CN108614305B - 一种膝折构造模拟方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种膝折构造模拟方法，包括以下步骤：(1)在二维地质剖面上构造出一个膝折构造，其由两条平行线分割为三个部分，其中两条平行线之间为膝折带，膝折带两侧的两个部分分别为膝折带的上盘和下盘；(2)所述上盘和下盘则分别沿平行线做平移运动；(3)所述膝折构造的运动过程由本发明推导出的方程式表示。本发明主要用来膝折构造的正演模拟，用来探讨膝折构造的形成机制，还可以用来探讨相关断裂的形成机制；此外，本发明也可以用来对膝折构造进行平衡恢复，用来探讨膝折构造解释的合理性和可靠性。

Description

一种膝折构造模拟方法
技术领域
本发明涉及地质学领域，特别涉及一种膝折构造模拟方法。
背景技术
膝折带又称扭折带，是由一系列互相平行的膝折带组成的尖棱褶皱，并且膝折带的规模可大可小。
近年来研究发现在中国多个盆地的发育膝折构造，在挤压盆地和伸展盆地中均有发现。国外在墨西哥湾盆地的研究发现膝折构造也是油气运聚重要场所，在膝折构造中发现有大量的油气，在文献中，大多以手绘图示的方式再现膝折构造形成的过程，但是均处在定性描述的范畴，鲜见定量化模拟。
鉴于此，本发明的发明人通过有针对性设计算法，定量化模拟膝折构造形成的动态过程，再现膝折构造形成的演化过程，用于探讨膝折构造形成的机制以及在膝折形成过程的效应，对于油气勘探有巨大贡献。
发明内容
本发明的目的是提供一种膝折构造模拟方法，能够定量化模拟膝折构造形成的动态过程，再现膝折构造形成的演化过程，用于探讨膝折构造形成的机制以及在膝折形成过程的效应。
为达上述目的，本发明提供一种膝折构造模拟方法，其包括以下步骤：
(1)在二维地质剖面上构造出一个膝折构造，其由两条平行线分割为三个部分，其中两条平行线之间为膝折带，膝折带两侧的两个部分分别为膝折带的上盘和下盘；
(2)所述上盘和下盘则分别沿平行线做平移运动；
(3)所述膝折构造的运动过程由下述方程式表示：
所述上盘中任意一点从初始时刻0运动到时刻t的坐标为：
Figure GDA0002196024680000011
Figure GDA0002196024680000021
所述下盘中任意一点从初始时刻0运动到时刻t的坐标为：
Figure GDA0002196024680000023
所述膝折带中任意一点从初始时刻0运动到时刻t的坐标为：
Figure GDA0002196024680000024
Figure GDA0002196024680000025
其中：k为平行线的斜率，b1为平行线中的其中之一直线的斜率，b2为平行线中另一直线的的斜率，v1为上盘运动的速度，v2为下盘运动的速度，α为平行线与水平正向的夹角，x0、y0为膝折带中所述任意一点的初始坐标。
所述的膝折构造模拟方法，其中，所述两条平行线的方程式分别为：
y＝kx+b1和y＝kx+b2。
所述的膝折构造模拟方法，其中，所述平行线的斜率和平行线与水平正向的夹角之间的关系为：k＝tgα。
所述的膝折构造模拟方法，其中，当上盘高于下盘时，所述膝折构造为伸展型，代表在伸展构造应力条件下形成的膝折构造。
所述的膝折构造模拟方法，其中，当下盘高于上盘时，所述膝折构造为挤压型，代表在挤压构造应力条件下形成的膝折构造。
所述的膝折构造模拟方法，其中，在步骤(1)中，设置有多层能干性岩层(在沉积盆地中一般理解为更为坚硬的岩石，例如砂岩、粉砂岩等)。
所述的膝折构造模拟方法，其中，每相邻两层能干性岩层之间夹有非能干性岩层(沉积盆地中，一般理解为泥岩或盐岩或膏盐岩等较为柔软的岩石)。
所述的膝折构造模拟方法，其中，每层能干性岩层的厚度大于每层非能干性岩层的厚度。
所述的膝折构造模拟方法，其中，每层能干性岩层的厚度与每层非能干性岩层的厚度的比值大于5。
本发明的有益效果是：本发明主要用来膝折构造的正演模拟，用来探讨膝折构造的形成机制，还可以用来探讨相关断裂的形成机制；此外，本发明也可以用来对膝折构造进行平衡恢复，用来探讨膝折构造解释的合理性和可靠性。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
