第12章 构造物理模拟及实例分析

1、 要准确再现盆地的古构造面貌，平衡地质剖面法则非常有效。利用现今的剖面构造反演恢复剖面上的古地质构造，进而勾绘古地质构造平面图，对于寻找油气藏具有重要的意义 遵循三原则：a体积不变；b岩层厚度不变；c各标志层长度一致 选取剖面地震解释时深转换选取钉线选择标志层去压实校正剖面上断块内的平衡恢复整条剖面的恢复平衡判断平衡恢复最终恢复剖面是否一、构造物理模拟实验简介构造物理模拟实验简介二、车古车古201201潜山的构造物理实验模拟潜山的构造物理实验模拟三、辽河盆地西部凹陷北带正反转构造三、辽河盆地西部凹陷北带正反转构造的物理模拟的物理模拟 定义：定义：构造物理模拟是在研究构造变形力构造物理模拟是在研

2、究构造变形力学机理的基础上发展起来的，用实验模型学机理的基础上发展起来的，用实验模型来再现构造变形过程的一种研究方法。来再现构造变形过程的一种研究方法。 它始于它始于1919世纪初，是帮助地质学家认识构造世纪初，是帮助地质学家认识构造变形过程、研究构造形成机制的重要方法。它能变形过程、研究构造形成机制的重要方法。它能够再现人们在自然界中已无法观察到的构造变形够再现人们在自然界中已无法观察到的构造变形过程。过程。 现在从模型设计到材料的运用均已经趋于成现在从模型设计到材料的运用均已经趋于成熟。在含油气盆地构造研究中也取得较好成效。熟。在含油气盆地构造研究中也取得较好成效。构造物理模拟实验构造物理

3、模拟实验基本原理：基本原理：一、构造变形过程（除地震）的特点是构造变形过程（除地震）的特点是时间长，变形量时间长，变形量大大。大量研究结果表明其主要受几何因数的控制。大量研究结果表明其主要受几何因数的控制(模模型边界条件、应变方式和应变量型边界条件、应变方式和应变量)，因此实验中基本，因此实验中基本上不考虑模型的应力大小上不考虑模型的应力大小(Braun,1994;Mc Clay,1995)二、模拟的基本原则：二、模拟的基本原则： 1相似原则； 2选择原则； 3分解原则 4逐步近似原则； 5统计的原则构造物理模拟实验构造物理模拟实验通常模拟实验的一分钟相当于自然界中10-100Ma， 作用：作

4、用： 1） 综合变形几何学和动力学的特点，构造变综合变形几何学和动力学的特点，构造变形物理模拟可以形物理模拟可以重现构造变形演化史，从而可重现构造变形演化史，从而可清楚解释其形成机制和形成过程清楚解释其形成机制和形成过程，对于理论研，对于理论研究和指导生产都有很大的帮助和启发。究和指导生产都有很大的帮助和启发。2 2）在油区构造解析中）在油区构造解析中可重现含油气盆地构造可重现含油气盆地构造变形过程，了解其形成和演化的运动学和动力变形过程，了解其形成和演化的运动学和动力学机理，为地质、地球物理资料的综合解释提学机理，为地质、地球物理资料的综合解释提供地质构造模型。供地质构造模型。 相似原则：即

5、实验模型与研究对象必须符合相似原理，只有符合这一原则，实验结果才能对研究对象作出正确的解释。 选择原则：影响构造变形的可能因素很多，往往无法同时满足相似原则，因此只能选择考虑其中主要因素的相似原则。 分解(分离)原则：如果同时考虑所有的因素，模型的设计就会变得十分复杂，需要采取分解的原则，即设计多组实验，每一组实验只考虑一个因素而固定其它因素，在分解研究各个因素的基础上进行综合分析，以达到简化模型设计的目的。 逐步近似(逼近)原则：自然界的条件很复杂，实验室条件有时只能做到大致相似，并随着认识的发展和实验条件的改善逐步逼近相似。 统计的原则：模型实验所获得的结论是纯经验的，特别是每个实验不可能

