CN109064865B - 地质断层的模拟形成装置和模拟形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种地质断层的模拟形成装置和模拟形成方法，通过在箱体内设置至少两个体型结构为三棱柱的刚体，每一刚体与箱底分别通过相应的刚体的第一侧棱以可旋转的方式相连接，在预设方向上，最前方的刚体通过垫块支撑该刚体的第二侧面使该刚体的第一侧面处于水平面上，且后一刚体以前一刚体的第三侧面作为支撑面，并且后一刚体的第三侧棱与前一刚体的第二侧棱相接触时，每一刚体的第一侧面共同形成一个水平面，地质模拟层设置于共同形成的水平面上，移动垫块使最前方的刚体发生旋转并促使其他刚体同方向旋转，以使水平面断裂而造成对地质模拟层的形变而产生断层，从而模拟了基底旋转对上覆地层构造变形的影响以形成多米诺式断层伴生构造。
Description
技术领域
本发明实施例涉及地质学技术领域，更具体地，涉及一种地质断层的模拟形成装置和模拟形成方法。
背景技术
目前，多米诺式伸展构造广泛的分布在我国东部渤海湾盆地、苏北盆地等裂陷盆地之中，深刻的理解多米诺式伸展构造及上覆地层伴生构造的形成和演化机制对裂陷盆地的油气勘探来说具有很好的现实意义。
构造模拟实验已经有200多年的发展历程，这种研究方法主要以构造地质学研究为基础，把数学研究和岩石力学中的量值关系引入到了地质学中，在石油地质学中应用广泛，可以很好的为我们再现含油气构造系统的形成和演化过程，是帮助地质学家认识构造变形过程和研究构造形成机制的重要途径。构造物理模拟现在已经有了成熟的实验理论、实验技术和实验材料。相似性的理论被广泛的应用于构造物理模拟之中，依据相似理论可以确定各项实验相似系数，包括几何相似系数、时间相似系数和实验材料力学参数的相似系数等；经过多年来的发展，实验技术也发生了很大的进步，实验装置由手动操作逐步变为自动控制，定量施力，同时实验数据和图像也实现了自动采集；在实验材料选取方面也更加精细化和科学化，已使用了多种具有不同力学参数、相态、粒径的实验材料。
通过砂箱构造模拟地质断层已经被证实是研究盆地内部伸展构造的有效手段，对于多米诺式伸展构造及基底旋转断层对上覆地层构造变形的影响，其形成具有自身的特点，目前还没有一种模拟装置，能够简单、便捷的模拟基底旋转对上覆地层构造变形的影响。
发明内容
为了克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本发明实施例提供一种地质断层的模拟形成装置和模拟形成方法。
根据本发明实施例的第一方面，提供一种地质断层的模拟形成装置，包括：箱体、至少两个刚体、垫块和地质模拟层；箱体至少包括箱底、第一侧壁、第二侧壁和第三侧壁，第一侧壁和第二侧壁的内壁为相互平行的平面，第三侧壁分别与第一侧壁、第二侧壁和所箱底的内壁相贴合，且第三侧壁可延前向方向运动，前向方向为同时平行于水平面、第一侧壁和第二侧壁的内壁且指向箱体外部的方向；每一刚体的空间构型为三棱柱，每一刚体沿前向方向依次设置于箱体内，每一刚体的两个底面分别与第一侧壁和第二侧壁的内壁相贴合，每一刚体与箱底分别通过相应的刚体的第一侧棱以可旋转的方式相连接，每一刚体的第一侧面和第三侧面之间的夹角为钝角；对于距离第三侧壁最近的第一刚体，垫块设于第一刚体下方的箱底上，并且垫块可相对于箱底滑动，垫块连接至第三侧壁，垫块通过支撑第一刚体的第二侧面的预设位置以使第一刚体的第一侧面处于水平面上；对于除第一刚体以外的每一刚体，在前向方向上，后一刚体以前一刚体的第三侧面作为支撑面，并且后一刚体的第三侧棱与前一刚体的第二侧棱相接触时，每一刚体的第一侧面共同形一个水平面；地质模拟层设置于每一刚体的第一侧面共同形成的水平面上。
