“构造地质学”教学中典型构造的应力可视化方法

2017-01-23汪吉林屈争辉王继尧孙维凤

中国地质教育 2016年4期

关键词：正断层褶皱断层

鞠玮，汪吉林，屈争辉，王继尧，孙维凤

中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州 221116

教学方法

“构造地质学”教学中典型构造的应力可视化方法

鞠玮，汪吉林，屈争辉，王继尧，孙维凤

中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州 221116

“构造地质学”是地质学的重要分支学科，是地学类专业的基础课程。应力是构造地质学学习的重要内容，是进行各种构造变形力学成因分析和相关规律研究的基础。由于应力概念抽象，在“构造地质学”的应力教学中，多采用公式推导等数理方法进行讲授和学习，致使学生在学习时感到枯燥乏味，缺乏积极性。本文结合教学实践，提出应力教学的可视化方法，借助数值模拟手段将典型构造活动时的应力变化直观体现出来，此举不仅可以让学生轻松学习构造知识，还能提升学生对构造地质学的学习兴趣，为后续进行构造地质研究做充足准备。

应力；构造地质学；可视化方法；数值模拟

stress; structural geology; visualization method; numerical simulation

“构造地质学”是地质学的重要分支学科，是进行后续地学类专业课程学习的基础，它主要是研究组成地壳的岩石、岩层和岩体在岩石圈中力的作用下变形形成的各种现象（构造）。地壳岩石中各种构造形态都是力作用的结果，应力是研究构造变形的力学成因和地质构造形成机制的基础[1-2]。目前，在“构造地质学”的教学中，对应力的讲解多采用公式推导等方法，该种方法虽然严谨、准确，但需要学生具备一定的数理分析能力，容易导致学生在学习时感到枯燥乏味，缺乏积极性，造成在“构造地质学”的应力教学中出现“教师授课难，学生学习难”的“两难问题”[3-4]。

本文结合教学实践，就学生如何有效地学习应力提出可视化方法，借助数值模拟手段将典型构造活动时的应力变化直观体现出来，此举不仅方便教师授课，也可使学生轻松地学习应力，解决应力教学中的“两难问题”。

一、可视化概念及实现方法

可视化（Visualization）是利用计算机图形学和图像处理技术，将数据转换成图形或者图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术。可视化与可视化教学因其本身具有的优势成为教育研究者所关注的热点[5]。该方法不仅可实现性强、直观明了，易于观察和学习，而且还能培养学生的空间思维能力[6]。

在构造地质学教学中，可借助数值模拟的手段实现可视化。适应于构造地质学的数值模拟手段包括有限元、边界元等[7-11]。有限元（Finite Element）的核心思想是结构的离散化，将实际结构假想地离散为有限数目的规则单元组合体，实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析，得出满足精度的近似结果来替代对实际结构的分析[12]。随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，有限元数值模拟技术已经成为解决复杂地质问题、工程分析计算问题等实际问题的有效手段和途径。

ANSYS软件是融结构、热、流体、电场、磁场、声场及多物理场耦合为一体的大型通用有限元分析软件，广泛应用于航空航天、石油、化工、汽车、机械制造、地矿能源、生物、医学、铁路等各个领域。该软件具备多种有限元分析的能力，包括从简单的线性静态分析到复杂的非线性瞬态动力学分析[12-13]，由于其强大的功能，目前已成为有限元数值模拟和分析的首选软件。前人已通过各种实例证实有限元数值模拟及ANSYS有限元软件在构造地质学研究的实用性[12,14-15]，因此，本文选用ANSYS（12.0版本）有限元数值模拟软件进行此次研究。

二、典型构造应力可视化

1.褶皱构造

根据岩层与其平行或垂直受力关系，可划分为纵弯褶皱和横弯褶皱。纵弯褶皱是岩层受到平行层的挤压失稳而弯曲，而横弯褶皱则是岩层受到垂直层的挤压失稳而弯曲[1-2]。

（1）纵弯褶皱。

建立纵弯褶皱模型（图1a），在边界力作用下，通过ANSYS屈曲分析得到纵弯褶皱应力分布图（图1b）。

图1 纵弯褶皱

（2）横弯褶皱。

建立横弯褶皱模型（图2a），在边界力作用下，得到横弯褶皱应力分布图（图2b）。

图2 横弯褶皱

2.断层构造

Anderson分析了形成断层的应力状态，因为地面与空气间没有剪切应力作用，所以形成断层的三轴应力状态中的一个主应力轴趋于垂直地面，以此为依据，提出了形成正断层、逆断层和平移断层的三种应力状态的分析方法[16]。

