物理和数值模拟方法

汇水盆地的古地貌在湖泊系统中起着重要的作用，因此恢复汇水盆地的古地貌是古湖沼学的一个重要方面。所谓古地形就是确定古高度，古高度有两层含义:绝对古高度是指从当时海平面算起的古高度，即古海拔高度，相对古高度是指不同地方的高度差和地形起伏的程度。

前第四纪古地形重建主要以沉积地层为基础，沉积物通常保存在负地形中。比如盆地的古深度可以根据沉积物和化石重建。至于剥蚀区的正常地形，由于很难留下直接的地质记录，只能长期猜测，无法重建。地质学可以不同程度地回答“水有多深”的问题，却无法回答“山有多高”的问题。重建古高比古深要难得多。近年来，地球科学的发展开始为古高度的重建提供途径，物质平衡重建古高度的方法就是其中之一。

物质平衡重建古高度的方法是一种计算机模拟方法，其基本思想是将沉积物充填的过程逆向进行，即将各个地质时期堆积在湖盆中的沉积物按顺序“挖”出来，根据可识别的特征“归还”到汇水盆地，再通过一系列的校正处理，就可以得到各个时期汇水区域的古地形图。它的原理是“质量守恒”:假设研究区的物源和沉积区在碎屑的沉积和搬运中处于一个封闭的系统中，剥蚀的质量应该等于沉积物的质量。该方法是在研究现代海洋沉积物[如墨西哥湾(Hay et al .，1989)和北海盆地(Wold，1992)]的基础上建立起来的，并在应用于恢复含油气盆地古湖泊汇水盆地古高度时，根据内陆湖泊盆地的特点和现有资料进行了简化和修改。

1.时间步

所研究的时间范围分为若干个时间段，每个时间长度(如I到J)称为时间步长。

2.集水区范围的定义

汇水盆地的界定是盆地内沉积物“海退”的必然条件。在此基础上，将整个研究区划分为若干个方格，每个方格中的数据是古地形重建的最基本单元。

3.起始表面形貌

初始面是利用物质平衡重建古地形的重要边界条件之一。海伊等人对河流流域入海古地形的重建，是以现代地形为起始面；也可以根据有限的目标(如只研究古湖泊)选择特定时间的间作初始面(如本研究以东营组末期为初始面)。

4.侵蚀基准面的选择

侵蚀基准面以上的地形高度是控制碎屑物质侵蚀速率的最关键因素，因此侵蚀基准面的选择直接影响到古地形的重建结果。研究海洋盆地时要以全球海平面高度及其变化为基础，而研究不受海平面变化直接影响的内陆湖泊盆地时要具体分析。

5.岩性地层柱状图

一定时间单位内沉积物的厚度和分布规模决定了该时间段内返回源区的物质质量，也决定了源区在该时间单位内应增加的高度。根据各期地层等厚图，给每个网格分配一个平均厚度，从而建立每个网格的岩石地层柱状图。

在上述资料收集整理的基础上，利用一定的数学公式可以重建出古高，并进行一系列的平衡解压等修正。具体方法和公式见程欣荣等人(1993)。

应该承认，沉积记录只是古高度演化的一个方面，另一方面是地壳构造升降的独立证据，包括结晶矿物的同位素化学证据。在缺乏此类资料的情况下，我们以孢粉反映的古植被和介形类等化石反映的古深度作为参考补充，探讨物质平衡法重建古高度的可靠性。

(2)环境磁性

环境磁学是80年代兴起的一门新学科。它主要通过研究沉积物的磁性特征来恢复其古环境。目前，该方法已广泛应用于第四纪土壤、河流、湖泊和海洋沉积物的研究，但应用于前第四纪大陆沉积物的先例较少。本研究对此进行了探索和尝试，取得了一定的成果。