根据本发明实施例的第二方面，提供一种基于上述模拟形成装置的地质断层的模拟形成方法，包括：根据待模拟的地质层的地层特征，并基于材料相似原理调整地质模拟层中每一层的材料；根据待模拟的地质层的断层的形成速度，并基于时间相似性原则，确定牵引速度；以牵引速度牵引箱体的第三侧壁沿前向方向运动，以使第三侧壁带动垫块沿前向方向运动，并使每一刚体分别绕相应的刚体的第一侧棱旋转以造成对地质模拟层的形变，以获得对待模拟的地质层中伴生断层的模拟形成过程。
本发明实施例提供的一种地质断层的模拟形成装置和模拟形成方法，通过在箱体内设置至少两个体型结构为三棱柱的刚体，每一刚体与箱底分别通过相应的刚体的第一侧棱以可旋转的方式相连接，在预设方向上，最前方的刚体通过垫块支撑该刚体的第二侧面使该刚体的第一侧面处于水平面上，且后一刚体以前一刚体的第三侧面作为支撑面，并且后一刚体的第三侧棱与前一刚体的第二侧棱相接触时，每一刚体的第一侧面共同形一个水平面，地质模拟层设置于共同形成的水平面上，当移动垫块时，最前方的刚体发生旋转并促使其他刚体同方向旋转，以使水平面断裂而造成对地质模拟层的形变而产生断层，从而模拟了基底旋转对上覆地层构造变形的影响以形成多米诺式断层伴生构造。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为根据本发明实施例提供的地质断层的模拟形成装置的剖面示意图；
图2为根据本发明实施例提供的基于图1的模拟形成装置的地质断层的模拟形成方法的流程图；
图3为根据本发明实施例提供的地质断层的模拟形成过程中地质模拟层的形态图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例提供的地质断层的模拟形成装置的剖面示意图，如图1所示，一种地质断层的模拟形成装置，包括：箱体、至少两个刚体、垫块30和地质模拟层40；箱体至少包括箱底11、第一侧壁、第二侧壁和第三侧壁12，第一侧壁和第二侧壁的内壁为相互平行的平面，第三侧壁12分别与第一侧壁、第二侧壁和箱底11的内壁相贴合，且第三侧壁12可延前向方向运动，前向方向为同时平行于水平面、第一侧壁和第二侧壁的内壁且由第三侧壁12指向箱体外部的方向；每一刚体的空间构型为三棱柱，每一刚体沿前向方向依次设置于箱体内，每一刚体的两个底面分别与第一侧壁和第二侧壁的内壁相贴合，每一刚体与箱底11分别通过相应的刚体的第一侧棱21以可旋转的方式相连接，每一刚体的第一侧面24和第三侧面26之间的夹角为钝角；对于距离第三侧壁12最近的第一刚体，垫块30设于第一刚体下方的箱底11上，并且垫块30可相对于箱底11滑动，垫块30连接至第三侧壁12，垫块30通过支撑第一刚体的第二侧面25的预设位置以使第一刚体的第一侧面24处于水平面上；对于除第一刚体以外的每一刚体，在前向方向上，后一刚体以前一刚体的第三侧面26作为支撑面，并且后一刚体的第三侧棱23与前一刚体的第二侧棱22相接触时，每一刚体的第一侧面24共同形一个水平面；地质模拟层40设置于每一刚体的第一侧面24共同形成的水平面上。
