地质构造常规物理模拟实验方法研究＊

赵仕俊 李晓东

(中国石油大学石油仪器研究所 山东东营)

地质构造常规物理模拟实验方法研究＊

赵仕俊 李晓东

(中国石油大学石油仪器研究所 山东东营)

文章提出了剖面伸展/挤压、平面伸展/挤压,平面剪切,组合伸展挤压剪切四种基本的地质构造物理模拟实验模型,讨论了地质构造物理模拟实验模型的相似性问题。指出了一般地质构造变形均可用这四种基本模型进行模拟。所设计的地质构造物理模拟实验装置实现了对模型的自动加载和实验过程控制,对实验载荷、位移变化、实验温度等实验参数的实时采集记录,对变形过程的图像记录与回放,规范了地质构造物理模拟实验方法。所做的松散介质剖面伸展/挤压物理模拟等四种实验,验证了地质构造物理模拟实验装置的可靠性和实用性。

地质构造;物理模型;模拟实验;相似条件;实验装置

0 引 言

地质构造物理模拟实验是以地质构造形变研究为基础,模拟各种构造现象的形成过程,观察他们在变形过程中各个阶段所表现的形态特征。深入研究构造变形的力学机制、发生过程、变形特征,对于分析地质构造成因,推定工业矿藏存在,模拟矿藏结构都是很有意义的。为此,必须建立完整而科学的地质构造物理模拟实验方法和实验手段。由于常规物理模拟实验因其直观形象等特点被应用于地质构造物理模拟实验研究的各个方面,作者通过对国内外研究现状的分析[1～3],利用相似分析方法给出了物理模型设计的相似条件,提出了四种基本物理实验模型,完成了地质构造物理模拟实验装置的设计制作,通过实验验证了地质构造物理模拟实验装置的可靠性和实用性,其研究成果可供同行参考,谬误之处恳请同行指正。

1 物理模拟实验的相似性问题

1.1 相似准则

在地质构造物理模型的相似分析中,我们把它抽象为动力相似问题进行讨论,并导出模型的几何相似、时间相似、运动相似、动力相似和材料相似等相似准则如以下各式[4]。

CP为力相似倍数,Cρ为密度相似倍数,CE弹性模量相似倍数,Ct为时间相似倍数,CL为几何相似倍数。

式(2)指出,当模型材料选定,即Cρ、CE被确定,几何相似倍数CL确定后,则时间相似倍数Ct便由式(2)的关系所确定,不能再任意选取。同样式(1)指出,这时力的相似倍数CP也被确定。进一步分析表明,模型实验遵守这些条件时,模型与原形在惯性力和弹性力方面是相似的,模型与原形在惯性力和重力方面是不相似的。有了最基本的相似倍数关系式(1)和(2)式后,描述动力相似的其它物理量的相似倍数便可导出,如频率相似倍数、速度相似倍数、加速度相似倍数、摩擦系数的相似倍数等。

1.2 相似参数的确定

1.2.1 几何相似

几何相似是地质构造物理模拟实验装置设计首先要考虑的问题。所设计的模型尺寸不仅要满足通过实验得到的几何变形量能够清楚的反映相应的地质构造现象,同时还要便于仪器的加工装配,实验操作。因此,一般把模型最大尺寸限定在100 mm～1 000 mm内,其几何相似比取CL=1.5×107,相当于自然条件下研究区的展布范围约为1 500 km～15 000 km。

1.2.2 材料相似

在自然界岩石形变现象中或实验室内的模拟过程,都可观察到具有弹性、塑性、脆性三种属性的形变现象。在选择实验材料时,除了研究岩石本身的物理力学性和形态变化特征外,还要研究岩石的成岩历史、岩相在横向和纵向上的变化。深入研究实验材料的相似特性,是追求构造物理模拟最大相似的一个重要研究内容。地质构造模拟实验可选的材料:(1)湿粘土;(2)凡士林油、石蜡材料;(3)橡皮泥或油灰材料;(4)橡皮条与纸条;(5)松散介质材料通常选用的材料有石膏粉、滑石粉、细砂、金刚砂、炭灰、各种颜料等;(6)脆性材料包括松香、脆漆、玻璃、硬石膏、水泥块以及野外采回的岩石标本等;(7)塑性材料—塑化松香由松香和增塑剂松节油按不同比例混合而成[1、5、6]。

