有限元数值模拟法基本原理及其在地质构造变形研究中的应用综述

在构造变形研究中,传统的构造解析法存在一定局限性,而数值模拟方法可模拟时空变化,成为地球科学研究的重要手段。有限元法是一种模拟线性、变形问题较为高效的数值模拟法。本文详细阐述了有限元法的基本原理,并从地质模型、力学模型、计算模型三个方面解释了数值模型的建立过程,以及模型建立所需要的边界条件的确定方法,重点总结了近些年来有限元法在国内外构造变形研究中的应用和发展状况,涉及盆地、造山带、断层、俯冲带以及褶皱数值模拟等几方面内容。同时,分析了有限元数值模拟法在我国大陆构造变形中的应用进展。最后,讨论了有限元方法尚存在的问题及其发展趋势。     

沉积盆地构造核心理论和关键技术方法:前沿与发展方向

系统分析前人在沉积盆地构造研究的基础上,论文总结了沉积盆地构造核心理论和关键技术方法的前沿与发展方向。沉积盆地构造核心理论包括盆地分类理论、成盆机制理论、变形定量分析理论和盆地充填过程理论。盆地分类理论是依据不同分类标准建立盆地分类方案,其发展趋势是基于资源与构造背景的原型盆地分类和基于盆地演化的叠合盆地分类;成盆机制理论是定量模拟不同作用机制下(纯热机制、构造作用、负载作用)盆地沉降过程及其控制因素,其发展趋势是三维成盆动力学模拟;变形定量分析理论包括断层相关褶皱理论、临界楔理论和盐构造理论,其发展趋势是三维构造建模与三维定量变形分析;盆地充填过程理论主要开展不同构造成因盆地的充填过程对比与盆山过程的源-汇分析,其发展趋势是多元源-汇分析与定量化盆地分析。沉积盆地构造关键前沿技术包括三维构造建模技术、构造物理模拟与数值模拟技术和基于三维构造恢复的裂缝预测技术。构造物理模拟技术包括了基于工业CT扫描成像物理模拟技术:可以无损动态监测构造带内部变形演化过程,精确构建变形带三维空间展布形态;基于PIV的有限应变分析的物理模拟技术:可以定量分析变形的演化过程,直观展示应变分布特征,探讨构造应变动态分布规律;基于超重力离心机的构造物理模拟技术:可以模拟不同尺度构造流变过程,探讨岩石圈浅层脆性变形与深层韧性流变之间的动力学机制。     

沉积构造的研究现状及发展趋势

本文简要的总结了近20年来沉积构造研究方面的成果,从五个方面阐述了沉积构造的研究现状及发展趋势：① 继续探寻新的沉积构造;② 通过各种方法,包括野外观察、物理模拟和数值模拟来探讨某些已有（老）沉积构造的成因。③ 纠正人们对某些沉积构造的成因及环境意义的过时或错误认识;④ 重视软沉积物变形构造（softsediment deformation structures）及流水逃逸构造(flow escape structures)和液化构造的研究; ⑤ 继续发掘和拓展沉积构造在沉积学研究（环境分析、层序地层学等）中的应用功能及范围。我国在沉积构造研究方面近年来成果不多,需要迎头赶上。     

沉积盆地动力学与模拟研究

沉积盆地动力学过程与模拟研究是当前地球科学研究的前沿领域。盆地形成演化的动力学机制、盆地沉积充填过程与模拟、盆地规模的流体动力学等方面的研究近年来取得了重要进展。从定性的静态描述分析转向定量的动态过程研究是当前盆地动力学研究的主要发展趋势。盆地形成机制研究在深部过程控制、多重机制联合作用、幕式裂陷和反转过程等方面取得显著进展。前陆盆地构造—充填过程和模拟、构造活动盆地层序地层学、盆地充填过程分析与模拟等研究代表了盆地充填动力学研究的最新成果。盆地流体过程和模拟是当前的一个研究热点,盆地流体的识别、追踪和盆地规模的流体动力学分析与模拟获得突出性进展。     

罗布泊盆地新构造变形数值模拟分析

综合罗布泊盆地新构造研究相关成果, 运用数值模拟实验方法, 采用两种模型, 对罗布泊盆地新构造活动进行数值模拟研究, 直观展示盆地的应力状态与位移特征, 再现罗布泊盆地新构造变形序列, 查明运动学特征。数值模拟结果一方面展示出晚新生代以来罗布泊盆地先后主要经历了渐新世末期—早更新世晚期近南北向构造挤压作用控制下的盆地近东西向伸展断陷与早更新世晚期以来北东—南西向构造挤压作用导致的盆地剪切变形两大阶段; 另一方面实验结果也显示, 在两种边界条件的控制下, 研究区地质单元的应力状态主要受地层岩性和断裂共同控制, 盆地内部呈现低应力状态, 在与最大主压应力相垂直的方向上产生伸展变形。盆地南边的两条主干断裂内部具有较高的剪应力, 而罗布泊盆地及其以东地区剪应力最小。位移大小明显受断裂控制, 从南西向北东位移逐渐减小, 指示孔隙流体从南西向北东运移。      