具体地，多米诺式断层又称书斜式断层，是一系列被倾断层切割的断块或断片，每个断块或断片可通过发生刚体旋转作用而导致地质层沿正断层发生相对剪切运动而产生。本实施例的地质断层的模拟形成装置中，将空间构型为三棱柱的刚体作为发生刚体旋转作用的载体，为了能够触发多米诺效应，刚体的数量至少为两个；并通过地质模拟层40来模拟待模拟的地质层，地质模拟层40最初的状态是没有任何断层，位于水平面上，及要求所有刚体的三个侧面中的一个侧面可共同组成一个水平面。本实施例的刚体和地质模拟层40可设置于一个箱体内，箱体至少包括箱底11、第一侧壁、第二侧壁和第三侧壁12，箱底11可用来支撑刚体，第一侧壁、第二侧壁和第三侧壁12可限制地质模拟层40的状态，第一侧壁和第二侧壁的内壁为相互平行的平面，以保证空间构型为三棱柱的刚体可绕垂直于第一侧壁和第二侧壁的内壁旋转并在旋转过程避免地质模拟层40的材料漏入刚体下部而造成对模拟过程的影响，第三侧壁12分别与第一侧壁、第二侧壁和所箱底11的内壁相贴合，且将第三侧壁12设置为可活动壁，以保证可通过活动壁对箱体内部的结构实施需要的操作。
将同时平行于水平面、第一侧壁和第二侧壁的内壁且由第三侧壁12指向箱体外部的方向作为前向方向，每一刚体沿前向方向依次设置于箱体内，每一刚体的两个底面分别与第一侧壁和第二侧壁的内壁相贴合，每一刚体与箱底11分别通过相应的刚体的第一侧棱21以可旋转的方式相连接，对于距离第三侧壁12最近的第一刚体，垫块30设于第一刚体下方的箱底11上，并且垫块30可相对于箱底11滑动，垫块30连接至第三侧壁12，通过移动第三侧壁12可带动垫块30同方向移动，垫块30通过支撑第一刚体的第二侧面25的预设位置以使第一刚体的第一侧面24处于水平面上；对于除第一刚体以外的每一刚体，在前向方向上，后一刚体以前一刚体的第三侧面26作为支撑面，为了保证前一刚体的第三侧面26可作为支撑面，每一刚体的第一侧面24和第三侧面26之间的夹角为钝角，例如，每一刚体的三条底边的长度依次可选择28cm、20cm和13cm，可保证底面三角形为钝角三角形，并且后一刚体的第三侧棱23与前一刚体的第二侧棱22相接触时，每一刚体的第一侧面24共同形一个水平面。地质模拟层40设置于每一刚体的第一侧面24共同形成的水平面上。
其中，垫块30的材质为聚苯材料。
基于本实施例的模拟形成装置的模拟过程，牵引箱体的第三侧壁沿前向方向运动，以使第三侧壁带动垫块沿前向方向运动，并使每一刚体分别绕相应的刚体的第一侧棱旋转以造成对地质模拟层的形变，以实现对待模拟的地质层的多米诺式断层伴生构造的形成过程的模拟。
本实施例提供的地质断层的模拟形成装置结构简单，并只需简单、便捷的操作即可实现对基底旋转对上覆地层构造变形的影响以及地质层的多米诺式伸展构造的形成过程进行模拟。
基于以上实施例，进一步地，参考图1，模拟形成装置还包括驱动电机50；驱动电机50位于箱体的外部且与第三侧壁12相连接，用于驱动第三侧壁12延前向方向运动。
具体地，在对多米诺式伸展构造的断层的形成过程进行模拟过程中，要求刚体按照各自对应的角速度旋转，对应的，即要求第三侧壁12按照预设的速度滑动，本实施例提供驱动电机50以驱动第三侧壁12延前向方向运动，能保证驱动速度的稳定性，以保证较好的模拟效果。
基于以上实施例，进一步地，模拟形成装置还包括图像采集模块；第一侧壁和/或第二侧壁的材质为透明材质，图像采集模块设置于具有透明材质的第一侧壁和/或第二侧壁的外侧，用于采集地质模拟层的图片。
具体地，模拟多米诺式伸展构造的形成过程的主要目的是为了对形成过程中上覆地层中多米诺式伴生构造的几何形态和组合方式等进行研究，本实施例为了给对断层的形态和组合特征研究提供较好的观察环境，对第一侧壁和/或第二侧壁的材质选择为透明材质，观察者可实时观察断层的形貌变化；同时，还设置了图像采集模块，图像采集模块设置于具有透明材质的第一侧壁和/或第二侧壁的外侧，每隔预设时长采集一幅地质模拟层的图片，为断层的形貌变化保留电子数据材料。
