地質(zhì)構(gòu)造常規(guī)物理模擬實驗方法研究＊

趙仕俊 李曉東

(中國石油大學(xué)石油儀器研究所 山東東營)

地質(zhì)構(gòu)造常規(guī)物理模擬實驗方法研究＊

趙仕俊 李曉東

(中國石油大學(xué)石油儀器研究所 山東東營)

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)造物理模擬實驗?zāi)Ｐ?討論了地質(zhì)構(gòu)造物理模擬實驗?zāi)Ｐ偷南嗨菩詥栴}。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)計的地質(zhì)構(gòu)造物理模擬實驗裝置實現(xiàn)了對模型的自動加載和實驗過程控制,對實驗載荷、位移變化、實驗溫度等實驗參數(shù)的實時采集記錄,對變形過程的圖像記錄與回放,規(guī)范了地質(zhì)構(gòu)造物理模擬實驗方法。所做的松散介質(zhì)剖面伸展/擠壓物理模擬等四種實驗,驗證了地質(zhì)構(gòu)造物理模擬實驗裝置的可靠性和實用性。

地質(zhì)構(gòu)造;物理模型;模擬實驗;相似條件;實驗裝置

0 引 言

地質(zhì)構(gòu)造物理模擬實驗是以地質(zhì)構(gòu)造形變研究為基礎(chǔ),模擬各種構(gòu)造現(xiàn)象的形成過程,觀察他們在變形過程中各個階段所表現(xiàn)的形態(tài)特征。深入研究構(gòu)造變形的力學(xué)機制、發(fā)生過程、變形特征,對于分析地質(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)造物理模擬實驗方法和實驗手段。由于常規(guī)物理模擬實驗因其直觀形象等特點被應(yīng)用于地質(zhì)構(gòu)造物理模擬實驗研究的各個方面,作者通過對國內(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)計的相似條件,提出了四種基本物理實驗?zāi)Ｐ?完成了地質(zhì)構(gòu)造物理模擬實驗裝置的設(shè)計制作,通過實驗驗證了地質(zhì)構(gòu)造物理模擬實驗裝置的可靠性和實用性,其研究成果可供同行參考,謬誤之處懇請同行指正。

1 物理模擬實驗的相似性問題

1.1 相似準(zhǔn)則

在地質(zhì)構(gòu)造物理模型的相似分析中,我們把它抽象為動力相似問題進(jìn)行討論,并導(dǎo)出模型的幾何相似、時間相似、運動相似、動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,這時力的相似倍數(shù)CP也被確定。進(jìn)一步分析表明,模型實驗遵守這些條件時,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)造物理模擬實驗裝置設(shè)計首先要考慮的問題。所設(shè)計的模型尺寸不僅要滿足通過實驗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,同時還要便于儀器的加工裝配,實驗操作。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)嶒炇覂?nèi)的模擬過程,都可觀察到具有彈性、塑性、脆性三種屬性的形變現(xiàn)象。在選擇實驗材料時,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。深入研究實驗材料的相似特性,是追求構(gòu)造物理模擬最大相似的一個重要研究內(nèi)容。地質(zhì)構(gòu)造模擬實驗可選的材料:(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 時間相似

時間相似是指在進(jìn)行模擬實驗時所用時間與地質(zhì)構(gòu)造形變過程的時間的近似,一般所采用的時間相似比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)計中,由于采用液壓系統(tǒng)作為驅(qū)動動力源,因此極易實現(xiàn)其時間的要求。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)造模擬實驗中,同一性質(zhì)的材料,由于實驗推進(jìn)速度不同,卻可得到完全不同的結(jié)果。對于大多數(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 動力相似

不論在野外還是在實驗室,一種構(gòu)造形式或一個實驗?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。對于實驗中的一個實驗?zāi)Ｐ蛠碚f,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,其作用過程和力的大小是可以測量和記錄的。絕大多數(shù)的構(gòu)造形式都可以看作是一個低速緩慢的過程,可以通過實驗測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,但事實上還是不能認(rèn)為這個力就是實際引起構(gòu)造變形的力。