图1是膝折带分带示意图；
图2是膝折带实施例的示意图；
图3是定量模拟未变形状态(初始状态)的示意图；
图4是定量模拟轻度膝折的示意图；
图5是定量模拟膝折形成的示意图。
在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
首先，对膝折构造做一简要说明，如下所示：
(1)在二维空间上(相当于二维地质剖面)一个最基本的膝折构造由两条平行线分割为三个部分，其中两条平行线之间为膝折带，另外两个部分为膝折带的上下盘；例如在图1中的(0)、(1)和(2)中的l和l’两条平行线，两条平行线之间的部分B就是膝折带部分，而平行线l和l’一侧的A和C就是膝折带的两盘；
(2)膝折带的上盘和下盘则分别沿平行线做平移运动；图1中，在构造活动中，A部分沿直线l作平移运动，C则沿l’做平移运动；
(3)膝折带内部的质点主要根据响应位置发生剪切变形；
(4)根据膝折带B和上下两盘A、C的位置关系，可以将膝折带分为挤压型和伸展型，图1中(1)为伸展型膝折带，代表在伸展构造应力条件下形成的膝折构造；(2)为挤压型膝折带，代表在挤压构造应力条件下形成的膝折构造。
为了对最基本膝折模型的运动学过程进行描述，本发明建立了下列的数学模型，对膝折构造的形成进行演绎：首先从膝折带的边界入手，由于两条直线是两条平行线，因此两条直线的斜率是一样的，因此我们可以假定两条直线l和l’的方程为：
y＝kx+b1 (1)
y＝kx+b2 (2)
本发明规定，l或l’线和坐标系x(或者是水平方向)的正方向夹角为α，
因此，k＝tgα
其中k代表了直线的倾斜程度，即斜率，b1和b2分别为两条直线的截距，截距b1和b2的不同代表了两条直线位置在坐标系中的不同，二者差值越大，代表两条直线之间的距离越大，其地质意义代表了膝折带的宽度越大。
再进一步规定：块体A以速度v1运动，其运动轨迹由直线l确定，其中速度v1是时间t的函数，对于块体A上在还没有变形之前的任意一点(x0A，y0A)以速度v1由初始时刻0(未变形)运动【图1中的(0)】到某一时刻t，相当于图1中的(1)或(2)。此一时刻，该点的坐标为点(xA，yA)。
那么两点的关系为：
Figure GDA0002196024680000041
其中xA相当于v1在坐标轴x方向的分量，YA相当于v1在y方向的分量，也受到直线l倾斜程度的控制。
同理，规定块体C以速度v2运动，其运动轨迹受到直线l’的控制，其中速度v2是时间t的函数，对于块体C上在还没有变形之前的任意一点(x0B，y0B)以速度v2由初始时刻0(未变形)【相当于图1中的(0)】运动到某一时刻t【相当于图1中(1)或(2)】。此一时刻，该点的坐标为点(xB，yB)。
那么两点的关系为：
Figure GDA0002196024680000043
Figure GDA0002196024680000044
其中xB相当于v2在坐标轴x方向的分量，xB相当于v2在y方向的分量，也受到直线l’倾斜程度的控制。
那么对于块体B上在还没有变形之前任意一点(x0，y0)由于受到构造应力的作用，由时刻0到时刻t，运动到点(x，y)。
那么过块体B上任意一点(x0，y0)的水平线和l和l′的交点分别为：
和
Figure GDA0002196024680000052
两点在x方向上的差值为：
Figure GDA0002196024680000053
经历到t时刻，点
Figure GDA0002196024680000054
由于受到块体A运动法则的控制，坐标变成
Figure GDA0002196024680000055
而点由于受到块体C运动法则的控制，坐标在t时刻变成
Figure GDA0002196024680000057
此时水平线两端的高差变为：
Figure GDA0002196024680000058
