第12章 构造物理模拟及实例分析

平衡剖面方法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2/1/20231构造物理模拟实验及实例分析2/1/20232一、构造物理模拟实验简介二、车古201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的物理模拟

2/1/20233定义：构造物理模拟是在研究构造变形力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。

它始于19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。它能够再现人们在自然界中已无法观察到的构造变形过程。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。

构造物理模拟实验2/1/20234基本原理：一、构造变形过程（除地震）的特点是时间长，变形量大。大量研究结果表明其主要受几何因数的控制(模型边界条件、应变方式和应变量)，因此实验中基本上不考虑模型的应力大小(Braun,1994;McClay,1995)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

构造物理模拟实验通常模拟实验的一分钟相当于自然界中10-100Ma，2/1/20235构造物理模拟实验作用：

1）综合变形几何学和动力学的特点，构造变形物理模拟可以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，对于理论研究和指导生产都有很大的帮助和启发。2）在油区构造解析中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。2/1/20236⑴相似原则：即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。⑵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。⑶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。⑷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。⑸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。2/1/20237构造物理模拟实验一般采取以下八个步骤⑴地质分析，确定构造原型。⑵分析控制构造原型的主要因素。⑶根据原型几何尺寸及所采用的实验方法，确定模型比例尺。⑷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。⑸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。⑹记录模拟实验过程，及时分析实验结果。⑺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⑵、⑷、⑸、⑹、⑺步，甚至对第⑴步作进一步的工作。⑻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。2/1/20238按模拟实验的功能和驱动方式分为两类：

一、平台式变形装置：可以进行包括挤压、伸展、剪切和拱升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，也可以进行松散材料的实验。特点是实验过程中模型所处的重力加速度为1g。

二、离心机模拟实验装置：其特点是能对模型施加大于1g以上的重力加速度（最高可达2000g），这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。2/1/20239石油大学构造变形物理模拟综合实验仪构造物理模拟实验2/1/202310组合及驱动方式构造物理模拟实验2/1/202311实验参数实验材料：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2/1/202312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，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2/1/202313一、构造物理模拟实验简介二、车古201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的物理模拟

2/1/202314车古201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2/1/202315沈阳--维坊断裂带黄骅—东明断裂带霸县-束鹿-邯郸断裂带2/1/2023162/1/202317车古201潜山位置地质概况：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。2/1/202318剖面特征2/1/202319

潜山的古生界平面特征2/1/202320存在构造问题1、断阶带潜山的形成机制a、主断层产状对潜山的影响b、断块如何残留2、断陷中逆断层的形成机制c、逆断层是在伸展中形成？d、存在一个挤压期？2/1/202321实验资料分析车古201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。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层的。由此我们推测：车古201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-坪式的形状下形成的。2/1/202322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NE-SW向，所以如形成逆断层应为NW-SE向，而非NE-SW向。从中生代末期始不存在挤压期，所以潜山中的单条切割到新生代的NE-SW向逆断层有可能是在伸展过程中产生的。2/1/202323实验模型设计装置如上图(模型比例尺为1:50000)。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19cm(位于活动档板处)，伸展位移速率约为3.8×10-3s-1cm。。2/1/202324实验过程2/1/202325实验过程2/1/202326实验过程2/1/202327实验过程2/1/202328实验过程2/1/202329实验结果解释(D为伸展量，①d=0cm②d=6cm③d=12cm④d=15cm⑤d=19cm图中白线为解释断层)2/1/202330实验结果与实际剖面对比2/1/202331实验结果分析结果与实际剖面具有较高的相似性：

a、在主边界断层的坡-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

b、后期移动到沉降中心处的高角度逆断层c在活动端的断陷斜坡上出现的正向多米诺式断层

d、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构造运动演化过程。

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2/1/202332总体特点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-坪式）。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，属于正断层上盘变形和基底不均匀伸展的复合类型。2/1/202333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2/1/202334

最终作出了合理的构造演化平衡剖面2/1/202335结论1．车古201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由正断层倒转形成的3．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2/1/202336一、构造物理模拟实验简介二、车古201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的物理模拟

2/1/202337Harding.M(1985)认为，对一特定构造来说，构造反转系指构造极性从原先的低地形变为高地形，或从原先的高地形变为低地形，在更大规模上的这种转变则被称为盆地反转；反转构造是一种叠加、复合构造，依反转构造的尺度可分为断层的反转，盆地的反转。按反转的性质分为正反转构造和负反转构造反转构造2/1/202338正反转构造：是指正断层系统控制的地堑、半地堑构造受到挤压作用后发生褶皱和逆冲构造变形。

正反转构造发育演化图(周祖翼，1994)2/1/202339负反转构造：是指逆断层及其相关的隆起受到引张作用后发生伸展构造变形，原来的相对隆起的构造部位发生沉降。负反转构造发育演化图2/1/202340

渤海湾新生代盆地区(省)构造轮廓简要图沈阳--维坊断裂带黄骅—东明断裂带霸县-束鹿-邯郸断裂带2/1/202341辽河盆地构造纲要图2/1/202342InLine2866InLine2866InLine16002/1/202343L1600部面特征2/1/202344L1600剖面构造演化中生代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2/1/202345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？主动盘是上盘还是下盘？走滑分量在其中的作用大小？存在的构造问题2/1/202346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式，断层的倾角一般在30～60度之间(走滑断层除外)，所以实验中作为刚性边界的下盘模块的断面角度α依次取30°、45°、60°；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，在后期反转时由右侧马达驱动下盘作为主动盘进行挤压。2/1/202347两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，2/1/202348第一期实验结果(伸展量均为6cm，边界断层a=30°；b=45°；c=60°)2/1/202349第一组第二期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第二期左侧挤压时实验结果(挤压量均为6cm，边界断层a=30°；b=45°；c=60°)

2/1/202350第二期左侧挤压时实验结果(挤压量均为6cm