趙仕俊 李曉東

(中國(guó)石油大學(xué)石油儀器研究所 山東東營(yíng))

地質(zhì)構(gòu)造常規(guī)物理模擬實(shí)驗(yàn)方法研究＊

趙仕俊 李曉東

(中國(guó)石油大學(xué)石油儀器研究所 山東東營(yíng))

文章提出了剖面伸展/擠壓、平面伸展/擠壓,平面剪切,組合伸展擠壓剪切四種基本的地質(zhì)構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?討論了地質(zhì)構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷南嗨菩詥?wèn)題。指出了一般地質(zhì)構(gòu)造變形均可用這四種基本模型進(jìn)行模擬。所設(shè)計(jì)的地質(zhì)構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)了對(duì)模型的自動(dòng)加載和實(shí)驗(yàn)過(guò)程控制,對(duì)實(shí)驗(yàn)載荷、位移變化、實(shí)驗(yàn)溫度等實(shí)驗(yàn)參數(shù)的實(shí)時(shí)采集記錄,對(duì)變形過(guò)程的圖像記錄與回放,規(guī)范了地質(zhì)構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)方法。所做的松散介質(zhì)剖面伸展/擠壓物理模擬等四種實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了地質(zhì)構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置的可靠性和實(shí)用性。

地質(zhì)構(gòu)造;物理模型;模擬實(shí)驗(yàn);相似條件;實(shí)驗(yàn)裝置

0 引 言

地質(zhì)構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)是以地質(zhì)構(gòu)造形變研究為基礎(chǔ),模擬各種構(gòu)造現(xiàn)象的形成過(guò)程,觀察他們?cè)谧冃芜^(guò)程中各個(gè)階段所表現(xiàn)的形態(tài)特征。深入研究構(gòu)造變形的力學(xué)機(jī)制、發(fā)生過(guò)程、變形特征,對(duì)于分析地質(zhì)構(gòu)造成因,推定工業(yè)礦藏存在,模擬礦藏結(jié)構(gòu)都是很有意義的。為此,必須建立完整而科學(xué)的地質(zhì)構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)手段。由于常規(guī)物理模擬實(shí)驗(yàn)因其直觀形象等特點(diǎn)被應(yīng)用于地質(zhì)構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)研究的各個(gè)方面,作者通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的分析[1～3],利用相似分析方法給出了物理模型設(shè)計(jì)的相似條件,提出了四種基本物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?完成了地質(zhì)構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)制作,通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了地質(zhì)構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置的可靠性和實(shí)用性,其研究成果可供同行參考,謬誤之處懇請(qǐng)同行指正。

1 物理模擬實(shí)驗(yàn)的相似性問(wèn)題

1.1 相似準(zhǔn)則

在地質(zhì)構(gòu)造物理模型的相似分析中,我們把它抽象為動(dòng)力相似問(wèn)題進(jìn)行討論,并導(dǎo)出模型的幾何相似、時(shí)間相似、運(yùn)動(dòng)相似、動(dòng)力相似和材料相似等相似準(zhǔn)則如以下各式[4]。

CP為力相似倍數(shù),Cρ為密度相似倍數(shù),CE彈性模量相似倍數(shù),Ct為時(shí)間相似倍數(shù),CL為幾何相似倍數(shù)。

式(2)指出,當(dāng)模型材料選定,即Cρ、CE被確定,幾何相似倍數(shù)CL確定后,則時(shí)間相似倍數(shù)Ct便由式(2)的關(guān)系所確定,不能再任意選取。同樣式(1)指出,這時(shí)力的相似倍數(shù)CP也被確定。進(jìn)一步分析表明,模型實(shí)驗(yàn)遵守這些條件時(shí),模型與原形在慣性力和彈性力方面是相似的,模型與原形在慣性力和重力方面是不相似的。有了最基本的相似倍數(shù)關(guān)系式(1)和(2)式后,描述動(dòng)力相似的其它物理量的相似倍數(shù)便可導(dǎo)出,如頻率相似倍數(shù)、速度相似倍數(shù)、加速度相似倍數(shù)、摩擦系數(shù)的相似倍數(shù)等。

