构造-流体耦合系统的数值模拟研究综述

<正>0引言地质学科以地球为核心研究对象,经历了神学指导到科学原则的发展,越来越客观和真实地描述和解释自然界的各种地质现象和原理机制。成矿作用中,构造和流体是相互作用的一对基本控矿因素,这已成为矿产资源研究中的一项共识。构造是驱动流体运移的主要动力,流体则是汲取、搬运和沉淀成矿物质的主要载体,特别在地壳深部还以相当大的强度反作用于构造。伴随着地球科学学科以及研究定量化发展趋势,数值模拟已成为地球动力学研究中的重要工具,对成矿作用研究具有重要的理论和实践意义。众多地     

构造地质学的进展与学科发展特点

构造地质学堪称"地质学中的哲学"。可分为中小尺度的"狭义"构造地质学和大地构造学。近年来,中小尺度的"狭义"构造地质学研究已不局限于单个构造的几何学、运动学和动力学分析。而是表现为:①广度上,区域构造分析正在与年代学、三维反射地震、GPS观测等技术相结合,实现构造事件和过程的定量化厘定、盆地构造的数字化描述、地壳形变的全空间长期实时监测;发展构造建模(物理模拟和数值模拟)技术;应用地球物理的成果丰富构造变形研究的实例;②深度上,探寻构造变形的流变学机理,并从若干研究点上认识深部地壳的构成、韧性变形带及相关构造作用的过程和效应。大地构造学研究正在新的知识体系和地球物理探测技术的推动下深入到地幔范围以及大陆构造领域。认识板块构造作用下壳幔物质的循环过程,追溯大陆构造分裂与拼合的演化历史,探索新的岩石圈—地幔动力学模式和"板块"运动模式。当前的构造地质学具有以技术、产业和社会需求、人才为导向的发展特点。学科的发展要求我们把握新技术、新资料,适应经济产业发展和国计民生的需求,加强年轻一代地质人才的培养,提升自主创新能力。     

单层褶皱变形过程中最大主应力与水平应变的变化及其影响因素

对地质构造进行定量半定量研究是地质工作者近几十年来一直努力的方向,构造数值模拟是有效的定量研究方法之一。褶皱是一种典型的构造类型,对褶皱构造进行定量半定量研究也一直是构造地质学家们所致力解决的研究课题。本文结合近年来单层褶皱构造数值模拟研究进展,以及笔者近几年来对单层褶皱所进行的数值模拟实验研究,主要论述了单层褶皱变形的影响因素,单层褶皱变形过程中的最大主应力与水平应变的变化及其影响因素等。数值模拟技术为褶皱变形提供了一种新的研究方法,该方法在构造地质领域将有很好的发展前景。     

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。     

小断层影响下薄基岩变形破坏模拟

以神火集团刘河煤矿风氧化带开采区域典型工作面地质资料为基础,概化出硬过小断层开采地质模型。以此为出发点,采用相似材料模拟试验,研究了小断层影响下薄基岩变形破坏特征,得出断层的产状、性质以及在相同断层条件下覆岩层厚度对开采覆岩破坏产生影响的规律。最后采用UDEC离散元数值模拟方法,模拟相应条件下的采煤活动,结果显示数值模拟结果与相似材料模拟吻合。      

微分几何学在地质构造定量研究中的应用

阐述了在构造地质学定量研究中引入微分几何学的必要性,并讨论了在地质构造定量研究中的具体应用及相关的数值计算方法.微分几何为定量描述地质构造形态、建立精确的数学解析模型提供了基础,是深入定量研究地质构造形态及其变化的重要数学工具.在前人工作基础上,为更方便地与其他先进的技术和方法相结合,总结了地质构造的数学建模与重构、计算机自动分析计算、三维可视化与运动仿真.具体可以应用于裂缝预测、构造面形变分析、褶皱形态分类、隐藏断层探测,以及矿床和油气藏的预测研究等方面.      

基于离散元模拟和微震监测的白鹤滩水电站左岸地下厂房稳定性分析

针对白鹤滩水电站地下洞室群开挖过程围岩稳定问题,基于离散单元法的数值仿真软件3DEC,研究开挖卸荷作用对围岩变形和破坏的影响;引入微震监测技术,对洞室围岩内部微破裂演化实时监测和分析,并将数值模拟结果与微震监测数据对比分析;借助常规位移监测研究围岩宏观变形的时空演化规律,验证数值模拟和微震监测结果的准确性。研究结果表明,围岩损伤与现场施工状态密切相关,同时受各种地质结构影响;数值模拟得到的围岩变形特征与微震监测得到的微震事件聚集规律基本一致,且与常规监测结果对应良好,采用三维离散元数值模拟和微震监测技术相结合的综合研究方法,能够较好地描述围岩在开挖卸荷作用下的力学行为,有效评估洞室围岩的损伤特征和潜在风险区域。     

