物理模拟实验在构造地质学中的应用——以黄岛地区NW向断裂研究为例

杨 光， 胡秋媛， 郭建伟， 李 萧， 徐成龙， 臧家超， 姜颜良

(1.中国石油大学胜利学院 油气工程学院，山东 东营 257000；2.中国石油西南油气田公司 输气管理处，成都 610051)

0 引 言

物理模拟实验是在实验室条件下，基于地质学的基本理论，利用相似性原理建立地质模型，模拟再现地质构造的变形过程，分析变形特征及力学机制，探讨其成因机制的一种物理实验方法[1-3]，具有重要的实践意义。

近年来，随着物理模拟实验的发展，其被广泛运用于各类构造研究中，包括工程地质、环境地质、构造地质及石油地质勘探领域[4-6]。目前，物理模拟实验已发展成为一门独立的、涉及多学科的专门技术，但仍存在一些不足。首先，如何合理选用材料以模拟实际地层中的弹、塑性和断裂变形[7]，是当前追求物理模拟相似性中面临的最大问题；其次，在应力模拟方面，绝大多数构造变形可看作低速缓慢的过程[2]，有的长达上百万年，这是物理模拟实验无法准确模拟的。

本文拟通过探讨物理模拟实验的发展与研究现状，并以黄岛地区NW向断裂的物理模拟实验为例，针对前期研究中动力学演化方面的不足，依据相似性原理，通过物理模拟实验再现研究区NW向断裂的发育与演化，以期对研究区构造动力学演化机制取得新的认识。

1 物理模拟实验发展历程与研究现状

1.1 物理模拟实验的发展历程

物理模拟实验应用于地质构造变形研究至今已有近两百年的历史，其发展大致分为两个阶段。

(1) 20世纪前，物理模拟实验开始发展，此阶段时间跨度长，发展缓慢，人们对岩石性质了解尚少，未建立成熟的相似理论和实验相似条件，采用的模拟材料单一。1815年霍尔(J．Hall)用叠层厚布作为岩层，最早采用物理模拟实验再现了褶皱的形成演化[8]，成为物理模拟实验的先驱。1849年与1858年诺曼尼(C.F.Navmann)先后利用物理模拟实验研究了岩石破裂变形机制[1]，首次使用原岩作为物理模拟实验材料。1894年，由威利世(B.Willis)进行的阿巴拉契亚山脉构造成因机制的物理模拟实验中，在材料选取上取得了重要突破，建立了多方面相似性机制，并研制出世界上第一台正规的构造物理模拟实验装置[8]，同时期，冲断构造物理模拟实验也得到了实现。

(2) 20世纪早期，物理模拟实验开始面向褶皱断层等构造现象进行定性模拟。1920年,W.J.Mead在常温下用石蜡再现了褶皱的形成过程[9]。我国的物理模拟实验也开始于这一时期，上世纪20～30年代，李四光利用相似材料，对中国一系列“山”字型、“多”字型和“歹”字型冲断构造体系进行了物理模拟;50～60年代，国内外先后开展了一系列造山带和盆地构造研究[10];70年代以来，模拟对象趋于多样化，逐渐拓展到了造山带、俯冲带及盆地形成演化机制等前沿研究中，应用领域也在不断拓展。单家增等[11]使用自主研制的GJ-1型物理模拟实验装置完成了陆-陆碰撞造山带的构造演化模拟，揭示了碰撞造山带形成是岩石圈或地壳增减厚度的重要因素之一，并展示了多个构造单元的形成过程。王颖[12]以桩西潜山为例，探讨了物理模拟实验在地质构造演化研究中的意义。孙志信[13]完成了国内首例火成岩侵入的演化模拟，揭示了岩浆侵入过程中岩浆通道和地层应力的变化，实验结果为此后岩浆岩类构造物理模拟实验提供了重要依据。贾红义等[14]通过物理模拟实验，再现了渤海湾盆地惠民凹陷临北地区帚状构造的形成过程，进而探讨了断裂活动对油气成藏的控制及成藏模式等。李涤等[15]对国内外冲断构造与正反转构造的物理模拟实验研究进展进行了详细论述。万元博等[16]在研究褶皱冲断带演化过程中，利用沙箱物理模拟实验模拟了其中的两类典型冲起构造，揭示了前陆褶皱冲断带冲起构造发育类别主要受控于楔形体扩展变形序列。

1.2 物理模拟实验技术的发展与突破

以往的物理模拟实验中，以二维模拟地壳浅层构造露头为主，无法有效揭示位于深部的复杂地质体的内部形态及演化机制。现代理论技术创新的不断结合，使物理模拟实验装置不断改进，模拟过程和结果实现了二维到三维的转变，使地质构造演化过程研究从半定量分析向定量转化，对复杂地质体尤其是非层状、不连续地质体内部及顶底界面构造形态特征的研究具有重要理论及实践意义。