基于以上实施例，进一步地，模拟形成装置还包括防漏砂毛刷；防漏砂毛刷设于每一刚体的第一侧面的周围，用于防止地质模拟层中的材料漏入每一刚体下方的空间。
具体地，本实施例将防漏砂毛刷设于每一刚体的第一侧面的周围，以防止地质模拟层中的材料漏入每一刚体下方的空间，保证较好的模拟效果。
基于以上实施例，进一步地，地质模拟层至少包括石英砂层和滑石粉层，石英砂层用于模拟地质层中的砂岩层，滑石粉层用于模拟地质层中的泥岩层。
其中，每一石英砂层的厚度为0.75cm，每一滑石粉层的厚度为0.25cm。
具体地，根据安德森浅层地层正断层成因模式可知：正断层形成时最大主应力σ1近于垂直地表，在地壳浅层条件下，岩石内摩擦角一般为30°，故断层倾角大致为60°。本实施例的地质模拟层中，使用石英砂层模拟地质层中的砂岩层，滑石粉层模拟地质层中的泥岩层；石英砂的直径可选择300um，其内摩擦角约31°，能保证模拟的断层的倾角大致为60°，接近实际地质层中断层的倾角。根据地质层每层的实际厚度来确定地质模拟层中每层的厚度，对于地质层中砂岩层与泥岩层的厚度比为3:1的条件下，可将地质模拟层中石英砂层的厚度选定为0.75cm，滑石粉层的厚度选定为0.25cm。
图2为本发明实施例提供的基于上述实施例的模拟形成装置的地质断层的模拟形成方法的流程图，如图2所示，一种地质断层的模拟形成方法，包括：S21，根据待模拟的地质层的地层特征，并基于材料相似原理调整地质模拟层中每一层的材质和厚度；S22，根据待模拟的地质层的断层的形成速度，并基于时间相似性原则，确定牵引速度；S23，以牵引速度牵引箱体的第三侧壁沿前向方向运动，以使第三侧壁带动垫块沿前向方向运动，并使每一刚体分别绕相应的刚体的第一侧棱旋转以造成对地质模拟层的形变，以获得对待模拟的地质层中伴生断层的模拟形成过程。
具体地，地质层的地层特征包括了地质层的岩性、厚度等特征，首先根据待模拟的地质层的地层特征，并基于材料相似原理调整地质模拟层中每一层的材质和厚度；然后根据待模拟的地质层的断层的形成速度，并基于时间相似性原则，确定牵引速度，牵引速度与待模拟的地质层中的断层的形成速度以及模拟形成装置的尺寸有关，例如在刚体的三条底边的长度依次为28cm、20cm和13cm的条件下，牵引速度可确定为0.05mm/min；最后以牵引速度牵引箱体的第三侧壁沿前向方向运动，以使第三侧壁带动垫块沿前向方向运动，并使每一刚体分别绕相应的刚体的第一侧棱旋转以造成对地质模拟层的形变，以获得对待模拟的地质层的地质断层的模拟形成过程。图3为第三侧壁沿前向方向运动某一距离后，地质模拟层的形态图。
本实施例通过结构简单的地质断层的模拟形成装置，并通过简单、便捷的操作即实现对基底旋转对上覆地层构造变形的影响基于以上实施例，进一步地，获得对待模拟的地质层中的伴生断层的模拟形成过程，包括：通过图像采集模块每隔预设时长采集一幅地质模拟层的图片，根据每一地质模拟层的图片获得对待模拟的地质层中伴生断层的模拟形成过程。
具体地，在牵引过程中，本实施例还通过图像采集模块每隔预设时长采集一幅地质模拟层的图片，每一地质模拟层的图片记录了断层的模拟形成过程，为断层的模拟形成过程保留电子数据材料。
最后说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种地质断层的模拟形成装置，其特征在于，包括：箱体、至少两个刚体、垫块和地质模拟层；
