主要研究内容、方法及技术路线

1. 主要研究内容、方法及技术路线

1. 3. 1 研究内容
根据课题研究的需要，本书的研究重点是斜坡演变的内外动力作用机制及成灾危险性评价，选择的示范研究区为金沙江虎跳峡河段。具体的研究目标是结合金沙江虎跳峡水电开发中的斜坡变形破坏问题，对斜坡演变的动力地质作用机制及作用过程进行研究，建立斜坡演变的内外动力耦合作用模式，为以后的斜坡灾害深入研究提供科学依据。通过对该地区典型斜坡灾害的变形破坏与内外动力地质作用的相关性剖析，获得表征内外动力耦合作用空间强度差异性分布的地质动力区划指标体系，并将其应用到斜坡灾害危险性定量评价中，用以指导工程决策和环境管理。具体研究内容可概括为:
1) 虎跳峡工程区及其影响带的地质背景与河谷斜坡变形破坏体赋存环境的调查与研究，是整个课题的地质基础。因此，在前人研究成果的基础上，进一步分析研究区特殊的地质构造、地形地貌、新构造运动、水文气象等内、外动力条件，以加深对河谷斜坡演变的环境系统的认识。
2) 对金沙江虎跳峡河段 ( 其宗-大具) 斜坡变形破坏类型、规模、数量、空间分布规律及其活动性进行系统的分析和总结，研究基本环境条件 ( 或环境场) 对斜坡变形破坏的综合效应，为斜坡灾害的形成机理和危险性评价提供参考依据。
3) 通过斜坡变形破坏与地质动力因子的相关性分析，研究内、外动力地质作用下斜坡变形破坏体的形成演化、发育频率和空间分布特征，并在定量意义上揭示了各动力因子对斜坡变形破坏的主次关系，为斜坡演变机制分析及成灾危险性评价提供科学依据。
4) 对虎跳峡河段典型斜坡演变机制进行重点剖析，查明区域斜坡演变的地质背景与内、外动力地质作用机制及作用过程。分析了斜坡演变的内、外动力作用的耦合要素及其演变效应，综合确定虎跳峡地区河谷斜坡演变的内外动力耦合作用模式。
5) 模拟河谷大规模反倾岩体在漫长的地质历史时期中的重力时效性弯曲变形和累进性剪切破坏模式，进而研究其在库水位骤降与地震作用下反倾斜坡的动力稳定性; 探索岩质斜坡最危险滑裂面全局优化算法。
6) 以下咱日堆积体为重点，通过对其成因模式、岩土体介质的物理力学性质的试验研究，揭示堆积体斜坡稳定性的影响因素，利用强度折减有限元方法对该堆积体在不同工况下的三维稳定性、塌岸及失稳模式等问题进行分析，为水电建设提供了重要的科学依据。
7) 根据内外动力耦合作用强度的空间差异性特征，将统一的地质动力区划模型纳入到斜坡灾害危险性评价研究中，建立地质动力区划指标体系及强度等级，对虎跳峡河段斜坡灾害危险性进行定量评价。
1. 3. 2 研究方法与技术路线
1) 通过广泛的资料 ( 包括国内外文献、区域地质调查报告、现场勘察资料等) 收集和野外实地调查，在总结前人研究成果的基础上，采用原始资料统计、地质历史对比和地质类比等方法，进一步分析虎跳峡河段的区域地质背景，包括地形地貌、地层岩性、地质构造、水文气象条件和新构造运动特征等。
2) 根据实地调查、遥感图像和航片解译成果，收集整理有关虎跳峡库区其宗—大具段斜坡变形破坏体 ( 包括斜坡变形体、滑坡体和崩塌体) 的基本信息，建立斜坡变形破坏体数据库，进而分析斜坡变形破坏体的发育状况 ( 如类型、规模和数量等) 、空间分布规律及与基本环境条件 ( 或静态环境因子) 的关系。
3) 采用单因相关分析方法剖析斜坡变形破坏与各种地质动力作用因子之间的关系，研究内、外动力作用下斜坡变形破坏体的发育频率、规模和空间分布特征; 采用定性与定量相结合的效果测度分析模型 ( EMA) ，对斜坡变形破坏与主要动力地质作用进行关联度综合量化分析，并确定了影响河谷岸坡稳定的关键性动力因子，从定量的角度探讨研究区各种动力地质作用对斜坡变形破坏的主次关系。
4) 以两家人大型松散堆积体、龙蟠右岸斜坡变形体和滑石板堆积体滑坡为典型实例，采用工程地质力学分析方法重点剖析虎跳峡工程区斜坡演变的成因机制，并建立了虎跳峡河谷地区斜坡演变的内外动力耦合作用的基本模式 ( 或概念模型) ，并对堆积体滑坡的滑动周期进行了初步的分析预测。
5) 基于反倾岩体变形破坏的时效性，引入强度折减法来分析并以安全系数来评价反倾岩体边坡的稳定性，并从边坡变形演化过程中剪切屈服区的扩展方式中，提出了 “软基效应”和 “互层效应”共同作用下大规模反倾岩体的 “累进剪切破坏模式”。运用离散元进行变形岩体的全时程动力分析，指出地震惯性力作用引起的剪应力积聚效应和超静孔隙水压力累积效应是导致斜坡失稳的内在机理。将遗传算法和 Sarma 法相结合，并引入保持最优的灾变策略，提出适用于岩质边坡最危险滑裂面分析的 GA-Sarma 算法。
6) 对下咱日堆积体的研究，我们首先从堆积体的地质结构调查入手，通过野外地质特征和钻孔特征的综合分析，研究堆积体的成因类型和形成演化历史; 通过现场大型直剪试验、推剪试验、粒度分析和大尺度单环渗透试验，对五类堆积体的物理力学性质取得全面的认识; 通过典型采样的室内力学试验和细观结构分析，研究堆积体变形破坏规律及其结构控制机理; 通过综合分析建立的地质模型和强度折减少有限元数值模拟技术，研究堆积体在不同工况条件下的二维和三维稳定性。
7) 在典型斜坡演变机制分析的基础上，基于内外动力耦合作用强度的空间差异性特征，应用模糊综合评判 ( FCJ) 与地理信息系统 ( GIS) 相结合的方法，建立了地质动力区划指标体系及强度等级，并结合静态环境条件 ( 包括岩土体类型、岸坡结构及坡型等) ，预测工作区不同区段未来可能发生斜坡灾害的程度。地质动力区划方法为斜坡灾害危险性评价方法的研究提供了新的思路。
本书的研究技术路线如图 1. 3. 1 所示。