在块体B上任意一点(x0，y0)，由于受到构造应力的作用，构造应力作用于于块体B，表现为剪切应力，主要表现为剪切变形，在应变准则的控制下，块体B上任意一点(x0，y0)在时刻t时运动到点(x，y)。
点(x0，y0)和
Figure GDA0002196024680000059
在水平方向上的差值为：
Figure GDA00021960246800000510
则点(x0，y0)运动到(xy)在y方向的增量Δy′和Δy、Δx和Δx′之间的关系为：
即是：
所以，有：
Figure GDA0002196024680000061
则有y＝y0+Δy′
所以
Figure GDA0002196024680000062
而x则有过点(x0，y0)且平行于l或l′的直线方程来确定
假设方程为y＝kx+b
由于该直线过点(x0，y0)
则有y0＝kx0+b
所以b＝y0-kx0
那么该直线方程为y＝kx+y0-kx0
所以
Figure GDA0002196024680000063
把
Figure GDA0002196024680000064
代入上式，则有：
Figure GDA0002196024680000065
经过上述推导，并且经过整理，在块体B上任意一点(x0，y0)在时刻t的坐标由下面两个方程确定：
Figure GDA0002196024680000066
综上所述，本发明可以由以下三组方程组描述一个最基本膝折构造的运动过程：
第一组
Figure GDA0002196024680000071
Figure GDA0002196024680000072
第二组
第三组
Figure GDA0002196024680000075
Figure GDA0002196024680000076
其中第一组和第二组方程组分别描述膝折构造两盘的运动过程，第三组方程组描述膝折带的运动过程。因此本发明由上述等式可以模拟一系列水平层系，这一系列水平层系由坚硬岩层和软岩层相互交替形成，在沉积环境表现为沉积环境的相互交替，一般表现为坚硬粉砂岩中夹有薄层的泥质层，泥质层比较软。
在设计模拟程序在模拟膝折形成过程，特别强调以下几点：
(1)速度v1和v2是时间t的函数，而且为向量；(2)膝折构造的两盘运动后的相对位置确定了膝折构造的性质；(3)在膝折构造运动过程中，地质体的面积保持不变。
根据本发明的模拟方法，可以在试验中模拟在挤压环境下膝折构造的发育过程，具体实例可以在塔里木盆地巴楚隆起的北边界——吐木休克构造。(在塔里木盆地盆地巴楚隆起发育很多折而未断的褶皱)，如图2中，由(0)到(2)。也可以模拟在生长环境下膝折构造的形成发育过程，模拟结果可以和四川盆地的有关边界构造的对比，如图2中，由(0)到(1)。
通过本方法，定量模拟了地质体由未变形的状态(图3)到开始变形(图4)，进而到图5的膝折状态，其具有以下步骤：
(1)初始模型：可设置有多层能干性岩层(在沉积盆地中一般理解为更为坚硬的岩石，例如砂岩、粉砂岩等)，并且每相邻两层能干性岩层之间夹有非能干性岩层非能干性岩层(沉积盆地中一般理解为泥岩或盐岩或膏盐岩等较为柔软的岩石)。此外，每层能干性岩层的厚度大于每层非能干性岩层的厚度，优选地，每层能干性岩层的厚度与每层非能干性岩层的厚度的比值大于5。
例如，设置19个小层，每层厚9.9米，岩性为坚硬的粉砂岩，每层之间夹有0.1米厚薄层，岩性为柔软的泥岩。所有层的总厚度为190米，这些层的长度都是1000米(图3)。
剪切带边界为两条平行的直线，方程分别为：
y＝-1.732050808x+600
y＝-1.732050808x+1200
代表了两条直线的斜率为-1.732050808，截距分别为600和1200，和x轴正方向的夹角为120度。两条边界的水平宽度为346.41米，垂向厚度为600米，真实厚度为300米。
为了简单明了，将左侧块体的速率设置为0，右侧块体的速率设置为10cm每万年。地质意义就是将下盘固定。
构造应力分解成两个方向，一个方位使上升盘块体向上运动，一个分量使上升盘块体可以在水平方向运动。但是上升盘的质点不发生变形。
