6.1.1 层序地层学动态模拟的信息系统思想
模拟作为一种仿真技术，它既可形象地描述过去地质时期的石油地质作用，亦可对其结果随参数的变化得到不断调整与修正，使之与实际逼近，提供新的信息，逐步提高油气勘探、油藏预测的效率和精度。
模拟工作要有三个基本步骤，即定义模型、建立模型、用模型模拟系统的性能（J.W.Harbaugh,1980）。用信息论思想描述模拟可用图6—1表示
图6—1 层序地层动态模拟方法概念模型
我国著名科学家钱学森在1978年写的《组织管理的技术——系统工程》—文中指出：“把极其复杂的研制对象称为系统，即由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合成具有特定功能的有机整体，而且这个系统本身又是它所从属的一个更大系统的组成部分”。
由此可见，人们所论的系统的观点，即统观全局的观点，其主要内容是从系统的整体效果出发来分析、观察以解决问题，把系统内部各元素或子系统之间，以及与外界环境之间看成是相互联系、相互制约的，并使整个系统效果达到最优程度。
盆地的形成过程是一个极其复杂的多因素控制、相互影响、相互制约、相互联系的有机整体。沉积盆地的地层反映了两个最基本的进程之间敏锐的相互作用，它们控制着一个盆地空间的产生和消亡、沉积物的沉积和搬运。在盆地里，由于基底的构造沉降、沉积物的压实、沉积物和水载的均衡响应，以及海平面变化的速率等不同均可导致盆地的沉积层序空间形态的不同。层序地层模拟的基本问题即是揭示在一个盆地内，层序地层的构成要素在整个地质演化过程中所服从的系统规律，并用合适的数学模型即确定性模型（不排除随机性或经验模型）再造层序地层的形成过程，动态地研究其形成机制。因此，层序地层的动态过程包含两重含义，即与层序形成过程密切相关的各要素或事件之间的联系，以及诸要素或事件在整个地质历史中的演化发展过程。
将层序形成过程中各种相互制约、动态联系的因素作为一个整体来综合考虑与研究，从解剖一个系统，逐步研究其各个组成要素，上升到从整体上把握系统，这充分反映了系统论的整体性、综合性、最佳性特点，这也是层序地层学动态模拟的主要理论思想。
作为理论思想的具体体现，图6—2给出层序地层形成演化模拟的基本实施流程图。
图6—2 碎屑岩层序地层形成演化模拟流程图
6.1.2 层序地层模拟系统的主要地质与数学模型
6.1.2.1 沉积作用
1.模型的物理假设、
当泥沙被河流搬运入湖或入海时可形成巨大的堆积体。根据C.C.Betes等人（1953）的假设，在河流入口处可以被看作水力学上的喷嘴，河流流入静止的蓄水体时形成自由射流。在本模型中，通过河口外水流流速的计算，追踪泥沙的运动轨迹和沉积位置是沉积模型的主要目的。因此，该模块的主要内容是：①建立河口地区的水动力场；②计算泥沙颗粒的沉降速度；③计算泥沙在河口断面上的分布；④追踪泥沙颗粒的运动轨迹和确定其沉积位置。
一条河流由假定其横剖面为矩形的河道流入一个蓄水体中，当离开河床口时，河流中的淡水被假定为穿过浓度较大的盐水向外散布，如同一个平面射流，于是形成两个介质不同的层。这个模型采用直角坐标系，其坐标原点选在河口处河床底面的中心，取河流的主要流动方向为X轴，Y轴是水平的，并垂直于X轴，而Z轴是竖直方向的，其正值方向向上（图6—3）。
图6—3 定义矩形河床流入盐水盆地的示意图
2.河流水流运动的数学描述