形成正断层的应力状态是：最大主应力轴（σ1）直立，中间主应力轴（σ2）和最小主应力轴（σ3）水平；形成逆断层的应力状态是：σ3直立，σ1和σ2水平；形成平移断层的应力状态是：σ2直立，σ1和σ3水平[1-2,16]。

（1）正断层。

建立正断层模型（图3a），断层下盘设为固定边界，在形成正断层的边界力作用方式下，得到正断层应力分布图（图3b）。

图3 正断层

（2）逆断层。

建立逆断层模型（图4a），断层下盘设为固定边界，在形成逆断层的边界力作用方式下，得到逆断层应力分布图（图4b）。

图4 逆断层

（3）平移断层。

建立平移断层模型（图5a），在形成平移断层的边界力作用方式下，得到平移断层应力分布图（图5b）。

图5 平移断层

三、结论

应力是构造地质学的重要内容，是进行各种构造变形力学成因分析和相关规律研究的基础。但由于其概念抽象，在教学中多采用公式推导等数理方法进行讲授，导致学生感到枯燥乏味，缺乏积极性。

本文结合教学实践，提出应力教学的可视化方法，借助数值模拟手段将褶皱和断层等典型构造活动时的应力变化直观体现出来，此举不仅可以让学生轻松学习构造知识，切实打好专业基础，还能提升学生对构造地质学的学习兴趣。

[1] 朱志澄，宋鸿林.构造地质学[M].武汉：中国地质大学出版社，1990：331.

[2] 曾佐勋，樊光明.构造地质学[M].武汉：中国地质大学出版社，2008：226.

[3] 吴孔友，洪梅，陈清华.构造地质学实验CAI课件系统及其应用[J].实验技术与管理，2000,17(2)：33-35.

[4] 李理，戴俊生，钟建华，等.构造地质学课程教改的探索和实践[J].石油教育，2006(5)：70-71.

[5] 叶新东.未来课堂环境下的可视化教学研究[D].上海：华东师范大学，2014：281.

[6] 鞠玮，姜波.构造地质学教学中空间思维能力的锻炼与培养[J].中国地质教育，2015，24(3):54-56.

[7] YIN A. Mechanics of monoclinal system in the Colorado Plateau during the Laramide orogeny[J].Journal of Geophysical Research,1994, 99(B11)： 22043-22058.

[8] HOU G T, WANG Y X, HARI KR. The Late Triassic and Late Jurassic stress fields and tectonic transmission of North China Craton[J]. Journal of Geodynamics, 2010,50: 318-324.

[9] SMART K J, WYRICK D Y, FERRILL D A. Discrete element modeling of Martian pit formation in response to extensional fracturing and dilational normal faulting[J].Journal of Geophysical Research, 2011,116： E04005.

[10] JU W, HOU GT, HARI K R. Mechanics of mafic dyke swarms in the Deccan Large Igneous Province: Palaeostress field modeling[J].Journal of Geodynamics, 2013, 66: 79-91.

[11] JU W, HOU G T，ZHANG B. Insights into the damage zones in fault-bend folds from geomechanical models and field data[J].Tectonophysics, 2014,610: 182-194.

[12] 杨宏伟.典型地质构造应力场数值模拟[D].北京：中国地质大学（北京），2008：84.

[13] 刘伟，高维成，于广滨.ANSYS 12.0宝典[M].北京：电子工业出版社，2010：587.

[14] 鞠玮，侯贵廷，黄少英，等.库车坳陷依南-吐孜地区下侏罗统阿合组砂岩构造裂缝分布预测[J].大地构造与成矿学，2013，37(4)，592-602.

[15] 鞠玮，侯贵廷，冯胜斌，等.鄂尔多斯盆地庆城-合水地区延长组长63储层构造裂缝定量预测[J].地学前缘，2014，21(6)，310-320.

[16] ANDERSON E M.The Dynamics of Faulting [M].Edinburgh:Oliver and Boyd，1951:206.

G642

1006-9372（2016）04-0044-03

2015-11-12；

2016-03-14。

中国矿业大学教育教学改革与课程建设项目（2016QN14）。

鞠玮，男，讲师，主要从事储层裂缝研究与构造地质学教学工作。

投稿网址： www.chinageoeducation.net.cn 联系邮箱：bjb3162@cugb.edu.cn