不同变形速率下前陆褶皱冲断带的发育特征——基于砂箱物理模拟实验研究

构造模拟实验是研究和模拟自然界地质构造现象、变形特征、成因机制和动力学过程的一种物理实验方法。本文基于砂箱构造物理模型高、中、低速7组不同单向挤压速度的构造模拟实验,揭示不同变形速率下砂箱物质变形的几何学、运动学及其演化特征,探讨不同变形速度(尤其是不同量级速度)对前陆褶皱冲断构造变形的重要性。高速单向挤压变形过程中(0.4~0.1mm/s),砂箱模型中石英砂体后缘构造加积强烈,砂体变形主要以楔形体向前扩展变形为主,其构造样式主要表现为前展式叠瓦冲断构造。中速挤压变形过程中(0.05~0.005mm/s),砂体后缘加积相对较弱,构造变形样式主要为砂箱楔形体前缘先形成(前展式为主)逆冲断层,当达到临界楔形体后,反冲断层发育并与前展式逆冲断层构成冲起构造,构造样式上表现为叠瓦构造与冲起构造的无序叠加。低速挤压变形过程中(0.002mm/s),砂箱物质构造样式以典型冲起带为主。由于砂箱模拟过程的时效性,即如何在最有效时间内获得最全面而复杂的演变过程,通过本次系列实验,我们建议将此有效挤压速度设定为0.05~0.005mm/s范围内,可以先后清晰而全面的获得高速和低速挤压下砂体的变形过程和构造样式。     

不同拉伸方式和速度下的伸展构造砂箱物理模拟实验研究

砂箱构造物理模拟实验是室内模拟自然界地质构造变形过程、成因机制以及动力学过程的一种高效方法。影响岩石变形的速度和力的作用方式等是影响伸展构造物理模拟实验的结果和构造形态的主要因素。基于此，为探究砂箱物理模拟实验中拉伸速度和拉伸方式（力的作用方式）对伸展构造变形特征的影响，笔者在已有研究基础上，将高（0.01 mm/s）、中（0.001 mm/s）、低（0.000 5 mm/s）3种不同拉伸速度与单向拉伸、双向拉伸2种不同拉伸方式相结合，设计6组实验进行对比研究。结果表明：(1)拉伸速度对砂体的最终形态无显著影响，但对断层的发育过程有一定的影响，而拉伸方式对断层的发育过程和最终形态的影响均较为显著，且断层形成前砂体速度会增大到一定高值，并于断层形成后快速减小。(2)单向拉伸模型砂体最终均形成一个不对称的地堑，双向拉伸模型砂体最终均形成一个典型的地堑。(3)不对称地堑通常形成于相对拉伸或差异拉伸的环境中，相对拉伸侧发育形成一系列阶梯状正断层，而相对固定侧发育一条断距较大的正断层，且先存构造的位置往往决定了后期构造发育的初始位置。这一认识为伸展构造砂箱物理模拟实验中的模型设置和参数选取奠定了...     

岩石圈动力学过程砂箱物理模拟研究进展

自20世纪中叶以来,基于地质构造过程自相似性的砂箱物理模拟实验为岩石圈动力学过程研究提供了独立有效的手段。基于以自然界岩石圈深部变形过程为研究对象的砂箱物理模拟实验研究结果,系统阐述岩石圈动力学变形过程的“自然原型—实验模型”间相似性机理,综述砂箱物理模拟所揭示的岩石圈动力学过程机制与特征,并以坎塔布里亚构造带和扎格罗斯—伊朗高原为实例,对比探讨了岩石圈变形过程与砂箱模拟实验之间的耦合性,以期为同行研究提供参考与借鉴。砂箱物理实验模型与自然原型之间相似性机理,强调二者具有流变学和几何学上非牛顿流体连续介质相似性,才能实现低惯量流动下（Reynolds数Re<<1）动力相似性。砂箱物理模拟实验通常使用干颗粒材料、（非）线性黏性流变学材料、黏弹性材料等构建多层物质结构模型,代表岩石圈双层、三层和四层结构模型。基于砂箱物理模拟实验装置及其实验过程中是否有外部动力和物质等加入,岩石圈动力学砂箱物理模型大致分为3类：系统能量物质守恒的内动力驱动模型、开放系统的外动力驱动模型和内外动力混合驱动模型。砂箱物理模拟研究表明,岩石圈动力学变形过程主要受控于岩石圈多圈层耦合性及其能干性（即弹性...     

