CN110599884A - 一种陆内冲断构造的物理模拟实验方法及实验模型 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种陆内冲断构造的物理模拟实验方法及实验模型，通过设置两个相互接触的块体，并将两个块体相互挤压以模拟古造山带向盆地冲断的构造背景，使实验模拟的构造背景与实际的地质构造背景更具相似性。

Description

一种陆内冲断构造的物理模拟实验方法及实验模型

技术领域

本发明属于地质构造模拟实验领域，尤其涉及一种陆内冲断构造的物理模拟实验方法及实验模型。

背景技术

山前带是油气勘探的四大领域之一。自98年发现克拉2气田、青西油田等大型油气田以来，近年来又在库车、准西、吐哈北缘、柴西、川西等山前取得重要进展。截止到2013年，中国中西部发育冲断带15个，石油资源量78.68亿吨，天然气10.98万亿方山前带，已探明石油约19.96亿吨，探明25％，天然气约1.1万亿方，探明率11％，勘探潜力巨大。但是，山前带在多期叠加冲断过程中造成“地表地形复杂”和“地下变形复杂”的双复杂构造现象，使地震剖面的成像品质差，造成地震解释和构造建模具有多解性，阻碍了圈闭落实和油气勘探进程。而构造物理模拟实验可以室内直接观察构造变形过程，并定量解析构造变形的几何学和运动学；同时，可以设定不同边界条件和物理参数，分析单因素控制作用和多因素叠合变形，以验证地质模型的合理性。

山前带断层相关褶皱变形中存在大量简单剪切变形，如南大巴山褶皱带、南天山冲断带；同时，山前带平衡剖面恢复表明滑脱层之上构造层挤压缩短量大于下构造层。前人对山前带进行了大量的地质研究和构造物理模拟实验。但是，实验模型均未能体现地质认识中的陆内变形和造山带向盆地冲断的构造背景，以及存在的简单剪切和差异收缩变形模式。而且，山前带领域目前还未有使用构造物理模拟实验解决上述问题的相关文献和专利。

发明内容

为解决现有技术中的技术问题，本发明提供一种陆内冲断构造的物理模拟实验方法及实验模型，具体方案如下：

一种陆内冲断构造的物理模拟实验方法，两个相互接触的块体按预设挤压时间和挤压速度沿平行于水平面的方向相互挤压；

挤压结束后，参数化恢复构造变形全过程。

进一步的，在两个块体内分别设置具有牛顿流体特征的流变材料层；

代表古造山带的块体内设置流变材料层以模拟古造山带的弱地幔；

代表盆地的块体内设置流变材料层以模拟盆地的塑性滑脱层。

进一步的，记录挤压过程中的剖面二维瞬时图和平面三维瞬时图，剖面与水平面垂直且平行于挤压方向，平面为块体的上表面；

采用延时摄影法处理剖面二维瞬时图和平面三维瞬时图，以参数化恢复构造变形全过程。

进一步的，对一确定的实际地质模型，设置多组挤压时间和挤压速度进行多次实验，将挤压结束时刻的剖面二维瞬时图与该确定的实际地质模型的构造变形结果对比。

一种实现如上所述的陆内冲断构造的物理模拟实验方法的实验模型，其特征在于，包括相互接触的两个块体。

进一步的，两个块体内设置具有牛顿流体特征的流变材料层，以分别代表古造山带和盆地；

代表古造山带的块体，其流变材料层位于该块体内沿垂直于水平面方向的底层；

代表盆地的块体，其流变材料层在该块体内沿垂直于水平面方向朝上偏离居中位置。

进一步的，代表盆地的块体的主体部分由干燥松散的石英砂构成，石英砂粒径为200μm，内摩擦角为25～30°；

代表古造山带的块体的主体部分采用粘土或者在砂粒径为200μm、内摩擦角25～30°的干燥松散石英砂的基础上加入质量比为5％的水。

进一步的，流变材料的动态粘滞系数为1～4×10⁴Pa*s。

与现有技术相比，本发明设置两个相互接触的块体，通过两个块体的相互挤压模拟古造山带向盆地冲断的构造背景，使实验模拟的构造背景与实际的地质构造背景更具相似性。

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为本发明实施例中的实验模型结构示意图；

图2为本发明实施例中挤压17秒时刻和挤压53分钟时刻的的剖面二维瞬时图。

在附图中，相同的部件采用相同的附图标记，附图并未按实际比例绘制。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的说明。

本实施例提供一种陆内冲断构造的物理模拟实验方法，该方法以预设的挤压时间和挤压速度对相互接触的第一块体6和第二块体5进行相互挤压，挤压方向沿平行于水平面的方向，并在挤压结束后，参数化恢复构造变形全过程。

本实施例设置两个相互接触的块体，通过两个块体的相互挤压模拟古造山带向盆地冲断的构造背景，使实验模拟的构造背景与实际的地质构造背景更具相似性。

优选的，如图1所示，整套实验模型摆放在水平布置的实验平台3上，通过动力轴4推动与动力轴4相连的移动板85，模拟印度版块俯冲产生的动力来源，从而推动第一块体6朝向第二块体5移动，挡板1固定不动，从而使第一块体6和第二块体5相互挤压，第一块体6从接触开始逐渐向第二块体5冲断，符合古造山带向盆地的陆内冲断构造背景。

