防灾减灾工作带来巨大挑战。4月25日,自然资源部召开了2025年全国汛期地质灾害防治工作视频会议,指出今年全国气候年景总体偏差,极端天气气候事件总体呈多发强发态势,地质灾害防治形势依然严峻复杂。

    极端气候条件下,我国地质灾害形成分布与成灾模式将呈现哪些新的特点?地质灾害防灾减灾工作面临哪些新的挑战?对此,记者近日采访了中国工程院院士、自然资源部地质灾害技术指导中心首席科学家殷跃平。

    殷跃平在乌蒙山区指导地质灾害调查

    极端气候下,地质灾害防范应综合施策

    记者:

    地质灾害隐患点是如何调查识别的?

    殷跃平:

    防范地质灾害,首先要调查识别出隐患点在哪里,这是防灾减灾最重要的基础工作。我国自20世纪90年代以来系统开展了全国地质灾害的面上调查和详细调查,目前正在地质灾害高风险地区开展精细调查。这些调查工作动用了全国水工环地质勘查队伍力量。

    随着科学技术的进步,地质灾害调查手段也越来越先进,以卫星遥感、无人机和地面勘查相结合的“空-天-地”一体化技术成为标配。同时,经费投入也成倍激增。例如,早期的面上调查阶段,每个县投入平均10万元,详细调查阶段每个县投入平均在百万元,而现在的精细调查阶段,每个县投入大约要千万元。由于地质作用过程在不断变化中,每年汛期或强震发生后,还要专门开展应急排查工作。

    地灾隐患点的调查识别具有动态性。目前,在册纳入全国防灾减灾具自然属性的地质灾害隐患点大约有28.4万处。此外,还有记录在册的180多万处因开挖切脚等导致稳定性降低的风险斜坡,构成了每年的人为性地质灾害隐患点。

    以滑坡为例,从防治和减灾救灾角度,传统上把地质灾害体分为三种类型。一种是不稳定斜坡,开裂变形等现象显著,稍遇降雨等就会失稳滑动,我们定义其安全系数小于1.0,由于滑动成灾特征明显,相对来说防范难度不大。另一种是稳定斜坡,即使在暴雨、地震等外力作用下,也不易发生整体滑动,安全系数大于1.2,通常不作为防灾减灾的重点。第三种是欠稳定斜坡,安全系数介于1.0~1.2之间,在非汛期等正常条件下,发生整体滑动的可能性较低,但在久雨、暴雨、地震等因素作用下,安全系数极易低于1.0,也会失稳滑动形成灾害,实际上是具有高隐蔽性的不稳定斜坡,这就是我们通常说的“地质灾害隐患点”,成为每年我们防灾减灾要重点关注的对象。

    记者:

    极端气候下,地灾隐患点识别面临哪些新问题?

    殷跃平:

    我们目前面临三个方面的新问题。

    第一是小体积成大灾。早期的隐患点识别对象主要为体积达十万立方米至百万立方米级的大中型灾害体,其变形特征较为明显,易于识别。但是,目前每年发生的地质灾害绝大多数体积在10万立方米之下,为小型、微型灾害体。我们对最近5年的地质灾害做了统计,在西南山区、东南山区和北方山区95%以上都是小微型灾害体。灾害体体积量级变小,发生地质灾害的隐蔽性、随机性就更强,准确识别难度在量级上也就加大了。

    第二是远程成灾模式。我们目前对隐患点的识别评估,基本上偏重于稳定和不稳定极限平衡的静力学范畴,而对于滑动后的远程成灾风险的动力学评价明显不足。例如,今年在四川筠连发生的高位滑坡灾害,实际上滑动后转化为碎屑流,成灾范围达1800米,超出了滑源区距离的数倍,导致距离滑坡体较远的村庄被摧毁。最近几年,发生了多起高位远程地质灾害,例如2017年在四川茂县,滑坡转化为碎屑流,滑动2800米后掩埋了新磨村,导致70余人遇难。

    第三是未知风险源识别。极端暴雨常态化导致了原本属于稳定的斜坡转化为欠稳定或不稳定斜坡,尤其对小微型灾害体的扰动非常明显。2023年汛期,北京西郊遭受了百年罕遇暴雨的袭击,在北京市房山区记录到4天之内降了1025.5毫米,远超过北京多年平均降雨约600毫米的量值,导致了房山、门头沟地区发生了1200多处群发性的小微型流滑地质灾害。2024年,广东、福建、湖南、广西等南方地区因极端降雨也发生了群发性小微型流滑地质灾害,特别是湖南资兴县,6月单日降雨量达643毫米,引发了19300多处群发性小微型地质灾害。

    记者:

    面对这些新问题,如何提高地灾隐患点精准识别与科学评价能力?

    殷跃平:

    针对这三个新问题的防灾减灾,我们逐渐探索出了一些新办法。

    首先,对小微型地质灾害隐患点,应从易灾地质结构角度进行识别,实行“点+面”双控。例如,从地质结构上,华南地区花岗岩全强风化斜坡、西南地区岩溶煤系复合地层斜坡、华北地区推覆构造斜坡、西北地区黄土-红层二元结构斜坡等都是地质灾害的易发易灾区。

    其次,从成灾地貌上,上陡下缓的靴状地貌、滑坡下部的沟谷地貌、高陡危岩带等都易于形成远程灾害。

    再次,应开展不同降雨工况下,甚至地震工况下的,中型、小型和微型地质灾害隐患点评估厘定和风险分级评价。对近年来的多起特大灾害的复盘分析表明,即使是安全系数大于1.2的稳定斜坡,在罕遇暴雨的作用下,也会形成新的灾害,这也就是每年汛期大量地质灾害发生在隐患点之外的重要原因。

    我们对2024年汛期福建、广东、湖南的群发性小微型地质灾害进行复盘,发现即使是安全系数大于1.8的超稳定全强风化花岗岩斜坡,在罕遇暴雨作用下,也会失稳滑动,特别是切坡建房未支护的斜坡更易失稳成灾。

    记者:

    我国地质灾害监测预警方面取得了哪些成效?

    殷跃平:

    在调查识别隐患点的基础上,需要对灾害发生的时间做出及时的判断。目前,在全国地质灾害隐患调查识别的基础上,主要采用“群测群防”的方式进行监测预警。

    “十四五”以来,我国地质灾害科技减灾的能力显著提升,并对6.6万处地质灾害隐患点安装了监测预警仪器。但是,由于地质灾害隐患点主要散布于运行环境复杂的广大农村山区,受技术精度的限制,这种监测预警仪器主要适用于大变形的短临预警。同时,这些隐患点威胁对象一般仅为数户人家,受经费的限制,监测点主要采用主剖面的方式布设,对灾害体面上的控制精度仍然有限,因此称之为普适型监测预警仪。近三年来,普适型监测预警仪已成功预报灾情约150起,涉及可能伤亡人数3000余人,并有效预警险情近600起,紧急撤离约1.1万人,成效非常显著,推动了我国地质灾害从群测群防体系向“人防+技防”相结合的监测预警体系提升。

    记者:

    极端气候下,地质灾害监测预警面临哪些挑战?如何提高复杂山区重特大地灾隐患的专业监测预警能力?

    殷跃平:

    经过多年努力,威胁百人以上的滑坡基本得到控制。但是,泥石流成为对人民生命财产威胁最大的地质灾害灾种。

    我统计了一下,目前威胁人数大于100人的泥石流隐患点约有4800处,其中威胁人数大于1000人的泥石流沟有240多处。受极端气候变化的影响,对泥石流的监测预警难度也更大,造成的重特大地质灾害风险更高,特别是在西部高寒山区,无法利用现有的普适型监测仪器作出及时预警。

    2024年8月3日,四川康定姑咱镇发生山洪泥石流灾害,从海拔5000米高山启动后形成山洪泥石流灾害,致使雅康高速康定至泸定段日地1号隧道至2号隧道间桥梁垮塌和姑咱镇日地村房屋冲毁,27人死亡。据了解,当时,姑咱镇日地沟沟口的降雨量仅25 毫米左右,并未达到泥石流发生阈值。

    这是由于西部高山区易形成地形雨,降雨量从沟口到半山腰再到沟顶差别很大,沟口降雨量虽然仅几十毫米,但后山可能已达到特大暴雨等级。

    实际上,针对这些地区高位泥石流的专业化监测预警设备的研发已经较为成熟,关键是认识上的问题。泥石流大多发生在高陡偏远山区,通常对其调查勘查精度不够、成灾动力学机理研究不深、监测预警技术适配性较差、工程防治等级偏低,这也是每年汛期重特大泥石流灾害易发高发的原因。因此,对于威胁百人、数百人,甚至千人以上的西部高山或极高山区的泥石流灾害点,必须走更加专业化的监测预警之路,即“技防”为先、“人防”辅助。就像疑难杂症仅靠社区医院是不行的,必须依靠三甲医院的力量。

    记者:

    极端气候下,如何提高地质灾害综合防灾减灾能力?

    殷跃平:

    除了极端气候的影响,人类工程活动范围的扩大,也加大了地质灾害发生的潜在风险。尤其是复杂山区的城市、乡镇和居民点建设的扩张,切坡建房和切坡修路的范围扩大,令原本稳定的坡体变得不再稳定,遇极端气候更易诱发地质灾害,在某些地区甚至出现“切坡就滑”的现象。

    在防灾减灾体系中,调查评价和监测预警仅是防灾减灾救灾体系中的一环,要与避让搬迁和工程治理相结合。针对当前灾害“中心”向乡村转移的现状,要加强农村国土空间规划中地质安全风险评估,特别是农民切坡盖房,要指导进行简易治理,可以采取修建矮挡墙等降险措施,屋后还要留出一定的避让距离,以降低灾害潜在风险。

    在一些矿区,人口迅速增加,地质灾害风险明显增高。要针对村庄、居民点,开展“以人为本”的精准调查,加强易灾地层的隐患点与崩塌滑坡易发区带双管控,应运用新理论新技术,科学划定地质灾害红线,该搬迁避让就搬迁,该监测预警就安装设备,该治理就做好工程治理。只有用科学的态度和方法,才能正确处理好国家能源安全与人居环境安全的关系。

    殷跃平院士谈极端气候下地质灾害防灾减灾策略

    吕古贤带领科研团队在胶东地区开展野外构造岩相地质填图。

    在金矿行业,山东胶东地区以不足全国陆域面积的0.27%,拥有着超过全国30%的黄金储量,其重要性不言而喻。2017年5月,国土资源部举行山东胶东地区金矿深部找矿成果新闻发布会,宣布胶东地区金矿勘探取得具有世界级影响的重大突破,一跃成为世界第三大金矿区,也稳固了全国最大黄金储量矿区和生产基地的地位。

    在胶东,有一支探寻金矿深部奥秘的科研团队 。他们在中国地质调查局地质力学研究所以吕古贤研究员的带领下,在胶东找金一线持续开展研究达34年,几乎走遍了当地所有的黄金矿山,完成20余个金矿科研项目,瞄准胶东地区深部找矿的关键科技问题,取得了构造物理化学理论、构造岩相填图方法和成矿深度构造校正测算技术等创新成果,在焦家金矿率先实现深部第二富集带的突破,打开了胶东深部金矿找矿的大门。

    1 建立“玲珑—焦家式”金矿构造物理化学模式,为深部找矿提供理论基础

    胶东地区早期的金矿找矿,以开采石英脉金矿为主。上世纪60年代初,山东地质六队发现了胶东地区新的成矿类型——破碎带蚀变岩型金矿床,命名为“焦家式金矿床”。金矿新类型的发现,使得山东省金矿资源储量大幅度增长,也极大地拓宽了全国金矿找矿思路和方向。

    随着金矿资源的大规模勘探开发,自上世纪80年代开始,胶东地区85%以上金矿山陷入可采储量严重不足的窘境。胶东找金,亟待向深部和外围拓展。

    而实际情况是,相对于煤矿、石油等沉积矿产,金矿的矿体规模小、构造复杂、矿床类型变化大,成矿规律难以掌握。不仅如此,胶东与金矿有关的大地构造背景、岩浆岩、控矿规律、深部找矿技术方法等,一直处于不同理论观点争论之中。早期研究把玲珑石英脉金矿和焦家蚀变岩金矿作为两个矿床类型,提出前者是中生代浅部成矿,后者是元古代深部地壳成矿;对比赣南钨矿的五层楼分带,指出胶东金矿也具有上部石英脉—下部蚀变岩的五层楼垂直分带,并且依据这一认识开展了深部找矿和外围预测,但找矿效果并不好。

    那么,胶东金矿的深部找矿难题如何破解?