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。     

裂缝性潜山油藏地质建模与数值模拟一体化研究

为了准确模拟和预测裂缝性潜山油藏的油水运动规律,以渤海海域J油田为例,综合岩心、测井、地质、地震及生产测试等多方面资料,分步建立了双重介质储集层的三维地质模型并开展了数值模拟研究。首先建立起工区构造模型,并建立了基质单元属性模型,然后利用岩心成像测井裂缝描述成果,以地震叠前属性反演成果为约束条件,模拟建立了裂缝分布网络模型,最后将基质属性和裂缝分布网络模型有机结合并建立了双重介质储集层三维地质模型。在此基础上,开展研究区历史拟合研究。结果表明:1采用该模型能够很好地表征裂缝性变质岩储层的渗流介质特征,数值模拟区块和单井历史拟合符合率高达90%;2潜山油藏开发可以划分为裂缝主要供油阶段、裂缝和基质同时供油阶段、基质主要供油阶段三个阶段;3运用定性-定量相结合方法研究得出的剩余油分布,能够客观地反映裂缝及基质系统对流体流动规律的影响,有力地指导了研究区下一步调整措施的实施。     

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。     

地球化学场及其在隐伏矿体三维预测中的作用

本文从物理学"场论"的角度介绍了地球化学场的概念,并从场源、场作用及地球化学指标分布三个基本要素出发阐述了地球化学场的扩散、对流-扩散的动力学机制。首先,按照采样介质,将地球化学场分为原生的岩石地球化学场,以及次生的土壤、水系沉积物、水文和气体地球化学场,描述了组成各类地球化学场的要素。其次,将地球化学场的分析方法概括为静态的空间结构分析和动态的时空结构分析两种,提出要以场的动力学机制为基础,利用地球物理学中的正、反演理论来研究四维时空中地球化学场的发展和演化。最后,探讨了地球化学场时空结构分析与三维地学模拟两者之间彼此补充和相互验证的关系,三维地学模拟构建的场源及空间介质模型,为地球化学场的正、反演提供了初始条件,地球化学场反演的结果又可用来修正三维地质模型;探讨了地球化学场与大数据分析技术间的关系,即采用大数据的"数据驱动"的思路来挖掘其与多元地学数据之间的隐性联系,探索其与成矿过程的关联性。地球化学场与三维地学模拟、大数据分析技术的结合将为隐伏矿体三维预测中地下成矿物质的分布和演化提供依据。     

粘弹性波动方程的系数反演

波动方程的系数反演是一种用于识别地下介质物理力学参数的重要方法。过去这方面的研究一般都建立在弹性模型的基础上,本文则提出了粘弹性反演模型,这种模型更能真实地反映波在地下传播的实际情形。在粘弹性反演模型的基础上,我们还提出了一整套行之有效的数值反演方法,并在频域中完成了反演计算。最后的数值计算结果是令人满意的,证明了本文的模型和方法的合理性。     

CO2地质封存力学问题的数值模拟方法综述

随着社会的发展,人类对化石能源的依赖导致大量的CO2排入大气层,从而引起全球变暖、海平面上升等一系列全球性气候问题。CO2地质封存是当前CO2减排最有前景的技术,但大量的CO2注入地层易诱发相应的力学问题：地表隆起变形、盖层完整性受损、断层活化等。因此,为了降低CO2地质封存带来的安全风险,理论分析、数值模拟和响应面方法等手段被应用于此类力学问题的分析中。由于数值模拟方法能够解决大尺度范围内复杂几何模型的多场耦合问题,数值模拟成为当前在CO2地质封存力学领域中应用最广泛的方法。因此,对CO2地质封存若干力学问题的数值模拟方法进行了全面的综述。首先,简要介绍了多孔介质的温度-渗流-力学-化学（THMC）多场耦合原理,并对数值模拟解决多场耦合问题的方法进行了归类。然后,详细总结了数值模拟在解决CO2地质封存力学问题方面的国内研究进展。最后,讨论了数值模拟方法在此类力学问题方面的应用缺陷,并提出了若干建议。     

地质构造三维可视化模型探讨

地质构造的三维可视化技术包括数学建模和可视化显示两方面。建立地质构造三维可视化模型的典型方法包括三维规则网格法、TIN表面法、四面体法以及综合法。针对地质构造模型中断层处理的特殊性，提出了基于TIN表面法的局部法和整体法两种处理技术。将地质构造三维模型的可视性归纳为5种方式。     

基于无人机航测及Rhino-griddle平台的FLAC3D复杂三维地质体建模技术应用

FLAC3D作为ITASCA公司开发的经典岩土数值分析软件,对于复杂三维地质体模型的建立较为困难。本文以甘肃省某滑坡为例,提出以无人机航测影像为基础,采用DJI Terra或者ContextCapture制作可视化三维模型,通过EPS软件提取的等高线在Rhino-griddle平台进行地质体建模,最后将所建模型导入FLAC3D进行稳定性计算,结果表明：基于无人机影像获取的滑坡地形建模与实际地形、地质结构等吻合度极高,能够很好的解决FLAC3D前期建模困难的问题,基于FLAC3D的强度折减法稳定性分析计算结果与滑坡现场实际变形情况基本一致,即将无人机航测应用于复杂三维地质体建模及模型稳定性分析的方法实现了对滑坡发展趋势的快速评价,能够为滑坡等地质灾害的快速、精细化调查与应急分析提供参考。     