基于粒子成像测速(PIV)技术的褶皱冲断带砂箱构造物理模拟研究

在前人对褶皱冲断带的研究基础上,为进一步深入分析对比滑脱层数量、强度、深度等对褶皱冲断带的制约,设计了6组砂箱模拟实验,并运用粒子成像测速(PIV,Particle Image Velocimetry)技术的实时监测,计算出各阶段模型剖面上的速度场和涡度场,对褶皱冲断带的运动学过程和变形机制进行详细刻画和定量分析。实验结果表明,滑脱层的强度和深度均制约着褶皱断层的构造演化,滑脱层的强度越小,其上覆地层中的变形传播越远,滑脱层深度越深,对整个构造样式更具有控制作用,变形也就传播得更远。以微玻璃珠组成的滑脱层主要产生前展型逆冲叠瓦式构造,上部推覆体前缘水平位移较快;以硅胶组成的滑脱层上部形成叠瓦式构造,下部形成冲起构造,上、下两部分具有明显的分层变形特征。PIV监测结果显示,当上盘速度骤停,并且前缘涡度值骤降时,断坡形成并发展成断坪-断坡组合构造样式;下一条断层以相同方式在前缘形成,从而使褶皱冲断带向前陆方向扩展。将实验结果与龙门山南段褶皱冲断带进行了对比分析,得到了较好的印证。     

北大港-白东构造带成因的实验解析

砂箱模拟实验已经被证明是研究盆地内部伸展构造的有效工具。用砂箱实验模拟了黄骅盆地内部北大港—白东构造带的成因，认为北大港—白东构造带是盆地在以沧东断裂为主边界断层的伸展过程中，上盘变形受到新港—海河断裂带影响的产物。     

前陆褶皱冲断带冲起构造发育特征:基于砂箱构造物理模拟实验研究

冲起构造广泛发育于挤压逆冲构造体系和走滑构造体系,具有极其重要的油气勘探价值,因而备受关注。砂箱模拟模型已经被证明是强大的可视化工具,用来模拟不同岩层中复杂的构造现象。基于相似初始砂箱构造模型条件下不同挤压速率(0.3 mm/s、0.1 mm/s、0.005 mm/s)变形过程,揭示出褶皱冲断带发育过程中的典型两类冲起构造：叠加冲起构造和单一冲起构造,它们对于褶皱冲断带演化过程及其油气勘探具有明显不同的重要性。砂箱物理模拟实验揭示楔形体扩展变形序列对前陆褶皱冲断带冲起构造发育类别具有重要控制作用,即褶皱冲断带前缘以前展式扩展变形为主,主要发育单一冲起构造;后缘以后展式扩展变形为主,主要发育叠加冲起构造。     

北大港——白东构造带成因的实验解析

砂箱模拟实验已经被证明是研究盆地内部伸展构造的有效工具。用砂箱实验模拟了黄骅盆地内北大港－－白东构造带的成因，认为北大港－白东构造带是盆地在以沧东断理解为主边界断层的伸展过程中，上盘变形受到新港－海河断裂带影响的产物。     

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。     

基于粒子成像测速(PIV)技术的褶皱冲断构造物理模拟

本文设计完成了三种双滑脱层模型的物理模拟实验,并运用粒子成像测速(PIV,Particle Image Velocimetry)技术计算出实验过程中各阶段模型剖面上的速度场分布,进而对褶皱冲断带的运动学过程和变形机制进行讨论。实验结果表明,双滑脱层模型中,基底滑脱层控制了整体的构造样式,浅部滑脱层决定局部的浅层构造。笔者等将实验结果与龙门山褶皱冲断带南段双滑脱体系构造进行了比较,验证了这一结论。PIV分析显示,逆冲断层的产生经历一个平行层缩短的变形过程。该过程在塑性层上、下具有明显差异,塑性层上的变形传递得更快更远。当缩短进行到一定阶段,断层开始发育,发生初始破裂,断层下盘的变形消失,应变集中在断面上,断层上盘沿断面同步逆冲。     