沉积物(沉积岩)主要由矿物组成，从磁学角度来看，矿物可分为三类:①抗磁性矿物:不显示磁性，在有外磁场存在的情况下产生极弱反感应磁场的矿物称为抗磁性矿物。如应时、长石和方解石。②顺磁性矿物:有外部磁场时呈现磁性的矿物。常见的有绿泥石、黄铁矿、菱铁矿、绿帘石、黑云母等。③铁磁性矿物:有些矿物在没有外界磁场的情况下，表现出磁性，成为铁磁性矿物。常见的矿物有磁铁矿、磁赤铁矿、赤铁矿、针铁矿和纤铁矿。这些矿物的组成和含量决定了沉积物的磁性特征，这些矿物的组成和含量与其源区的地质和环境、沉积介质的物理、化学和生物条件以及成岩作用等密切相关。环境磁学是通过测试沉积物(沉积岩)的磁性参数来反映矿物成分、粒度和排列的变化，从而揭示沉积环境的变化。

环境磁学中常用的磁性参数有磁化率(包括体积磁化率和质量磁化率)、频率磁化率比、等温饱和剩磁、退磁参数等。常用的检测仪器有MS2便携式磁探测器、双频磁化率探头、旋转磁力仪和脉冲磁力仪。

环境磁学因其测试仪器简单、数据采集速度快、数量大，特别是对于那些没有生物化石的地层，可以提供高分辨率的地层划分对比方案，已广泛应用于深海地层到黄土剖面的研究。黄土剖面的磁化率曲线表现出非常规律的冰期旋回，反映了气候旋回；在大洋钻探等深海地层的岩心测试中，环境磁学已经成为地层工作中的常规项目，甚至发展成为磁化率测井。同时，环境磁学对沉积物物源、沉积韵律、古气候和成岩作用的研究具有重要意义，是研究含油气盆地古环境的有效方法。舒的文章(1993)详细介绍了这种方法的原理。

(3)背散射电子显微镜成像技术

背散射电子成像(简称BSEI)是在扫描电子显微镜中内置背散射电子探针和图像分析装置，以高分辨率观察、分析和拍摄样品的技术。其基本原理是:入射电子束接触靶区原子时，发生弹性碰撞，产生背散射电子；背散射电子数(称为背散射系数η)主要与目标区域的原子序数有关。原子数高时，η值大，图像明亮；原子序数较低时，η值较小，图像较暗(贝林，1992)。至于页岩，各种矿物颗粒(如黄铁矿、应时、长石、粘土矿物、碳酸盐矿物等)的原子序数。)和矿物颗粒与有机物之间的关系是不同的，因此背散射电子显微镜图像可以清楚地揭示它们之间的关系。如果矿物颗粒的原子数高于有机质，则图像中矿物层颜色较亮，而有机质层颜色较暗。

与其他页岩研究方法相比，BSEI技术的最大优势是分辨率高。x射线摄影主要研究页岩的结构。当纹理厚度小于200微米时，它不能被X射线清楚地显示。光学显微镜的最大分辨率为65438±0 μm，当页岩的组成颗粒小于65438±0微米时，无法分辨。背散射电子显微镜的分辨率可达0.01 ~ 0.1微米(Belin，1992)。此外，BSEI作为一种在SEM基础上发展起来的技术，不仅可以突出页岩不同成分之间的对比，还可以在高倍放大下清晰地识别矿物颗粒、有机质和古生物化石的形状。最后，BSEI技术可以与能谱分析仪(EDS)一起用于定性或半定量分析矿物成分。

自20世纪90年代以来，该技术已成为页岩研究中最常用的方法，并在许多现代和古代沉积研究中被用于分析沉积物的组构和组成，进而研究古海洋、古气候和古湖泊等古环境(表3-2)。本研究中页岩的背散射电子显微镜成像分析是基于与英国曼彻斯特大学的合作。使用的仪器是乔尔6400扫描电子显微镜。样品处理方法见Pike等人(1996)。