图 1. 3. 1 研究技术路线图

2. 研究方法、技术路线和研究内容

通过地质、地球物理、地球化学等综合分析及地质观测和数值模拟相互印证，以盆地演化、流体输导格架和圈闭发育史等成藏背景研究为基础，从深部油气成藏要素和成藏条件等方面研究准噶尔盆地中部侏罗系深层的油气成藏机理及其有利成藏环境。具体的研究内容主要包括以下几个方面：
(1)深层砂岩成岩演化的特征及其影响因素
1)成岩作用分析：在沉积微相的基础上，通过薄片观察、X-衍射、流体包裹体测温等实验手段，研究成岩作用的序列和时间。
2)深部优质储层的发育机理：通过研究砂岩的成岩作用阶段、盆地流体的活动、深部储层的发育机理，综合研究深部优质储层的发育机理及分布规律。
(2)超压的特征及发育机理
1)超压的特征：通过地震、测井等技术方法，研究准噶尔盆地中部侏罗系的超压特征及类型。
2)超压的形成机理：在详细研究区域地质特征和超压发育机理的基础上，通过精细的盆地数值模拟和物理模拟研究准噶尔盆地中部超压的发育机理。
(3)油气成藏机理分析
1)油源分析：详细分析原油的有机地球化学特征，研究其来源，为油气成藏机理的研究奠定基础。
2)油气成藏的有效能量配置：综合利用实测压力、测井和地震压力分析技术，刻画盆地深部的地层压力结构，研究油气聚集区与烃源灶的能量配置关系、深层油气储层与盖层的关系。
3)油气成藏历史分析：①通过地层水和成岩矿物的稳定同位素示踪：通过测定地层水、不同期次成岩矿物的氢、氧同位素，研究不同期次流体的来源；②流体包裹体分析：测定流体包裹体的均一温度，确定不同期次充注的地质时期。

