数值模拟在沉积盆地褶皱冲断构造变形研究中的应用与发展

数值模拟是一种利用电子计算机,通过数值计算和图像显示的方法,研究工程问题、物理问题乃至自然界各类问题的方法。随着高性能计算的不断发展,数值模拟方法在沉积盆地构造变形研究中的应用不断扩大,学术界和工业界将数值模拟方法广泛应用于盆地构造变形特征与变形机制的定量研究,取得了丰硕的成果。本文在系统分析前人数值模拟成果的基础上,阐述了有限元、有限差分、边界元和离散元四种常用数值模拟实验方法的特征和应用。同时,本文对近年来数值模拟方法在沉积盆地褶皱冲断构造变形中的研究进展进行了分类总结,重点介绍这一方法在构造特征与变形机制研究中取得的成果,为数值模拟方法在盆地构造变形领域应用的不断扩大和深入提供参考。最后,本文对数值模拟技术在目前应用中面临的问题和未来的发展方向提出了一些看法和建议。     

软沉积物滑塌变形物理模拟及变形机理分析*

软沉积物滑塌变形是一种地质现象,对于分析区域地质发展史和指导油气勘探具有重要的意义,近年来越来越受到地学界的重视。但大多数的研究是基于野外现象的定性观察描述,对其形成过程和成因机制的定量探究较少。笔者建立了一套斜坡背景下重力驱动的软沉积物滑塌变形物理模拟实验装置,并设计了完整的实验程序,利用具有不同黏滞系数的材料模拟地层,通过多次实验改变沉积箱坡度模拟不同的地层倾角,总结了软沉积物滑塌变形的演化模式: 滑塌开始,模拟地层逐渐隆起;随着地形坡度变大,滑塌褶皱依次发展成圆弧褶皱、紧密等斜褶皱,断裂产生后形成类似无根等斜褶皱和鞘褶皱的变形构造,直到地层趋于平稳。分析了软沉积物滑塌变形的机理: 软沉积物受到自身沿斜坡重力的驱动,发生滑塌,层与层之间的剪切效应导致软沉积物发生变形。     

软沉积物滑塌变形物理模拟及变形机理分析

软沉积物滑塌变形是一种地质现象,对于分析区域地质发展史和指导油气勘探具有重要的意义,近年来越来越受到地学界的重视。但大多数的研究是基于野外现象的定性观察描述,对其形成过程和成因机制的定量探究较少。笔者建立了一套斜坡背景下重力驱动的软沉积物滑塌变形物理模拟实验装置,并设计了完整的实验程序,利用具有不同黏滞系数的材料模拟地层,通过多次实验改变沉积箱坡度模拟不同的地层倾角,总结了软沉积物滑塌变形的演化模式:滑塌开始,模拟地层逐渐隆起;随着地形坡度变大,滑塌褶皱依次发展成圆弧褶皱、紧密等斜褶皱,断裂产生后形成类似无根等斜褶皱和鞘褶皱的变形构造,直到地层趋于平稳。分析了软沉积物滑塌变形的机理:软沉积物受到自身沿斜坡重力的驱动,发生滑塌,层与层之间的剪切效应导致软沉积物发生变形。     

单层纵弯褶皱曲率指数与应力指数的关系探讨

褶皱含有岩石经历的变形和变形条件的信息。力学、数学、数值和实验分析显示，通过分析单层纵弯褶皱的形态可获得流变学信息。数值模拟表明褶皱的曲率指数ｋｉ对于应力指数ｎｌ有很好的依赖性，当波长厚度比λ／ｈ≥１０时，ｋｉ随着ｎｌ的增加而增加。基于数值模拟的结论，分析了北京西山板岩中石英脉肠状褶皱，获得了石英脉的应力指数大于１０的结果，并进而获得石英脉对板岩的粘度比在２４１～６６２之间。认为这种小构造的研究方法是一个新的获取岩石流变参数的可行途径     