所述箱体至少包括箱底、第一侧壁、第二侧壁和第三侧壁，所述第一侧壁和所述第二侧壁的内壁为相互平行的平面，所述第三侧壁分别与所述第一侧壁、所述第二侧壁和所箱底的内壁相贴合，且所述第三侧壁可延前向方向运动，所述前向方向为同时平行于水平面、所述第一侧壁和所述第二侧壁的内壁且由所述第三侧壁指向箱体外部的方向；
每一刚体的空间构型为三棱柱，每一刚体沿所述前向方向依次设置于所述箱体内，每一刚体的两个底面分别与所述第一侧壁和所述第二侧壁的内壁相贴合，每一刚体与所述箱底分别通过相应的刚体的第一侧棱以可旋转的方式相连接，每一刚体的第一侧面和第三侧面之间的夹角为钝角；对于距离所述第三侧壁最近的第一刚体，所述垫块设于所述第一刚体下方的所述箱底上，并且所述垫块可相对于所述箱底滑动，所述垫块连接至所述第三侧壁，所述垫块通过支撑所述第一刚体的第二侧面的预设位置以使所述第一刚体的第一侧面处于水平面上；对于除所述第一刚体以外的每一刚体，在所述前向方向上，后一刚体以前一刚体的第三侧面作为支撑面，并且后一刚体的第三侧棱与前一刚体的第二侧棱相接触时，每一刚体的第一侧面共同形一个水平面；
所述地质模拟层设置于每一刚体的第一侧面共同形成的水平面上。
2.根据权利要求1所述的模拟形成装置，其特征在于，所述模拟形成装置还包括驱动电机；
所述驱动电机位于所述箱体的外部且与所述第三侧壁相连接，用于驱动所述第三侧壁延所述前向方向运动。
3.根据权利要求1所述的模拟形成装置，其特征在于，所述模拟形成装置还包括图像采集模块；
所述第一侧壁和/或所述第二侧壁的材质为透明材质，所述图像采集模块设置于具有透明材质的所述第一侧壁和/或所述第二侧壁的外侧，用于采集所述地质模拟层的图片。
4.根据权利要求1所述的模拟形成装置，其特征在于，所述模拟形成装置还包括防漏砂毛刷；
所述防漏砂毛刷设于每一刚体的第一侧面的周围，用于防止所述地质模拟层中的材料漏入每一刚体下方的空间。
5.根据权利要求1所述的模拟形成装置，其特征在于，所述地质模拟层至少包括石英砂层和滑石粉层，所述石英砂层用于模拟地质层中的砂岩层，所述滑石粉层用于模拟地质层中的泥岩层。
6.根据权利要求5所述的模拟形成装置，其特征在于，每一石英砂层的厚度为0.75cm，每一滑石粉层的厚度为0.25cm。
7.根据权利要求1所述的模拟形成装置，其特征在于，所述垫块的材质为聚苯材料。
8.一种基于权利要求1-7任一所述的模拟形成装置的地质断层的模拟形成方法，其特征在于，包括：
根据待模拟的地质层的地层特征，并基于材料相似原理调整地质模拟层中每一层的材质和厚度；
根据所述待模拟的地质层中断层的形成速度，并基于时间相似性原则，确定牵引速度；
以所述牵引速度牵引箱体的第三侧壁沿前向方向运动，以使所述第三侧壁带动垫块沿所述前向方向运动，并使每一刚体分别绕相应的刚体的第一侧棱旋转以造成对所述地质模拟层的形变，以获得对所述待模拟的地质层中伴生断层的模拟形成过程。
9.根据权利要求8所述的模拟形成方法，其特征在于，所述获得对所述待模拟的地质层中伴生断层的模拟形成过程，包括：
通过图像采集模块每隔预设时长采集一幅地质模拟层的图片，根据每一地质模拟层的图片获得对所述待模拟的地质层中伴生断层的模拟形成过程。
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2018
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