    以胶东金矿矿田构造为博士论文选题,吕古贤发现,胶东金矿具有明显的构造控矿特征,他坚信,应该坚持发展李四光地质力学理论和杨开庆构造动力成岩成矿的研究方向,把胶东金矿深部外围找矿难题作为科技攻关的目标。

    吕古贤带领科研团队深入胶东地区,对典型金矿床进行了广泛的野外地质调查,应用区域地质、构造地质、矿床学、岩石学、地球化学、地球物理及遥感地质等综合分析手段,进行了地质填图、剖面测制、岩石矿物地球化学分析、应变应力测算等,创造性地应用构造—岩相形迹的新概念,首次建立了胶东太古宙—元古宙东西展布的反S弧形断褶构造—变质岩相型式和中生代N形构造—岩相型式,并指出这两期构造—岩相型式的叠加复合活动控制了胶东金矿的区域分布和成矿规律。

    根据详细的矿田构造、矿床构造与勘探开采的实际调查,吕古贤研究团队明确,石英脉型和蚀变岩型金矿为同一成矿背景下不同成矿构造的产物,成矿早期阶段压扭带产出焦家式蚀变岩型金矿,稍晚阶段张扭带发育玲珑式石英脉型金矿,两者在空间分布上呈水平分带和受“入”字形构造控制,这与前人提出的的垂直分带模式完全不同。据此,吕古贤等建立了更加符合胶东地区地质实际的“玲珑—焦家式”金矿新类型,并强调在次级张断裂找石英脉金矿、在石英脉金矿外围寻找挤压带和蚀变岩金矿的找矿新思路。

    胶东构造控矿现象非常明显,普遍发育含金构造地球化学蚀变岩带。但吕古贤认为,化学元素分布只是化学平衡的结果,而物理化学才是地球化学变化的原因,从而提出了“构造力改变物理化学条件控制化学平衡”的新思路。欧阳自远和翟裕生两位院士认为,构造物理化学理论开拓了金属成矿学新的研究领域,构架了成矿学和找矿学的桥梁。

    2 发展“构造岩相填图”方法,提高调查和深部外围找矿科技水平

    老矿区地表的矿脉基本采空,缺失了“就矿找矿”的依据,难以建立深部预测的地质标志。为解决这一问题,要研究控矿构造系统,还必须考虑地壳的构造运动和物质成分的相互关系。吕古贤等在胶东阜山金矿实测3平方千米的构造岩相图,并进行了物理化学参数分析,进而定义构造岩相是“显示构造特征、建造类型和物理化学条件的构造岩石单元”,使其更便于野外识别和测量,再结合构造界面及物理化学参量急变带成矿的揭示,提出了“构造岩相填图”找矿方法。

    在此基础上,吕古贤等先后测制了1∶25万、1∶5万、1∶1万和1∶1000等不同比例尺的构造岩相成矿图,进而发现了蚀变岩宽度与矿床规模正相关等成矿规律。由此,将矿体和相关蚀变围岩都作为目标,把预测标志从十几米扩大到几百、几千米宽,显著提高了预测能力。这也改变了对胶东断裂蚀变岩的规模与成矿作用的已有认识。

    “构造岩相填图”找矿方法在焦家、大庄子等金矿获得了良好的探矿效果。地表结合中段构造岩相填图,焦家金矿应用“入”字形构造控矿规律提出靶区,验证工程在空白区发现单矿脉厚5米、品位达8~12克/吨的富矿石英脉群。在大庄子金矿开展变质岩区含金绿泥石化蚀变分带的填图,在断裂北部3条勘探线和6个中段找到了被错失的矿脉,一举扭转了矿山资源危机局面。新城、大尹各庄、灵山、曹家洼和玲珑等9个金矿,通过地表—中段三维构造岩相填图,解决了中段预测、构造叠加区预测和采空区预测等难题,均取得较好的探矿效果

    3 在焦家金矿首次验证深部第二富集带,推动胶东深部找矿的广泛勘查活动

    焦家、夏甸和玲珑等大型金矿在上世纪90年代普遍在地下300米左右进入无矿区带,勘探工程要么见矿不好,要么完全没矿。而且,当时的测算表明,焦家式蚀变岩金矿形成深度为6~8公里左右,深部没有适宜的成矿条件和新矿带。科技人员对于胶东地区金矿深部找矿普遍信心不足。

    为了探索胶东金矿深部矿带,在前国家计委青年科技找矿项目《重点矿化区带隐伏矿床找矿方法和预测》的资助下,1995年,地质力学所、山东省焦家金矿、山东省地质勘查局二队联合在焦家金矿开展了《山东省焦家金矿隐伏矿床深部构造物化探预测与构造物理化学研究》科研项目,目标就是对焦家深部是否发育有第二个金矿富集带进行研究和预测。

    吕古贤等开展“构造附加静压力”理论研究,进一步建立了成矿深度的构造校正测算方法。应用此方法,获得了焦家蚀变岩金矿形成约2.5公里的新数据。

    随着勘查工作和研究的深入,研究团队发现,焦家矿区Ⅰ号矿脉(蚀变岩型)和Ⅲ号矿脉(硫化物石英脉型)并非前人提出的上下关系或早晚关系,而是不同性质的“入”字形构造关系,均属同一深度的构造层次,不能用统一的深度测算方法。他们通过地质结合地球物理和地球化学勘查,计算了矿体剥蚀保留状况,首次提出焦家金矿属于浅成矿床,并指出目前开采的仅仅是“矿头”,深部才是主矿体。

    根据新发现深部成矿的地质、物探和化探信息,研究团队预测无矿段之下发育“深部第二矿化富集带”,并圈定了焦家金矿深部第二矿化富集带的5个成矿靶区,预测金金属量22.5吨。

    根据项目组提出的钻探方案,山东省第六地质矿产勘查院实施深部勘查和验证。经在焦家金矿主含蚀变带深部(-500米以下)进行钻探控制,勘查发现,焦家金矿床深部Ⅰ、Ⅱ号矿体尖灭再现明显,其控矿条件和赋存规律与浅部矿体相同,从而证实了焦家金矿深部第二富集带找矿前景广阔。更进一步的探矿成果更加令人惊喜,在-600~-700米圈定了4个新矿体,探求金矿E级储量2172千克。

    这是胶东地区首次依据“深部第二富集带”靶区揭露的隐伏矿体,由此开启了胶东深部找矿的广泛勘查活动。

    4 胶东金矿深部富集带得以证实,深部大型金矿床纷纷浮出水面

    山东省第六地质矿产勘查院参考胶东金矿深部“第二富集带”的观点,借鉴焦家金矿深部勘探成功经验,在莱州寺庄地区开展成矿预测和钻探,在穿越200余米无矿段后,发现了厚大的新矿体。经过两年半的勘查,2007年,地质六队在焦家金矿成矿带深部发现特大型金矿——莱州寺庄深部金矿,探明储量51.83吨,潜在经济价值近80亿元。时任国务院总理的温家宝特别作出批示:“请国土资源部转告山东六队职工,祝贺他们在金矿勘探中取得重大发现,向大家致以亲切的问候。”

    此后,在胶东金矿赋存“深部第二富集带”的找矿思路和成功经验的示范下,新城金矿、三山岛金矿、夏甸金矿、台上金矿、阜山金矿、鑫汇金矿和玲珑金矿等,都在深部贫矿或无矿段之下又发现了新的富厚金矿带。胶东金矿深部发育第二富集带终于得以证实。仅山东地质六队在2002~2011年在胶东地区新勘查发现5处超大型金矿床和15处大中型矿床,探明黄金资源储量1225余吨,主要勘查于深部矿带。

    2014年,由山东省地矿局和中国地质科学院地质力学所等单位联合完成的《胶东金矿理论技术创新和深部找矿突破》项目获得国家科技进步二等奖。据了解,该项目指导胶东地区发现中型以上金矿床28个,包括6个超大型和6个大型矿床,提交新增金资源/储量2118.483吨,占全国同期的45.17%,是全国2002年底岩金保有资源/储量的72.7%,是山东省2005年以前50余年累计探明金资源/储量的2.06倍。

    科研工作密切结合地质找矿问题,预测靶区及时得到矿山探矿工程验证,科研成果直接转化为生产和经济效益,吕古贤的科研团队为胶东金矿深部地质找矿突破作出了实实在在的贡献。如今,他们依然奋战在胶东大地。

    他们加入到深部探测行列,瞄准胶东金矿的研究方向和找矿难题,确定了以“一个构造岩相模式、三大岩类构造测量和多层次构造岩相找矿”为近期研究重点。他们研究胶东岩浆核杂岩隆起—拆离带成矿模式,探讨新类型新矿带的关键问题;他们依据地质力学的理论和Ramsay的现代构造测量方法,开展成矿岩体野外构造填图、结构分析与成矿作用研究;他们发展构造岩相研究,探讨区域预测、矿田预测、矿化边界预测、矿脉及矿脉群预测的多级指标系统。近期,他们完成了《玲珑金矿田东部断裂蚀变成矿体系三维研究与深部预测》项目,提出的4个靶区经工程验证共计新增金属量达14041千克。

     

    打开胶东深部找金的大门

     

    从1916年中央地质调查所全面开启中国早期的地质调查工作算起,我国的地质调查工作走过了100年的历程。

    100年风雨兼程,一代又一代地质工作者,跋山涉水,不畏艰险,使我国不仅实现了陆域中比例尺调查全覆盖,而且开启了海洋区域地质调查的先河,推动我国地质事业从无到有,从弱到强,一步一步走向地质大国。期间,地质工作者完成的地质图件数以百万计。其中有些在传递地质信息的同时,也具有很强的艺术欣赏价值,堪称艺术作品。

    百年来地质制图的演变,实际上是中国地质事业发展历程的缩影。正值纪念中国地质调查百年,由中国地质调查局基础调查部、直属机关党委发起,全国地质资料馆联合中国地质图书馆从数百万馆藏图件中遴选出近千张,邀请书画家从艺术的角度进一步甄选出100余幅地质图件,举办了百年地质图艺展,以期通过展现百年地质制图发展的光辉历程,再现中国地质工作的发展历程,同时展示地质工作者良好的艺术素养与浪漫的工作情怀。

    1 初创(1935年前): 手绘制图彰显个人艺术修养---

    1903年,周树人(鲁迅)在其所著的《中国地质略论》中说道:“觇国非难。入其境,搜其市,无一副自制之精密地质图(并地文土性等图)非文明国”。1906年,顾琅、周树人合编完成《中国矿产全图》,我国才有了第一张矿产图。1910年《地学杂志》创刊号发表了邝荣光编制的1:250万《直隶地质图》,这是中国人自己编制的首张地质图。1911年《地学杂志》又发表了邝荣光编制的《真隶矿产图》。这3张地质、矿产图的编制和出版,标志着中国区域地质、矿产综合研究和地质测图及地质制图工作的开端。

     

    ▲直隶地质图(邝荣光)

    在我国地质事业开展的早期阶段,地质先辈们编制了多幅具有重要意义的代表性地质图,为日后中国地质制图打下了第一步基础。

    1914年,丁文江等赴滇、黔、川等省调查,沿途测制了多幅路线地质图、剖面图、以及广西、山东等地的矿区地质图,开创了中国野外实测地质图(填图)的先河。

    1919年,叶良辅等绘制的《北京西山地质图》,是中国人自己测制的第一幅1:10万地质图件;翁文灏完成的《中国地质约测图》,是中国学者自己编制的第一张全国地质图。在上世纪20年代,还相继编辑出版了3幅1:100万地质图。

    这一阶段的地质图件,几乎均为手绘,线条相对简单,以单色图件居多,多色图件绘制上色以水彩颜料为主,使用的纸张也较为粗糙。尽管当时地质制图没有绘制标准,比例尺多以文字描述为主,但手绘地质图件更多地体现了地质前辈们的个人艺术修养。

    ▲梁津绘制的《回头山地质及矿床图之二》,细节刻画到位,线条流畅,特别是大片的留白和起伏的山峦,使得画面主题突出,平实的画面充满了节奏的张力,与其说是一幅地质剖面图,不如说是一幅千里江山景。

    2 探索(1936 年至1954年): 向“规范化”迈出第一步---

    1936年黄汲清发表的《中国地质图着色及符号问题》、南延宗的《地质图上火成岩花纹用法之商榷》及1937年王炳章发表的《地质图符号着色及花纹商榷》,使中国地质编图、制图、野外测图向“统一化”和“规范化”迈出第一步。

    ▲熊永先、罗正远编制的《四川南部古兰珙县间地质图》,是一幅多色区域地质图,依据不同颜色与花纹区分地层与岩石,色彩以黄绿色调为主。图中非常细致地标注了地名,并对一些主要地名进行了中英双语标注。图例划分更为细致,有图框与经纬线,标注了经纬度,总体已非常符合标准地质图的要求。

    除了逐渐趋于标准的地质图外,还有许多生动有趣、绘制精美的手绘素描图,以地质人的视角展现了自然之美。

    ▲我国第一套河流地貌图集《嘉陵江流域地理考察报告上卷•地形图集》中的第24号图,是由我国著名的地质学家、地理学家和地质教育家李承三于1940年底在剑门关邓家坡处手绘,形象地描绘了剑门关地形之险要。

    值得一提的是,在这一时期,黄汲清、曾鼎乾、陈梦熊完成了我国首张1:300万全国地质挂图。1945~1948 年,中央地质调查所区域地质研究室在室主任黄汲清的组织带领下,编制了14幅1:100万国际分幅地质图,通过编制这些图件,系统总结和展现了1948年前全国地质调查研究成果,实现了全国地质图零的突破。这些图件适应了新中国第一个五年计划的需要,为“一五”计划中的地质工作规划和部署提供了重要的基础地质资料,并为以后的综合地质编图进一步奠定了坚实的基础。

    3 成长(1955年至1994年): 图面信息更丰富且印制更规范---

    随着国家建设和地质工作的迅速发展,1953年~1956年,国家相继成立了四个中苏合作的区域地质测量大队。通过中苏合作和我国地质前辈们的不懈努力,中国地质填图和地质制图发展到比较系统和完善的阶段,图面信息更加丰富多样,印制更加规范标准。这一时期,中国的地质制图有了飞速的发展。

    1954年出版的由黄汲清、谢家荣编著的《普查须知》,对野外测图中所需要的地层划分、地质代号使用、各种花纹符号和色标等提出了统一要求,从而为全国大比例尺地质图统一的表示方法提出了科学依据。

    黄汲清编辑指导的《中华人民共和国大地构造图》,是我国首份1:300万构造图。该图件被地学界公认为对亚洲地质构造研究作出了重要贡献,是亚洲构造研究史上具有划时代意义的经典著作。由李廷栋、李春昱和王鸿祯主编的1:500万《亚洲地质图》,以及由耿树方负责主编的1:400万《中华人民共和国地质图》,在参加第25届国际地质大会展览会时引起巨大轰动,外媒给予了高度赞扬。

    ▲亚洲地质图(李廷栋、李春昱、王鸿祯、范本贤等)