3. 研究方法和技术路线

1.3.1 研究方法
定量测度土地资源生态安全状态和水平是土地资源生态安全研究的重要内容之一，目前土地资源生态安全评价方法的研究还处在实践和探索阶段，比较常用的方法有以下3种。
1.3.1.1 综合指数评价法
综合指数评价法是目前应用较多的一种方法，首先筛选因子构建多指标的评价指标体系。指标体系建立以后，应用层次分析法(AHP)、特尔菲法(Delphi)等方法确定指标权重。然后确定评价指标的标准值，即判定安全阈值，设定评价等级准则。通过数学计算得到区域土地资源生态安全的综合指数及安全等级。其中指标安全阈值的确定是土地资源生态安全评价的一个关键问题，也是一个难点。安全阈值的确定不仅影响着评价结果，还能起到预警控制的作用，一旦某些指标接近安全阈值的警戒线，即应及时采取相应的土地资源管理制度、法律、经济等措施改善这些指标的状态。由于土地资源生态安全的评价标准具有相对性和发展性，不同时期或者不同国家和地区，其评价标准也会不同，这给土地资源生态安全评价指标安全阈值的确定带来了困难。
1.3.1.2 承载力分析法
目前常用的是传统的土地资源承载力分析方法和近年来兴起的生态足迹法。传统的土地资源承载力分析方法是将区域土地资源所能持续供养的人口数量，即土地资源人口承载量与现实人口数量相比较。如果承载量大于现实人口数量则判定土地资源处于安全状态，反之则不安全。而近年来兴起的生态足迹分析法是把一定区域内的人口所消耗的所有资源和能源及吸收这些人口所生产的所有废弃物的量都相应地转化为一定的生物生产土地面积，比较土地生态系统所能提供的生态足迹，即土地生态承载力和人类对生态足迹的需求，如果土地生态承载力大于人类对生态足迹的需求，则出现生态盈余，判定系统是安全的;如果土地生态承载力小于人类对生态足迹的需求，则出现生态赤字，判定系统是不安全的。生态足迹的方法从一个新的角度阐释了人类及其发展与资源环境的关系，其定量化程度高，可用较少的因素定量测算生态承载力状况。但因其无法考虑生态承载力复杂因素间的相互作用。且是单纯从人类对自然资源的占有与利用角度分析系统的承载力水平，难免有些以偏概全。
1.3.1.3 景观生态学方法
景观生态学强调空间格局与生态过程以及生态功能之间的联系，景观结构、功能和变化是景观生态学关注的最基本的3个特征，景观生态学中的景观生态指数可以定量化描述这3个方面的特征。景观结构、功能和变化与土地资源利用的关系相当密切，土地资源的退化也必然会导致区域景观结构和功能的失调或退化。斑块-廊道-基质是景观的基本结构，土地利用单元也可以分为斑块、廊道和基质，其结构、功能、稳定性及抗干扰能力等直接影响到土地资源的生态安全状态，因此，运用景观生态学中定量化的景观生态指数对土地资源生态安全状况进行评价也是一种值得探索的方法。本次研究选择的是综合指数评价法。
1.3.2 研究技术路线
研究技术路线是以遥感和实地调查的数据采集手段为基础，以地理信息系统和景观生态学方法相结合的高新技术手段为突破口，以人类活动和土地利用方式为基本线索，运用多学科综合研究方法，针对区域特点建立土地资源可持续利用的生态安全评价指标体系，运用数学模型进行评价分析，最终根据评价结果分析区域土地资源可持续利用的生态安全状况，并根据评价结果构建土地资源可持续利用的生态安全维护体系。
研究的技术路线见图 1.1。

图 1.1 河南省土地资源可持续利用的生态安全研究技术路线

4. 主要研究内容和技术路线

4. 2. 1 研究内容
为保证东欢坨矿区石炭-二叠纪地层中 12-2 煤层能够安全开采，本课题主要根据所收集的资料( 东欢坨地质报告、东欢坨水文地质图、东欢坨 12-2 煤层采掘平面图等) ，运用 GIS与 BN 相结合的方法计算出各评价单元的突水概率，并以此为依据对研究区进行煤层底板突水危险性评价，最终针对不同底板突水概率区域提出相应的防治措施。具体研究内容为如下几个方面:
( 1) 研究 GIS 与 BN 的耦合技术，对其应用于煤层底板突水进行可行性分析。
( 2) 建立煤层底板突水危险性评价基本理论体系。
( 3) 通过对煤层底板突水的主要影响因素的分析，建立包括地质构造特征、含水层条件、隔水层条件和开采活动 4 个方面的煤层底板突水评价指标体系。
( 4) 利用 GIS 的数据采集功能和空间分析功能对收集到的相关资料进行量化，建立各个评价指标的专题图，并同时建立了空间数据库。在此基础上对各子专题图进行叠加分析，确立评价单元，并生成多属性联合的空间数据库。
( 5) 在数据库建立的基础上，应用 BN 软件建立煤层突水的 BN 模型，进行模型解释和模型分析; 编程设计实现 BN 模型推理模块，快速、批量计算出各评价单元的突水概率，以此为依据应用 GIS 空间分析模块，输出了煤层区域突水危险性评价图。
( 6) 提交最终煤层突水态势评价成果图并对成果进行分析，提出相应的防治措施。
( 7) 利用 BN 模型、BN 推理模块、空间数据库以及 GIS 空间分析等模块，统筹设计“煤矿突水态势评价监测系统”，便于预测成果的查询、分析以及突水概率的更新推理，从而为相关政策的制定提供决策支持。
4. 2. 2 技术路线本项目研究对象是东欢坨煤层底板突水区域危险性评价，目的是从煤层底板突水形成的基本条件、诱发动力分析入手，判明哪些区域容易发生突水以及发生突水的概率等。其研究方法主要是从地质因素和采矿因素出发，采用数理统计和人工智能等定量的数学方法，结合东欢坨煤层突水调查结果，判定研究区内不同位置煤层底板突水发生的可能性大小，最终探索出了一条矿井突水危险性评价的可行途径。具体研究路线如图 4. 1 所示。