1.2 相似參數(shù)的確定

1.2.1 幾何相似

幾何相似是地質(zhì)構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)首先要考慮的問(wèn)題。所設(shè)計(jì)的模型尺寸不僅要滿足通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到的幾何變形量能夠清楚的反映相應(yīng)的地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象,同時(shí)還要便于儀器的加工裝配,實(shí)驗(yàn)操作。因此,一般把模型最大尺寸限定在100 mm～1 000 mm內(nèi),其幾何相似比取CL=1.5×107,相當(dāng)于自然條件下研究區(qū)的展布范圍約為1 500 km～15 000 km。

1.2.2 材料相似

在自然界巖石形變現(xiàn)象中或?qū)嶒?yàn)室內(nèi)的模擬過(guò)程,都可觀察到具有彈性、塑性、脆性三種屬性的形變現(xiàn)象。在選擇實(shí)驗(yàn)材料時(shí),除了研究巖石本身的物理力學(xué)性和形態(tài)變化特征外,還要研究巖石的成巖歷史、巖相在橫向和縱向上的變化。深入研究實(shí)驗(yàn)材料的相似特性,是追求構(gòu)造物理模擬最大相似的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容。地質(zhì)構(gòu)造模擬實(shí)驗(yàn)可選的材料:(1)濕粘土;(2)凡士林油、石蠟材料;(3)橡皮泥或油灰材料;(4)橡皮條與紙條;(5)松散介質(zhì)材料通常選用的材料有石膏粉、滑石粉、細(xì)砂、金剛砂、炭灰、各種顏料等;(6)脆性材料包括松香、脆漆、玻璃、硬石膏、水泥塊以及野外采回的巖石標(biāo)本等;(7)塑性材料—塑化松香由松香和增塑劑松節(jié)油按不同比例混合而成[1、5、6]。

1.2.3 時(shí)間相似

時(shí)間相似是指在進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)所用時(shí)間與地質(zhì)構(gòu)造形變過(guò)程的時(shí)間的近似,一般所采用的時(shí)間相似比Ct=2.15×104～6.80×109,表示模型中的1 h約相當(dāng)于自然條件下的2.5～776000a。在我們的設(shè)計(jì)中,由于采用液壓系統(tǒng)作為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源,因此極易實(shí)現(xiàn)其時(shí)間的要求。取速度相似比Cv=698～0.0022,若邊界的推進(jìn)速度約為50 mm/a,按照速度相似比Cv推算,相當(dāng)于模型中的推進(jìn)速度約為0.000 008 2～2.6 mm/h。在地質(zhì)構(gòu)造模擬實(shí)驗(yàn)中,同一性質(zhì)的材料,由于實(shí)驗(yàn)推進(jìn)速度不同,卻可得到完全不同的結(jié)果。對(duì)于大多數(shù)材料,在緩慢的作用力下可產(chǎn)生塑性形變,而快速擠壓下則可成為脆性形變。

1.2.4 動(dòng)力相似

不論在野外還是在實(shí)驗(yàn)室,一種構(gòu)造形式或一個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ退磻?yīng)的形態(tài)變化,都可以認(rèn)為是受了力的作用的結(jié)果。對(duì)于實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠?lái)說(shuō),通常是如水平擠壓、垂向壓力、剪切作用或幾種力量的聯(lián)合作用,力的作用形式容易判斷,其作用過(guò)程和力的大小是可以測(cè)量和記錄的。絕大多數(shù)的構(gòu)造形式都可以看作是一個(gè)低速緩慢的過(guò)程,可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的作用力的大小和相似系數(shù)推算所模擬的構(gòu)造變形力的大小,但事實(shí)上還是不能認(rèn)為這個(gè)力就是實(shí)際引起構(gòu)造變形的力。