本实施例中，第一块体6和第二块体5内设置的流变材料层7均具有牛顿流体特征，第一块体6代表古造山带，在第一块体6内设置流变材料层7以模拟古造山带的弱地幔；第二块体5代表盆地，在第二块体5内设置流变材料层7以模拟盆地内的塑性滑脱层。流变材料层7使第一块体6和第二块体5具有横向和纵向流变差异，模拟塑性滑脱层的流变材料层7将第二块体5分为上下两层，因而实验模型呈现分层挤压和差异收缩变形特征，解决了现有技术的模拟实验中未体现简单剪切和差异收缩变形模式的问题。

在挤压过程中，本实施例采用DV摄像机录制实验模型的剖面变形过程，获得挤压过程中的剖面二维瞬时图，剖面与水平面垂直且平行于挤压方向。具体到本实施例中，剖面即第一块体6和第二块体5靠近玻璃2的侧面，DV摄像机透过玻璃2对剖面进行录制。图2示出了挤压17秒时刻和挤压53分钟时刻的剖面二维瞬时图，在挤压17秒时刻，两个块体的接触面向第二块体5倾斜，第二块体5呈现出一定量的收缩变形；随着挤压的不断进行，当挤压到53分钟时刻，第二块体5的收缩变形相较于挤压17秒时刻更为明显，收缩变形量加大。利用高分辨率相机或者三维地形扫描仪记录模型的平面变形过程，获得平面三维瞬时图，平面为第一块体6和第二块体5的上表面。各记录设备记录的构造变形过程无法量化，不能得到构造变形的参数，提取各记录设备记录的剖面变形过程的瞬时图和平面变形过程的瞬时图，即前述剖面二维瞬时图和平面三维瞬时图，对剖面二维瞬时图和平面三维瞬时图进行测量，可获得构造变形的相关参数，比如收缩量，从而将构造变形参数化，能够对冲断、隆升等变形进行定量分析，实现了数字沙箱实验。采用延时摄影的数据处理方法处理剖面二维瞬时图和平面三维瞬时图，以参数化恢复构造变形全过程，有效追踪每个构造现象的演变。挤压结束后，洒水使第一块体6和第二块体5湿透，用刀片对两个块体等间距切割，所得切片与剖面平行，用相机拍摄切片所展示出来的第一块体6和第二块体5的内部变形特征，供研究人员参考。

对一确定的地质模型，所能明确的是到目前为止的地质构造变形结果，却并不清楚整个地质构造变形的过程。本实施例的实际地质模型为中西部山前带的实际地质模型，其冲断速率为1-13mm/yr，冲断时间为65-0Ma，经设置多组挤压时间和挤压速度进行多次实验模拟，并将挤压结束时刻的剖面二维瞬时图与中西部山前带的实际地质模型的构造变形结果对比，当挤压时间为53分钟，挤压速度为0.022mm/s时，所得挤压结束时刻的剖面二维瞬时图与中西部山前带的实际地质模型的构造变形结果最为接近，此时实验模型的时间相似比为4.5×10^-12，速度相似比为3.5×10⁵。本实施例以挤压时间53分钟、挤压速度0.022mm/s进行模拟实验，在挤压结束后，参数化恢复的构造变形全过程更能真实地反应中西部山前带的实际地质模型的构造变形全过程，为中西部山前带的实际地质模型构造的演变过程的研究提供更为可靠的依据。图2示出了本实施例中的实验模型以挤压时间53分钟，挤压速度0.022mm/s进行实验所得挤压结束时刻，即在53分钟时刻的剖面二维瞬时图，如图2中53分钟时刻的剖面二维瞬时图所示，挤压产生了逆断层86，第二块体5构造变形分层，以第二块体5内的流变材料层7为界将第二块体分为上下两层，上构造层后缘叠瓦逆冲，前缘以断层相关褶皱为特征，下构造层叠瓦逆冲；上构造层缩短57mm，下构造层缩短35mm，上、下构造层表现出明显差异收缩变形特征。这里所说的前缘、后缘是相对第一块体6与第二块体5的接触面而言，靠近该接触面的为前缘，远离该接触面为后缘；上、下构造层的缩短距离是指的上、下构造层所对应的第一块体6和第二块体5的接触面偏离在0时刻的第一块体6和第二块体5的接触面的最大距离。第二块体5的右边界由直立变倾斜，其形变符合简单剪切特征。

如图1所示，本实施例提供了一种实现陆内冲断构造的物理模拟实验方法的实验模型，该实验模型包括相互接触的第一块体6和第二块体5。通过两个块体的相互挤压模拟古造山带向盆地冲断的构造背景。