    此外,这一时期还完成了我国第一幅1:300万的中国水文地质图,对我国水文地质科学的发展起到了重要的推动作用;我国正式出版的第一幅全国性工程地质图,全面总结和概括了中国区域工程地质条件的基本特征;我国第一幅第四纪地质大型挂图和海底第四纪地质图,对国内第四纪地质进行了全面总结, 并将我国海洋方面有关资料首次在小比例尺挂图上展示,使人们对我国海陆第四纪地质有了一个较为完整的认识。

    在开展区调填图工作的同时,相关的专题研究同步进行,例如农业生态地质研究、环境地质研究、旅游地学研究等均开展专题填图工作。而在地质图件的表示方法、符号的形状、大小、颜色和结构,以及图式、图例等方面的统一具体要求,为地质信息的迅速传输和自动化编图创造了条件。同时,构图色彩的运用也更为大胆,描绘手法更为多样。

    ▲中央有色金属管理局中南分局地质勘探公司完成的《广东始兴石人嶂钨矿地貌素描图二》,尽管是单色绘图,但对树林间隐约显现的房屋都进行了精确描绘,对石人嶂的处理,运用了国画山水技法——皴法,使得画面真实且具有美感。

    ▲梁中将完成的《茂名油页岩田附近地形透视图》,绘图精美,前水后山,由动而静,宛若一幅大气磅礴远景油画,呈现了地学与美学的完美结合。

    4 飞跃(1995年至今): 进入数字填图和数字制图时代---

    “九五”期间,原地矿部部署了1:20万空间数据库建设试点项目。从2000年开始,中国地质调查局结合区域地质调查工作,开展了计算机辅助填图系统研制。

    1999年~2006年间,中国地质调查局在青藏高原及其邻区152万平方公里的区域内采用3S技术、按照统一的填图工作技术标准完成了多幅1:25万区域调查地质图件。这是一项具有划时代意义的重大工程,标志着我国可测陆地面积的中比例尺区域地质调查工作全面完成。

    从上世纪末本世纪初开始,中国地质调查局开展了1:25万、1:100万海洋区域地质调查工作,并制作了1:25万、1:100万标准分幅的区域海域地质图。

    ▲《中华人民共和国地质图(J48C004001 民和回族土族自治县幅)》,为2001年10月由中国地质调查局选择的作为西部地区数字地质填图的试点性图幅。通过1:25万民和县幅试点,建立和完善了1:25万整幅数字填图的“实战”技术要求,并为今后的数字地质填图技术培训、计算机野外辅助填图系统软硬件进一步开发与升级、国际交流提供了资料和依据。

    计算机辅助制图不仅改变了传统的地质编图方法,加快成图速度,减轻劳动强度,提高地质制图信息传输功能和载负功能的质量,而且使地质人员有充分的时间进行综合分析与思维,提高对区域地质发展和构造演化的认识。尽管如此,中国地质调查局仍希望广大野外一线地质工作人员在掌握现代编图方法的同时,不丢弃基本的地质图素描技能,于今年6月组织了“开启地调工作新百年,重拾地质工作基本功”的地质图素描技能展示活动,其中部分优秀作品也在这次展览中进行了集中展示。

    ▲优秀作品展示

    随着计算机制图和3S技术等的不断成熟、发展与完善,我国已拥有海量不同比例尺的、全国性和区域性的地质、矿产、水文、环境、物探、化探等精密地质图件与数据库,中国地质制图已经进入向信息化、电子化、网络化、大数据飞跃的新时代。

    这次展览将在线上线下同步进行,只要点击进入国家地质资料数据中心的网站(网址:http://www.ngac.org.cn/),即可欣赏近千件地质图件,尽享地质与艺术的“跨界之美”。

     
    走进百年地质图艺展,领略地质与艺术“跨界之美”

    古元古代是地史上重大地质构造转变时期之一,也是第一个重要成矿期

    瓦尔巴拉超大陆是一个理论上曾经存在的超大陆,自38亿年前开始形成,31亿年前成形,28亿年前分裂。

    前寒武纪地质年表

    今年世界地球日的主题是“珍惜自然资源呵护美丽国土——讲好我们的地球故事”。那么,对于“生物大爆发”之前远古时代的地球,你又知道多少?今天,就让我们请来一位研究前寒武纪50多年的地质专家——来自中国地质调查局天津地质调查中心的沈保丰研究员,请他讲讲从46亿年前地球诞生到距今5.41亿年寒武纪开始近40亿年的漫长时光中,地球经历了哪些重大地质事件。

    1 前寒武纪涵盖40亿年的地球时光,分为冥古宙、太古宙、元古宙三个地质时代

    记者:说起寒武纪,人们会想到地球历史上第一次生物大爆发,大量且门类众多的海生无脊椎动物在几百万年的很短时间内“突然”地出现了。从此,地球逐渐成了一个生机勃勃、丰富多彩的“生命家园”。那么在之前的前寒武纪时期,地球又经历了怎样的演化过程?

    沈保丰:地球的年龄是45.68亿岁,以5.41 亿年的寒武纪为界,之前约40 亿年的地质时代称为前寒武纪。

    前寒武纪又分为冥古宙、太古宙与元古宙三个地质时代,是陆壳形成、生长、壳幔圈层分异耦合并形成稳定陆块的重要阶段。应该说,在这个漫长的时间尺度上,地球发生了一系列决定地球命运的地质大事件。揭示这些事件的性质和过程,对于理解行星演化、大陆的聚合与漂移、矿产资源的形成、生命的演变,以及地球未来的发展都具有重要意义。

    记者:但以往人们了解得并不多。

    沈保丰:的确。尽管它占据了地球生长期近87.7%的时间,但人们对这段时期的了解相当少。这是因为前寒武纪少有化石记录,且岩石已严重变质,不是已经破坏侵蚀,就是埋藏在显生宙地层之下。

    目前,已知地球上地壳的最古老物质记录,是澳大利亚杰克山太古宙沉积砾岩中的碎屑锆石,它的年龄大约是44亿多年。

    2 冥古宙的“黑暗地球”,经历了由天文行星演化到地质演化的质变

    记者:地球形成的初始阶段是没有地壳的?

    沈保丰:早期地球经历了由天文行星演化到地质演化的质变。

    在冥古宙,即距今45.68亿年到40.3亿年,早期地球经历了一段“黑暗时代”,那是一段没有岩石记录的时期。

    冥古宙又可分为混沌代和杰克山代或锆石代两个代,其分界线为44.04亿年。混沌代主要是太阳系及其早期地球等行星形成及演化时期,其间包括太阳系的形成、早期地球的增生、金属地核和硅酸盐地幔形成、月球的形成、一颗“火星大小”的行星撞击等天文行星演化事件。

    距今44.04亿年左右,地球就进入到地质发展时期。在这一时期内,有原始地壳和原始地核起源,初始地幔、水、大气圈和海洋的形成,陆壳、洋壳及生命起源等重大地质发展问题,都需要人类进一步去认识和研究。

    早期地球的研究是当今地球科学研究的热点和难点,因为有关近似火星大小的天体大撞击、全球岩浆海、地幔翻转、陆壳起源、生命出现等大事件都发生在这一时期。但因为在这时期保存的记录极少,又很难得出较完整的结论。因而人类对早期地球的认识程度极低。

    从地质角度对早期地球的研究、获取相关信息的途径,其中对冥古宙碎屑锆石包含信息的研究尤为重要。

    记者:人类都在哪里发现过冥古宙碎屑锆石?

    沈保丰:保存较好的地点是西澳的Mt. Narryer、Jack Hills和Maynard。Mt. Narryer的碎屑锆石年龄为41.5亿年及42亿年;Jack Hills为44.04±0.08亿年,是全球最老的碎屑锆石年龄。

    在中国大陆的西藏三江造山系中的喜马拉雅地块、北羌塘地块、北秦岭西端、北祁连走廊带、天山的东准噶尔和华夏造山系等7个地点,也发现了早于40亿年的碎屑锆石,其中有4个大于40.3亿年,3个接近4亿年。

    3 太古宙是陆核形成、陆壳巨量堆积、许多矿产形成的重要时期

    沈保丰:太古宙是陆核形成、陆壳巨量堆积、高度还原性水圈、大气圈和铁、金、铜、锌矿产形成的重要时期。

    太古宙是陆核和陆壳巨量堆积时期。根据已有的地质资料,地球陆壳的80%~90%是在早前寒武纪形成的,绝大多数形成于太古宙中的中—新太古代。全球陆壳的巨量增生在29亿~27亿年,主要的岩石类型是高钠的长英质片麻岩,其次是镁铁质—超镁铁质火山岩。据推测,陆壳增生与超级地幔柱事件有关。

    太古宙地幔热对流循环剧烈,构造活跃,火山活动速率较大,这有利于早期大陆物质大量产生,并漂浮于紊流状态的地幔之上。随着地球冷却,原始大陆固结为一些小陆块。依据南非卡普瓦尔和澳大利亚皮尔巴拉克拉通的年代学和古地磁研究,在33亿年左右,甚至可早到36亿年,可能有一些陆块增生并形成地球上第一个构造上更稳定的瓦尔巴拉超大陆。有专家提出,在太古宙末期,27亿年左右或25亿年,可能存在一个肯洛兰超大陆。约24亿年左右,肯洛兰超大陆开始裂解,形成了一系列的大规模放射状基性岩墙群,在23亿年左右形成了古元古代冰川事件。

    记者:太古宙已经开始形成矿产资源?

    沈保丰:太古宙形成的大量绿岩带中有着明显的成矿作用。

    根据其规模、形态、形成时代、岩石组合、变质程度以及成矿作用等方面的差别,全球的绿岩带可分为4种类型:巴伯顿型(35亿~33亿年),形成时代较老,主要矿产有金、铁、铬和少量镍;苏必利尔型(27亿~26亿年),主要矿产有铜、锌、金、铁和少量镍;伊尔岗型(27亿~26亿年),产出的矿产有铜、镍、金、铁等;达瓦尔型(26亿~23亿年),与之有关的矿产有金、铁、锰等。

    4 距今26亿~25亿年间,华北陆块发生了一次大氧化事件

    记者:现在的中国大陆在太古宙时期经历了怎样的变迁?

    沈保丰:太古宙地层在中国大陆出露面积为7.4万平方公里。中国大陆主要有三个陆块区,分别是华北、塔里木和扬子。其中,以华北陆块面积最大,变质基底分布范围最广,时代跨度最长——从略大于38亿年到18亿年。

    作为中国最大的陆块,华北陆块的面积约30万平方千米。尽管与世界上其他陆块(克拉通)相比,它的面积不算大,但它不仅具有超过38亿年的漫长地质历史,而且经历了复杂的构造岩浆热事件叠加和改造,记录了几乎所有地球早期的发展的重大地质构造事件。

    在26亿~25亿年,华北陆块是陆壳巨量堆积的高峰期。由于陆壳巨量堆积引起由缺氧到富氧的地球环境的剧变,构造体制重大转折,同时导致了元素的巨量迁移、重新分配和成矿。

    一个有趣的现象是:华北陆块大约30万平方千米面积上,在26亿~25亿年间忽然大规模地形成了几千个规模大小不等的氧化物相条带状铁建造(BIF)型铁矿床,累计查明资源储量已达335.36亿吨,占全国铁矿总资源储量46%。这种在一个不是很大的地区集中产出几千个矿床和矿点,并呈氧化物相条带状铁建造的铁矿床产出,在全球很少见,华北陆块可能是唯一的地区。这也说明在新太古代26亿~25亿年时,华北陆块发生了一次大氧化事件。

    记者:铁矿床的形成与氧化有什么关系?

    沈保丰:铁是变价元素,在自然界有Fe2+和Fe3+两种离子存在。氧化环境中铁呈Fe3+状态存在,Fe3+的迁移能力极小。还原环境中铁以Fe2+状态存在,形成Fe(OH)2、FeCO3、FeCl2等化合物。因而氧化环境有利于铁的沉淀,还原环境有利于铁的迁移。即:在酸性环境下,铁的还原作用增强,促使二价铁被溶解到溶液中去;在碱性环境下,铁的氧化作用增强,促使三价铁从溶液中沉淀下来。

    在华北陆块在26亿年之前,由于强烈的火山和洋底的喷流作用,大气圈和海盆基本是处于强酸性和强还原的环境,在盆地中大量的铁呈二价离子、氢氧化铁或其他络合物形式存在海盆中。在26亿~25亿年由于处于氧化环境,Fe2+便从溶液中沉淀下来,形成了大量的铁矿。

    5 古元古代是地史上重大地质构造转变时期之一,也是第一个重要成矿期

    沈保丰:古元古代是地史上重大地质构造转变时期之一。在此期间,发生了古元古代初超大陆裂解、大量基性岩墙(席)侵位、大量巨厚被动陆缘型沉积建造、大陆壳的快速生长、俯冲—碰撞造山作用的首次出现等。同时,这一时期构造体制发生了本质的变化,由太古宙全活动体制转换为活动带和稳定地块并存的构造格局。出现不同规模、不同构造性质的活动带、裂陷槽、岛弧带、活动大陆边缘、被动大陆边缘等。

    记者:全球古元古代大致发生了哪些重大地质事件?