1.2.5 邊界相似

邊界相識(shí)是模擬實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)重要相似條件,要做到真正相似尤其困難,因?yàn)樵偷倪吔鐥l件幾乎就無(wú)法準(zhǔn)確界定,實(shí)驗(yàn)中只能取簡(jiǎn)化的邊界相似條件。在我們的設(shè)計(jì)中,取長(zhǎng)度相似比CL=1.5×107,模型長(zhǎng)度D=160 mm,寬度b=20 mm～24 mm,若延性層厚度hd=7 mm～12 mm,脆性上層厚度hb=0.3 mm～0.7 mm,這相當(dāng)于自然條件下研究區(qū)的展布范圍約為2 400 km,驅(qū)動(dòng)邊界長(zhǎng)度為300 km～360 km,巖石圈延性層和脆性上層的厚度分別約為105 km～180 km和4.5 km～10.5 km;強(qiáng)度相似比Cσ=2.27×107,若上部地殼強(qiáng)度按平均100 MPa取值,則模型中上層脆性材料的強(qiáng)度要求為4.41 Pa。

我們認(rèn)為,幾何相似、動(dòng)力相似、材料相似和邊界相似是反映地質(zhì)構(gòu)造本質(zhì)的主要相似條件,時(shí)間相似、運(yùn)動(dòng)相似和其它相似條件是反映地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象的次要相似條件。地質(zhì)構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛑庇^定性的解釋基本的地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象,有針對(duì)性地模擬特定的地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象并給以定性分析解釋。

2 構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)[7、8]

2.1 物理模型設(shè)計(jì)

目前對(duì)各種地質(zhì)構(gòu)造類型的物理模擬方法,不外乎是不同的材料組合,在給定邊界條件下,或者伸展,或者擠壓,或者剪切,或者是他們的復(fù)合作用[1、2、5]。因此,我們可以根據(jù)各種不同的復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象,抽象出基本的簡(jiǎn)約的地質(zhì)構(gòu)造模型,建立對(duì)應(yīng)的力學(xué)模型,用這些基本的模型實(shí)驗(yàn)來(lái)推演各種不同的復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象。通過(guò)我們的研究,只需按照相似原理設(shè)計(jì)剖面伸展/擠壓、平面伸展/擠壓,平面剪切,復(fù)合伸展擠壓剪切四種基本的物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?用不同的材料組合,在給定邊界條件下,即可模擬各種不同的復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象。

2.1.1 物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置技術(shù)參數(shù)

物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置技術(shù)參數(shù)是根據(jù)前面討論的相似比關(guān)系和機(jī)電設(shè)計(jì)的實(shí)際要求確定的。剪切與拉伸(壓縮)速度:10 mm/h～15 mm/h(可以更小);剪切與拉伸(壓縮)載荷≤200 KN;最大剪切角≤45°±0.5°;加熱溫度:常溫-90℃;最大變形量:單向100 mm,雙向200 mm;最大載荷:200 kN。

2.1.2 物理模型設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

地質(zhì)構(gòu)造模擬實(shí)驗(yàn)方法及實(shí)驗(yàn)儀器的研究與實(shí)現(xiàn),合理應(yīng)用了相似理論來(lái)指導(dǎo)地質(zhì)構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)。它采用了模塊化方法設(shè)計(jì)地質(zhì)構(gòu)造模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?利用液壓技術(shù)、電子技術(shù)、智能控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)模型的自動(dòng)加載和實(shí)驗(yàn)過(guò)程控制;利用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)載荷、位移變化、實(shí)驗(yàn)溫度等實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集記錄;利用計(jì)算機(jī)圖像采集與處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)地質(zhì)構(gòu)造模擬實(shí)驗(yàn)的構(gòu)造變形過(guò)程記錄,并可以不同的速度回放這一過(guò)程,研究人員可任意提取某一幀圖像進(jìn)行分析處理等;地質(zhì)構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)得到規(guī)范化,便于實(shí)驗(yàn)操作,可獲得豐富的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),在很大程度上改進(jìn)了地質(zhì)構(gòu)造模擬實(shí)驗(yàn)方法,提高地質(zhì)構(gòu)造模擬實(shí)驗(yàn)的技術(shù)水平[7、8]。