根据G.F.Bonham—Carter和A.J.Sutherland等人所建立的模型，假设河流速度剖面满足如下方程：
新疆塔里木盆地层序地层特征
式中：
V（Z）——河床底面之上高程为Z处的河流速度分量；
Vp——河床内河流流向上的平均速度分量；
U——剪切速度，河床底面摩擦特性的度量；
k——Von Karman常数，即随悬浮沉积物的数量而变化的一个数值因子，假定k=0.4;
d——河床深度；
以无量纲表示上式，有：
新疆塔里木盆地层序地层特征
当水流以平面射流形式远离河道口运动时，水流速度的分布可分为无扩散带、流动建设带、既定流动区图6—4。
图6—4 流动场的平视图和立视图
a.描述具有三个不同流动范围的平面射流速度场的平视图b。（中心线剖面）立视图表示速度与时间的指数衰减关系，并且说明淡水漂浮在盐水上面的两层体系的假设
在无扩散带，速度保持不变。所以：
新疆塔里木盆地层序地层特征
即河流流向上的速度分量等于河口处那个高度的初始速度；
在流动建设带，在河床中心部位的速度曲线是平直的，但在y方向上速度分布曲线类似高斯曲线
新疆塔里木盆地层序地层特征
在既定流动区，沿平行于y轴的直线测量的速度值的分布图类似于规则的高斯频率分布曲线，每一个这样的曲线都有一个随着距河口距离增加而线性增加的标准离差。
新疆塔里木盆地层序地层特征
所以统一写成：
新疆塔里木盆地层序地层特征
3.沉积物流量
在该模型中，河流被划分成若干个河管，在开放河道内某一深度处沉积物的浓度用下列方程来计算：
新疆塔里木盆地层序地层特征
Cz——河道上方高度为z处的沉积物浓度；
d——河道深度；
Ca——高度为a处的参考浓度；
a——参考高度；
p——Uω/k；
ω——静水中沉积物下落的速度；
为计算泥沙在河口整个断面上的流量，沿垂线将河口断面分为几个相等的区间对上式积分并乘以出河口流速U0，即可计算出第i区间的沉积物的流量；
为了计算沿着单独一个河管搬运的沉积物的全部负载量，需计算这个河管上方边界Zj和下方边界Zi之间每单位宽度s上的沉积物的流量
新疆塔里木盆地层序地层特征
令河道每单位宽度上的全部沉积物流量为S（ε，d），则在高度Zi和Zj之间沿着某一管道搬运的沉积物的负载量除以总负载量为：
新疆塔里木盆地层序地层特征
ε——由于速度系数f1（Z）不能应用于非常接近河底的流动而引入的一个很小的高度值，它等于沉积物颗粒直径的4倍。
给定总的沉积物通量（gs＝质量/单位时间），则单位宽度的河管沉积物通量可计算为
新疆塔里木盆地层序地层特征
n——横切河道宽度的河管数目；
从高度看，颗粒的实际沉降轨道是通过考虑作用在该颗粒上的力求得的。
假设在颗粒沉降轨道上任一点处的斜率dz/dx为－ω/u（x,y,z）
新疆塔里木盆地层序地层特征
新疆塔里木盆地层序地层特征
将上方程对x求通解即可。
G.F.Bohham—Carter和A.J.Sutherland（1968）对于考虑了横向扩展和垂向沉降的任何颗粒导出了求终点坐标（Xt,Yt）的通解。如果仅考虑河流流向上的沉积物颗粒降落位置，可用下式表示：
新疆塔里木盆地层序地层特征
新疆塔里木盆地层序地层特征
式中：
新疆塔里木盆地层序地层特征
河道内水流平均速度求取：
新疆塔里木盆地层序地层特征
式中：U——剪切速度；
D——深度；
B——河道宽度；
S——斜率；
f——河底粗糙的摩擦系数；