    沈保丰:24.2亿~22.5亿年在古元古代初期,发育有广泛的冰川活动,产生了全球性的地幔慢速下沉和大气圈的氧化。

    这个时期的古老冰川活动被称为休伦冰川活动。它紧随在肯洛兰超大陆破裂、大氧化事件在全球广布条带状铁建造之后。在24.2亿~22.5亿年全球岩浆活动寂静期之后,从22.5亿~20.6亿年岩浆活动重新活跃,出现以玄武质岩浆活动为代表的全球事件。古元古代中期,也是磷矿产生的重要时期。

    20.6亿~17.8亿年是地球历史上重要的地壳生长期,世界上最大镁铁—超铁镁质层状侵入体以及南非含大量矿产的大规模基性布什维尔德岩浆岩省,就产生于这一时间。这一全球的构造事件还导致了哥伦比亚超大陆在距今18亿年时的形成。

    此时的华北陆块也发生了与超大陆形成有关的造山事件。大量丰富的地质记录证实,在古元古代末18.5亿年完成了最后一次前寒武纪聚合造山和变质作用,完全固结成为一个整体的刚性克拉通。在古元古代末,经吕梁运动,华北、塔里木、华南等古大陆相联,组成一个统一的中国古大陆的结晶基底。

    全球哥伦比亚超大陆形成后,从17. 8亿年开始陆续进入裂解期,形成裂谷盆地和被动陆缘盆地。

    古元古代也是地史上第一次十分重要的成矿期。它以矿种多、成矿规模大、矿床类型复杂著称。比如中国就有大量这一阶段因古大陆裂解离散-造山而产生的矿产,构成了铁、铜、铅锌、金、硼、菱镁矿、滑石、金红石等矿床成矿带和成矿系列。

    6 “雪球地球事件”之后,温室效应导致地球变暖,元古宙进入尾声,显生宙拉开序幕

    记者:从您的讲述来看,早期地球虽然没有大量生物出现,但故事也是惊心动魄。

    沈保丰:的确非常精彩。

    17.8亿~8.5亿年是地球演化过程中相对稳定期,以硫化物发育的深海洋、疑源类的缓慢演化、哥伦比亚超大陆的解体和距今11亿~9 亿年罗迪尼亚超大陆的汇聚为主要特色。

    8.5亿~5.41亿年是地史中由隐生宙向显生宙过渡的重要阶段,也是生命演化最关键的时期。在这时期的开始阶段,即从7.7亿年开始,地球进入了元古宙第二次环境剧变阶段,广泛发生低纬度冰川,整个地球覆盖着冰雪,形成一个雪球,称为“雪球地球事件”。

    记者:“雪球地球”?连赤道也被冰雪覆盖吗?

    沈保丰:当然。全球年平均气温低达-50C°,海洋表面冰层达到1000米厚。整个地球成为一个雪球。

    这也是元古宙休伦冰期后的第二次全球冰雪时期。

    在新元古代中期,罗迪尼亚超大陆裂解。在这一时期,地球构造运动加强,广泛形成陆内裂谷,同时引起大规模风化剥蚀和沉积作用,使大气中CO2的消耗量大大超过火山喷发释放的CO2量,并出现“冰室效应”:全球气温迅速降低,首先在地球两极的海洋上形成冰盖,随着冰盖面积的扩大,冰面对阳光反射增大,加速了地球表面的气温下降,直至全球冰冻,形成“雪球地球”景观。

    不过,有一句话叫物极必反。由于温度极低,水文循环基本停滞,几乎没有降水作用,消耗CO2的化学循环基本停止。但同时,地球上的岩浆作用依然活跃,火山喷发释放出大量的CO2,且不断增加。经过上千万年的日积月累,大气中的CO2终于达到了一个足够高的浓度,便又产生了强大的温室效应。之后,地球迅速变暖,冰雪大片消融,最终出现了另一极端——解冻加速,一场酷热随之而来。

    随之而来的还有生物界的蓬勃孕育。6.35 亿年,埃迪卡拉纪开始,埃迪卡拉动物群首现,至5.41亿年寒武纪生物大爆发,元古宙结束,显生宙拉开序幕。

    7 元古宙是多种矿种大型、超大型矿床形成的高峰期,中国至少有该时期形成的超大型矿床40余处

    记者:看来,中—新元古代是地球演化历史上最重大的变革时期之一,为之后地球成为丰富多彩的生物家园奠定了地质基础和气候基础。

    沈保丰:我今年83岁,是从1964年开始研究前寒武纪矿床。我想要告诉大家的是,地球演化和环境变化也与成矿作用息息相关。如,“雪球地球事件”为我国的华南地区留下了大量的铁矿、锰矿和磷矿,特别是锰和磷,规模很大,品位很高。

    记者:那么,我国前寒武纪矿床主要有哪些矿种?

    沈保丰:中国前寒武纪超大陆旋回与成矿作用关系十分密切,我们曾提出,中国前寒武纪大规模成矿作用的主要控制因素是大地构造背景和大型地质构造环境。我国前寒武纪有包括铁、铜、镍、锌、稀土、金、磷等矿种在内的14个矿种产出超大型和特大型矿床,其中超大型矿床40多处、特大型30多处。

    记者:有哪些是我们现在熟知的大矿?能举个例子吗?

    沈保丰:比如白云鄂博。

    记者:我们知道位于内蒙古的白云鄂博矿赋存着大量稀土,在我国乃至世界稀土工业占据举足轻重的地位。它也是在前寒武纪哪个阶段形成的?

    沈保丰:白云鄂博稀土、铌、铁矿床是我国中元古代一个世界级的巨型矿床。初期,我国开发白云鄂博是开采铁矿石,后来才发现并应用其中的稀土、铌等重要矿产资源。

    如果说中国稀土的资源储量约为世界稀土资源储量一半,其中白云鄂博稀土资源储量就能占到全国稀土资源储量的近九成。如今,人们已在矿区内已发现73种元素,构成160种矿物,有综合利用价值的矿产达26种,除稀土之外,铌、钍资源储量都占世界第二位。

    白云鄂博矿床有着复杂的形成历史。

    据研究,白云鄂博矿床有两次成矿期,是早期中元古代以铁-铌-稀土矿为主的岩浆型和晚期加里东期为铌—稀土矿热液叠加而形成的多成因、复合型的叠生矿床。

    在中元古代早期,大约17.5亿年左右,随着全球哥伦比亚超大陆的裂解,太古宙的华北陆块也开始裂解,形成白云鄂博裂谷,并在裂谷中沉积了白云鄂博地层及有关岩浆岩。在14亿~12亿年,这里火成碳酸岩呈岩床或似层状体和岩墙侵位。就在火成碳酸岩岩浆熔离过程中,形成了岩浆期的稀土—铌—铁矿床。这也是白云鄂博的主矿化期。

    在5亿年~4亿年加里东期,这里又叠加了一期构造热事件,形成了第二期稀土、铌热液矿脉。它们也是地壳深部物质部分熔融的产物。

    沈保丰:总的来说,前寒武纪中的元古宙是多种矿种大型、超大型矿床形成的高峰期。除了白云鄂博超大型稀土—铌—铁矿床外,中国此时形成的知名矿床还有:内蒙古东升庙超大型硫铁—铅—锌矿床、甘肃金川超大型铜镍矿床、海南石碌超大型铁矿床、贵州松桃西溪堡(普觉)超大型锰矿床、贵州松桃道坨超大型锰矿床、贵州开阳超大型磷矿床、贵州瓮安超大型磷矿床、黑龙江柳毛超大型石墨矿床、黑龙江云山超大型石墨矿床等。

    记者:大自然的奥秘真是太多了。谢谢您为我们分享了一段有关早期地球的精彩故事。

    专家出镜

    沈保丰,研究员、博士生导师。1959年毕业于前苏联乌克兰顿涅茨克工业大学地质系,曾任原地矿部天津地质矿产研究所所长(现为天津地质调查中心)。50多年来,主要从事矿床、前寒武纪地质、区城成矿规律和成矿预测研究,专长前寒武纪成矿作用;先后发表论文100多篇,出版专著14部;曾获国家科技进步奖、省部级科技或果奖等多项,1992年起享受国务院特殊津贴等。

    回望前寒武纪

    每年阳春的三月,都是春回大地、万象更新的美好时节。为庆祝“三八”国际劳动妇女节,丰富女职工的文化生活,激发饱满的工作热情,在中国地质调查局发展研究中心党委的大力支持和关心下,中心工会组织全体女职工在3月8日这一天来到了中国国家博物馆,参观“大英博物馆100件文物中的世界史”展览。

    如果真的有“博物馆奇妙夜”,中国国家博物馆北10展厅这两天一定很热闹:古埃及女贵族佘盆梅海特躺在她的木棺里,伊拉克的王后在弹她的竖琴,达尔文或许要来寻找他搭乘“小猎犬”号环游世界时用过的那只钟表……

    “大英博物馆100件文物中的世界史”展览始自一本风靡全球的书籍——《大英博物馆世界简史》。大英博物馆从800万件馆藏中精选了100件展品,全面展现人类200万年文明史。展览也是第一次来到中国,从3月2日到5月31日在中国国家博物馆展出。

    100件文物概括了整个世界历史。按照时间顺序,穿过“最初的城市”“权利与哲学”“仪式与信仰”“贸易与侵略”“变革与适应”“邂逅与连接”等单元,展览的最后,要展示一个“我们创造的世界”。

    对于许多中国观众来说,最为关心的还是此次展览中的中国展品,展览有9件中国展品首次回国“省亲”,包括良渚文化的玉琮,西周早期的康侯簋,商周时期的镈,东汉青瓷六博俑,唐代刘庭训墓的三彩文官俑,以及元代的青花瓷盘和龙首双耳瓶。有意思的是,有一件展品是2005年深圳生产的一件太阳能充电器的节能灯,是中国元素的一种展现。中国制造的太阳能灯具与充电器击败iPad入选百件展品。展览方也表示,这盏灯跟新能源、教育等议题紧密相连,它的发明彰显了人类面对贫穷和气候变迁时,所取得的成就和展示出来的创造力。

    这个展览并非只是回顾历史,而是肩负着通过解读过去而创造未来的使命。就像展览前言中说的,无论何时何地,人类都在面临相同的问题,拥有共同的企望。

    通过本次展览,中心全体女职工以一种独特的方式——借助文物的视角——遨游了世界历史,展览不仅致力于彰显“以物述史”的独特魅力,而且启迪我们思考自身与人类创造物之间微妙的关系。

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    时隔26年,重返南极。

    这是两艘科考船的南极情缘,也是两名南极科考队员的人生故事。

    2016年12月28日14时,中国地质调查局广州海洋地质调查局所属的“海洋六号”船从智利最南端城市蓬塔起航,直奔南极,执行中国第33次南极科学考察“海洋六号”航次任务。参加科考的72位科考队员中,曾到过南极的仅有寥寥几人,何发光、邓希光是其中的两位。

    何发光:重返南极的见证者

    翻看着当年的老照片,中国地质调查局广州海洋地质调查局船舶大队大队长、在这次南极科考中担任“海洋六号”船指导船长的何发光,向记者讲述了26年前的南极故事:

    1990年10月到1991年5月,科考船“海洋四号”赴南极海域,作为中国第七次南极科学考察队的成员之一,在南极海域开展海洋地质与地球物理综合调查。这是我国在南极海域开展的第一次大规模的海洋地质与地球物理综合调查。当时,何发光刚刚从大学毕业,以见习二副的身份随船出航。

    何发光回忆道,“海洋四号”船只有3000多吨,比现在的“海洋六号”小了1/3。船上90多位科考队员,大多是4人一个房间,上下铺,没有独立的卫生间,没有造水机,淡水非常缺乏。到南极后,更是如此。为了节约用水,船上一大半以上的队友都剃了光头。

    何发光告诉记者,当时的生活条件比较艰苦,通信条件差,和家里联系主要靠写信,往来一次要一个多月。那时,观测气象变化主要依靠人工。有一次,极地突发气旋,而“海洋四号”正火速赶往锚地避险,由于风浪太大,抛下锚链后也一直没能稳住,情况万分紧急,只能拼命迎风顶住,直到最后关头,锚链咬住,船才稳住了。

    当年的经历,如今已经成为何发光最宝贵的人生记忆。他把这些照片存进手机,随身携带。2016年5月,在得知“海洋六号”被批准执行第33次南极科考航次任务后,已经50岁的何发光主动请缨,报名参加这一重大任务。在他看来,这不仅是对当年经历的一次回顾,更是对中国极地科考能力显著提升、极地科研欣欣向荣的亲身见证。

    何发光说,20多年来,广州海洋地质调查局一直有着重返南极的梦想。“海洋六号”入列后,很快开展了极地工作能力论证,论证结果认为具备在极地夏季浮冰区开展工作的条件。后来,又经过了几年大洋工作的磨练。到2015年,“海洋六号”南极科考工作开始筹备,获得国家极地主管部门批准后,船舶大队作了充分准备。

    如今的科考船“海洋六号”,不仅配备了现代化的通信联络设备,还可以定时接收卫星云图,大大提高了船舶的避险能力。在科考生活条件方面,更是有了很大改善,比如,开放了微信、网络电话等,科考队员们每天都可以和家里联系。船上装备有造水机,生活用水很方便。为了这次南极科考,还专门更换了登陆艇、救生艇,并专门为每位科考队员定制了整套的防寒服装、鞋帽等。

    26年过去了,何发光亲眼见证着我国科考船工作生活条件发生的显著改善。

    邓希光:新一代大洋南极科考中坚

    邓希光是广州海洋地质调查局矿产所的教授级高级工程师,现担任“海洋六号”船南极科考航次的首席科学家助理。他师从我国第一代“南极人”、我国南极地质科考事业开创者刘小汉。

    在攻读博士学位期间,邓希光于1997年11月~1998年1月,从智利蓬塔乘坐西班牙科考船出发,在西班牙科考站开展南极科考,并完成了题为《西南极南设得兰群岛中新生代火山岩基底沉积学及其大地构造制约》的博士论文。19年来,随着我国极地科考任务的持续开展,参与其间的他也已经成长为新一代的大洋南极科考中坚。这次南极科考中,他将率领一个10人团队完成登陆考察。

    在蓬塔港外抛锚期间,邓希光给“海洋六号”船科考队员们作了关于南极科考的科普讲座。他图文并茂地介绍了南极概况、区域地质研究现状、研究程度以及我国南极科学考察的主要情况,并展示了自己19年前参加南极考察的经历。