表3-2背散射电子显微镜成像技术应用实例

(4)沉积韵律分析

韵律或周期性是世界各地沉积岩中普遍存在的现象，因为沉积过程是周期性与事件的叠加(Einsele et al .，1982)。在湖相沉积体系中，沉积韵律是最常见的现象之一，在湖相烃源岩中更为突出。研究沉积韵律不仅可以提取古气候、古湖泊化学和古生产力，还可以为了解湖相烃源岩的生烃条件和生烃机制提供重要依据。沉积韵律分析包括韵律识别、成因研究和频谱分析。

湖泊地层韵律的规模从季节性甚至更短的周期到十万年、十万年的天文周期不等。因此，识别韵律的方法有很多，包括沉积学、地球化学、环境磁学、微体化石和测井地质学。最容易识别的是条痕，只靠肉眼判断的岩性特征；有些韵律最便于用磁化率或测井曲线准确区分；有时只能通过微体古生物或地球化学分析的结果来鉴定。东营湖沙河街组韵律主要由颜色、碳酸盐含量和磁化率等特征识别和决定。

湖相地层韵律的形成可由湖盆水体变化、汇水盆地环境变化、沉积本身(如浊流)或成岩作用引起(Einsele等，1982)。除了韵律厚度的测量和频率估算，韵律中的矿物和化学成分分析，偏光显微镜下的岩石学分析，甚至背散射电子扫描电镜对微层理的高分辨率分析，都是研究韵律成因的重要途径。具体而言，微体化石(包括孢子花粉)的分析和遗迹化石的观察统计也是揭示韵律成因的有效方法。

通过频谱分析找出沉积韵律的主周期是了解其成因的重要方面，也是高分辨率地层工作的内容之一。通过傅里叶变换或沃尔什变换可以得到地层的时间序列(如磁化率曲线或碳酸盐含量曲线)，从而揭示韵律的主周期。当然，整套地层的时间跨度是找到主旋回年龄长度的前提。

频谱分析和整体沉积韵律的研究方法和原理见王的文章(1993)。

(5)泥沙淤积的数值模拟方法。

地球科学从定性到定量，从现象描述到机理探索的转变，使得数值模拟的作用日益明显。对于古湖沼学这种综合性和探索性学科来说，通过数值模拟来检验现有假设并指出有待识别的联系尤为重要。古湖沼学将湖泊作为一个完整的系统来研究，必须尽可能采用定量的方法来揭示各种因素之间的关系。同时，古湖沼学涉及到流体层，即使是现代流体层中的大气和水流，由于它们的多样性，通常也是通过数值模拟来接近的。

数值模拟有很多种，在古湖泊研究中主要采用三种。

1.流场模拟

利用海洋学中根据风场模拟地表环流的方法，可以对古湖泊的湖流进行数值模拟。根据当时湖盆的等高线、水深等边界条件，可以给定一定的风场，通过数值模拟研究不同沉积时期的地表环流，并用沉积记录进行检验。

2.古地形模拟

利用化石作为相对水深的标志，可以通过计算机绘图进行古水深的半定量模拟。作为汇水盆地古高度数值模拟的一种尝试，根据盆地分析中长期发展起来的沉积充填数值模拟方法，采用剥离法得到汇水盆地古高度，也就是前面介绍的“物质平衡重建古高度法”。

3.地球化学模拟

用数值模拟方法定量讨论沉积地球化学过程是20世纪90年代国际学术界的新课题。例如，针对烃源岩中碳酸盐/泥岩韵律条纹的成因，可以建立原生碳酸盐化学沉积的数学模型(梅宏明，1996)。

此外，计算机绘图等方法也可用于估算古代生产力。目前，计算机数值模拟已广泛应用于第四纪古环境研究，在石油地质中主要用于盆地分析。其实古湖沼学和古海洋学一样，引入定量方法，进行数值模拟，前景广阔。