6、保证条件精确相同，因此需要从统计的角度来评价它的可信度与准确度。 构造物理模拟实验一般采取以下八个步骤 地质分析，确定构造原型。 分析控制构造原型的主要因素。 根据原型几何尺寸及所采用的实验方法，确定模型比例尺。 根据构造变形条件与原型的岩石力学性状，选择合适的相似材料。 根据地质和地球物理资料分析所推断的原型受力方式与约束条件，确定模型的加载方式与边界几何条件。 记录模拟实验过程，及时分析实验结果。 分析实验结果与天然实体的相似程度。若达不到要求，可重复第、步，甚至对第步作进一步的工作。 合理地将实验结果用于解释实际问题。以上8个步骤构成了“从实际中来到实际中去”的循环。按模拟实验的功能和驱

7、动方式分为两类： 一、平台式变形装置：一、平台式变形装置：可以进行包括可以进行包括挤压、伸展、挤压、伸展、剪切和拱升剪切和拱升等多种形式构造变形的模拟，既可以采用等多种形式构造变形的模拟，既可以采用软材料（如粘土、硅泥等）进行实验，也可以进行松软材料（如粘土、硅泥等）进行实验，也可以进行松散材料的实验。特点是散材料的实验。特点是实验过程中模型所处的重力加实验过程中模型所处的重力加速度为速度为1g1g。 二、离心机模拟实验装置：二、离心机模拟实验装置：其特点是其特点是能对模型施能对模型施加大于加大于1g1g以上的重力加速度以上的重力加速度（最高可达（最高可达2000g2000g），这），这类装置

8、对于模拟底辟构造尤其有用，但这类装置制造类装置对于模拟底辟构造尤其有用，但这类装置制造成本偏高。成本偏高。构造物理模拟实验构造物理模拟实验构造物理模拟实验构造物理模拟实验 实验材料：粒径0.2-0.3mm的松散石英砂，其 抗张强度接近于零，变形特性符合 库仑准则，与地壳浅层次岩石的变 形特性相似 边 界：刚性边界聚苯模块自由边界无 基 底：刚性基底玻璃、薄板、聚苯板 塑性基底橡皮(可伸展、收缩) 构造物理模拟实验构造物理模拟实验构造物理模拟实验的步骤构造物理模拟实验的步骤 根据含油气区地震勘探所获的构造资料分析盆地（包括全盆地的主边界条件和次级盆地的边界几何条件）根据各级盆地的系列砂箱实验结果

9、，了解几何条件对 构造形成特征的一般控制规律，探讨构造的形成规律 通过实验结果和地质实际对照，选择最佳相似方案，进一步改进实验设计并证伪相反的变形方式，提出构造演化机制、运动学解释 根据各级盆地边界几何条件设计系列砂箱实验模型，研究在不同边界性质（如自由边界与刚性边界）、不同运动方向及运动方式（包括均匀与非均匀运动、单侧与双侧运动等）条件下形成的剖面构造样式和平面展布特征及三维变化规律一、构造物理模拟实验简介构造物理模拟实验简介二、车古车古201201潜山的构造物理实验模拟潜山的构造物理实验模拟三、辽河盆地西部凹陷北带正反转构造三、辽河盆地西部凹陷北带正反转构造的物理模拟的物理模拟 2022-

10、5-815车古车古201201潜山的构造物理实验模拟潜山的构造物理实验模拟 构造特征 存在问题 实验设计及结果 讨论及结论2022-5-816沈阳-维坊断裂带黄骅东明断裂带霸县-束鹿-邯郸断裂带2022-5-8172022-5-818车古201潜山位置地质概况：地质概况：v位于车镇凹陷北部的陡坡带车西洼陷与大王北洼陷的交界处v处于车3鼻状构造(NNW-SSE走向)的主体部位，以它为主构成了富台油田。2022-5-819剖面特征2022-5-820潜山的古生界平面特征2022-5-821存在构造问题存在构造问题1、断阶带潜山的形成机制、断阶带潜山的形成机制 a、主断层、主断层产产状状对潜山的影响

11、对潜山的影响 b、断块、断块如何如何残留残留2、断断陷中逆断层的形成机制陷中逆断层的形成机制 c、逆断层是在伸展中形成？、逆断层是在伸展中形成？ d、存在一个挤压期？、存在一个挤压期？2022-5-822实验资料分析v车古车古201201潜山位于主控断层的断阶带上，本区缺少基底隆起潜山位于主控断层的断阶带上，本区缺少基底隆起的证据，所以排除了断层下盘隆起形成潜山的可能。的证据，所以排除了断层下盘隆起形成潜山的可能。v而单纯的铲式断层则不易形成断块残留；而假如坡坪断层的而单纯的铲式断层则不易形成断块残留；而假如坡坪断层的坡折带处于较高位置，则其在构造过程中是不容易产生逆断坡折带处于较高位置，则其