    邓希光说,南极是地球上至今未被开发、未被污染的洁净大陆,蕴藏着无数的科学之谜和信息,是科学研究的圣地,与全球环境变化、经济可持续发展、人类的生存和命运休戚相关。如今,我国南极科考的调查力量,调查深度和工作环境,都比以前有了很大进步。从早期的“向阳红十号”,到中期的“极地号”、“雪龙号”,到“海洋六号”科考船,特别是现在,新的极地科考船已经开工建设,反映出我国对极地工作的重视。

    自1984年组织第一次南极科学考察以来,我国已经完成了32次南极科学考察,建立了长城站、中山站、昆仑站和泰山站4个南极科学考察站,在极地冰川学、海洋学、地质学、生物生态学、大气科学、日地物理学等领域积累了大量观测数据,建立了极地科学数据和标本样品的共享平台,获得了一些重要的科学新发现,取得了一批高水平的科研成果。以2005年我国完成人类历史上首次从地面进入南极内陆冰盖最高点——冰穹A,2009年在该地区建成我国南极昆仑站为标志,中国极地考察正在由极地大国向极地强国迈进。

    跨越26年的南极情缘


        从1916年中央地质调查所全面开启中国早期的地质调查工作算起,我国的地质调查工作走过了100年的历程。

        100年风雨兼程,一代又一代地质工作者,跋山涉水,不畏艰险,使我国不仅实现了陆域中比例尺调查全覆盖,而且开启了海洋区域地质调查的先河,推动我国地质事业从无到有,从弱到强,一步一步走向地质大国。期间,地质工作者完成的地质图件数以百万计。其中有些在传递地质信息的同时,也具有很强的艺术欣赏价值,堪称艺术作品。

        百年来地质制图的演变,实际上是中国地质事业发展历程的缩影。正值纪念中国地质调查百年,由中国地质调查局基础调查部、直属机关党委发起,全国地质资料馆联合中国地质图书馆从数百万馆藏图件中遴选出近千张,邀请书画家从艺术的角度进一步甄选出100余幅地质图件,举办了百年地质图艺展,以期通过展现百年地质制图发展的光辉历程,再现中国地质工作的发展历程,同时展示地质工作者良好的艺术素养与浪漫的工作情怀。

    1 初创(1935年前): 手绘制图彰显个人艺术修养---

        1903年,周树人(鲁迅)在其所著的《中国地质略论》中说道:“觇国非难。入其境,搜其市,无一副自制之精密地质图(并地文土性等图)非文明国”。1906年,顾琅、周树人合编完成《中国矿产全图》,我国才有了第一张矿产图。1910年《地学杂志》创刊号发表了邝荣光编制的1:250万《直隶地质图》,这是中国人自己编制的首张地质图。1911年《地学杂志》又发表了邝荣光编制的《真隶矿产图》。这3张地质、矿产图的编制和出版,标志着中国区域地质、矿产综合研究和地质测图及地质制图工作的开端。 

        在我国地质事业开展的早期阶段,地质先辈们编制了多幅具有重要意义的代表性地质图,为日后中国地质制图打下了第一步基础。
    1914年,丁文江等赴滇、黔、川等省调查,沿途测制了多幅路线地质图、剖面图、以及广西、山东等地的矿区地质图,开创了中国野外实测地质图(填图)的先河。

        1919年,叶良辅等绘制的《北京西山地质图》,是中国人自己测制的第一幅1:10万地质图件;翁文灏完成的《中国地质约测图》,是中国学者自己编制的第一张全国地质图。在上世纪20年代,还相继编辑出版了3幅1:100万地质图。
    这一阶段的地质图件,几乎均为手绘,线条相对简单,以单色图件居多,多色图件绘制上色以水彩颜料为主,使用的纸张也较为粗糙。尽管当时地质制图没有绘制标准,比例尺多以文字描述为主,但手绘地质图件更多地体现了地质前辈们的个人艺术修养。

    2 探索(1936 年至1954年): 向“规范化”迈出第一步---

        1936年黄汲清发表的《中国地质图着色及符号问题》、南延宗的《地质图上火成岩花纹用法之商榷》及1937年王炳章发表的《地质图符号着色及花纹商榷》,使中国地质编图、制图、野外测图向“统一化”和“规范化”迈出第一步。除了逐渐趋于标准的地质图外,还有许多生动有趣、绘制精美的手绘素描图,以地质人的视角展现了自然之美。

        值得一提的是,在这一时期,黄汲清、曾鼎乾、陈梦熊完成了我国首张1:300万全国地质挂图。1945~1948 年,中央地质调查所区域地质研究室在室主任黄汲清的组织带领下,编制了14幅1:100万国际分幅地质图,通过编制这些图件,系统总结和展现了1948年前全国地质调查研究成果,实现了全国地质图零的突破。这些图件适应了新中国第一个五年计划的需要,为“一五”计划中的地质工作规划和部署提供了重要的基础地质资料,并为以后的综合地质编图进一步奠定了坚实的基础。

    3 成长(1955年至1994年): 图面信息更丰富且印制更规范---

        随着国家建设和地质工作的迅速发展,1953年~1956年,国家相继成立了四个中苏合作的区域地质测量大队。通过中苏合作和我国地质前辈们的不懈努力,中国地质填图和地质制图发展到比较系统和完善的阶段,图面信息更加丰富多样,印制更加规范标准。这一时期,中国的地质制图有了飞速的发展。

        1954年出版的由黄汲清、谢家荣编著的《普查须知》,对野外测图中所需要的地层划分、地质代号使用、各种花纹符号和色标等提出了统一要求,从而为全国大比例尺地质图统一的表示方法提出了科学依据。

        黄汲清编辑指导的《中华人民共和国大地构造图》,是我国首份1:300万构造图。该图件被地学界公认为对亚洲地质构造研究作出了重要贡献,是亚洲构造研究史上具有划时代意义的经典著作。由李廷栋、李春昱和王鸿祯主编的1:500万《亚洲地质图》,以及由耿树方负责主编的1:400万《中华人民共和国地质图》,在参加第25届国际地质大会展览会时引起巨大轰动,外媒给予了高度赞扬。

        此外,这一时期还完成了我国第一幅1:300万的中国水文地质图,对我国水文地质科学的发展起到了重要的推动作用;我国正式出版的第一幅全国性工程地质图,全面总结和概括了中国区域工程地质条件的基本特征;我国第一幅第四纪地质大型挂图和海底第四纪地质图,对国内第四纪地质进行了全面总结, 并将我国海洋方面有关资料首次在小比例尺挂图上展示,使人们对我国海陆第四纪地质有了一个较为完整的认识。

        在开展区调填图工作的同时,相关的专题研究同步进行,例如农业生态地质研究、环境地质研究、旅游地学研究等均开展专题填图工作。而在地质图件的表示方法、符号的形状、大小、颜色和结构,以及图式、图例等方面的统一具体要求,为地质信息的迅速传输和自动化编图创造了条件。同时,构图色彩的运用也更为大胆,描绘手法更为多样。

    4 飞跃(1995年至今): 进入数字填图和数字制图时代---

        “九五”期间,原地矿部部署了1:20万空间数据库建设试点项目。从2000年开始,中国地质调查局结合区域地质调查工作,开展了计算机辅助填图系统研制。

        1999年~2006年间,中国地质调查局在青藏高原及其邻区152万平方公里的区域内采用3S技术、按照统一的填图工作技术标准完成了多幅1:25万区域调查地质图件。这是一项具有划时代意义的重大工程,标志着我国可测陆地面积的中比例尺区域地质调查工作全面完成。

        从上世纪末本世纪初开始,中国地质调查局开展了1:25万、1:100万海洋区域地质调查工作,并制作了1:25万、1:100万标准分幅的区域海域地质图。

        计算机辅助制图不仅改变了传统的地质编图方法,加快成图速度,减轻劳动强度,提高地质制图信息传输功能和载负功能的质量,而且使地质人员有充分的时间进行综合分析与思维,提高对区域地质发展和构造演化的认识。尽管如此,中国地质调查局仍希望广大野外一线地质工作人员在掌握现代编图方法的同时,不丢弃基本的地质图素描技能,于今年6月组织了“开启地调工作新百年,重拾地质工作基本功”的地质图素描技能展示活动,其中部分优秀作品也在这次展览中进行了集中展示。

        随着计算机制图和3S技术等的不断成熟、发展与完善,我国已拥有海量不同比例尺的、全国性和区域性的地质、矿产、水文、环境、物探、化探等精密地质图件与数据库,中国地质制图已经进入向信息化、电子化、网络化、大数据飞跃的新时代。
       这次展览将在线上线下同步进行,只要点击进入国家地质资料数据中心的网站(网址:http://www.ngac.org.cn/),即可欣赏近千件地质图件,尽享地质与艺术的“跨界之美”。

    走进百年地质图艺展,领略地质与艺术“跨界之美”

    1 前言

    近年由于常规天然气资源量和产量的下降,特别是在北美洲,非常规天然气得到了高度的重视。一些估计表明,全球非常规天然气资源量(不含水合物)超过30000万亿立方英尺,大约有50%的资源来自页岩气。Julander能源公司的首席执行官Fred Julander认为页岩气(SG)是“自发现石油以来最重要的能源进展”。

    水平钻井技术的进步、水力压裂、相对高的天然气价格(相比2009年之前)和近来在巴内特页岩(Barnett Shale)和美国其他几个页岩气藏的商业成功都使页岩气在美国成为了热门能源,而且页岩气的勘探开发已开始蔓延到加拿大和世界其他几个地区。

    由于页岩气远景的复杂性和广泛性,针对页岩气的应用不能采用普遍用于常规气和煤层气的应用技术,而需专门设计开发工具和方法。多名学者包括Gray等人(2007)和Harding(2008)认为基于确定性解决方案的决议不适用于页岩气开发,因其没有考虑与复杂成藏有关的风险和不确定性,且经常导致过于乐观的结果。

    到目前为止,尽管在北美和欧洲的勘查活动活跃以及近期商品价格下降,页岩气远景分析工作也只完成了极少的部分。商品价格的下降使最高质量远景区的开发至关重要,这些区域的开发不仅最符合公司的利益,并且赋予公司与国外的低成本常规气田(即卡塔尔和沙特阿拉伯相关的天然气)竞争的最佳潜力。Williams-Kovacs和Clarkson(2011)提供了与非常规的远景分析有关的现有工作的回顾,并提供了一种专为页岩气应用而设计的综合的六阶段远景分析及开发评价方法(PADEM)。本文中,作者还展示了一个专门开发用以筛查页岩气远景区并且选择最适合详细分析远景的工具。本文以Williams-Kovacs和Clarkson的工作为基础,致力于远景评价并选择进行更深入分析的远景区的试点位置。

    当前工作的目标是:①开发一种协助页岩气勘探开发阶段的方法和配套的分析工具;②演示已开发技术在加拿大西部致密砂岩/页岩远景区的应用。这项工作的主要贡献是开发与示范一种针对页岩气远景区的严格分析方法。当考虑共存关系时,基于先导试验井输入变量的不确定性,该方法能生成其预测的分布。以前所有的工作一直专注于全域开发方案,然而无法利用勘探开发早期阶段可获取的少量数据快速形成这种全域开发方案。

    2 工具开发

    在这项工作中,开发了一种用于分析页岩气远景的工具。该工具选择使用(以Williams-Kovacs和Clarkson提出的方法(2011)为例的)预筛选的方法。本文将重点放在该工具的开发和应用,分析某一远景区的不同区域,以确定它们是否是适合的试点项目,并描述了图1所示的PADEM工作流程的勘探阶段。勘探阶段的目的是对从更多的详细资料中筛选的远景进行调查,以增加对油藏流动性和碳氢化合物生成能力的了解。在这项工作中,我们对个别类型油井采用概率范围经济学(probabilistic scoping economics)作为勘探标准,以确定该远景区是否适合实行试点项目。表1中完整提供了Williams-Kovacs和Clarkson(2011)详细讨论整体勘探开发方法的总结。

    表1  勘探开发方法概况

    发展阶段

    概述

    靶区筛选

    评估所有潜在的远景区,并选择能提供最好的商业成功机会的远景区

    勘探

    对远景区进行更详细地调查,提高对油藏流体特性和相应碳氢化合物生产能力认识。确定有代表性的试点项目适合的地区

    试采

    继续提高对远景区的认识,集中验证试采区单井的供给能力,评估完井方法

    商业示范

    在项目提交全部资金预算之前,完成开发部分(30%)针对错误的试验结果的测试

    全域开发

    完成全域开发计划,开始制定退出战略

    新的远景/退出

    完成项目详细回顾,评估区域及具体化开发过程中新的远景相关区域。调整和实施退出战略以及任何所需的补充措施

    在这项应用中解析模型比数值模拟更适用,其原因在于应用程序自设置和初始化的时间很短,整合的蒙特卡罗模拟法简单易行,并且在勘探早期阶段不容易获得形成精准的数值模拟所需的详细数据。尽管数值模拟技术已得到改进,但解析方法在工业和文献中依然被大量使用。下文给出了开发工具的关键部分的概要。