斜向聚合及弧后伸展作用对台湾北部—琉球地区的构造影响——砂箱模型实验的启示

台湾造山带位于欧亚板块和菲律宾海板块交界处, 由于两板块斜向聚合作用, 使得台湾造山带构造极其复杂并具有分段性: 南部尚处于碰撞造山初期, 而北部已处于碰撞后期, 构造环境已从挤压转变为张裂。前人利用三维砂箱模型对造山带进行研究时, 主要关注于斜向聚合作用对造山带的影响, 较少考虑到冲绳海槽张裂作用。本文在前人基础上通过添加砂纸带机器模拟张裂作用, 探讨挤压-张裂同时作用下砂体的变形模式, 解释台湾造山带北部—琉球地区的构造现象。通过分析实验图像和粒子图像测量(PIV)数据, 并与地震剖面、GPS速度场测量和古地磁数据进行对比后认为: 台湾岛北部顺时针旋转主要与斜向汇聚作用有关; 宜兰平原东西至东北—西南向的运动, 及南北有别的运动模式主要与冲绳海槽张裂作用有关; 琉球地区形貌主要受控于俯冲的菲律宾海板块形状, 在斜向聚合作用下造成地层褶皱和挤压。之后在由东向西发展的弧后伸展作用下, 形成冲绳海槽东宽西窄的凹陷区及一系列正断层, 并伴随琉球岛弧的顺时针旋转。     

褶皱冲断带构造砂箱物理模型研究进展

地壳浅层次褶皱冲断带普遍受控于具耦合互馈特性的多种机制或边界条件,从而具有长期的构造演化过程和复杂的构造特征。自19世纪初以来,基于地质构造过程自相似性和"无理有效性"的砂箱物理模型,为解译褶皱冲断带的演化过程及其动力学机制等提供了独立有效的手段。本文主要基于国内外地壳浅表褶皱冲断带构造变形过程为研究对象的构造砂箱物理模型研究结果与进展进行综述性报道,以期为同行提供参考与借鉴。基于与地壳浅表地层具相似流变学特性的砂箱物理模拟研究,揭示出地壳浅层次构造变形过程普遍自相似性生长过程,符合库伦临界楔理论。褶皱冲断带挤压变形过程中,基底特性(基底几何学、有效摩擦角、基底耦合性和流体超压)、变形物质特性(空间几何学、能干层、流变学和非均一性)、动力学机制(砂箱几何边界、汇聚速率和汇聚方向)、浅表作用(剥蚀和沉降)等对于地壳浅表构造变形过程具有明显的控制作用。构造砂箱物理模型在解译不同构造变形过程与机制的研究中发挥着越来越突出的作用。     

高坝泄洪水面曲面及流速场的原型测量方法

构建了基于双高速摄像机的立体摄影测量与大范围PIV测量系统,实现了对高坝泄洪的水面曲面和流速场的原型观测.摄影测量系统将相机内外参数分开标定,既保证了相机标定精度,又减少了布置标定点的工作量;使用SIFT关键点标识法提取不同照片中水流表面流动纹理的特征点.大范围PIV系统中,使用灰度标准化、背景移除、中值滤波等方法提取水流表面流动纹理作为PIV计算的示踪物,解决了原型观测中释放示踪物的难题.根据重构出的水面曲面形态对大范围PIV所得流场进行尺度换算与水面贴合,得到真实的表面流场.在向家坝消力池运用实例表明,本方法的计算结果合理.     

Statistical properties of the atmospheric turbulent boundary layer over steep surface waves

A new method of digital optical anemometry (Particle Image Velocimetry, PIV) of turbulent flows is suggested and implemented in the laboratory; it is based on the use of continuous laser radiation and high-speed video photography, providing continuous statistical ensembles of flow velocity fields. Application of the method to the study of wind field over waves has allowed us to perform, for the first time, direct measurements of velocity fields, averaged over turbulent pulsations induced by waves in the air flow. The experiments demonstrated that the velocity fields, averaged over the turbulent pulsations, are nonseparated even in the case of steep and breaking waves, when separation of the flow from the wave crests in the instantaneous fields is observed. Based on comparison with the experimental data, it is shown that the average wind fields over waves are described well quantitatively in the framework of semiempirical closure models of turbulence.     