褶皱冲断带物理模拟实验研究进展

褶皱冲断带油气资源丰富,统计表明全球探明油气储量约14%分布在褶皱冲断带。自从1815年地质学家第一次以模拟实验的方式验证了褶皱形成于岩层遭受水平挤压变形的二百多年来,针对褶皱冲断带的物理模拟实验研究无疑是最卓有成效的研究领域方向之一。本文从追溯早期模拟实验先驱,到近二十年来国内外相关研究进展综述,着重分析和评述物理模拟实验研究对于前陆褶皱冲断带构造理论发展的主要贡献。强调造山带临界楔体理论以及基底滑脱层强度、流体超压和变形岩层内聚强度等对构造变形过程的控制作用。主要介绍的实验性标志成果有：(1)褶皱冲断带构造变形的生长规律;(2)褶皱冲断带的构造变形机制;(3)褶皱冲断带中构造变形的主控因素。我们的目的是提供引人入胜的物理模拟实验研究成果,吸引更多现在和未来的研究人员理解和重视物理模拟工作,借助日益进步的实验装置和技术方法,促进盆地构造研究在学科发展道路上,一步步实现从定性走向定量、从二维走向三维、从几何学和运动学走向动力学的飞跃。     

川东南泸州地区多滑脱层构造特征及变形机制

近年来川东南地区页岩气勘探开发逐步向深层领域拓展，尤其是泸州地区显示出3500 m以深页岩气勘探开发的巨大潜力。为了进一步明确泸州地区构造特征及变形机制，依据地震资料对该地区进行了构造解析，采用离散元数值模拟探究了其构造变形的主控因素，恢复了泸州地区中新生代构造演化过程。研究表明：多滑脱层和区域构造挤压是泸州地区构造变形的主要控制因素。受膏盐岩影响，泸州地区发育低陡的盖层滑脱构造，垂向分层明显，形成断展褶皱、滑脱褶皱和滑脱层间隐伏褶皱、双重构造等复合的构造。该区域构造变形主要受下寒武统膏盐岩滑脱作用控制，膏盐岩和页岩滑脱层协调变形向低陡背斜核部聚集。燕山晚期以来，泸州地区多滑脱层沉积伴随区域挤压，发育盖层滑脱的隔档式褶皱；喜山期褶皱带再次隆生，原有的断层和剪切带位移量增大，滑脱层间形成一系列次生断层和隐伏褶皱。背斜处油气藏容易受到破坏，向斜处是页岩气勘探的有利地区，其中对冲型向斜结构相对简单，内部应力相对稳定。     

库车坳陷克深地区先存被动盐底辟挤压变形数值模拟

库车褶皱冲断带是一个典型的复杂含盐褶皱冲断系统。文章基于地震资料构造解析，采用离散元数值模拟方法，设计了2组数值模拟实验来探究先存被动盐底辟对含盐的双滑脱层褶皱冲断带构造形态及演化的影响，从而分析克深5构造区沿走向分段差异的盐构造变形特征和机制，并对盐下断层活动进行精细的定量分析。模拟结果表明先存被动盐底辟作为挤压构造变形优先发育的位置，是应力释放的优先区域，影响了盐上断层顺序和盐下断层的活动性，进而控制了构造沿走向的差异演化。通过将模拟结果与库车坳陷克深5构造区构造特征进行对比分析，吐孜玛扎背斜是盐盆地内部先存被动底辟受后期挤压变形的产物。吐孜玛扎背斜吸收大部分的缩短量，造成紧邻的盐下断片显著抬升，盐上受同构造沉积影响在背斜北侧形成一个宽缓的向斜，抑制了向斜内乱序断层的形成。先存被动盐底辟构造是控制克深5区域构造变形的主要控制因素之一。研究区东段不含先存被动盐底辟，依次发育有库木格列木背斜和喀桑托开背斜，背斜变形幅度向盆地方向减小，盐下断裂活动强度向盆地方向减弱，研究区西段含先存被动盐底辟，发育吐孜玛扎背斜，先存被动盐底辟的盐下断裂活动强度强于毗邻的断层。     

基于离散元数值模拟的西南天山山前冲断带构造变形控制因素研究

西南天山山前褶皱冲断带的变形与其东侧的柯坪冲断带的大规模薄皮滑脱明显不同,它以发育"堆垛"构造和基底卷入逆冲构造为特征,是什么因素控制了该冲断带的变形。本文基于地震解释剖面,采用离散元数值模拟研究手段,单因素变量控制方法,设计了先存断裂模型,滑脱层模型和先存断裂与不同内聚力的滑脱层组合模型共5组数值模拟实验,分析西南天山山前褶皱冲断带的构造变形的控制因素。实验结果表明:滑脱层岩石强度控制了其下先存断裂向上突破的难易程度,滑脱层内聚力较强时,沿先存薄弱带易突破滑脱层形成逆冲推覆构造;滑脱层内聚力较弱时,滑脱层将发育成逆冲体系的顶板断裂,阻碍滑脱层之下单元中先存断裂后期活动向上传播,易形成相互叠覆的逆冲片。弱内聚力滑脱层发育的地区,变形前锋向前陆方向传播得更快、更远,变形主要发生在滑脱层之上单元,易形成冲起构造和三角带,滑脱层之下单元构造变形相对较弱。通过对比分析,认为西南天山山前冲断带发育堆垛构造和基底卷入逆冲构造变形,主要受控于发育上白垩统-古近系的膏盐层和前新生代的先存断裂。     