v＝u＊（g/f）1/2；
实现步骤：
（1）把总的沉积物通量（质量/时间）分配在各个河管中，因此，通过每个单位宽度河管中的沉积物的质量是已知的。
（2）由方程（6.13）和（6.14）计算每个颗粒的终点坐标。
（3）由一个数组记录每个单位宽度河管的沉积物在河口前沉积的位置和数量，计算网格如图6—5所示。根据计算单位的大小以及所得到的沉积物的体积密度，在不考虑压实作用的条件下，把每一个单位宽度河管的沉积物的质量转换成某一地层的厚度，河道轴仅在一个很小时间内是平直的，流动的主轴方向很可能来回摆动，因此，对于每一个扇状体位置的转动角度都是利用具有均值为零和指定标准方差的高斯随机数产生的。
图6—5 河口区沉降模型使用登记网格
6.1.2.2 构造沉降
构造沉降是指由于地球动力作用，即在某种构造驱动力（例如岩石圈伸展变薄，热冷却，由于构造负载发生的扰曲响应等）作用下主动发生的沉降，我们运用地壳均衡原理来计算基底下降的幅度。这个原理的正确性得到各派构造地质学家的承认。如图6—6所示，地槽区接受了大量的沉积物，其基底下沉，下伏的地幔也受到压缩，水深变浅，而没有接受沉积的正常区仍保持原有的基底深度。但根据均衡原理，在地幔中，受压缩界面以上的各点所承受的压力是相等的，所以有：
新疆塔里木盆地层序地层特征
新疆塔里木盆地层序地层特征
新疆塔里木盆地层序地层特征
式中γw、γc、γs、γm、γq均为图6—12中各部分物质的比重。
负载沉降量用dm表示，则有：
新疆塔里木盆地层序地层特征
若考虑到海（湖）平面的升降变化（R），则实际沉降可表示为
新疆塔里木盆地层序地层特征
图6—6 基底沉降模型
6.1.2.3 压实作用
由疏松的沉积物到岩石是一个成岩作用过程，在这一过程中，连续的沉积作用使下伏的沉积物受压实、成岩，使其孔隙度减小和厚度变小。因此，可用孔隙度的变化来反映沉积物受压实的情况。
压实作用的数学模型是基于沉积物机械压实原理，具有以下几点假设：
（1）地层在压实过程中，岩石骨架体积始终保持不变，且横向面积保持不变，纵向厚度随着地层体积变小而变薄。
（2）地层压实程度是由埋深决定的，具有不可逆性，即由于后期抬升使现在埋深不超过古埋深时，地层压实程度保持不变。
根椐以上几点假设可得出如下数学表达式：
新疆塔里木盆地层序地层特征
新疆塔里木盆地层序地层特征
新疆塔里木盆地层序地层特征
式中：Φ（H）——地层在埋深H处所对应的综合孔隙度；
Φsh（H）、Φsd（H）、Φca（H）——分别为泥岩、砂岩、碳酸盐岩在埋深H处所对应的孔隙度；
Psh、Psd、Pca——分别为泥岩、砂岩、碳酸盐岩百分含量；
H、H3、H1、H2——分别为某套地层在两个不同深度所对应的顶界、底界埋藏深度（m）。
地层压实方程（即孔隙度与埋深的关系式Φ（H））可以根据地层压实特征采用不同的表达式。正常压实情况下，Φ（H）可采用指数函数形式（Φ（H）＝Φ0e-CH）或多项式函数形式（Φ（H）＝CnHn+Cn-1Hn-1＋…＋CH+C0，其中Cn、Cn-1、…C,C0为待定系数，H为埋深）；欠压实情况下，Φ（H）可以采用分段函数形式
新疆塔里木盆地层序地层特征
其中a1,a2，…an+1为各分段点所对应的埋深，且Φ1（H）、Φ2（H）、…Φn（H）在各拐点处连续或超压函数形式。
（6.22）、（6.23）、（6.24）三个表达式为压实作用模拟的数学模型.