2.2 應(yīng)用軟件需求分析及代碼測(cè)試

地質(zhì)構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)滿足以下需求:(1)具有實(shí)驗(yàn)參數(shù)的輸入功能;(2)具有系統(tǒng)調(diào)試、監(jiān)測(cè)、安全保護(hù)功能;(3)具有數(shù)據(jù)采集與處理功能;(4)具有圖像采集與處理功能;(5)具有溫度控制和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的剪切角控制功能;(6)具有關(guān)于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖像的數(shù)據(jù)庫(kù)管理功能;(7)具有數(shù)據(jù)、圖像和參數(shù)趨勢(shì)曲線的實(shí)時(shí)顯示功能;(8)具有報(bào)表與圖形輸出功能;(9)軟件代碼采用VB6.O程序語(yǔ)言編寫;(10)軟件采用模塊化的程序設(shè)計(jì)方法,界面美觀,使用簡(jiǎn)單可靠。

代碼測(cè)試采用有程序員,測(cè)試人員和用戶的三方測(cè)試,保證了軟件的可靠性。

3 構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)討論

所做的松散介質(zhì)剖面伸展擠壓物理模擬實(shí)驗(yàn)如圖1所示,可以觀察到擠壓作用下的背斜構(gòu)造、伸展作用下蓋層中的拉張構(gòu)造形式及發(fā)展規(guī)律和反復(fù)伸展擠壓作用下的不整合構(gòu)造;所做的濕粘土的組合伸展剪切物理模擬實(shí)驗(yàn)如圖2所示,可以觀察到在伸展剪切作用下,大的斷裂構(gòu)造的形式及發(fā)展規(guī)律;所做的白水泥平面擠壓實(shí)驗(yàn)如圖3所示,可以觀察到平面擠壓作用下,“X”破裂的表現(xiàn)形式;所做的濕粘土平面伸展剪切實(shí)驗(yàn)如圖4所示,實(shí)現(xiàn)了模擬地層壓力作用下成某一角度的剪切變形。

圖1 剖面伸展/擠壓模型實(shí)驗(yàn)

圖2 組合伸展剪切模型實(shí)驗(yàn)圖

圖3 平面擠壓模型實(shí)驗(yàn)

圖4 平面剪切模型實(shí)驗(yàn)

4 結(jié) 論

1)按照相似原理設(shè)計(jì)的剖面伸展/擠壓、平面伸展/擠壓,平面剪切,復(fù)合伸展擠壓剪切四種基本的物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?用不同的材料組合,在給定邊界條件下,可以模擬各種不同的復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象。

2)在做地質(zhì)構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)時(shí)要強(qiáng)化反映地質(zhì)構(gòu)造本質(zhì)特性的主要相似條件,弱化那些反映地質(zhì)構(gòu)造一般現(xiàn)象的次要相似條件,地質(zhì)構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛑庇^定性的解釋基本的地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象,有針對(duì)性地模擬特定的地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象并給以定性分析解釋。

3)地質(zhì)構(gòu)造模擬實(shí)驗(yàn)方法及實(shí)驗(yàn)儀器的研究,實(shí)現(xiàn)了對(duì)模型的自動(dòng)加載和實(shí)驗(yàn)過(guò)程控制;實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖像的計(jì)算機(jī)采集與處理,在很大程度上改進(jìn)地質(zhì)構(gòu)造模擬實(shí)驗(yàn)方法,提高地質(zhì)構(gòu)造模擬實(shí)驗(yàn)的技術(shù)水平。驗(yàn)證了地質(zhì)構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置的可靠性和實(shí)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

本研究課題為“石油大學(xué)(華東)211工程建設(shè)”項(xiàng)目?jī)?nèi)容。

趙仕俊,男,1957年生,博士,高級(jí)工程師,2010年畢業(yè)于北京科技大學(xué)機(jī)電檢測(cè)技術(shù)博士專業(yè),現(xiàn)在中國(guó)石油大學(xué)石油儀器研究所從事地學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)研究。郵編:257061

2010-09-09編輯:梁保江)