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。     

川东侏罗山式褶皱构造带的物理模拟研究

川东地区发育一系列NE走向的侏罗山式褶皱构造,按照褶皱的组合形态,自东向西发育隔槽式褶皱和隔档式褶皱,齐岳山断裂是二者的分界线。本文采取物理模拟手段对川东侏罗山式褶皱形成的控制因素进行实验研究,选取硅树脂模拟滑脱层,石英砂和微玻璃珠模拟沉积盖层,改变盖层与基底之间摩擦力、盖层的物性、滑脱层的埋藏深度等因素。模拟实验研究表明,滑脱层的深度和盖层性质是川东侏罗山式褶皱形成的主要控制因素。齐岳山断裂以东地区主要是下寒武统膏页岩充当滑脱层,滑脱层埋深较大,地表构造形态表现为隔槽式褶皱;齐岳山断裂以西地区,下二叠统泥质灰岩充当滑脱层,埋深较浅,盖层表现为隔档式褶皱。微玻璃珠是模拟侏罗山式褶皱较好的实验材料,推测川东薄皮构造带形成时候以塑形变形为主。     

怀念李四光老师,学习他的治学精神

际此李四光老师诞辰100周年之际,回忆当年受业情景,思绪万千。二院荷花池畔的憧憬、庐山野外实习及课堂受业的教诲犹历历在目。他一贯认真严谨的治学态度和科学的开创精神永远激励着我们。他是中国地质事业的奠基人之一,他对中国地质科学的贡献、他的治学精神和高风亮节都堪称后世师表。     

A critical review of rock slope failure mechanisms: The importance of structural geology

Geological structures such as folds, faults, and discontinuities play a critical role in the stability and behaviour of both natural and engineered rock slopes. Although engineering geologists have long recognised the importance of structural geology in slopes, it remains a significant challenge to integrate structural geological mapping and theory into all stages of engineering projects. We emphasise the importance of structural geology to slope stability assessments, reviewing how structures control slope failure mechanisms, how engineering geologists measure structures and include them in slope stability analyses, and how numerical simulations of slopes incorporate geological structures and processes.     

西天山那拉提构造带及邻区几个地层问题的讨论

西天山—伊宁地区以独特的结构特征和关键的大地构造部位,历来成为中外地质学家所关注、研究的重要地区,而那拉提构造带及邻区又在西天山—伊宁地区占有举足轻重的地位。由于客观条件的制约,那拉提构造带及西天山造山带在基础地质的许多方面存在不少问题,直接影响到对天山造山带和伊犁盆地的正确认识。笔者根据近十年来在那拉提带及邻区进行10个1∶5万区调填图和收集到的其它资料,对该区几个重要层位的时代、大哈拉军山火山岩系的形成背景、蛇绿岩和蓝闪片岩的产出特征以及该区的结构、构造单元划分和发展演化的动力学机制进行了讨论,其中的许多认识和看法将对该区的进一步研究产生推动作用。     

Rheology and geodynamic modelling: the next step forward

The application of continuum mechanics and microstructural analysis to geological studies over the past 30 years has spurred earth scientists to reassess fundamental tectonic processes such as subduction, collision and rifting in terms of dynamics. Armed with new analytical methods, geologists have returned to the field to look at rock structures with more mechanistic eyes. The advent of sophisticated computers, programs, and laboratory deformation equipment has facilitated the simulation of geodynamic processes that range in scale from the grain to the lithosphere. The result has been specialization, with the concomitant opening of communication gaps between geodynamicists, field geologists and rock mechanicists. Partly, these gaps reflect differences of perception and approach. In order to bridge these gaps, a workshop was organized after the DRM conference to debate how field and laboratory studies of deformed rocks can improve our understanding of lithospheric rheology, and in turn, how this understanding can be used to refine dynamic models of orogenesis. The workshop hosted participants with backgrounds in structural geology, experimental rock mechanics, metamorphic petrology and both numerical and analogue modelling. This paper summarizes the main controversies and conclusions reached during the workshop. For the sake of brevity, referencing in this summary is restricted to literature referred to during the oral presentations and to comments made by speakers themselves (names italicized).     