12、在构造过程中是不容易产生逆断层的。层的。v由此我们推测由此我们推测：车古：车古201201所在的潜山构造带是在凹陷的主控所在的潜山构造带是在凹陷的主控断层产状上部为较平缓的铲式，在深部为坡断层产状上部为较平缓的铲式，在深部为坡- -坪式的形状下坪式的形状下形成的。形成的。2022-5-823v由区域资料来看本区在古生代时是存在挤压期由区域资料来看本区在古生代时是存在挤压期的，但那时的挤压方向是的，但那时的挤压方向是NE-SWNE-SW向，所以如形向，所以如形成逆断层应为成逆断层应为NW-SENW-SE向，而非向，而非NE-SWNE-SW向。向。v从中生代末期始不存在挤压期，所以潜山中的从中生代

13、末期始不存在挤压期，所以潜山中的单条切割到新生代的单条切割到新生代的NE-SWNE-SW向逆断层有可能是向逆断层有可能是在伸展过程中产生的。在伸展过程中产生的。2022-5-824实验模型设计实验模型设计装置如上图装置如上图( (模型比例尺为模型比例尺为 1:50000)1:50000)。实验分为两个阶。实验分为两个阶段，第一期为简单的伸展，后侵蚀剥平；第二期采取同构造段，第一期为简单的伸展，后侵蚀剥平；第二期采取同构造沉积方式加砂，在实验过程中将橡皮自由端固定于模型顶部沉积方式加砂，在实验过程中将橡皮自由端固定于模型顶部平台上，使得在剖面中部产生拉张。模型最大伸展量为平台上，使得在剖面中部产

14、生拉张。模型最大伸展量为19cm(位于活动档板处位于活动档板处)，伸展位移速率约为，伸展位移速率约为3.810-3s-1cm。2022-5-825实验过程实验过程2022-5-826实验过程实验过程2022-5-827实验过程实验过程2022-5-828实验过程实验过程2022-5-829实验过程实验过程2022-5-830实验结果解释 (D为伸展量， d=0cm d=6cm d=12cm d=15cm d=19cm 图中白线为 解释断层)2022-5-831实验结果与实际剖面对比2022-5-832实验结果分析实验结果分析结果与实际剖面具有较高的相似性：结果与实际剖面具有较高的相似性： a

15、a、在主边界断层的坡、在主边界断层的坡-坪上方出现倾角较陡的顺序发育的切坪上方出现倾角较陡的顺序发育的切割古潜山的系列正向正断层形成的断阶带割古潜山的系列正向正断层形成的断阶带 b b、后期移动到沉降中心处的高角度逆断层、后期移动到沉降中心处的高角度逆断层 c c在活动端的断陷斜坡上出现的正向多米诺式断层在活动端的断陷斜坡上出现的正向多米诺式断层 d d、以及沙三段东营组以来沉降中心迁移到剖面中部等。、以及沙三段东营组以来沉降中心迁移到剖面中部等。 这些主要因素与实际剖面基本相同，这基本上代表了本地的这些主要因素与实际剖面基本相同，这基本上代表了本地的构造运动演化过程。构造运动演化过程。 不足

16、：不足： 反向正断层的发育程度和近主断层一侧的滚动背斜的弯曲程反向正断层的发育程度和近主断层一侧的滚动背斜的弯曲程度与实际的相似程度较低。模型与剖面之间的差异应主要由于基度与实际的相似程度较低。模型与剖面之间的差异应主要由于基底伸展位移控制精度所致底伸展位移控制精度所致 2022-5-833总体特点总体特点v潜山构造带的形成是由主断层的产状控制的潜山构造带的形成是由主断层的产状控制的（上部为较平缓的铲式，在深部为坡（上部为较平缓的铲式，在深部为坡- -坪式）。坪式）。v实验模型和演化剖面特征表明断裂过程中带有实验模型和演化剖面特征表明断裂过程中带有显著的基底伸展特征，属于显著的基底伸展特征，属