图 4. 1 技术路线图

(1)资料收集:收集研究区自然地理、地质、水文地质、钻孔等相关方面资料，并按照底板危险性评价所需加以整理提取;
(2)评价指标体系构建:翔实系统地分析确定控制煤层底板突水的因素，正确建立煤层底板突水的评价指标体系;
(3)评价指标专题图建立:在煤层底板突水因素分析确定的基础上，以GIS的空间数据统计分析功能为操作平台，利用它强大的空间信息处理分析能力，对各种图形信息进行量化，建立煤矿底板突水各评价因子的子专题图层;
(4)多因素叠加分析确定评价单元:应用GIS的空间分析功能进行多源地学信息的复合叠加，实现同一区域、统一地理坐标的不同信息的叠加，确定研究区评价单元，同时生成空间属性数据库;
(5)BN建立:基于空间属性数据库，应用Genie软件，运用BN的相关知识构建突水因素和突水事件的BN图;
(6)BN分析:通过BN分析得到最利于突水发生的因子状态组合;
(7)BN推理:在C#开发环境下，加入Genie中提供的SmileNet组件，进行编程，实现Genie与GIS的数据接口，完成BN的概率计算及BN概率推理;
(8)评价分区:依据上述概率计算结果，应用GIS的显示功能将煤层底板突水危险程度进行分区划分显示，得出煤层底板突水危险性评价图;
(9)运用样本二分法对评价模型进行验证，证明此评价方法的可行性。

5. 主要研究内容和技术路线

14. 2. 1 研究内容
为保证范各庄矿区石炭纪—奥陶纪地层中 14 煤层能够安全开采，本书主要根据所收集的资料( 范各庄地质报告、范各庄水文地质图、范各庄钻孔柱状图等) ，运用 GIS 与 BN 相结合的方法计算出各评价单元的突水概率，并以此为依据对研究区进行煤层陷落柱突水危险性评价，最终针对不同突水概率区域提出相应的防治措施。具体研究内容如下。
( 1) 研究 GIS 与 BN 的耦合技术，对其应用于煤层陷落柱突水进行可行性分析。
( 2) 建立煤层突水危险性评价基本理论体系。
( 3) 通过对煤层突水的主要影响因素的分析，建立包括地质构造特征、含水层条件、隔水层条件和开采活动 4 个方面的煤层陷落柱突水评价指标体系。
( 4) 利用 GIS 的数据采集功能和空间分析功能对收集到的相关资料进行量化，建立各个评价指标的专题图，同时建立了空间数据库。在此基础上对各子专题图进行叠加分析，确立评价单元，并生成多属性联合的空间数据库。
( 5) 在数据库建立的基础上，应用 BN 软件建立煤层突水的 BN 模型，进行模型解释和模型分析，编程设计实现 BN 模型推理模块，快速、批量计算出各评价单元的突水概率，以此为依据应用 GIS 空间分析模块，输出了陷落柱突水危险性评价图。
( 6) 利用 BN 模型、BN 推理模块、空间数据库以及 GIS 空间分析等模块，统筹设计“煤矿突水态势评价监测系统”，便于预测成果的查询、分析以及突水概率的更新推理，从而为相关政策的制定提供决策支持。
( 7) 提交最终成果并对成果进行分析，提出相应的防治措施。
14. 2. 2 技术路线
本章研究对象是范各庄 14 煤层陷落柱突水区域危险性评价，目的是从煤层陷落柱突水形成的基本条件、诱发动力分析入手，判明哪些区域容易发生突水，以及发生突水的概率等; 其研究方法主要是从地质因素和采矿因素出发，采用数理统计和人工智能等量化的数学方法，结合范各庄煤层突水调查结果，判定研究区内不同位置煤层突水发生的可能性的大小，最终探索出了一条矿井突水危险性评价的可行途径。具体研究路线如图 14. 1 所示，描述如下:
( 1) 资料收集: 收集研究区自然地理、地质、水文地质、钻孔等相关方面资料，并按照陷落柱危险性评价所需加以整理提取。
(2)评价指标体系构建:翔实系统地分析确定控制煤层突水的因素，正确建立煤层突水的评价指标体系。
(3)评价指标专题图建立:在煤层突水因素分析确定的基础上，以GIS的空间数据统计分析功能为操作平台，利用其强大的空间信息查询处理分析能力，对各种图形信息进行量化，建立煤矿突水各评价因子的子专题图层。
(4)多因素叠加分析确定评价单元:应用GIS的空间分析功能进行多源地学信息的复合叠加，实现同一区域、同一比例尺、同一地理坐标系统的不同信息的叠加，确定研究区评价单元，同时生成了空间数据库。
(5)BN模型建立:基于空间属性数据库，应用Genie软件，运用BN的相关知识构建突水因素和突水事件的BN模型。
(6)BN分析:通过BN分析得到最易于诱发突水事件的相关因子集合。
(7)BN推理:在Visual Studio开发平台下，选用C Sharp编程语言，利用匹斯堡大学决策实验室设计的SmileNet动态库，进行程序设计，实现BN模型与GIS空间分析、查询模块的数据交互，完成BN先验概率学习及其突水后验概率批量推理。
(8)评价分区:依据上述突水预测概率计算结果，应用GIS空间分析的属性分级显示模块，按照区域突水危险级别，在图层上进行分色显示，最终得出煤层突水危险性评价图。
(9)运用样本二分法对评价模型进行验证，证明此评价方法的可行性。