优选的，该实验模型还包括平行于挤压方向固定的玻璃2，垂直于挤压方向固定的挡板1，以及垂直于挤压方向设置的移动板85，动力轴4与移动板85相连，玻璃2、挡板1、移动板85均垂直于水平面。第一块体6和第二块体5被限定在两块玻璃2、挡板1、移动板85和水平布置的实验平台3所围成的区域内，第一块体6和第二块体5均为长方体。第一块体6代表古造山带，第一块体6内的流变材料层7位于该块体内沿垂直于水平面方向的底层，第一块体6内的流变材料层7模拟的是古造山带的弱地幔；第二块体5代表盆地，第二块体5内的流变材料层7在该块体内沿垂直于水平面方向朝上偏离居中位置，第二块体5内的流变材料层7模拟的是盆地的塑性滑脱层。流变材料层7在第一块体6和第二块体5内的位置如图1所示。流变材料层7使第一块体6和第二块体5具有横向和纵向流变差异，模拟塑性滑脱层的流变材料层7将第二块体5分为上下两层，因而实验模型呈现出分层挤压和差异收缩变形特征，解决了现有技术的模拟实验中未体现简单剪切和差异收缩变形模式的问题。在挤压过程中，第二块体5的上层在一定程度上会加厚，将第二块体5内的流变材料层7在该块体内沿垂直于水平面方向朝上偏离居中位置，是为了尽可能抵消挤压过程中的上层增加的厚度的影响，使流变材料层7对第二块体5的上下两层的影响趋于均匀。在其它实施例中，第二块体5内的流变材料层7的位置也可以是在该块体内沿垂直于水平面方向居中设置。

代表盆地的第二块体5的主体部分由干燥松散的石英砂82构成，石英砂82的粒径为200μm，石英砂82的形变遵循莫尔-库伦破坏准则，内摩擦角为25～30°。用彩砂84将石英砂82分为若干层，便于观察对比。代表古造山带的第一块体6的主体部分采用粘土81。构成流变材料层7的流变材料的动态粘滞系数为1～4×10⁴Pa*s，具体地，本实施例中的流变材料采用未加入固化剂的硅胶，其动态粘滞系数为3.5×10⁴Pa*s，密度为1.3g/cm³。

本实施例利用两个块体相互挤压进行模拟实验，不存在海边界，所体现的地质构造变形为陆内变形。

在其它实施例中，第一块体6和第二块体5的几何形状、接触关系可根据实际地质模型设计，第一块体6和第二块体5并不局限于长方体。第一块体6的主体部分并不局限于粘土81，其它实施例中，也可以是在粒径为200μm、内摩擦角为25～30°、形变遵循莫尔-库伦破坏准则的松散干燥石英砂的基础上加入质量比为5％的水以增加其韧性，从而形成第一块体6的主体部分。构成流变材料层7的流变材料也可以采用微小的石英珠、或者液态的石蜡等。

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对其中部分或者全部技术特征进行等同替换。尤其是，只要不存在逻辑或结构冲突，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 (8)

1.一种陆内冲断构造的物理模拟实验方法，其特征在于，两个相互接触的块体按预设挤压时间和挤压速度沿平行于水平面的方向相互挤压；

挤压结束后，参数化恢复构造变形全过程。

2.根据权利要求1所述的物理模拟实验方法，其特征在于，在两个块体内分别设置具有牛顿流体特征的流变材料层；

代表古造山带的块体内设置流变材料层以模拟古造山带的弱地幔；

代表盆地的块体内设置流变材料层以模拟盆地的塑性滑脱层。

3.根据权利要求1所述的物理模拟实验方法，其特征在于，记录挤压过程中的剖面二维瞬时图和平面三维瞬时图，剖面与水平面垂直且平行于挤压方向，平面为块体的上表面；

采用延时摄影法处理剖面二维瞬时图和平面三维瞬时图，以参数化恢复构造变形全过程。

4.根据权利要求3所述的物理模拟实验方法，其特征在于，对一确定的实际地质模型，设置多组挤压时间和挤压速度进行多次实验，将挤压结束时刻的剖面二维瞬时图与该确定的实际地质模型的构造变形结果对比。

5.一种实现权利要求1-4中任一项所述的陆内冲断构造的物理模拟实验方法的实验模型，其特征在于，包括相互接触的两个块体。

6.根据权利要求5所述的实验模型，其特征在于，两个块体内设置具有牛顿流体特征的流变材料层，以分别代表古造山带和盆地；

代表古造山带的块体，其流变材料层位于该块体内沿垂直于水平面方向的底层；

代表盆地的块体，其流变材料层在该块体内沿垂直于水平面方向朝上偏离居中位置。

7.根据权利要求6所述的实验模型，其特征在于，代表盆地的块体的主体部分由干燥松散的石英砂构成，石英砂粒径为200μm，内摩擦角为25～30°；

代表古造山带的块体的主体部分采用粘土或者在砂粒径为200μm、内摩擦角25～30°的干燥松散石英砂的基础上加入质量比为5％的水。

8.根据权利要求6所述的实验模型，其特征在于，流变材料的动态粘滞系数为1～4×10⁴Pa*s。