    2.1 属性图

    勘查方法最关键的组成部分可能是关键储层、地质力学、岩石物理和地球化学特性的精确属性图的开发。从地质模型、产量不稳定分析(RTA)、压力不稳定分析(PTA)、岩石物理调查等组合中可以推导出这些属性图。这些属性图用于远景的可视化、区块选区以及单一区块的分析。天然气原始地质储量图(OGIP)、Km-h图、压裂脆性图等有助于选择代表性区块以及具备更大开发潜力的区块,甚至高度非均质性区块。区块作为一种评价不同区块远景生产特性的方法,基于地质和岩石物理的观察,比较简单易于操作。采用区块方法不需要针对每个勘探网区块开发一种标准井进行分析,然而通过应用蒙特卡罗法依然解释了其变化性和不确定性。Clarkson和McGovern(2005)采用区块方法评价了煤层气(CBM)远景。通过输入X-Y坐标值以及PetrelTM软件的储层属性Z值可以在Excel中创建储层属性图。随后,数据透视表程序被用于对数据排序,并利用二维绘图应用软件创建属性图。由于早期的岩石物理模型通常利用有限的数据集开发,单一区块在蒙特卡罗模拟中选择不确定的输入数据和参数范围可以解释模型参数的不确定性。这种解释不确定性的方法将在本文所示实例中进行演示。

    2.2 水力压裂模型

    该项工作中,水力压裂裂缝的半长采用Valko(2001)提出的在常规和致密气中应用的简单双翼压裂模型来预测。该模型采用基质渗透率、剪切模量(杨氏模量与泊松比的函数)以及其他储层参数作为输入数据,且如果建模的输入参数不确定,则都必须重新计算每次蒙特卡罗迭代。采用简单的关联(Acm=4xfh)可将裂缝半长转换为与压裂有关的面积。这个压裂模型可能无法代表部分更复杂的页岩气裂缝。为了更好的表示引入到大部分页岩气储层的复杂压裂网,Xu(2009,2010)等人建立了一个更具有代表性的水力压裂模型,该模型将被结合到本次工作中所演示的更新版本的方法中。该区的微地震观测表明,在本文预测的远景区横向双翼压裂的假设是合理的。

    作为所应用的速率预测模型中的关键组成部分必须估算裂缝半长,这一问题将在下面部分开展讨论。水力压裂裂缝半长在随机分析中作为不确定的输入量,其分布主要根据该地区的微地震事件或者其他方法来确定。

     

     

    图1  非常规天然气勘探阶段的勘探/开发方法工作流程

    2.3 速率预测

    Clarkson(2013)提供了关于页岩气井生产分析和速率预测综合全面的概述。在该工作中,我们将页岩气井理想化为一个矩形双孔介质系统,气体从基质岩块流入到裂缝且储层不随着裂缝延展(如图2的概念模型)。该模型忽略了包括体积压裂(SRV)在内的影响,其他作者认为大部分低渗页岩气井在合理的时间内不会发生体积压裂。此外,图2所示的概念模型假设了一个均质的完井——Amborse等(2011)和Nobakht等(2011a)讨论了非均质储层完井的预测。

    在本次工作中,该模型的解决方案首先由EI-Banbi(1998)提出来。人们普遍认为在页岩气藏中占主导地位的瞬时流动状态是从基质到裂缝的线性流。同时,也可能出现一个与水力压裂线性流动相关的线性流动周期,但是通常认为这个阶段持续时间很短,或者被水力压裂清理以及表皮效应所掩盖,而很少可用于分析。本项工作中,我们假设瞬时线性流(从基质到裂缝)之后是边界控制流,该流态与受表皮效应(见等式7)影响的线性流体模型存在早期偏差。压裂段之间的不渗透边界结构导致了边界控制流产生。由Wattenbarger等(1998)首先将早期线性到边界控制流体的假设引入到致密气的应用中,并且该假设被广泛应用于文献和页岩气行业的解析模型。

     

     

    图2  从线性流到边界流的解的概念模型

    2.3.1 瞬时线性流的速率预测

    EI-Banbi(1998)提出通过恒定速率和恒定流体压力来描述瞬时线性流的公式。本项工作中采用恒定流体压力的条件,这也是本文其他部分的重点——该边界条件最接近大部分产生达到最大水位降低值的页岩气井的流动条件。Samandarli等人(2011)采用不同的流体压力迭代方法,对页岩气生产进行分析建模,但是他们表明在大部分情况下采用恒定流体压力的假设就可以了。

    与常用于表征简单横向双翼压裂的裂缝半长(Xf)相比,相关储层面积(Acm)能更好的表示完井措施和增产措施效果以及生成复杂裂缝的能力。因此,在这一分析中,采用相关的储层(气藏)面积(Acm)取代裂缝半长(Xf)。许多业内专家相信由于页岩气藏超低的基质渗透率,复杂压裂对于页岩气的商业生产至关重要。

    无因次时间,tD,Acm,相关储层面积(Acm)依据公式1在恒定压力条件下定义。

                               (1)

    无因次速率,qD,Acm,由无因次时间定义:

                                           (2)

    基于储层特性的无因次速率表达式,如果可获得关于KmAcm估算值,通过公式(3)可确定气体流速。采用不稳定产量分析或者其他的模拟技术可估算KmAcmKm也可以通过实验室技术单独确定。

                                 (3)

    Ibrahim和Wattenbarger(2006)认为线性流的性能受水位下降程度的影响,同时提出水位下降量修正因子(fcp)。此次工作中采用的修正因子(fcp)由公式4给出。

                                (4)

    此处,

     

    Nobakht等人2011a和Nobakht等人(2011b)通过分析中采用校正时间(本次工作未采用)提出一种更严格的校正水位下降量的方法。

    将水位下降量修正因子应用到公式3得出公式5:

                           (5)

    除了水位下降量的修正,这些公式经过进一步修改可直接应用于页岩气井。与致密气井相比,大部分页岩气井在时间曲线的平方根中表现出的较大截距(在致密气井中曲线通常穿过原点),而在流量和时间双对数曲线上页岩气井则呈现出的一半斜率的偏差。多名作者最初认为是裂缝的有限导流能力造成了这种偏差,但是Bello(2009)和Bello和Wattenbarger(2009,2010)认为这种偏差可以通过采用表面效应来更好的解释。Bello(2009)、Bello和Wattenbarger(2009)在恒定流量和恒定流体压力条件下完成了大量的受表皮效应(skin effect)影响的线性流分析,且推导出了恒定流体压力条件下的解析解。在他们的分析中,将表皮效应作为一个常量。Bello(2009)和Bello和Wattenbarger(2009)证明恒定流量情况下表皮是附加量,而恒定流体压力情况下表皮的作用是非线性的。由Bello和Wattenbarger(2009)提出的解析式可以使用下面的近似代数方程:

                    (6)

    从方程(6)可以看出,当tD(t)值大时,包含表皮的项就会变小。

    Nobakht等人(2012)研究了巴内特、马塞勒斯和蒙特利的大量页岩气井(这些气井在相对恒定的流压下产量不断降低),同时得出结论:通常这些页岩气井更多表现出恒定流量的情况而不是恒定流压的情况。作者假设这种意想不到的表现可能是由于Bello(2009)以及Bello和Wattenbarger(2009)提出的表皮模型太过理想化,因此无法代表野外条件。通过假设恒定的表皮效应,模型不能说明由压裂清理、压力敏感地层、变化的压裂导流能力、变化的井底流压、压力相关的流体性质、变化的井筒流体梯度、液体加载等导致的表皮改变。作为这项工作的结果,作者提出了一个可应用于公式(2)的替代表皮修正项:

                       (7)

    包括水位最低量和表皮的影响,公式(1)、(5)、(7)能够利用预测的气体流量,作为时间的函数,在线性流区域可对KmAcm给出独立的估测。

    2.3.2 边界控制流的流量预测

    上面描述的方法适用于有效的储层边界相互接触,边界控制流形成之前。基于图2所示的几何图形,边界控制流紧随着瞬时线性流的末期出现。当外部SRV的影响较为显著时,这一观点较为保守。Clarkson和Beierle(2011)认为如果遇到了其他的瞬时流区,则应采用多重分区的方法,此外,如果多级压裂井需要进行非均质性储层的完井(heterogeneous completion),早期线性流之后不会立刻发生真实边界控制流,且需要更复杂“混合”预测技术。如同下面叙述的,我们选择采用更为保守预测程序,假设线性流之后紧随边界控制流。

    利用公式8计算达到线性流的拟稳态时间(或者是瞬时线性流的结束时间):

                           (8)

    正如图2中看到Ye是压裂到储层边界的距离,计算公式如下:

                           (9)

    多名作者已经提出了页岩气井拟稳态线性流的预测方法。包括Fraim和Wattenbarger(1987),Palacio和Blasingame(1993),Doublet等(1994),Agarwal等(1999)和Mattar和Anderson(2005)认为可采用物质平衡类模拟程序预测边界控制流。Clarkson和Pedersen(2010)将这种方法应用于致密油研究,同时本文也将采用这种方法。公式(10)给出采用物质平衡方法预测边界控制流的生产速度:

                  (10)

    此处qpssi-Linear是边界控制流初始的页岩气流体速度,Pri)pss是边界控制流初始的平均储层压力,且Pwfi)pss边界控制流体初始时井筒流体压力。通过物质平衡计算平均储层实际气体拟压力。对于含有大量吸附气的页岩气开采(application),一般使用Clarkson和McGovern(2005)提出的MBE方法。而在以游离气为主的情况下,则使用定容气藏的常规MBE方法。物质平衡计算需要地质储量和气体特性(比如天然气压缩因子),这两者都是由关键PVT输入量和状态公式(EOS)确定的。

    (a)

    收入总额

    (b)

    收入总额

    扣减

    使用费

    扣减

    使用费

    扣减

    运营成本

    扣减

    运营成本

    得出

    税前运营现金收入(OCIBT)

    扣减

    资金成本补助(CCA)

    扣减

    收入税

    扣减

    加拿大开发费用(CDE)

    得出

    税后运营现金收入(OCIAT)

    扣减

    加拿大勘查费用(CEE)

    扣减

    资本支出

    扣减

    加拿大油气物业费(COGPE)

    得出

    税后现金流(CFAT)

    得出

    生产应税所得

    贴现

    税后贴现现金流(DCFAT)

    生产税率

       

    得出

    应付税款

       

    扣减

    免税额度

       

    得出

    应付净所得税

    图3  现金流分析:(a)现金流;(b)收入税(加拿大税制)

    结合El-Banbi(1998)改进的瞬时线性流的无因次公式和边界控制流的物质平衡模拟方法,可以开发一种综合的预测方法:

    1)        获取Acm(或者Xf)和Km(来源于微地震和/或RTA模拟/已有生产数据或者其他估计)的独立估算值。

    2)        使用公式(1)和(7)作为时间函数计算tD,AcmqD,Acm

    3)        线性流部分的数据利用公式(5)作为时间函数计算qg

    4)        指定排放区(来源FMB模拟/已有的生产数据或者其他估算)。

    5)        使用公式(8)和(9)计算tPSS-LinearYe

    6)        确定

    7)        采用公式(10)通过废弃量(边界控制流)从tPSS-Linear预测产量。

    上面描述的解析模型是假设模型(最小变化)区块内的体积平均值参数是恒量,并从认为是不确定的参数的概率分布中选择一个值。每一次蒙特卡罗迭代将选择不同的值,导致不同的流量预测和不同的主要经济指标值。在许多参数高异质性水平的情况下,存在明显的不确定性,这种不确定性反映在关键输出参数的显著变化。

    2.4 经济模块

    将经济模块与速率预测集成来计算与生产相关的现金流。因为通常行业采用名义美元计算实际(通常的)现金流和名义(现行的)现金流,虽然采用实际的盈利指数计算项目的最低预期资本回收率,且通过不同的通货膨胀率来比较项目。采用图3中的业务流程计算现金流和收入税(加拿大税收制度)。

    该模块中的天然气价格的确定实行了价格操纵,而非价格预测。采用价格操纵表明了项目十分稳定(不论是单独而言还是相较于其他项目),并且不再需要预测极不稳定的天然气价格,该模块中也设置了以价格预测为基础引导经济的选项。

    方法中建立了多个实际盈利能力的指标,包括净现值(NPV)、内部收益率(IRR)和投资收益率(ROI),用来比较项目和公司设定的最低预期资本回收率,同时可给项目进行排序。

    2.5 蒙特卡罗模拟的一体化

    本次工作将蒙特卡罗模拟整合到方法开发中。采用@RISKTM(Palisade Corporation,2010)对关键PVT和储层属性(原始参数)进行概率分布和模拟操作。概率分布的输入变量根据不同项目的数据数量和质量而变化。Clarkson和McGovern(2005),Haskett和Brown(2005)和Harding(2008)认为对数正态分布最能代表PVT、储层和经济特性,因此本文使用了这种分布类型。这些概率分布拟合按P10(低)、P50(中)和P90(高)不同的值输入各个不确定变量。这些输入值可能来自勘探/远景数据、个人经验、模拟数据等。缩减所有输入变量的分布保证每个实现只选择合理的数值(缩减分布将选择少量接近无穷大的数值,从而影响输出变量)。

    上面讨论了@RISKTM输出变量定义的关键经济参数,以及气体速率和累积天然气产量。由于每个输出变量允许量化与项目相关的不确定性,可对其生成一个概率分布,以便做出与远景选取和开发有关的明智决策。

    通过在x轴上找到相应的最低预期资本回收率时的位置,向上垂直移动至曲线处,然后再水平投影到y轴,这样可以从累积概率分布计算出超过设定最低预期资本回收率的概率。用1减去y轴上求出的值,得出超过最低预期资本回收率的概率。这个方法在本文中将作为范例进行演示。

    在这一应用中(如在孔隙度和渗透率之间),采用了拉丁超立方体抽样,如果有必要的话,还可合并相关性(如孔隙度与渗透率)。典型的多相(气+水)页岩气/致密气应用的主要参数如表2.3所示。在某些情况下,参数的依赖关系可使用行业普遍接受的经验模型进行解释,而在其他情况下会使用来自现场数据或者估算得到的基于方向的相关性(如较高的正相关关系)。例如,与压力有关的渗透率(绝对的渗透率比值)使用Yilmaz等人(1991)的方法可与储层压力和岩石力学特性关联。相反,束缚水饱和度与孔隙度密切正相关。可能的参数关系如表2所示。