不同粒度颗粒在非恒定管流中跟随性试验

管道中固液两相流水击对管道和输送系统可能产生严重的破坏,而固液两相在这种非恒定流中的运动特性是计算最大水击压力变化的重要依据。采用粒子图像测速技术（Particle Image Velocimetry,PIV）,通过试验研究水击发生时,水平圆管中不同平均流速、颗粒粒径条件下,流体介质和粗颗粒在管道断面的速度分布以及粗颗粒跟随性的变化规律。研究结果表明:①在水击发生的不同时刻,圆管流中粗颗粒的流速在管道断面分布呈不规则的抛物线型分布,主要表现为靠近管道壁面底部的颗粒流速略小于靠近管道顶部流速,当颗粒粒径大于1.5 mm,平均流速小于2.5 m/s时,粗颗粒表现出明显的沉降特性;②粗颗粒的跟随性与颗粒受力有密切关系,其中颗粒速度与流体速度的变化量是影响颗粒受力的重要参数;③基于试验数据拟合得到了水击条件下粗颗粒跟随性系数k的经验公式,并分析了颗粒粒径、管道直径、两相流平均流速以及水击发生时间等不同参数对粗颗粒跟随性系数的影响,公式计算值与实测值之间的误差在5%以内。     

构造物理模拟和PIV有限应变分析对构造裂缝预测的启示

油气储层中构造裂缝发育与有限应变状态关系密切,为了探索有限应变分析与构造裂缝预测的新技术方法,此次研究设计完成了一组单侧挤压收敛模型的物理模拟实验,并引入粒子图像测速(PIV,Particle Image Velocimetry)技术对实验过程进行了定量化分析。实验模型在垂向上为含粘性层的多层结构,实验结果形成了一个肉眼可见的箱状褶皱。通过PIV技术可以获取实验模型变形演化过程中各阶段的位移场数据,计算出各阶段的增量应变,实现从初始状态到褶皱形成之后整个变形过程的有限应变分析,探讨构造裂缝成因机制和分布规律,进行定量化裂缝预测。挤压变形过程初期,应变分布范围很广,有限应变较弱(约4%~8%),在挤压方向上的线应变表现为弱压应变,在垂向上的线应变表现为弱张应变,这种现象是褶皱和断层产生前平行层缩短和层增厚的纯剪变形结果,也是区域型张裂缝和剪裂缝形成的主要机制。褶皱和断层即将发育之时至发育之后,应变局限在断层发育的剪切带及附近区域,有限应变表现为较强(达20%)的剪切应变和剪切张应变,是断层面附近简单剪切变形作用的结果,也是局部型剪裂缝和张剪裂缝形成的主要机制。     

北部湾盆地涠西南凹陷断裂系统成因的砂箱实验研究及启示

北部湾盆地涠西南凹陷的断裂系统十分复杂,为了揭示其成因机制,在三维地震资料构造解析的基础上,应用砂箱物理模拟技术,对涠西南凹陷的形成机制进行了系统研究.结果表明,南北向的"不协调伸展作用实验模型"能够成功地模拟涠西南凹陷晚始新世以来复杂的断裂系统,断裂系统的主体特征在这一实验模型中均得到了很好的再现.涠两南凹陷复杂的断裂系统是在基底先1竽构造基础之上,在递进变形过程中逐渐形成的,其裂陷期(晚始新世一渐新世)断裂系统是在一个伸展期内形成(南北向伸展)、并非是多期构造叠加变形的结果.这一认识不但能够有效地指导涠西南凹陷三维地震资料的精细构造解释,同时也能够为南海周缘盆地的形成和演化研究提供借鉴.     

盾构隧道抬升作用下极限上覆土压力计算方法

注浆抬升技术是盾构隧道不均匀沉降治理的有效措施之一,但目前尚存在隧道抬升过程上覆土压力计算困难而无法估算抬升引起的隧道受力变形的问题。利用透明土结合PIV观测技术设计研发了模拟盾构隧道抬升的小比尺室内模型试验系统,通过试验获得了隧道抬升过程极限上覆土压力及上覆土速度场,根据上覆土的剪切滑移特征将上覆土分成了4个不同的运动区域,进而结合相关联流动法则,提出了隧道抬升作用下极限上覆土压力计算模型,并基于虚功平衡方程,推导了极限上覆土压力计算表达式。将计算所得的极限上覆土压力值与试验结果进行对比,两者有较好的吻合度,计算误差在4%～15%之间。