新世纪的卫星大地测量学和地球科学

经典卫星大地测量学着重研究地球几何形状、定向及其变化，并在实际应用中关注在地球表面上点的定位、重力及其变化。而现代卫星大地测量则不仅仅能在地表上长时间以10^－9精度定位，而且它已远远超过原来经典的目标，已经涉及多种学科领域，可以提供和处理涉及原来是地球动力学、行星学、大气学、海洋学、板块运动学和冰川学等其他学科所需的信息，提供多种学科领域长期以来很难取得的数值和有可能解决它们相应的困惑。当然为了达到这些目标卫星大地测量学仍然还有众多的理论和实践的问题需要思考和解决。然而可以预期，卫星大地测量学将与其他学科会有更多的交叉，不仅在大地测量学，而且在地球科学中会具有强大生命力，并将更大地影响和促进地球科学、环境科学和行星科学的发展。     

废物处置场地地质屏障的环境安全评价

当前由于科技进步,经济快速发展,也需要对环境质量提出更高的要求,要求各种环境处理、处置工程能达到永久安全,一劳永逸的保护环境的效果。这种效果的实现唯一的要靠地质屏障发挥的效应,因此笔者就地质屏障的基本作用,对地质屏障的安全评价,如何利用地质屏障解决环境问题等,利用大量的实验数据和实践经验进行详细论证。提出中国具有各种各样有利的地质条件和许多可利用的优良地质屏障,依靠地质科学的基本理论来解决环境问题,促使环境状态和生态环境逐渐向良好方向发展。     

空间信息技术的发展及其在地球科学中的应用

空间信息技术有两个分支：其一是空间图形信息技术,即地理信息系统（ＧＩＳ）;其二是地质统计学。两种技术在本质上是相通的。ＧＩＳ的核心是建立图形元素的拓扑关系与建立空间数据库与属性数据库的联动关系。正是立足于这两个重要关系,使对千变万化的地学图形信息进行灵活高效的编辑、检索与显示成为可能。在迄今为止所有的计算机应用系统中,ＧＩＳ无疑将在地学中产生最重要的影响。地质统计学是一种空间数字处理技术,它是传统统计学的空间版本。用包含多元统计学的传统统计方法研究地质问题存在严重的缺陷,因为传统统计学忽略变量的空间存在,而地质过程具有强烈的空间性。地质统计学恰恰是立足于变量的空间关系发展起来的统计科学,因此它特别适用于地球科学。正如空间图形与空间数字可以相互转换一样,两种空间信息技术也存在内在的关系。利用ＧＩＳ与地质统计学这两种空间信息技术,使我们能不断地在空间图形与空间数字这两种状态间穿越。空间信息技术为地质学家在进行矿产资源预测、物化遥数据分析、地质环境评价、地质灾害评价与矿产资源管理等方面提供了强有力的工具。空间信息技术特别适合于地球科学,它不仅能大幅度地提高地球科学对图形的编制和研究的效率和水平,而且也将转变传统的?     

Physics informed machine learning: Seismic wave equation

Similar to many fields of sciences, recent deep learning advances have been applied extensively in geosciences for both small- and large-scale problems. However, the necessity of using large training data and the ‘black box’ nature of learning have limited them in practice and difficult to interpret. Furthermore, including the governing equations and physical facts in such methods is also another challenge, which entails either ignoring the physics or simplifying them using unrealistic data. To address such issues, physics informed machine learning methods have been developed which can integrate the governing physics law into the learning process. In this work, a 1-dimensional (1D) time-dependent seismic wave equation is considered and solved using two methods, namely Gaussian process (GP) and physics informed neural networks. We show that these meshless methods are trained by smaller amount of data and can predict the solution of the equation with even high accuracy. They are also capable of inverting any parameter involved in the governing equation such as wave velocity in our case. Results show that the GP can predict the solution of the seismic wave equation with a lower level of error, while our developed neural network is more accurate for velocity (P- and S-wave) and density inversion.     

地学模拟相关技术的研究与进展

地学模拟技术的一个发展方向是与地学过程分析密切结合,另一个发展方向是与数据可视化技术相结合。前者试图通过使用各种数学方法模拟地学随机现象,并对这些不良结构化或半结构化的地学问题进行定量化描述;后者运用计算机的三维可视化功能,在三维环境下将空间信息管理、地学解译、空间分析、地学统计与预测、三维图形可视化等技术相结合,实现计算可视化、分析可视化、过程可视化、结果可视化和决策可视化,并用于地学分析。回顾了地学中计算机三维地学建模技术、地质统计学和地学非线性现象模拟方法,并对该领域的发展进行了展望,认为加强地学模拟的理论体系、方法体系、技术体系的研究和实践既有着重要的理论意义,又有着重要的现实意义。