    蒙特卡罗模拟运用了一个类似于Clarkson和McGovern(2005)使用的煤层气气藏远景分析的方法。

    表2  基本参数、可能的相关性和参数关系

    基本参数

    可能的相关性

    关系

    有效厚度/英尺

    孔隙度/%

    粒径,有机质

    适用于某些情况下和正相关情况的实证模型

    初始含水饱和度/%

    孔隙度

    高度正相关

    束缚水饱和度/%

    孔隙度

    高度正相关

    基质渗透率/毫达西,初始状态

    孔隙度,有机物

    适用于某些情况下和正相关情况的实证模型

    基质渗透率/毫达西,初始比

    储层压力,力学性能

    野外/岩心数据经验曲线

    相对渗透率

    含水饱和度,束缚水饱和度

    野外/岩心数据经验曲线

    初始储层压力/磅/平方英寸

    深度,渗透率(超压)

    气压梯度

    储层温度/℉

    深度

    温度梯度

    天然气比重

    朗缪尔体积/标准立方英尺/吨

    容积密度

    来自岩心/岩屑的线性关系

    朗缪尔压力/磅/平方英寸

    体积密度/克/立方厘米

    流泄区/英亩

    含气量/标准立方英尺/吨

    TOC

    正相关

    井眼半径/英尺

    表面

    增产效果

    高度正相关

    压裂总半径/英尺

    剪切模量(+),渗透率(-),有效厚度(-),井眼半径/英尺

    变化—见括号中相关方向

    井底流压

    井眼长度

    高度正相关

    3 该方法应用于远景勘探

    本文中开发的方法广泛应用于SG远景将其分成区块进行分析的目的,以确定是否适合作为一个试点项目。由于SG试点和开发项目成本高,且其详细分析需要大量数据,页岩气远景勘探至关重要。

    对于远景勘探应用而言,其方法的选择以当前远景数据和模拟数据相结合为基础。理想情况下,对于关键PVT和储层参数情况良好的估计,作为空间坐标的函数可用于远景勘探。如果事实并非如此,可以对模拟气藏或者其他数据源进行估算以获取数据,同时分析该方法带来的不确定性。

    假定整个远景区PVT和其他储层特性不变,输入数据可用于生成主要储层特性图。关键生产指标图如OGIP和基质渗透率乘以可以开发的净投入(千米/小时),可用于区块的选择。区块的选择基于区域类似的关键生产指标的值。对页岩气储层而言,压裂的指标,如压裂指数或脆性也可能用于区块选择,同时许多作者表明建立复杂裂缝网的能力对于页岩气商业开采至关重要。

    选择区块后,开始进行蒙特卡罗模拟,按照P10、P50、P90的概率预测和可以开发累积产气的区块,且结合使用关键经济指标的分析来确定区块能否适合一个试点项目。其他因素比如公司的经验,企业和商业策略,可用的资源和基础设施等都将纳入评估,以便为公司以及股东们确定哪些区域可以作为最佳试点选项作出明智的决策。

    远景勘探方法工作流程见图4所示。

    4 采用两段页岩开发模型的样本示例

    为了进一步说明该方法的应用,对加拿大西部的某处致密砂岩/页岩(假定没有吸附气体)远景区的两段进行了分析。在之前的研究中,PetrelTM开发的远景地质模型采用可用的岩石物性、储层和生产数据。图5所示研究区域内4口井的三维孔隙度模型和孔隙度相关的钻/录/测井记录。在该区域,存在两处可获益的产气水平井段(井段3和井段4)。

     

    输入数据

    关键储层属性的填图属性

    PVT,其他储层和水力压裂属性

    生产数据

    经济投入

    区块选择

    根据OGIP或者其他关键属性确定区块

    蒙特卡罗模拟

    模拟输出

    P10、P50、P90的概率预测和累积产气量

    水力压裂运行情况

    经济参数

    可行的商业区块标志

    其他

     

     

    图4  远景勘探方法的工作流程

     

     

    图5  三维孔隙度模型和孔隙度相关的测井

    模型开发期间这个开发区拥有11口垂直井,2口倾斜井和4口水平井。最初钻完成垂直井,紧随其后的是开始于2008年的水平井。Clarkson和Beierle(2011)在该区选择一系列井进行不稳定产量试井(RTA)。模型开发中使用的水平井的总结显示在下面表3中,同时在图6中(在下面描述)该区域的天然气原始地质储量(OGIP)图上显示了井的近似轨迹。

    表3  研究区水平井概况

    井名

    井向

    进入层位

    完井方式

    1号井

    水平

    井段4

    尾管注水泥

    2号井

    水平

    井段3

    自膨胀封隔器

    3号井

    水平

    井段4

    自膨胀封隔器

    4号井

    水平

    井段4

    自膨胀封隔器

    所做的分析主要集中在大部分是水平井的井段4。为了简化分析,采用孔隙度下限为4%,通过Excel加权平均井段4层位,将PetrelTM多层模型转换成一个单层模型。这一平均化过程是为了完成对基质的孔隙度、初始含水饱和度和渗透率的处理。利用孔隙度下限值还可以计算总有效收益和毛净收益(有效收益假设包括所有孔隙度下限值以上的层)。图7a和图8a显示了OGIP和Km-h属性图。

    模型采用的网格大小如表4所示。在整个开发过程中假设为常量的PVT、储层和生产参数如表5所示。

    表4  网格属性

    网格属性

    数值

    网格尺寸

    135×129

    区块长度,X/英尺

    49.76

    区块长度,Y/英尺

    49.76

    网格区块面积/Ac

    0.057

    对于这种情况,人们认为井筒流动压力(pwf)为常量1750磅/平方英寸,接近开发区水平井最初的井筒流动压力。随着时间的推移井筒流动压力降低,后期模型中压力驱动力低于开发井,模拟气率并不乐观。这种情况下,在可获取日常生产和流动压力期间内,平均两个收益井的流动压力大约是1550磅/平方英寸,因此到开发后期之前,这种假设的影响并不很明显。在实际勘探中,该地区还没有投入生产,由于我们不需要将可用的生产数据与模型匹配,而是采用实际的流动压力估计值尝试得到一个准确的潜在生产能力估计值,所以这种假设的影响不是一个值得关注的问题。

    表5  PVT常数、储层和生产投入参数

    参数

    PVT参数

     

    气体比重

    0.648

    N2/%

    0.46

    CO2/%

    0.2

    H2S/%

    0.0

    温度/℉

    166.5

    Cw/磅/平方英寸-1

    2.9×10-6

    Cr/磅/平方英寸-1

    5.6×10-6

    VL/标准立方英尺/吨

    N/A

    PL/磅/平方英寸

    N/A

    储层参数

     

    Pi/磅/平方英寸

    3500

    排放面积/Ac

    80

    生产参数

     

    Pwf/磅/平方英寸

    1750

    rw/英尺

    0.3

    3个区块中假设关键属性的变化情况如表6所示。各属性的数值是每个区块的各个网格值的算术平均数。由于基质渗透率是蒙特卡罗输入量,且利用基质渗透率值可计算总压裂半径(虽然也可使用压裂分析模型在每次迭代时作为基质渗透率函数计算总压裂半径),故给出了一个基质渗透率值以显示区块之间总值的变化情况。

    表6  储层变量和水力压裂输入参数

    参数

    区块1

    区块2

    区块3

    储层参数

         

    有效厚度/英尺

    102

    74

    58

    孔隙度/%

    7.1

    6.5

    6.0

    Sw/%

    18

    15

    16

    Km/毫达西

    0.0084

    0.0079

    0.0077

    水力压裂参数

         

    剪切模量/磅/平方英寸

    2×106

    2×106

    2×106

    总压裂半径/英尺

    1432

    1477

    1489

     

     

    图6  研究区地质储量图呈现近似水平井轨迹

    4.1 区块选择

    利用从PetrelTM多层模型开发的单层模型,其单层等量地质储量如图7a所示。根据类似颜色为代表的区域具有类似地质特征和岩石物理性质,通过视觉观察可选择区块。虽然已知气藏具有高度的横向非均质性,可以看到关键的地质和岩石物理性质明显凸出部分。该图形显示了更复杂的异质性模式的情况,需要更多的区块并且可能有必要用区块代表具有相似属性的不连续块段。图7b显示基于天然气原始地质储量选择的区块远景区。在计算天然气原始地质储量时,虽然该远景区吸附气体量很容易被包含其中,但还是假设其可以忽略不计。

     

     

    图7  地质储量图:(a)地质储量;(b)选区

    从图7b可以看出选取的三个区块中,区块1具有最高的天然气原始地质储量(红色和橙色),区块2具有的地质储量(光和暗绿色)次之,区块3具有的地质储量(紫色和蓝色)最低。从这幅图中可以推断出区块1将有最理想的属性,因此可能具有最高的产量,而区块3产气物性最不理想,因此可能具有最不理想产气量。如同气藏地质储量图(图7)一样,如果绘制Km-h图我们也可以分辨出三个相似的区块。此次应用区块选区采用的天然气原始地质储量图和Km-h图作为代表资源的程度/密度和储层特性的两个要素,这是工业上常用的评估致密砂岩和页岩远景好坏的关键因素。区块选区的属性根据不同项目而变化,取决于驱动特定资源类型远景的关键要素。

    对于这种情况,假设简单的水平双翼压裂(如所使用的压裂模型所假定的)就足够了,因为微地震数据对同一区域的补充水平压裂井的解译说明复杂程度较低,如果不是水平情况,则进行压裂(图9)。采用水平和垂直观察井用以观察,同时采用双阵列处理会产生一个好的数据集。一般情况下,各个阶段仅出现一个水力压裂裂缝。水力压裂裂缝通常选择北东-南西方向,与加拿大西部沉积盆地(WCSB)部分最大水平应力方向一致。

     

     

    图8  Km-h图:(a)Km-h;(b)选区

    通过比较图6与图7b和8b可以看出在开发区所有水平井部分或全部在区块1范围内。因为这个原因,剩余的分析还将在区块1中开展。对区块1区域的水平井的预测情况而言稍微乐观,因为这些水平井水平延伸超出区块1区域进入地质储量和Km-h更低的区域(该区水平井采用恒定的流体压力与(Pwf)i相比将获得相反的影响)。

     

     

    图9  根据微地震数据解译的研究区内水平井水力压裂裂缝几何图形

    4.2 经济分析

    分析假设只有天然气价格是变量,而所有其他经济参数都保持常量。表7列出了其他主要经济参数的值(基于Magyar和Jordan的估算(2009))和表8介绍了主要的专利权使用费、税和贴现参数。

    在本文的分析中,净现值(NPV)作为重要的收益经济指标且最低资本回报率为0。

    分析远景的工作流程图如图4。

    表7  资本和运营成本参数

    参数

    土地成本

     

    租金/美元/亩

    2500

    代理费/美元/亩

    50

    单井成本

     

    钻井/百万美元

    1.5

    完井/模拟/百万美元

    2

    配套设施/管道/百万美元

    0.35

    储层表征

     

    地震/百万美元

    0

    测井/百万美元

    0

    提取岩心/百万美元

    0

    其他/百万美元

    0

    运营成本

     

    固定成本/美元/月

    5800

    可变成本/美元/千标准立方英尺

    1.25

    表8  使用费、税收和折现率

    经济参数

    费率

    使用费率

    20%

    税率

    30%

    实际贴现率

    15%

    名义贴现率

    18.45%

    通货膨胀率

    3%

    4.3 蒙特卡罗模拟

    在区块选择之后,本文进行了蒙特卡罗模拟研究。蒙特卡罗模拟中,基质渗透率(km)和页岩气价格不断变化,而所有其他的PVT、储层参数和经济参数保持不变。为了更好地进行说明,我们选择了将“不确定”的输入变量的数量显著限制在基本控制远景的油藏性能(储层渗透率)和经济情况(天然气价格)。基于P10、P50和P90值按照对数正态分布模拟参数。在大多数的勘探情况下,许多参数都是不确定的,可以通过这些参数的概率分布(见表2)来定义。对于需要使用概率分布进行定义的一些关键参数,可通过评估给定区块内重大变化的属性图来直接确定,或用更严格的统计技术,如采用区块内部数值计算变异系数(Cv)。由于基质渗透率是基质流动的主要控制要素,以及未来商品价格造成的天然气价格的高度不确定,针对这种情况,我们选择基于视觉观察的基质渗透率。

    基质渗透率按照P10、P50和P90的值计算如下。通常情况下,可以通过岩石物理模型中的参数值拟合分布来生成概率分布,但是因为我们处理的是远景的早期评估,因此我们采用了替代的方法,即最大限度提高模型获取的不确定性来解释其他早期参数估算无法获取的变化性。如果需要,对其他不确定参数也可以使用相似的方法。

    P10——区块1中比第十百分位值的基质渗透率低20%

    P50——区块1中的基质渗透率值居中间数

    P90——区块1中比基质渗透率的九十百分位值高20%

    表9中定义了2个输入变量的分布。将模型内部不确定参数合并关联(见表2)也很重要。虽然孔隙度和渗透率之间的相关性被加入到原始岩石物理模型(幂律相关),并且压裂半径与剪切系数(正相关)、基质渗透率(负相关),净收益(负相关)和压裂模型井眼半径(负相关)相关,但是出于演示的目的,本文对这一方法进行了简化,使蒙特卡罗模拟中的主要变量之间没有相关性。由于压裂半径取决于基质渗透率,压裂模型必须在每次迭代时重新计算。气体流量,累积产气量和净现值被定义为@RISKTM输出变量。

    本文进行了5000次蒙特卡罗迭代,以确保蒙特卡罗输入变量充分覆盖样本空间。要求覆盖足够的样品空间,是为了确保每个模拟输入相同参数运行时,能得出同样的结论。出于演示的目的,用上述方法获得的迭代数并不是最优化。但是,通过将无限大(非常大)的样本输出分布与减少样本数量的输出分布比较,同时寻找要求充分重复“已知”输出分布的最小值,可以获得优化的迭代数。当进行多个模拟时,优化处理可用于减少处理时间和容量。