求解以上方程可用牛顿迭代法，在迭代过程中设置一个误差值，直到满足误差要求，即可结束迭代。这样，便可求出不同深度的岩层在压实过程中，其顶、底深度的变化。
6.1.2.4 侵蚀作用
在沉积盆地的发育过程中，连续沉积是各类地质事件中最主要的一种。但其它的地质事件，如沉积间断、大面积的剥蚀也是常常发生的。它们对于沉积岩系的埋藏史有着不可忽视的影响。在沉积间断，特别是剥蚀期内，已埋藏的沉积物的成岩演化、已形成的地温场特征、沉积物的机械压实作用和排水作用等都将改变原有的进程，或停止或改变方向。因此，在层序形成过程的模拟中建立剥蚀作用模型是不可缺少的。
然而，侵蚀作用的成因极其复杂，目前还没有一个十分合适、较为恰当的数学模型来描述。而且剥蚀量的计算和剥蚀期的确定至今没有成熟的方法，通常是采用多种方法，对它们的结果作比较，择最合理的选用之。
我们采用W.C.，Ⅲ，Pitman等人的侵蚀作用的数学模型。
假定区域高程的降低速率dyd/dt与平均高程y成正比：
新疆塔里木盆地层序地层特征
区域高程降低后，则引起均衡抬升，抬升量为：
新疆塔里木盆地层序地层特征
用Rsl代表海平面的变化速率，则有：
新疆塔里木盆地层序地层特征
由此导出平均高程随时间的变化关系为：
新疆塔里木盆地层序地层特征
其中：y——为地表平均高程，y0——起始高度；
k——比例因子；
t——为时间；
ρc，ρm——分别代表地表及软流层物质密度；
Rsl——代表由各种因素造成的沉积基准面的变化。
6.1.3 系统的结构、功能及实现
《层序地层模拟系统——SSBM》是用于模拟层序形成的一个大型、综合动态系统。系统采用结构化程序设计的方式，各模块间均以数据流来传递数据，数据和图形均能动态显示，并且整个系统由菜单控制。
6.1.3.1 图形用户界面程序设计及系统的使用方法
随着计算机技术的飞速发展，硬件产品的性能/价格比在不断提高，计算机的图形、图像实时处理已成为现实。对于当今的应用程序来说，交互式开发的图形用户界面已是推广应用必不可少的组成部分，甚至是至关重要的组成部分。借助于友好的用户界面，可使那些对计算机几乎不了解的专业研究人员也能通过使用应用程序完成所需的任务。
根据层序地层模拟系统采用模块化设计的原理，设计模块调用总控界面时采用了一个基本窗口，它全部由控制区组成，是层序地层模拟的主菜单，是用户对系统功能选择的总控制模块。该模块是用户使用本程序的入口，进入此模块即可进入主菜单，用户可根据各自的需要及使用权限进入到各个子模块中去，由功能不同的子模块完成各自的特定处理，由动态数据库来传递各模块的数据，动态数据区中的数据随着系统的运行而不断改变，同时它又是各模块相互进行数据交流的纽带。为了向用户提供友善的用户界面，整个系统全部采用下拉式菜单和弹出式窗口。在界面的设计中采用了通用界面的设计思想，界面基本上是一个独立的模块，只是稍作一些修改，就可以用于其它系统上，以缩短用户界面的开发周期。各模块之间是相互独立的，能按照需要任意继续扩展、更新和修改子模块，而不会影响系统的其余部分的功能。
6.1.3.2 系统的结构、功能及实现
1.系统自检及初始化模块
系统自检及初始化模块是系统启动时执行的第一个例程，它的主要功能是：
（1）检测硬件的配制及其状况，本系统可以在任何PC及兼容机上运行，但要求VGA显示卡，显示模块使用16色640×480显示模式，对计算机的内存没有特殊要求；
（2）检测系统运行所需的各种配制文件；
（3）检测系统运行所需的各种数据文件；
（4）设置系统运行的初始化环境。
2.错误处理模块
错误处理模块是系统容错能力的体现，输入纠错可及时给出数据超界，数据类型错误，字符串超长等错误的警告信息，并提示用户重新输入，以消除隐患，保证了系统的可靠运行；输出设备错误可防止磁盘错误，打印机错误，避免造成对系统失去控制和死机等严重错误的发生。
3.文件编辑模块