冲断构造与正反转构造物理模拟实验的研究进展

冲断构造和正反转构造是我国西部叠合盆地中典型的构造样式,其构造物理模拟实验是研究和模拟自然界冲断构造（正反转构造）变形特征和动力学过程的一种有效的实验方法。在查阅大量相关资料的基础上,本文概述了物理模拟实验的发展历史,以及国内外在实验理论、实验技术和从二维到三维转变等方面的研究现状。目前,构造物理模拟实验已被广泛应用于构造地质学、石油构造地质学等众多研究领域,是油气勘探研究由定性描述跨入半定量-定量分析的有效途径之一。本文分别阐述了冲断构造和正反转构造在近年来取得的进展：1）在冲断构造物理模拟实验方面,介绍了双指向冲断构造和推覆体、地表作用对冲断构造的影响以及冲断构造中地层缩短量和应变等3方面的进展;2）在正反转构造物理模拟实验方面主要讲述了基底对反转构造演化型式的制约以及反转临界条件的三维构造模拟取得的进展。同时,认为物理模拟在未来的发展过程中应紧密结合数值模拟、高精度成像技术和数据采集技术等。作为研究构造变形机制的重要媒介,冲断构造物理模拟在塑性变形对冲断构造的影响、如何反映现代构造地质学成果以及模拟过程中如何加入化学物质迁移等问题方面仍存在不足。此外,高端实验室的建设和模拟技术也是构造物理模拟实验面临的一个问题。     

沉积盆地火成构造研究综述

岩浆活动在沉积盆地中是非常广泛的.随着油气勘探领域的扩展,对沉积盆地火成岩及相关构造的研究愈加重要.沉积盆地火成构造是指在沉积盆地中由岩浆侵入或喷发作用形成的岩浆和围岩及上覆层变形构造的总和.当前,利用三维地震数据研究岩席的几何学与侵位机制取得了重要进展,开启了沉积盆地火成构造研究的新时代.三维地震分析是沉积盆地火成构...     

构造成岩作用研究现状及展望

构造成岩作用（structural diagenesis）是构造地质学与沉积学交叉融合形成的前沿研究领域,主要研究构造作用、构造和非构造成因的变形构造和变形效应与沉积物（岩）成岩变化之间的相互作用。变形构造及变形过程通过影响成岩流体流动对成岩作用非均质性产生重要影响;与变形构造相关的成岩作用研究则有助于揭示储层成岩演化、流体流动以及构造活动时期、期次及速率等重要信息。构造成岩作用提供了构造-成岩格架下探讨储层演化的新思路,在实际工作中应注意这一思路在储层成因与预测、致密化机制及沉积盆地动力学过程等研究方面的应用。碳酸盐岩变形条带相关研究起步较晚,相对较薄弱,未来应加强这方面的研究;同时亟待建立考虑碳酸盐岩在内的新的变形条带分类体系。目前,不同变形构造之间的研究程度不均衡,变形条带与裂缝几乎构成了构造成岩作用研究的主体;与软沉积物变形构造、砂岩脉等变形构造有关的构造成岩作用研究有待强化。变形构造空间分布预测及其对流体流动影响的研究要综合岩芯、露头及数值模拟等多种资料与方法。国内学者就中国中西部盆地深层系构造作用对储层演化的物理影响开展了研究,并取得了重要进展,构造作用对储层化学变化影响的相关研究已经起步;未来应重视运用构造成岩作用思路探究储层演化与分布的动力机制和过程,推进储层成岩动力学过程和沉积盆地动力学研究。     

南海西南中地区油气运移的数值模拟

作者收集众多国内外有关南海油气勘探的资料和近年来的最新调查成果。在分析安盆地构造地质、沉积特征和烃源岩演化油气分布规律的基础上,用ＰＲＥＳ专家系统对该盆地不同凹陷的油气运移进行了数值模拟,取得了较好的效果,可为本区的进一步油气勘探提供可靠的选区依据。     