接触应变作用

接触应变作用已成为构造地质学研究褶皱形态及其形成机制的新领域和新方向之一。综述了接触应变作用的研究现状、研究内容、研究进展以及今后的研究方向。     

论油气系统与油气系统动力学

“油气系统”实际上就是油气成藏动力学系统.这个概念是石油天然气地质学与系统科学相结合的产物, 是石油地质学家从系统科学角度所看到的、研究对象与抽象模型相复合的、具有层次结构的新型地质实体.因此, 它应当适合于整个油气地质单元序列, 而不应当被局限于某一个层次的单元中.“油气系统”的研究方法, 应当是定性与定量相结合的系统方法.考虑到油气成藏过程存在非线性特点, 以及当前盆地模拟和油气成藏模拟普遍存在的缺陷, 尝试引进系统动力学的思路与方法, 提出油气系统动力学的概念, 并阐述了它的基本原理, 初步建立了油气系统动力学的方法体系.系统动力学模拟的结果可提供对盆地和凹陷进行资源预测、评价的依据.      

李四光和卡尔宾斯基金质奖章

中国地质学家李四光与当时苏联地学界来往交流紧密,他对地质学的贡献得到了苏联地质学家的高度评价。1958年,苏联科学院全体大会选举李四光为苏联科学院院士,并授予卡尔宾斯基金质奖章;该奖章是1947年由当时的苏联科学院和俄罗斯科学院共同发起的、对地质科学有突出贡献的科学家最高单人奖励,李四光是第六位获奖人,也是至2017年止唯一获此殊荣的外籍地质学家,他的获奖理由是:在地质、古生物、地层和矿产研究工作的综合贡献。李四光有两部著作在苏联被译成俄文出版,分别是1952年的《中国地质学》和1958年的《中国西北部的旋卷构造》,这两部译作对当时的苏联地质界产生了很大影响,极大地推动了李四光学术思想的广泛认知;"地质无国界",中国地调百年的发展历程也有着俄罗斯地学理论、规范、方法实践的烙印,在新的"一带一路"合作倡议和李四光学术精神传承下,中俄、中国与中亚在地学领域的交流合作将不断深化,硕果累累。      

大地构造学研究的新兴前沿课题——造山过程中的流体作用

流体活动研究已从俯冲带转移到造山过程。主要研究如下几个问题：（１）造山过程中流体的运移方式和分布规律，即造山带古流体场的重建；（２）流体在造山过程中对各种地质作用的参与；（３）造山带演化特征与流体活动幕次的关系；（４）盆山成矿与流体活动的关系等。选择研究程度高、具明显的流体活动特征，同造山成矿发育的年轻造山带或其中一段通过多学科综合研究，将使人们更深入地理解造山过程中的各种地质作用和盆山转化规律及动力学特征。     

地质构造变形数值模拟研究的原理、方法及相关进展

地质构造变形数值模拟实验研究是遵循自然科学规律,依据数学、物理学、化学等学科中已为人们认识的规律为原理;依靠计算机先进的综合处理系统;以固体地球科学资料为基础所构建的地质模型为实验研究本体。因而,地质构造变形数值模拟是采用数学物理方法对相关地质学问题的科学描述,并采用理论分析和数值模拟实验方法,对所描述的相关地质学过程进行定量化求解。由于数值模拟可以综合利用其它学科的研究成果,建立和模拟不受时空限制的各种地质模型,为定量化地解决一些复杂的地质学问题,提供有效的分析工具,已经引起了国内外地学界的重视和深入研究。数值模拟实验研究方法的发展,将极大地促进我国地学界从采用了多年的传统的描述性研究方法向科学的定量化研究方法的转变。     

有限应变测量的关键原理——摩尔圆

20世纪60年代,在板块理论建立的同时,对变形岩石和矿田构造作定量分析以替代定性分析的有限应变测量方法也建立了起来。定量分析的主要标志是将摩尔圆方法从力学引入到地质学,同时也引入矿田构造分析中,并且得到改进与发展。有限应变摩尔圆为分析岩石大变形而建立,极摩尔圆随后为分析广布于野外岩石中的一般剪切变形而建立。我国著名学者李四光在此之前将应力摩尔圆和库仑准则从力学领域介绍到构造地质学,尔后一些中国学者为改进和发展极摩尔圆方法作出了自己的贡献。本文以浅显的方式解释摩尔圆的基本概念和作图方法,附带做些练习和解答。