按用户的要求，在屏幕上对指定的文件进行编辑与修改，并按用户的要求可直接调用C语言编辑器及Graphtool绘图软件进行程序编辑及图形编辑与输出。
4.数据输入模块
能按用户的要求输入数据，并对输入的数据进行屏幕编辑与修改。
5.模拟模块
这是程序的主体，其内包含有①沉积子模块；②压实子模块；③侵蚀子模块；④构造沉降子模块；⑤负载沉降子模块；⑥基底升降运动子模块；⑦测井验证子模块等共七个子模块，按用户的要求，通过调用不同的子模块来完成特定的功能。
模拟系统的输入参数如下：
①沉积物供应；②海（湖）平面变化曲线；③构造沉降曲线；④孔隙度—深度曲线；⑤盆地的初始形态。
6.数据输出模块
此模块能完成数据的动态输出，以动态显示各层序在形成过程中各数据的变化及相互关系以及有关数据量及各个变量的物理意义。在运行程序的任一时侯，均可进行显示，以便对模拟的物理过程进行连续的观察。在模拟结束前，通过调用结束函数，可对全部模拟的过程各事件进行总结，并可打印输出。
7.图形输出模块
此模块能完成图形的动态显示和输出：在屏幕上能用代表各种物理意义的特定的颜色来显示层序的形成过程。并能按照用户要求从打印机上彩色输出。我们使用的是NECP6300彩色打印机。
8.测井检测模块
按用户的要求，通过输入模拟层的测井曲线和岩性剖面来对所模拟的层位进行检测，若二者不符，则修改输入数据，进行重新试算模拟，直到二者趋于一致为止。
除此之外，还有五个模块用于菜单管理。
6.1.4 三叠系层序模拟与分析
6.1.4.1 模拟剖面选择
模拟剖面以作过精细解释的E59—NE154.4—AE1测线为背景。
6.1.4.2 模拟参数提取
1.上超点变化曲线的编制
上超点变化曲线是海（湖）平面升降曲线编制的基础，在层序地层的模拟中起着至关重要的控制作用。
我们在计算机上编制了计算上超点的软件，采用第二章的结论，计算并绘制了三叠系上超点变化曲线和整套地层的上超点变化曲线（图6—7）。
图6—7 塔里木盆地北部海（湖）平面变化曲线
2.上超点变化曲线的校正
为了客观地反映（绝对）海（湖）平面升降变化，必须对上超点变化曲线进行相应地剥蚀厚度恢复，沉降（包括构造沉降和负载沉降）校正，脱压实和古水深校正，以消除各种因素的影响。
由于本工区古水深资料缺乏，古剥蚀厚度无法确定，仅对上超点变化曲线进行了沉降校正，校正后的曲线见图6—7。
3.孔隙度—深度曲线的获得
泥质沉积物在上覆沉积负荷的作用下，颗粒之间逐渐紧密接触，发生压实作用，使沉积物颗粒之间孔隙变小。故孔隙度的大小可以作为压实作用的一种量度，而孔隙度和声波时差（Δt）又存在着一种特殊的关系，即：
新疆塔里木盆地层序地层特征
Φ——孔隙度；
Δt——地层声波时差；
Δtma——岩石骨架的声波时差，砂岩的岩石骨架180—200μs/m，泥岩的岩石骨架为190—205μs/m；
Δtf——孔隙中流体的声波时差，流体声波时差值为635μs/m。
对于同一地层Δtma、Δtf是一定值，即Φ和Δt的变化呈正相关的关系，这样地层密度越大，声波速度越快，Δt值越小，反之Δt值越大。Δt值的大小间接地反映了地层压实情况，这种关系可以通过一定的数学关系式定量地计算。
为此我们分析了沿模拟剖面附近的钻井，读取了沙10井的声波时差。
我们对沙10井进行了从下到上的系统分析，读取了不同深度段上纯泥岩的声波时差，而对沙30井则每隔10m读取了平均值。利用Graphtool应用程序进行了指数回归，得出回归方程为：
沙30井： Φ＝0.613828*E（－0.000083003445D）
沙10井： Φ＝0.678165*E（－0.00036006482D）
分别在线性坐标系上绘出其回归曲线，见图6—8、图6—9所示。从方程中可以看出沙10井所描述的压实程度明显大于沙30井。从回归曲线中可看出孔隙度随深度呈明显的指数分布，所显示的高孔隙带均对应着高压异常带，而那些向上跳动幅度剧烈的层段为灰质或一些异常岩性。