OBS广角地震探测在海洋沉积盆地研究中的作用

海洋沉积盆地是地球系统中重要的构造单元之一,其形成演化涉及到壳—幔、岩石圈—软流圈以及沉积地层和沉积流体体系等一系列深浅部耦合作用和地球动力学机制的演变。海洋沉积盆地的研究既包括地球深部结构状态、物质组成和构造演化等区域构造方面,也包括盆地内部结构、构造特征以及沉积地层孔隙流体特征等盆地自身构造特征。海底地震仪(Ocean Bottom Seismometer,OBS)广角地震探测,以其深度上穿透能力强和能够同时获取P波和S波速度结构等方面的优势,近年来在海洋沉积盆地区域构造演化、内部结构与构造以及沉积地层孔隙流体发育特征等研究中发挥了越来越重要的作用。在张裂大陆边缘的研究中,OBS广角地震探测所获取的地壳结构模型为划分"火山型"和"非火山型"张裂陆缘提供了直接证据,地壳拉张减薄的程度和空间变化特征为海洋沉积盆地构造演化的动力学模拟提供了约束条件。在盆地内部结构和构造特征方面,OBS深地震探测对盆地内部的盐体构造、岩浆底辟构造等提供了有效成像,并获取了盆地内部超压状态的分布特征,弥补了常规多道地震在探测深度和复杂地质构造背景等方面的缺陷。在海洋沉积盆地内部流体体系的研究方面,OBS深地震探测揭示了天然气水合物储集区的速度结构,进而计算获取了储集区的厚度以及水合物和游离气体在孔隙中的含量。当然,随着OBS地震探测技术的发展、数据处理能力的提高以及仪器设备参数的改善等,未来OBS广角地震探测在海洋沉积盆地动力学演化过程和机制方面的研究中将继续发挥更大更广泛的作用。     

A sensitivity study on the numerical model of displacement and deformation of embedded brittle rock bodies in extension environment during salt tectonics

Many salt bodies contain large rock inclusions (called stringers) such as carbonate or anhydrite bodies. Mostly, large rock inclusions embedded in salt bodies have different ways of movement and deformation, including displacement, folding and fracturing. A finite element model with adaptive remeshing has been built for downbuilding simulation. The standard model set-up is constrained by observations from the South Oman Salt Basin. Based on the generic model in the previous research which shows the fracture, overtrusting or folding deformation during downbuilding process, a sensitivity study has been conducted on the numerical model of the deformation and displacement of brittle rock bodies, including the parameters such as the initial depth and the distance between them. The results of simulation are analyzed based on the data from SOSB and Zechstein salt basin. The study shows that the frequency of the break and the size of stringer fragments are strongly affected by the initial depth and thickness of stringers and the basement configuration.     

A constitutive model for mechanical and chemo‐mechanical compaction in sedimentary basins and finite element analysis

Compaction and associated fluid flow are fundamental processes in sedimentary basin deformation. Purely mechanical compaction originates mainly from pore fluid expulsion and rearrangement of solid particles during burial, while chemo‐mechanical compaction results from Intergranular Pressure‐Solution (IPS) and represents a major mechanism of deformation in sedimentary basins during diagenesis. The aim of the present contribution is to provide a comprehensive 3D framework for constitutive and numerical modeling of purely mechanical and chemo‐mechanical compaction in sedimentary basins. Extending the concepts that have been previously proposed for the modeling of purely mechanical compaction in finite poroplasticity, deformation by IPS is addressed herein by means of additional viscoplastic terms in the state equations of the porous material. The finite element model integrates the poroplastic and poroviscoplastic components of deformation at large strains. The corresponding implementation allows for numerical simulation of sediments accretion/erosion periods by progressive activation/deactivation of the gravity forces within a fictitious closed material system. Validation of the numerical approach is assessed by means of comparison with closed‐form solutions derived in the context of a simplified compaction model. The last part of the paper presents the results of numerical basin simulation performed in one dimensional setting, demonstrating the ability of the modeling to capture the main features in elastoplastic and viscoplastic compaction. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

考虑大变形的静力压桩数值模拟

静力压桩过程是一种稳态贯入过程。该过程使得桩周附近区域的土体产生较大挤压作用,并出现了较大变形,因而基于传统小变形的有限元分析与真实的贯入过程有着较大的误差。基于更新的拉格朗日列式法,分析压桩时产生的大变形,引入桩-土界面间的接触作用,桩周土体采用Mohr-Coulomb模型,并运用有限元方法进行数值分析,较好地实现了静力压桩过程的数值模拟。     

搅拌桩加固挤土效应及在地铁隧道保护中的应用

在减小地基变形进行的深层搅拌桩加固时,加固本身的挤土效应对隧道变形产生了影响。为此,模拟了搅拌桩（DCM）侧向挤土效应的4种荷载模式,结合实测资料并采用数值试验验证了侧向挤土荷载模式的合理性。进一步应用该模式,通过有限元模拟了搅拌桩的加固挤土效应,分析讨论了不同加固顺序对地面变形,隧道变形以及长期蠕变变形的影响,结论表明,搅拌桩加固对地面环境影响是不可忽略,隧道周围搅拌桩施工顺序对隧道变形影响较大,搅拌桩加固后长期蠕变效应相对加固过程的变形很小。     