    4.4 结果

    图10显示了区块1中单口气井的确定产气量和累积产气量预测。这个“确定性”的基质渗透率的值来自于表9所示输入分布的斯旺森平均值(SM),假设这个值代表区块收益的平均水平(静态平均Km=0.0095毫达西)。虽然Bickel等人(2011)指出了斯旺森平均值(SM)的缺点,但它仍然被广泛地用于工业,因此在这种情况下还将使用。此外,斯旺森平均值在输入分布的平均值的5%范围内(使用@RISKTM计算),因此认为在这个例子中的平均值是准确的。另外,可以使用另一个估计的平均值(即分布平均值、区块值的算术平均值等)。图10a显示的产气速率与时间半对数图以及累积气体的产生与时间的笛卡尔曲线,而图10b显示了产气速率和时间的对数分布图。

     

     

    图10  开发模型情况下的确定速率预测:(a)产气速率和时间、累积产气量和时间的半对数;(b)产气速率和时间的对数关系

    图11显示了产气速率与时间的半对数图,图11b显示一个产气速率与时间的对数图和图11c显示预测(约14年)最初5000天累积产气与时间的笛卡尔曲线。

    通过比较图10和图11,可以再次看到确定性预测与P50概率预测相比,具有更大的IP,持续的生产速度和累积产气量,表明确定性预测是比中位数情况稍微乐观,并且明显远超过P10的情况。这些结果再次支持使用概率分析取代非常规应用的确定性分析。

     

      

    图11  开发模型情况中概率速率预测:(a)产气速度和时间的半对数关系;(b)产气速率和时间的对数关系;(c)累积产气量和时间

    随后,P10、P50和P90产量预测与区块1内水平井可获取的生产数据进行对比,以测试开发方法的稳健性和准确性。在这个比较中,由于完井的复杂性,只有井3和井4可用,而井1表现不佳,且井2在此次分析区块外部。井3的产量被缩减了30天,以便使该井产量自然下降的初始时间与概率预测的一致(指修正井3)。生产的前430天的对比曲线如图12所示。

    如图12所示,两口井的生产数据(修正井3和井4)普遍落在P10和P90之间(使用@RISKTM生成的预测)。除了生产的前20天和第300天左右时的大约20天两个时间段(模型没有指出的操作问题导致的结果)外,约80%的数据点如预期处在P10和P90预测之间。初步预测产量可能更高,因为它不考虑压裂清理干扰、启动效应等,该模型增加了表皮效应来提高与IP的匹配程度。但是,在真正的勘探情况下表皮效应的大小无从得知,这是因为无法获取产气远景区域的数据且需要将其作为不确定的输入量以最大限度地提高模型的准确性。

     

     

    图12  3号井和4号井生产数据和概率速率预测的对比:(a)产气速率和时间的半对数关系;(b)产气速率和时间的对数关系;(c)累积产气量和时间

    虽然这不是一个令人满意的统计样本,只有一个关键属性(Km)被认为是不确定的,但结果令人鼓舞。图13显示了净现值的增加的累积概率分布,直方图和回归系数托那多图。图13a再次显示超过最低预期资本回收率概率计算的累积概率分布图。

    从图13a可以看出这个模拟平均净现值为53万美元,可能超过最低预期资本回收率的50%。然后,可将平均净现值和超过最低预期资本回收率的概率与相同远景的其他区块,以及与其他潜在远景的区块进行比较,从而确定哪些远景区域可提供最好的经济成功机会。这一分析显示了积极的NPV平均值和超过最低预期资本回收率的适度概率。基于这样的分析,可以得出结论:区块1的样品远景对于试点项目是极好的备选。这一分析支持了该地区的开发,但是这一测试中所采用的天然气价格网格假设对其结果影响极大。图13C中托那多图表明天然气价格对净现值带来的影响最大,基质渗透率给净现值带来的影响其次(区块1中最小的基质渗透率变化的结果)。这表明假设较高的气体价格(比如该区水平井钻探时期的气体价格)将提高远景的可取性。从图13b直方图可以看出模拟中大部分的净现值在300万美元和350万美元之间,众数等于-1.5万美元,相当于平均数53万美元左右。

     

     

    图13  开发模型应用NPV法得出的经济结果:(a)累积概率分布;(b)柱状图;(c)回归系数的龙卷风图

    此分析程序可在在开发区的其他2个区块内完成,以协助选择最适合公司的试点项目的位置。2号和3号区块的填图属性的直观观察(图7b和8b)表明,这些地区情况没有区块1理想,因此在本次分析所使用的气体价格假设中可能不适合作为试点项目。

    5 结论

    在本文中,开发了一种方法理论和基于excel的方法以协助页岩气和致密砂岩气藏的勘探。这个方法包含了来自不同来源的映射属性、一个用于估算水力压裂半径的简单的压裂模型、目前应用于页岩气井开采的速率预测技术、计算关键盈利能力指标的经济模块以及解释非常规资源中内在的风险和不确定性的蒙特卡罗模拟。本文所描述的方法和工具可被工业界用于评估远景区域内的各个区块和选择适合试点项目的地区。该方法较为严谨,以岩石物理、地质和现在产业应用的分析储层模型为基础,且通过重建现有实例的油藏动态来证明其准确性。由于不需要建立复杂的数值模型和详细的开发方案(所需数据是在开发早期通常无法获取),这种方法既简单又高效。

    感谢代金友副教授对本文提出的宝贵意见。本文受中国地质调查“地学情报综合研究与产品研发”(121201015000150002)项目支持。

    资料来源:Williams-Kovacs J. D., Clarkson C. R. A new tool for prospect evaluation in shale gas reservoirs. Journal of Natural Gas Science and Engineering,2014,18(5):90-103.

    一种用于页岩气藏远景评价的新方法

    青藏高原是特提斯洋盆多期扩张与消减以及其间的陆块、岛弧多期俯冲碰撞作用的产物,具有长期、复杂的地质演化历史。拉萨地体作为青藏高原重要的组成之一,通常认为其起源于冈瓦纳大陆北缘,中生代由于新特提斯洋壳北向俯冲成为安第斯型活动大陆边缘,新生代与印度板块发生陆-陆碰撞造山作用,因而完整记录了青藏高原的过程。但是,由于拉萨地体内古老岩石出露有限,其前寒武纪的演化历史仍是个谜。

    中国地质调查局地质研究所董昕研究员及其合作者对拉萨地体东部的林芝杂岩开展了详细的野外地质考察,在东久地区识别出一套中元古代早期的花岗质片麻岩,通过系统的年代学和岩石地球化学研究,初步取得如下认识:

    1.东久正片麻岩的原岩为花岗闪长岩和花岗岩,形成于中元古代1520‒1506 Ma(图1),具有弧型花岗质岩石的地球化学特征,它们可以为拉萨地体的古生代地层提供源区物质。全岩Sr-Nd和锆石Hf同位素表明这些中元古代的花岗质岩石起源于更古老的地壳物质,反映拉萨地体可能存在更古老的基底岩石。

    2.东久正片麻岩中的锆石不仅记录了中元古代的原岩年龄,而且记录了新元古代605‒590 Ma(图1)的变质事件,表明拉萨地体发育有前寒武纪变质基底。

    3.通过岩相学和榍石原位U-Pb定年研究,揭示出东久片麻岩还经历了后期渐新世(约26 Ma)(图2‒3)的中压角闪岩相变质作用再造,这期变质作用可能与印度-亚洲板块陆-陆碰撞后地壳持续加厚有关。

    4.提出南部拉萨地体和北部拉萨地体均具发育前寒武纪变质基底,但自中生代以来的幔源岩浆作用和变质作用强烈地改造了南部拉萨地体的基底岩石。

    这一研究为深入认识拉萨地体的古老地壳时代和性质,及其后期再造演化提供了重要依据。

    上述研究受国家自然科学基金项目(41872070和91855210)、地质调查项目(DD20160122和DD20190057)和国家留学基金委访学项目(201809110024)的共同资助。成果发表在国际知名地学期刊《Precambrian Research》上:Dong Xin, Zhang Zeming, Niu Yaoling, Tian Zuolin, Zhang Liangliang. 2020. Reworked Precambrianmetamorphic basement of the Lhasa terrane, southern Tibet: Zircon/Titanite U–Pb geochronology, Hf isotope and Geochemistry. Precambrian Research, 336, 105496。

    原文链接:https://doi.org/10.1016/j.precamres.2019.105496

     

    图1 东久片麻岩的锆石U-Pb定年谐和图(a和c)和锆石中稀土元素球粒陨石标准化后的配分图解(b和d)。图中红色和蓝色线(/文字)分别代表锆石的继承岩浆核和变质边的分析结果(单位:Ma)。

     

    图2 东久片麻岩中代表性榍石的背散射图像(a‒d,i‒l)和其对应显微镜下照片(e‒h,m‒p)。蓝色圈和数字代表榍石定年分析的位置和结果(单位:Ma)。大部分榍石含有钛铁矿、黑云母、褐帘石、磷灰石、斜长石、石英和少量金红石矿物包体。

    图3 东久片麻岩的榍石U-Pb定年谐和图

    地质所在拉萨地体前寒武纪变质基底研究方面取得进展

    特提斯洋是地质历史时期存在于冈瓦纳和劳亚大陆之间的古大洋,根据洋盆的时空展布特征,可进一步划分为:原特提斯洋、古特提斯洋、中特提斯洋和新特提斯洋。中特提斯洋,也有学者称之为新特提斯洋北支,是二叠纪时期伴随着基梅里大陆从冈瓦纳大陆的裂解而逐渐打开形成的,现主要以青藏高原内部的班公湖-怒江缝合带为代表。蛇绿岩作为古大洋岩石圈的残余,是恢复和反演古大洋形成演化历史的最直接证据。班公湖-怒江缝合带一线蛇绿岩出露范围广,岩石组合完整且保存较好。过去的研究工作显示,这些蛇绿岩多具有俯冲相关(SSZ)蛇绿岩的特征,进而推断班公湖-怒江洋是有限小洋盆,或新特提斯洋的边缘海(弧后小洋盆),对于是否存在主洋盆(或大洋盆),尚没有清晰的认识。

    为了进一步研究中特提斯洋洋盆属性、形成演化及其动力学过程,自然资源部中国地质调查局地质研究所构造地质研究室唐跃博士后及其合作导师翟庆国研究员等,对班公湖-怒江缝合带中段地区的蛇绿岩开展了立典研究。研究团队选择典型蛇绿岩出露区开展了大比例尺专题地质填图(1:25000、1:5000),结合高精度的分析测试手段与综合室内研究,首次在班公湖-怒江缝合带中厘定出了典型的大洋中脊型(MOR)型蛇绿岩。

    藏北湖区位于班公湖-怒江缝合带中段,蛇绿岩广泛分布在长约200km,宽约160km的范围内(图1),是该缝合带中蛇绿岩最为发育的地区。仁错蛇绿岩地处藏北湖区蛇绿岩的最南端,野外填图工作发现,该蛇绿岩具有典型Penrose型蛇绿岩岩石组合,主要由地幔橄榄岩、层状和均质辉长岩、席状岩墙群、枕状熔岩及放射虫硅质岩组成(图2),尤其是大规模的均质辉长岩、席状岩墙和枕状玄武岩可与现今快速扩张的大洋中脊相类比(图3)。玄武岩、辉绿岩和辉长岩均显示出典型N-MORB的地球化学特征,明显正的全岩εNd(t)和锆石εHf(t)值以及与地幔岩浆岩类似的锆石O同位素组成。这些特征表明仁错蛇绿岩是典型的MOR型蛇绿岩,形成于快速扩张的大洋中脊环境,可能代表了中特提斯洋的主洋盆。在此基础上,对蛇绿岩中的辉长岩、辉绿岩和斜长花岗岩等开展了系统的锆石U-Pb定年,结果表明其时代主要集中于169-147 Ma之间(中-晚侏罗世)。

    结合其它相关研究资料,研究团队初步建立了班公湖-怒江中特提洋多岛弧盆体系的构造演化过程,主要经历了前侏罗纪的大洋扩张、早侏罗世晚期-中侏罗世早期的安多微陆块拼合以及俯冲南向跃迁、中侏罗世以来的南北双向俯冲,以及早白垩世的大洋闭合(图4)。这一研究成果为“中特提斯洋是一个与新特提斯洋并行的古大洋”的研究提供了关键的证据,改变了传统上对班公湖-怒江中特提斯洋属性(有限小洋盆)的认识,为深入认识中特提斯洋的形成演化及其动力学过程提供关键约束。

    本研究受国家自然科学基金(91755103, 41872240)、第二次青藏高原综合科学考察研究专项(2019QZKK0703)和中国地质调查局项目(DD20190060,DD20190370)等的资助。研究成果发表于国际著名地学期刊《Geological Society of America Bulletin》上:Tang Yue, Zhai Qingguo*, Chung Sunlin, Hu Peiyuan, Wang Jun, Xiao Xuchang, Song Biao, Wang Haitao, Lee Haoyang, 2020. First mid-ocean ridge-type ophiolite from the Meso-Tethys suture zone in the north-central Tibetan plateau. Geological Society of America Bulletin. V. 132, no. 9-10, p. 2202-2220.
    原文链接:https://doi.org/10.1130/B35500.1

    图1 班公湖-怒江缝合带中段藏北湖区构造简图

    图2 仁错蛇绿岩野外照片

    图3 仁错蛇绿岩层序剖面及其与邻区蛇绿岩对比

    图4 中特提洋中段构造演化模式图

    青藏高原中特提斯缝合带中首次厘定出MOR型蛇绿岩