6. 研究内容及技术路线

中国铜矿数字矿床模型评价系统以经验模型法的多元信息综合评价为基础，同时参考澳大利亚地调局及美国地调局有关研究成果的基本研究思路，综合经验模型法及成因模型法特点，以矿床模型及勘查数据共同驱动，完成矿产资源评价。本系统最大特点是通过建立数字矿床模型计算机智能推理网络系统，进行实测多源地学数据的客观综合分析，推理判别预测区可能产出的矿床类型，然后利用地学综合信息空间数据库中可用于定位的GIS地学图层数据，在GIS软件平台上进行多元信息综合处理，圈定可能赋存该类矿床的地质找矿可行地段。最后，选取适当定量分析方法，完成预测区的定位及远景区级别优选等区域成矿潜力的综合定量评价。以上几步工作是在统一的计算机软件平台上，通过一体化系统处理完成。此外，系统在运用数据分析方法综合、发掘、提取各种成矿潜力定量预测信息时，整个评价过程始终围绕“矿床模型”这个核心，强调矿床成因的重要作用，真正达到模型驱动和数据驱动的统一。
一、原始描述性矿床模型研究
中国铜矿数字矿床模型评价系统以我国现有典型铜矿床描述性模型研究成果为基础，对我国铜矿典型矿床描述性模型进行概括和总结，分析研究矿床描述性模型中所涉及的有关地质、构造、地球化学、地球物理和矿物学等诸学科的有关概念的内涵和外延及其自然语言描述方式，抽取其中最能概括并区分各种矿床类型的内容，把这些用自然语言描述的项目转化成数据和符号，建立我国铜矿主要典型矿床成因模型的数字矿床模型原始数据库。在此基础上，通过解决描述矿床模型的自然语言与计算机可以识别和处理的符号集合之间的对应关系，建成矿床类型计算机专家推理系统知识规则库，实现矿床模型智能推理。按照《中国铜矿床》(黄崇轲主编，2001)的划分方法，我国铜矿床按矿床成因类型归类划分为10种典型类型，它们是岩浆熔离铜镍硫化物型、斑岩型、接触交代(矽卡岩)型、海相火山气液型、陆相火山气液型、热液型、海相沉积型、陆相沉积型、受变质型和表生(风化壳)型。本论文采用这10种铜矿类型为原始描述性矿床模型分类依据，通过分析、研究、对比大量典型矿床实例，概括总结出每一类矿床的综合地质特征及标志组合，建立了10个中国铜矿床地质找矿概念模型。然后，从中抽取可用于推理判类、并能把10个铜矿模型区分开的地质特征，用来建立相应的计算机推理网络模型，作为系统进行推理判类的依据。
建立矿床地质描述模型，首先必须确定模型研究依据哪些成矿地质内容，称为基本建模要素。通过参考查阅国内外大量矿床模型建模理论著作和文献，进行分析、研究、对比，经过专家咨询、审核，最终确定基本建模要素。在具体建模过程中，各种铜矿床类型的典型矿床实例是获取矿床地质描述模型的直接依据。通过分析对比，我们选择73个典型铜矿床作为本研究建立10个类型矿床地质描述模型的参考实例，依此建立我国10类典型铜矿原始矿床描述模型。
二、数字矿床模型专家系统建立
矿床地质描述模型数字化(计算机化)的过程包括建立矿床地质知识模型、建立矿床模型计算机推理网络模型、形成矿床找矿模型专家系统知识推理规则、建立地质专家系统四个阶段。
1)根据基本建模要素建立的各种类型铜矿床地质描述模型中，存在着可用于判别不同矿床类型的特别建模要素，称为特征地质标志。通过进一步分析上述矿床地质描述模型，从中归纳、抽取可用于推理判类、能够把10类铜矿模型区分开的特征地质标志(包括从宏观大地构造背景到微观岩矿镜下特征)，由此建立起不同类型铜矿床的矿床地质知识模型。
2)建立矿床地质知识模型的目的是为了建立矿床模型专家系统的计算机推理网络模型。为此，对矿床地质知识模型进一步抽取、归纳，通过研究专家系统中建立推理机的技术和方法，采用树状结构图表示矿床地质知识模型，得出不同矿床类型的推理网络结构图，建立矿床找矿模型的计算机推理网络模型。
3)从计算机推理网络模型中抽取、产生矿床模型的计算机推理规则，并由此形成矿床模型专家系统推理知识规则库。
矿床找矿模型计算机推理网络模型对网络中的每个结点给出先验概率，以反映每个结点对该矿床模型的相对重要性，同时对模型的每条规则分别给出充分性量度值LS和必要性量度值LN，用以反映该条规则的可信度，这三个参数反映了领域专家的知识和经验。为了获取三个参数值，确保计算机推理网络模型的权威性、代表性及保证专家系统最终推断结果真实、可靠，我们聘请了10位国内知名矿产资源评价及矿床地质学领域专家，分别对各种不同类型矿床计算机推理网络模型的三个参数独立打分，然后对打分结果进行统计处理，最终得出每类矿床计算机推理网络模型的三个参数值。
4)以美国地质调查局开发的PROSPECTORⅡ地质专家系统为主要参考模式，采用面向对象的C++语言实现矿床模型计算机推理网络模型及成矿知识规则的推理过程，并首次将神经网络BP模型方法引入专家系统，作为矿床类型判别证据之一，建立数字矿床模型专家系统。
三、数字矿床模型评价系统研究
中国铜矿数字矿床模型矿产资源评价系统软件将以数字矿床原始数据库和数字矿床模型推理网络为基础，以现代GIS高新技术工具为支撑平台，将数字矿床模型专家系统与MRAS矿产资源GIS评价系统有机地结合，通过矿床模型专家系统判别预测区可能存在的矿床类型，借助MRAS系统中定量资源评价工具及人工神经网络模型，利用该类矿床模型中可用于定位的地质要素专题图层，在GIS一体化软件平台上，完成远景区定位及远景区成矿级别优选。软件研究的关键是以数字矿床模型推理网络为理论框架开发数字矿床模型智能软件系统，并建立起数字矿床模型原始数据库与数字矿床模型智能软件系统之间的信息交换机制。
1)以1∶20万地质、地球物理、地球化学、遥感空间数据库为支撑，并建立起与数字矿床模型专家系统的有机联系，分析铜矿床知识模型建模要素特征，确定各类模型中可作为GIS定位图层的地质特征标志，在此基础上开发基于GIS的数字矿床模型定位评价系统，完成远景区定位。
2)开发专家系统与MRAS矿产资源GIS评价软件平台接口程序，实现专家系统与GIS技术融合；分析、研究不同神经网络模型的算法、功能和用途，研制算法软件，用于成矿远景区级别优选，同时也用于专家系统中矿床类型判别。开发的神经网络模型包BP模型、Hopfield模型、Kohonen模型和ART1模型。
四、研究思路及技术路线
建立数字矿床模型的总体研究思路为：以“矿床模型”为核心，建立数字矿床模型专家系统，用以推断评价区的矿床类型；把数字矿床模型专家系统与MRAS矿产资源GIS评价系统有机融合，利用被判定矿床类型中可用于定位的成矿地质要素专题图层，借助MRAS系统中定量资源评价工具及人工神经网络模型，在GIS软件平台上完成成矿远景区定位及远景区级别优选。
本系统三步评价步骤构成三级推理网络(图2-1)：第一级推理网络确定区域内可能存在的矿床类型；第二级推理网络确定可能的成矿远景区位置及成矿概率；第三级推理网络进行成矿远景区级别优选。综合起来有如下具体特点：