1.2.3 时间相似

时间相似是指在进行模拟实验时所用时间与地质构造形变过程的时间的近似,一般所采用的时间相似比Ct=2.15×104～6.80×109,表示模型中的1 h约相当于自然条件下的2.5～776000a。在我们的设计中,由于采用液压系统作为驱动动力源,因此极易实现其时间的要求。取速度相似比Cv=698～0.0022,若边界的推进速度约为50 mm/a,按照速度相似比Cv推算,相当于模型中的推进速度约为0.000 008 2～2.6 mm/h。在地质构造模拟实验中,同一性质的材料,由于实验推进速度不同,却可得到完全不同的结果。对于大多数材料,在缓慢的作用力下可产生塑性形变,而快速挤压下则可成为脆性形变。

1.2.4 动力相似

不论在野外还是在实验室,一种构造形式或一个实验模型所反应的形态变化,都可以认为是受了力的作用的结果。对于实验中的一个实验模型来说,通常是如水平挤压、垂向压力、剪切作用或几种力量的联合作用,力的作用形式容易判断,其作用过程和力的大小是可以测量和记录的。绝大多数的构造形式都可以看作是一个低速缓慢的过程,可以通过实验测得的作用力的大小和相似系数推算所模拟的构造变形力的大小,但事实上还是不能认为这个力就是实际引起构造变形的力。

1.2.5 边界相似

边界相识是模拟实验中的一个重要相似条件,要做到真正相似尤其困难,因为原型的边界条件几乎就无法准确界定,实验中只能取简化的边界相似条件。在我们的设计中,取长度相似比CL=1.5×107,模型长度D=160 mm,宽度b=20 mm～24 mm,若延性层厚度hd=7 mm～12 mm,脆性上层厚度hb=0.3 mm～0.7 mm,这相当于自然条件下研究区的展布范围约为2 400 km,驱动边界长度为300 km～360 km,岩石圈延性层和脆性上层的厚度分别约为105 km～180 km和4.5 km～10.5 km;强度相似比Cσ=2.27×107,若上部地壳强度按平均100 MPa取值,则模型中上层脆性材料的强度要求为4.41 Pa。

我们认为,几何相似、动力相似、材料相似和边界相似是反映地质构造本质的主要相似条件,时间相似、运动相似和其它相似条件是反映地质构造现象的次要相似条件。地质构造物理模拟实验能够直观定性的解释基本的地质构造现象,有针对性地模拟特定的地质构造现象并给以定性分析解释。

2 构造物理模拟实验装置的设计[7、8]

2.1 物理模型设计

目前对各种地质构造类型的物理模拟方法,不外乎是不同的材料组合,在给定边界条件下,或者伸展,或者挤压,或者剪切,或者是他们的复合作用[1、2、5]。因此,我们可以根据各种不同的复杂的地质构造现象,抽象出基本的简约的地质构造模型,建立对应的力学模型,用这些基本的模型实验来推演各种不同的复杂的地质构造现象。通过我们的研究,只需按照相似原理设计剖面伸展/挤压、平面伸展/挤压,平面剪切,复合伸展挤压剪切四种基本的物理实验模型,用不同的材料组合,在给定边界条件下,即可模拟各种不同的复杂的地质构造现象。

2.1.1 物理模拟实验装置技术参数

物理模拟实验装置技术参数是根据前面讨论的相似比关系和机电设计的实际要求确定的。剪切与拉伸(压缩)速度:10 mm/h～15 mm/h(可以更小);剪切与拉伸(压缩)载荷≤200 KN;最大剪切角≤45°±0.5°;加热温度:常温-90℃;最大变形量:单向100 mm,双向200 mm;最大载荷:200 kN。