17、于正断层上盘变形和正断层上盘变形和基底不均匀伸展基底不均匀伸展的复合类型。的复合类型。2022-5-834逆断层的形成机制 实验证明剖面中的单条逆断层是在伸展过程中由正断层倒转而成的2022-5-835 最终作出了合理的构造演化平衡剖面2022-5-836结论1车古车古201201区的主控断层形态具有上部铲式，深部坡区的主控断层形态具有上部铲式，深部坡- -坪式的构造特点，这样的产状特点造就了本区的坪式的构造特点，这样的产状特点造就了本区的潜山构造潜山构造 2靠近主控断层坡折带处的逆断层是在伸展作用下靠近主控断层坡折带处的逆断层是在伸展作用下由正断层倒转形成的由正断层倒转形成的 3本区的复杂构

18、造变形是正断层上盘变形和柔性基本区的复杂构造变形是正断层上盘变形和柔性基底不均匀伸展的复合作用的结果底不均匀伸展的复合作用的结果 一、构造物理模拟实验简介构造物理模拟实验简介二、车古车古201201潜山的构造物理实验模拟潜山的构造物理实验模拟三、辽河盆地西部凹陷北带正反转构造三、辽河盆地西部凹陷北带正反转构造的物理模拟的物理模拟 反转构造反转构造正反转构造发育演化图(周祖翼，1994)负反转构造发育演化图 渤海湾新生代盆地区渤海湾新生代盆地区(省省)构造构造轮廓简要图轮廓简要图沈阳-维坊断裂带黄骅东明断裂带霸县-束鹿-邯郸断裂带InLine2866InLine2866InLine1600中生代

19、末初始裂陷阶段沙三、沙四期深陷旋回沙一、沙二期、东营期再陷旋回馆陶期拗陷阶段 对于反转这种复杂的盆地构造的解释与分析有了更对于反转这种复杂的盆地构造的解释与分析有了更深的认识和见解，但是由于其构造的特殊性和演化的深的认识和见解，但是由于其构造的特殊性和演化的复杂性，对于其变形的分析和形成机制还不是很清楚。复杂性，对于其变形的分析和形成机制还不是很清楚。 主断层产状对反转构造变形的影响大小？主断层产状对反转构造变形的影响大小？ 主动盘是上盘还是下盘？主动盘是上盘还是下盘？ 走滑分量在其中的作用大小？走滑分量在其中的作用大小？模型设计：模型设计： 先存断层的角度作为一个变量，根据安德森的断层形成模

20、式，先存断层的角度作为一个变量，根据安德森的断层形成模式，断层的倾角一般在断层的倾角一般在30306060度之间度之间( (走滑断层除外走滑断层除外) )，所以实验中作为，所以实验中作为刚性边界的下盘模块的断面角度刚性边界的下盘模块的断面角度依次取依次取3030、4545、6060； 依据实验过程中反转期施力方式的不同将实验分为两组，一组依据实验过程中反转期施力方式的不同将实验分为两组，一组为始终由左侧马达驱动基底带动上盘沙层进行伸展和挤压，另一组为始终由左侧马达驱动基底带动上盘沙层进行伸展和挤压，另一组初期由左侧马达驱动基底带动上盘为主动盘伸展，在后期反转时由初期由左侧马达驱动基底带动上盘为

21、主动盘伸展，在后期反转时由右侧马达驱动下盘作为主动盘进行挤压。右侧马达驱动下盘作为主动盘进行挤压。 沙层基底薄板8cm刚性模块驱动马达30cm驱动马达 两组实验初始条件和第一期过程均相同，所以其结果也基本相同(由于实验的随机性，局部小构造有差异)，只描述一组。随着左侧马达驱动带动基底薄板使上盘做伸展变形，沙层断裂下陷，正反方向的断层组合形成了一半地堑构造，但是由于先设边界断层角度的不同，所成地堑也不同， 第一期第一期实验结果实验结果(伸展量均为伸展量均为6cm，边界断层，边界断层a=30；b=45；c=60)第一组第一组第二期第二期实验反转期采用同侧驱动，即左侧档板和基底薄实验反转期采用同侧驱动，即左侧档板和基底薄板带动沙层整体挤压板带动沙层整体挤压 第二期左侧挤压时实验结果第二期左侧挤压时实验结果(挤压量均为挤压量均为6cm，边，边界断层界断层a=30；b=45；c=60) 第二期左侧挤压时实验结果(挤压量均为6cm