伴随上述转变与发展，近年来，国内各科研院所和高校不断对物理模拟实验装置进行研制与改进，实现了物理模拟实验设备的新突破。单家增对构造物理模拟实验装置进行了多次改进，于1994年设计出了尺寸为70 cm×40 cm×15 cm的物理模拟装置，对泥底辟构造的演化模拟有了新认识；2004年设计出了裂谷演化实验装置和右行走滑构造变形实验装置，研究模拟了营口—佟二堡断裂带成因机制；同年，设计完成SWM-01型三维构造物理模拟实验装置，并模拟探讨了对称褶皱和不对称褶皱的成因机制。中国石油大学(华东)自主研发的SG2000型多功能地质构造物理模拟装置，针对不同应力作用形成的地质体和构造形态进行模拟，实验结果可半定量-定量地表明其形成时期和受控力的变化。中国地质大学(武汉)也在物理模拟实验技术领域取得了新突破，可实现存在张、压、剪、旋扭、隆起等多个复杂应力场的物理模拟实验。

本文使用山东中石大石仪科技有限公司2016年研制的DGU-Ⅰ型地质构造模拟实验装置(见图1)，该套实验装置包含层面拉压、伸展、挤压、帚状、旋钮、底辟、箕状等构造物理模拟仪，可满足平面和剖面物理模拟的需求。以下将以层面拉压物理模拟仪及其应用为例进行探讨。

层面拉压物理模拟仪可满足在平面和剖面上观察拉伸或挤压条件下形成的地质构造。其具体可用于在电脑操控下实施模拟地层在挤压和拉伸状态下岩浆对地层的作用现象，玻璃挡板与壳体底板形成的空间中可分层填砂，在两端的驱动组件作用下，可进行拉伸和挤压操作，通过钢化玻璃板观察模拟地层的变化规律。亦可通过内部的喷嘴，模拟在岩浆喷出状态下地层的变化规律。在模型底部布置有加热带，通过温控系统进行加热，可在要求的温度下进行实验研究。同时与之配套的摄像系统还包括了摄像头、计算机信息处理与采集软件模组等，满足了实验模拟的图像，装置参数采集等方面的需求，可对层面拉压模型的过程进行连续拍照，并有计算机进行数据采集、回放等。

图1 层面拉压物理模拟仪

2 物理模拟实验在构造地质学中的应用实例

2.1 黄岛地区NW向断裂物理模拟实验

目前，构造物理模拟实验装置已广泛应用于断裂构造的形成、演化及成因机制研究。此处，以黄岛地区NW向断裂为例，通过物理模拟实验再现了研究区NW向断裂的发育演化，进而深入探讨了物理模拟实验在构造地质学中的应用。

黄岛地区NW向断裂主要位于蒋家店子—赵家河村一带、西屯—山隋—南茔村一带(见图2)，主要包括蒋家店子断裂(F1)、大楼村断裂(F2)和赵家河断裂(F3)3条NW向断裂。依据区内断裂的产状要素，建立了三维地质模型(见图3)。模拟实验中，充分考虑相似性条件，选取石英砂、湿黏土、凡士林、弹性布等作为实验材料。实验模型整体尺寸为80 cm×20 cm×15 cm，模型相似系数为3.1×10-6。为使实验结果便于观察，分别采用深浅不一的石英砂模拟不同时代地层。前期研究表明，黄岛地区NW向断裂是在胶东半岛晚白垩世左旋主应力体制基础上形成，而牟平—青岛断裂带左旋走滑具有明显的分段特性，北段强，南段弱，形成NW-SE向拉张应力场[4]。以此力学背景为依据，实验进行时，通过两侧平流泵施加力源(图4)，平流泵拉伸速率分3个阶段：0～10 min平流泵拉伸速度为0.65 cm/min，11～21 min平流泵拉伸速度为0.57 cm/min，22～79 min平流泵拉伸速度为0.18 cm/min。实验进行多组，此处笔者仅选取拟合程度最好的一组进行讨论。实验历时79 min，实验结果如图5所示。

图2 黄岛地区区域构造位置

图3 黄岛地区NW向断裂地质模型

图4 物理模拟实验示意图

(a) 黄岛地区NW向断裂平面物理模拟实验结果

(b) 黄岛地区NW向断裂AA′剖面物理模拟实验结果

2.2 实验结果分析与应用

实验结果较好地再现了黄岛地区NW向断裂的发育演化及空间展布。实验进行至8 min、19 min和61 min时，实验模型自西向东依次出现了F1、F2、F33条断裂，断层走向均为NW向。依据时间相似比，上述断裂形成时间分别对应晚白垩世、古新世和第四纪，半定量—定量厘定了黄岛地区NW向断裂的发育演化阶段，与前期测年研究成果吻合[4]。沿AA′方向(剖面位置详见图2，图5a、b)对实验结果洒水切片，可见剖面中自SW向NE方向依次展布F1、F2、F33条断裂，倾向均为SW，倾角均较大，F3倾角略小于F1和F2，与前期研究成果吻合较好[17]。实验结果进一步证实，黄岛地区NW向断裂在成因机制上主要受控于NW-SE向拉张，牟平—青岛断裂带分段式左旋走滑是产生研究区NW-SE向拉张应力场的主要因素。

3 结 语

(1) 物理模拟实验应用于断裂和盆地研究已经历近200年的历程，是研究构造演化和成因机制卓有成效的方法和手段，目前已实现了从二维到三维、从定性到定量的重要转变。

(2) 物理模拟实验在黄岛地区NW向断裂研究中取得了较好的应用效果。实验结果半定量-定量厘定了黄岛地区NW向断裂的发育演化经历了晚白垩世、古新世和第四纪等强烈活动时期，成因机制上主要受控于NW-SE向拉张应力场。