图2-1 中国铜矿数字矿床模型三级推理网络

1)系统总体框架按矿种、类型、位置及远景区优选顺序进行设计。矿床类型的确定通过数字矿床模型专家推理系统实现。推理过程采用传统的专家系统对话提问方式进行，用户通过屏幕直接选择并辅以输入相关数据完成提问。
2)数字矿床模型知识库中每条规则包含表示该条规则充分性度量和必要性度量的贡献权重概率估值，对于叶子结点(端点证据)，则直接由用户对这些地质证据在野外观测时的存在程度(如很可能存在、不大可能存在、不确定等)结果给出可信度值，这些概率估值在系统推理过程中全程参加计算，并最终确定推理得出的可能矿床类型的归类概率。另外，数字矿床模型知识库的知识做到可以随时更新和添加。
3)模型推理机由规则推理网络构成，推理采用正反向混合不确定模糊推理方法，其推理控制策略划分为两个阶段：在第一阶段中，用户首先向系统提供一批原始观测证据，系统将观测证据与系统中存储的各种矿床模型的规则集依次相匹配，找出匹配最好的矿床模型，作为第二阶段考查目标。本阶段的推理方法为从证据到结果的正向推理方法。第二阶段控制策略的目的是为上述己确定的模型寻找用户尚未提供但却最有效的证据。其基本方法是，考查目标模型下那些尚未确定的前提断言，寻找对结论影响最大的前提断言，反向考查对应次级前提断言，直至端点(叶子)前提断言，通过人机交互方式向用户询问，以便从用户处获得新证据；之后，系统再在该结论下面找下一个次大的前提断言，然后再重复调用这一过程。显然，新证据的获得将改变结论目标模型的可信度概率值。第二阶段采用的推理方法为从目标到证据的反向推理方法。
4)成矿位置的定位：在GIS平台上，通过对用户提供的可用于成矿有利地段定位的地学GIS专题图层数据进行数据综合处理，圈定成矿远景地段。具体做法是先将与矿床成矿模型有关的找矿标志地学图层专题提取、圈定出来，并对该研究区生成统一大小的网格单元，然后通过GIS信息查询，获取每个单元中含有的找矿标志信息，找出那些包含全部标志的单元，作为最后的成矿预测有利单元。
5)成矿远景区优选：以自主开发的矿产资源GIS评价系统软件MRAS为辅助工具，在获取空间定位单元的基础上，利用人工神经网络模型，进行进一步的靶区优选，确定成矿远景区级别。