2.1.2 物理模型设计与实现

地质构造模拟实验方法及实验仪器的研究与实现,合理应用了相似理论来指导地质构造物理模拟实验模型的设计。它采用了模块化方法设计地质构造模拟实验模型;利用液压技术、电子技术、智能控制技术实现了对模型的自动加载和实验过程控制;利用计算机数据采集与处理技术对实验载荷、位移变化、实验温度等实验参数进行实时采集记录;利用计算机图像采集与处理技术实现了对地质构造模拟实验的构造变形过程记录,并可以不同的速度回放这一过程,研究人员可任意提取某一帧图像进行分析处理等;地质构造物理模拟实验得到规范化,便于实验操作,可获得丰富的实验数据,在很大程度上改进了地质构造模拟实验方法,提高地质构造模拟实验的技术水平[7、8]。

2.2 应用软件需求分析及代码测试

地质构造物理模拟实验装置应用软件设计满足以下需求:(1)具有实验参数的输入功能;(2)具有系统调试、监测、安全保护功能;(3)具有数据采集与处理功能;(4)具有图像采集与处理功能;(5)具有温度控制和步进电机驱动的剪切角控制功能;(6)具有关于实验数据和图像的数据库管理功能;(7)具有数据、图像和参数趋势曲线的实时显示功能;(8)具有报表与图形输出功能;(9)软件代码采用VB6.O程序语言编写;(10)软件采用模块化的程序设计方法,界面美观,使用简单可靠。

代码测试采用有程序员,测试人员和用户的三方测试,保证了软件的可靠性。

3 构造物理模拟实验讨论

所做的松散介质剖面伸展挤压物理模拟实验如图1所示,可以观察到挤压作用下的背斜构造、伸展作用下盖层中的拉张构造形式及发展规律和反复伸展挤压作用下的不整合构造;所做的湿粘土的组合伸展剪切物理模拟实验如图2所示,可以观察到在伸展剪切作用下,大的断裂构造的形式及发展规律;所做的白水泥平面挤压实验如图3所示,可以观察到平面挤压作用下,“X”破裂的表现形式;所做的湿粘土平面伸展剪切实验如图4所示,实现了模拟地层压力作用下成某一角度的剪切变形。

图1 剖面伸展/挤压模型实验

图2 组合伸展剪切模型实验图

图3 平面挤压模型实验

图4 平面剪切模型实验

4 结 论

1)按照相似原理设计的剖面伸展/挤压、平面伸展/挤压,平面剪切,复合伸展挤压剪切四种基本的物理实验模型,用不同的材料组合,在给定边界条件下,可以模拟各种不同的复杂的地质构造现象。

2)在做地质构造物理模拟实验的设计时要强化反映地质构造本质特性的主要相似条件,弱化那些反映地质构造一般现象的次要相似条件,地质构造物理模拟实验能够直观定性的解释基本的地质构造现象,有针对性地模拟特定的地质构造现象并给以定性分析解释。

3)地质构造模拟实验方法及实验仪器的研究,实现了对模型的自动加载和实验过程控制;实验数据和图像的计算机采集与处理,在很大程度上改进地质构造模拟实验方法,提高地质构造模拟实验的技术水平。验证了地质构造物理模拟实验装置的可靠性和实用性。

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,2010,24(6):40～42

This paper establishes four kinds of basic geological structure physical simulating experimental model,which includes sectional extending/compressing,plane extending/compressing,plane shearing,and combined plane extending and shearing.The paper discusses similarity problems of geological structure physical experiment model,and pointes out that general geological tectonic deformation can be simulated by the four basic models.The designed experimental device had been realized automatic load of the mode and process control of the experiments,and other usages such as:real-time acquiring and recording of experimental parameters including testing load,displacement change,testing temperature and etc.,recording and play backing of the image of deformation process,and standardizing the method of geological structure physical analog experimental.Four kinds of the geological structure physical modeling experiment which had been performed,such as the loose medium section extending/compressing and so on,had proved the reliability and utility of the geological structure physical simulating experiment instrument.

Key words:geological structure;physical model;modeling experiment;similar condition;experiment instrument

Study on the experiment ways of geological structure physical modeling.

Zhao Shijun and Li Xiaodong.

P631.1+3

B

1004-9134(2010)06-0040-03

本研究课题为“石油大学(华东)211工程建设”项目内容。

赵仕俊,男,1957年生,博士,高级工程师,2010年毕业于北京科技大学机电检测技术博士专业,现在中国石油大学石油仪器研究所从事地学计算机应用技术研究。邮编:257061

2010-09-09编辑:梁保江)