一种基于有限元的岩石圈长期变形数值计算方法

有限单元法以其灵活性和精确性,成为固体地球科学中广为使用的数值方法。从短周期的地震活动到长周期的岩石圈变形、地幔对流,甚至行星演化,有限单元法几乎在固体地球科学的各个领域都占据着十分重要的位置。随着研究的深入,某些特定的地学问题给有限元计算带来挑战,尤其是岩石圈尺度大变形的数值计算,比如俯冲带的演化、剪切带中塑性流变导致的应力集中。基于显式有限元,尝试考虑粘弹塑性岩石圈大变形过程的数值计算。应用Marker-In-Cell（MIC）方法处理物质迁移。在描述基本原理和流程的基础上,对粘弹性变形、弹塑性变形、大变形过程及热传递过程等核心模块分别做了基准测试,而这四个模块是模拟岩石圈长期变形的关键。由测试结果和其他学者的（解析或数值）研究结果比对情况来看,受测试的核心模块基本达到了测试要求。可以预见,现有的基本算法可以满足研究岩石圈大变形的需要,进一步的具体研究工作将探讨这类问题。从科学问题层面讲,逐渐复杂的科学问题有利于数值模型的成熟。已达到基准测试的数值方法对下一步开展一些具体的地球动力学数值模拟研究有实际意义。      

基于强度折减的土质边坡破坏及稳定分析

边坡的破坏过程是由土体局部破坏向整体失稳发展的过程,其塑性区的开展及其水平位移增量的变化较完美地展现了这个过程。根据边坡的实际破坏和有限元数值模拟情况,提出了以特征点位移增量的突变及塑性区贯通作为边坡的失稳判断准则;并以此为判据,采用基于强度折减的大变形有限元方法分析了土质边坡的破坏及稳定性。研究表明,采用强度折减有限元法可有效分析边坡的破坏及其稳定性;此外还分析了带有软弱夹层黏土边坡的破坏性状及其稳定性,并比较了大、小变形有限元的计算结果,结果表明,带有软弱夹层黏土边坡的破坏性状随软弱夹层土体性质的变化而变化,由大小变形有限元分析得到的边坡稳定安全系数较为一致,但边坡的破坏机制随软弱夹层土体性质变化的转变点不同。     

Application of Numerical Method to Soil Mechanics

This is a summing-up report based on 48 papers on the applications of numerical method to soil mechanics. Recently, there is a new development of coupling of finite element with other numerical ones in soil mechanics. The dynamic numerical analyses have found further application to nonlinear stress-strain relationship, effective stress, and three dimensional problems. The suitable contact element or conjunct element could be used for contact conditions in finite element calculation. It is an important direction to combine usual numerical method with probabilistic method, which has been used in evaluations of consolidation effect, slope stability, dam, seepage, deformation calculation, interaction, and the performance analyses of pole and foundation.     

数值计算方法在土力学中的应用

本文是对48篇有关数值方法在土力学方面应用的论文进行综述的报告。近年来,在土力学方面有限元和其它数值方法的耦合有了新的发展,动力分析在非线性应力应变关系、三维问题和有效应力分析中得到了进一步的应用,接触单元或连接单元可用来处理有限元计算时的接触条件。数值方法和概率方法的结合是一个值得重视的发展方向。这些方法可应用于估计固结效应、土坡稳定、土石坝、渗流、变形计算、共同作用、桩和地基性状分析等方面。     

降雨入渗条件下非饱和路堤变形与边坡的稳定数值模拟

对于常常处于非饱和状态的路堤在降雨入渗条件下变形问题的数值模拟研究,由于涉及到非饱和土力学,一直是个热点和难点。现有的强度折减有限元法一般仅对强度指标进行折减,但折减后得到的路堤变形场与实际变形场存在一定差异。论文分析认为,在降雨入渗影响下非饱和路堤不仅强度参数会降低,而且变形参数也会随着应力水平和强度参数的变化而变化。采用基于变模量的弹塑性强度折减法,对不同降雨入渗深度下路堤的变形规律进行数值模拟,并与室内模型试验结果进行比较;同时采用强度折减法和极限平衡法中的Bishop法,分析了不同降雨入渗深度对非饱和路堤稳定性和滑弧变化特征的影响规律。     

裂隙岩体流固耦合双重介质模型的有限元计算

基于孔隙-裂隙岩体的双重孔隙介质流固耦合计算的微分方程,利用伽辽金有限元法提出的相应有限元公式,并基于岩体分类指标（RQD,RMR）提出了与岩体应力状态相关的渗透系数计算公式。编制了相应的有限元程序并给出了应用算例,将计算结果与相关文献作了比较,得出相关结论。