(2)剪切带开始运动，下盘的瞬时速率为0，而上盘的运动速率为100cm每万年，大约经历103万年运动，上升盘(最底界质点)的被抬升到90米的高度，此时整体长度为948.038米，缩短量为52米，缩短量和原长度(1000)的比率为缩短率，为5.2％(图4)。
质点间距变为17.776米，原来两个质点间距为20米，缩短量为2.224，缩短率(缩短量和原间距的比率)为11.14％。
粉砂岩小层的厚度为11.245米，上文已述，粉砂岩小层的厚度为9.9米，因此厚度的增加率为13.59％。
(3)剪切带形成，下盘的瞬时速率为0，而上盘的运动速率为100cm每万年，大约经历365.5万年运动，上升盘(最底界质点)被抬升到320米的高度，此时整体长度为815.248米，缩短量为184.752米，缩短量和原长度(1000)的比率为缩短率，为18.48％(图5)。
质点间距变为20.70米，原来两个质点间距为20米，拉长量为0.7米，拉长率(拉长量和原间距的比率)为3.5％。
粉砂岩小层的厚度为9.617米，上文已述，粉砂岩小层的厚度为9.9米，因此厚度的缩减率为2.9％。
综上所述，本发明主要用来膝折构造的正演模拟，用来探讨膝折构造的形成机制，还可以用来探讨相关断裂的形成机制；此外，本发明也可以用来对膝折构造进行平衡恢复，用来探讨膝折构造解释的合理性和可靠性，据对多个构造恢复平衡软件的调查，目前商业软件还没有针对膝折构造的算法和模块。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (9)

1.一种膝折构造模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在二维地质剖面上构造出一个膝折构造，其由两条平行线分割为三个部分，其中两条平行线之间为膝折带，膝折带两侧的两个部分分别为膝折带的上盘和下盘；
(2)所述上盘和下盘则分别沿平行线做平移运动；
(3)所述膝折构造的运动过程由下述方程式表示：
所述上盘中任意一点从初始时刻0运动到时刻t的坐标为：
Figure FDA0002196024670000011
Figure FDA0002196024670000012
所述下盘中任意一点从初始时刻0运动到时刻t的坐标为：
Figure FDA0002196024670000013
所述膝折带中任意一点从初始时刻0运动到时刻t的坐标为：
Figure FDA0002196024670000015
Figure FDA0002196024670000016
其中：k为平行线的斜率，b1为平行线中的其中之一直线的斜率，b2为平行线中另一直线的斜率，v1为上盘运动的速度，v2为下盘运动的速度，α为平行线与水平正向的夹角，x0、y0为膝折带中所述任意一点的初始坐标。
2.根据权利要求1所述的膝折构造模拟方法，其特征在于，所述两条平行线的方程式分别为：y＝kx+b1和y＝kx+b2。
3.根据权利要求1所述的膝折构造模拟方法，其特征在于，所述平行线的斜率和平行线与水平正向的夹角之间的关系为：k＝tgα。
4.根据权利要求1所述的膝折构造模拟方法，其特征在于，当上盘高于下盘时，所述膝折构造为伸展型，代表在伸展构造应力条件下形成的膝折构造。
5.根据权利要求1所述的膝折构造模拟方法，其特征在于，当下盘高于上盘时，所述膝折构造为挤压型，代表在挤压构造应力条件下形成的膝折构造。
6.根据权利要求1所述的膝折构造模拟方法，其特征在于，在步骤(1)中，设置有多层能干性岩层。
7.根据权利要求6所述的膝折构造模拟方法，其特征在于，每相邻两层能干性岩层之间夹有非能干性岩层。
8.根据权利要求7所述的膝折构造模拟方法，其特征在于，每层能干性岩层的厚度大于每层非能干性岩层的厚度。
9.根据权利要求8所述的膝折构造模拟方法，其特征在于，每层能干性岩层的厚度与每层非能干性岩层的厚度的比值大于5。
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