7. 研究内容与技术路线

基于以上前人研究成果提出了本书的研究内容及方法：
(1)近50年来石家庄平原区地下水流场演变特征与尺度效应研究：①收集近50年来该地区地下水流场源汇项资料，分析各源汇项演变特征；②应用小波变换方法，研究地下水流场演变特征与尺度效应，通过1～5年和12年尺度特征及地下水流场异变值各尺度趋势响应信号的单支重构，建立合适尺度的重构信号与超采区地下水补给-开采均衡状况演变趋势对比系列，识别突变点，构建地下水流场演变阶段的节点和阶段域；③结合以上分析结果，深入各阶段研究地下水流场演变的标识(或阈值)特征。
(2)地下水流场异变主导因素识别：根据地下水系统物质(包括水位、水量)周期均衡理论，建立地下水系统补给、排泄源汇异常驱动地下水流场异变的影响强度计算方法，研究各要素的影响强度，从而揭示各阶段地下水流场异变的主导因素。
(3)地下水流场演变机制研究：从气候变化周期尺度把握气候变化与人类活动对地下水流场异变影响的耦合规律，进一步定量认识气候变化、人类开采、农业活动及重大水利工程等因素对地下水流场的影响强度。
(4)石家庄地区未来50年地下水位变化趋势研究。采用现状气候条件和大气环流模式MPI-ESM-MR下RCP4.5气候情景模式的预测数据，甄别和确定石家庄地区未来50年地下水位变化趋势的气候情景，预测未来50年(2011～2060年)地下水资源量及地下水位演变趋势。
研究的总体思路和技术路线如图1-1所示。
(1)收集研究区近50年来降水入渗补给、河道渗漏补给、地下水开采等地下水流场源汇项资料和地下水降落漏斗中心地下水埋深及漏斗面积，平均地下水位等基础数据资料，分析研究各补、排要素演变特征，划分演变阶段。
(2)基于以上基础数据资料，建立地下水流场补、排要素对流场异变影响强度的计算方法体系，并分析计算各补、排要素对地下水流场异变影响强度，揭示地下水流场各演变阶段异变主导因素。
(3)收集近50年来降水量、气温及蒸发量等气象资料，由小波变换法分析其演变周期特征，从气候变化周期尺度分析气候演变、人类开采与地下水流场异变之间的耦合规律；力求进一步定量分析大型水利工程修建、地下水开采、农业活动等人类活动对地下水流场异变的影响程度；基于以上分析阐明研究区近50年来地下水流场演变的机制机理。
(4)利用统计降尺度方法对德国马克斯普朗克气象研究所研制的大气环流模式MPI-ESM-MR输出的气象数据进行统计降尺度处理，采用彭曼公式计算农作物2011～2060年现状气候条件(RCP)和RCP4.5两种气候情景的需水量，用地下水系统水量平衡原理估算两种情景的地下水补给量，进而估算农业区未来地下水位下降趋势。