图6—8 沙10井孔隙度—深度关系曲线
图6—9 沙30井孔隙度—深度关系曲线
4.构造沉降曲线
通过分析前人对塔北地区构造沉降的研究成果，我们选择了合适的沉降因子画出了沉降曲线，如图6—10所示。
图6—10 三叠系构造沉降曲线
6.1.4.3 层序地层模拟剖面分析
通过对塔北三叠系进行仔细研究，提取了所需的各项参数，将①海（湖）平面升降变化曲线；②构造沉降曲线；③盆地的初始形态数据输入，沉积物的供应的输入是通过对地震剖面进行回剥求得的，各参数在主控模块的控制下，进行采样试算并输出了模拟结果。
图6—11动态地显示了三叠系各层序的形成过程及其体系域的展布情况。
图6—11a 塔里木盆地北部阿瓦提—满加尔地区三叠系层序地层演化模拟（1）
图6—11b 塔里木盆地北部阿瓦提—满加尔地区三叠系层序地层演化模拟（2）
通过对海平面曲线的分析可以看出塔北地区在三叠世曾经历了八次大的湖平面升降旋回，形成了八个层序（三级），每个层序由不同的体系域组成，且它们的叠置方式也不尽相同。
我们依据地震剖面上的上超点所编制的海（湖）平面变化曲线，以年龄推算每个层序在10Ma左右，按Vail层序级别的划分，它们属于三级层序，而由这些层序组成的一个更高旋回的层序——二级层序，在曲线上则表现为三级旋回的包络线。通过比较湖平面变化曲线与所模拟的剖面，可以看出，由低级旋回组成高级旋回，其叠置方式是非常有特色的。
从模拟的剖面中可以分析出：早三叠世，沉积和沉降中心位于阿瓦提断陷内，以低水位沉积为主要特征，东部满加尔地区地势总体相对较高，可能存在着规律不大的坳陷，但阿克库勒低隆起的存在很可能对湖水由西向东的涌进有很大的阻挡作用，使满加尔地区没有发生大规模的沉积作用。早三叠世晚期，由于阿瓦提地区的逐渐抬升，湖水开始大规模向东进侵，满加尔坳陷的规模也相应增大，这时期形成了第4个层序，中三叠世中期（大致相当于阿克库勒中油组砂层形成时期），湖面继续上升，湖水面积可能达到最大，第5个层序形成于这个时期，在维持一段时期的高水位后，湖面开始缓慢下降，水体逐渐向东退缩，形成向东推进的三个层序（第6—8个层序），见图6—11。
6.1.5 石炭系层序模拟及分析
石炭系模拟剖面选择以南北向地震剖面N106—N109A（图6—12）为背景，以上超点变化曲线（图6—7）和构造沉降曲线（图6—13）为输入参数，模拟输出4个层序。第一个层序为石炭系最下部的一个层序，在满加尔坳陷南北向剖面上，该层序低水位发育不明显，而海进体系域规模较大，进侵到斜坡上部，其最大海泛面以双峰灰岩为标志。随后的高水位体系域则是一个前积楔，由北向南迅速变薄，见图6—14。
图6—12 地震测线N106—N109A石炭系解释剖面
图6—13 石炭系构造沉降曲线
图6—14 塔里木盆地北部满加尔地区石炭系层序地层演化模拟
第二个层序模拟出有较小规模的低水位体系，发育于塔里木河附近及其以南，水进体系域进侵范围较第一个层序小，高水位体系以垂向加积为特征。
第三个层序相对于第二个层序为充填沉积，低水位体系与水进体系分布都向盆地方向退缩，说明第三个层序形成了一个明显的水退期，在第二个层序顶部为一个较大的不整合面。这一模拟结果与地震分析和测井分析是一致的。地震上第二个层序顶界有较明显的削蚀现象，第三个层序相对于第二个层序上超，而测井旋回分析中，卡拉沙依组中部对应于基准面变化旋回中一个大的下降翼，反映出有一较大的不整合面。
第四个层序以海进体系和高水位体系为主。
由上超点变化曲线与模拟层序的配置关系（图6—7）可以看出石炭纪塔北有两次大的海进和两次小的海进，大的海进期分别对应于双峰灰岩段和石炭纪末期，在卡拉沙依组内发育一个较明显的不整合面，并伴有一次明显的海退。
从储层发育看，在满加尔坳陷南部可有小的低水位体系域发育。与大的海进期相伴随的海岸砂体和高水位前积三角洲砂体普遍发育。