图1-1 总体思路与技术路线框图

8. 　研究内容、技术路线

层序地层学是根据地震、钻井、岩心和露头资料以及有关的沉积环境和岩相并综合考虑构造升降、气候变化和沉积物输入等参数进行综合解释，建立以地层不连续面为边界的成因上有联系的旋回性地层的年代地层学体系。层序地层学研究对于石油勘探和开发具有非常实际的影响，尤其在勘探成熟区，寻找隐蔽油气藏已成为老油田增储上产的主要手段。层序地层学分析的技术核心是在全盆地建立起等时性地层格架，在此基础上将盆地充填序列解释为不同级别的层序地层单元，并进一步研究各级沉积层序地层单元的划分、对比、横向展布以及沉积模式、沉积演化史、生储盖组合和地层、岩性圈闭等问题。
惠民凹陷构造活动频繁、断裂体系复杂，由于传统的地层单元划分和对比在局部地区存在着一定的穿时现象，一些储集砂体和含油层系的横向展布关系不清。这些问题直接影响着我们对盆地演化规律、油气的生成、运移、聚集和保存规律以及对全凹陷的整体评价的正确认识。同时惠民凹陷还存在着①地质储量低，与其面积不相称；②油藏类型单一，以构造油气藏为主，缺乏其它类型的油气藏；③构造演化对地层发育的控制关系不清；④勘探程度和研究程度都较低等问题。另外将层序地层学理论应用于陆相地层研究的理论和方法都不成熟，还存在着许多问题，比如控制因素、沉积基准面、可容空间和体系域的划分等。为了探讨现存的这些问题并对其有一个更深刻的了解，我们承担了对惠民凹陷中央隆起带西部老第三系的层序地层学研究工作，同时结合油气勘探开发中的问题，所有这些问题也就决定了本课题在研究工作中所要进行的主要研究内容和技术路线的特点。
一、主要研究内容
本研究工区位于惠民凹陷中央隆起带西部，目的层段为老第三系沙河街组三段、四段，同时亦对孔店组地层作了初步探讨，具体研究内容主要包括以下几个方面：
1.地震层序分析
地震资料被广泛地应用于盆地的构造特征研究，随着科学技术的进步和采集手段、处理、解释手段的不断提高，大量地震资料，尤其是高分辨率的三维地震资料可以给我们提供一个全盆地四维空间的层序地层关系。因此我们可以充分利用地震资料的相对成本低廉、数据量大、内容丰富、分辨率高等特点并结合盆地地质背景资料和区域构造演化资料建立起全盆地的等时性区域性层序地层格架。在建立层序地层格架时可以通过识别地震剖面上的削蚀、顶超、上超、下超等不整合面的地震反射特征，并进一步根据地震相的外部几何形态、内部反射结构以及反射波的各种参数特征划分体系域，然后同单井资料进行对比、验证，从而进一步完善层序地层的划分方案。
2.测井层序地层分析
测井资料具有比地震资料高得多的分辨率，特别是对于开发中的油田来说各种测井资料特别丰富，在开展高分辨率层序地层学研究时大量测井资料为此提供了坚实的物质基础，但是测井资料主要反映地层的岩性特征，为了保证沉积地层单元的等时性划分和对比，必须把测井资料约束在地震资料和地质背景资料所划出的等时性层序地层格架内。不同岩性的地层对应着不同的电性特征，不同体系域的沉积地层组合也对应着不同形态的测井曲线的组合。利用测井资料进行层序、体系域、准层序组、准层序等各级地层单元的识别，并同地震、地质资料相验证以达到高分辨率的等时性地层对比，为正确建立油藏模型、储层评价、开发方案调整提供了可靠的保证。
3.标准地层剖面层序地层分析
我国东部断裂复杂的伸展型断陷盆地，虽然具有非常丰富的地震资料和测井资料，但进行层序地层学分析时往往存在一个巨大的缺陷，就是不能保证地层关系的自然完整性。层序地层学对于地层的自然缺失现象可以给出很好的解释，但对于后期的断裂作用所造成的地层缺失，层序地层学就显得力不从心了。而且陆相湖盆内部还存在构造分异程度大、不同构造部位层序演化也不相同的特点。因此我们在张性断陷湖盆中首先应该在全盆地不同构造部位综合地质、地震资料并结合其它古生物、地化分析资料建立起局部地区的标准地层剖面，从而才能进行正确的层序地层划分，并在此基础上进行层序地层的横向对比，建立起全盆地等时性地层格架。
4.生物地层分析
对于传统的用于年代地层分析的古生物资料，在层序地层学研究中具有重要的意义。通过研究古生物化石带的缺失、生物群的丰度和分异度来识别层序边界和最大湖泛面，可以帮助我们确定层序的年龄以及进行沉积盆地的岩相古地理恢复工作。
5.地球化学分析
地球化学指标对于沉积环境具有非常高的灵敏性，通过研究常量元素、微量元素、稳定同位素、稀土元素以及有机地化分析资料，同样可以帮助解释层序、体系域边界和内部特征，以及对古温度、古盐度和氧化还原程度的恢复。
6.综合层序地层分析
综合地质、地震、钻井、测井、岩心、古生物和地球化学资料，通过相互验证，修改完善，在全盆地建立起等时性层序地层格架，并对各级地层单元进行划分和横向等时性对比，从而进一步恢复盆地构造演化史、沉积充填史、实现岩相古地理再造并评价生储盖组合，预测有利油气聚集带。
7.层序地层模式研究
通过对惠民凹陷老第三系沙河街组、孔店组地层的层序地层分析，对陆相张性断陷湖盆的层序演化动力机制、控制因素进行了剖析，对于构造沉降、气候变化、沉积物供应及湖平面升降对层序发展演化的影响作用有了新的认识，并对沉积基准面和可容空间的概念进行了初步的探讨，总结出陆相湖盆不同演化阶段的层序演化模式。
二、技术路线
运用层序地层学的基本原理和方法，首先根据区域地质背景和地震资料，参考邻区沉积地层旋回规律，在全盆地建立层序地层格架，在此层序地层格架的约束下利用测井资料、岩心资料、古生物资料和地球化学分析资料，在分区标准剖面上对层序体内部的体系域、准层序组、准层序进行识别和划分，并与地震资料、地质资料相互验证、修改和完善，然后从标准剖面出发，由点到面、点面结合、平面与剖面结合，对于出现的一些问题详细推敲、反复论证，从而在全盆地建立起等时性层序地层格架，并综合地质、地震、测井、岩心、古生物和地球化学资料，根据沉积岩石学、地层学、构造地质学、沉积地球化学、古生物和古生态学以及石油地质学的基础理论和方法，恢复盆地古地理、古气候、古环境，并对层序类型、成因机制、控制因素进行详细剖析，总结出陆相湖盆层序地层演化模式及其对生储盖层的控制规律，评价有利生储盖相带。具体研究流程见图1-3。

图1-3　研究方法和技术路线图