1.2.5 邊界相似

邊界相識是模擬實驗中的一個重要相似條件,要做到真正相似尤其困難,因為原型的邊界條件幾乎就無法準(zhǔn)確界定,實驗中只能取簡化的邊界相似條件。在我們的設(shè)計中,取長度相似比CL=1.5×107,模型長度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)動邊界長度為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;強度相似比Cσ=2.27×107,若上部地殼強度按平均100 MPa取值,則模型中上層脆性材料的強度要求為4.41 Pa。

我們認(rèn)為,幾何相似、動力相似、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,時間相似、運動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)造物理模擬實驗?zāi)軌蛑庇^定性的解釋基本的地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象,有針對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)造物理模擬實驗裝置的設(shè)計[7、8]

2.1 物理模型設(shè)計

目前對各種地質(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,抽象出基本的簡約的地質(zhì)構(gòu)造模型,建立對應(yīng)的力學(xué)模型,用這些基本的模型實驗來推演各種不同的復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象。通過我們的研究,只需按照相似原理設(shè)計剖面伸展/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驗?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 物理模擬實驗裝置技術(shù)參數(shù)

物理模擬實驗裝置技術(shù)參數(shù)是根據(jù)前面討論的相似比關(guān)系和機電設(shè)計的實際要求確定的。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)計與實現(xiàn)

地質(zhì)構(gòu)造模擬實驗方法及實驗儀器的研究與實現(xiàn),合理應(yīng)用了相似理論來指導(dǎo)地質(zhì)構(gòu)造物理模擬實驗?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計。它采用了模塊化方法設(shè)計地質(zhì)構(gòu)造模擬實驗?zāi)Ｐ?利用液壓技術(shù)、電子技術(shù)、智能控制技術(shù)實現(xiàn)了對模型的自動加載和實驗過程控制;利用計算機數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)對實驗載荷、位移變化、實驗溫度等實驗參數(shù)進(jìn)行實時采集記錄;利用計算機圖像采集與處理技術(shù)實現(xiàn)了對地質(zhì)構(gòu)造模擬實驗的構(gòu)造變形過程記錄,并可以不同的速度回放這一過程,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)造物理模擬實驗得到規(guī)范化,便于實驗操作,可獲得豐富的實驗數(shù)據(jù),在很大程度上改進(jìn)了地質(zhì)構(gòu)造模擬實驗方法,提高地質(zhì)構(gòu)造模擬實驗的技術(shù)水平[7、8]。

2.2 應(yīng)用軟件需求分析及代碼測試

地質(zhì)構(gòu)造物理模擬實驗裝置應(yīng)用軟件設(shè)計滿足以下需求:(1)具有實驗參數(shù)的輸入功能;(2)具有系統(tǒng)調(diào)試、監(jiān)測、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)電機驅(qū)動的剪切角控制功能;(6)具有關(guān)于實驗數(shù)據(jù)和圖像的數(shù)據(jù)庫管理功能;(7)具有數(shù)據(jù)、圖像和參數(shù)趨勢曲線的實時顯示功能;(8)具有報表與圖形輸出功能;(9)軟件代碼采用VB6.O程序語言編寫;(10)軟件采用模塊化的程序設(shè)計方法,界面美觀,使用簡單可靠。

代碼測試采用有程序員,測試人員和用戶的三方測試,保證了軟件的可靠性。

3 構(gòu)造物理模擬實驗討論

所做的松散介質(zhì)剖面伸展擠壓物理模擬實驗如圖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驗如圖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驗如圖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驗如圖4所示,實現(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/擠壓模型實驗

圖2 組合伸展剪切模型實驗圖

圖3 平面擠壓模型實驗

圖4 平面剪切模型實驗

4 結(jié) 論

1)按照相似原理設(shè)計的剖面伸展/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驗?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)造物理模擬實驗的設(shè)計時要強化反映地質(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)造物理模擬實驗?zāi)軌蛑庇^定性的解釋基本的地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象,有針對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)造模擬實驗方法及實驗儀器的研究,實現(xiàn)了對模型的自動加載和實驗過程控制;實驗數(shù)據(jù)和圖像的計算機采集與處理,在很大程度上改進(jìn)地質(zhì)構(gòu)造模擬實驗方法,提高地質(zhì)構(gòu)造模擬實驗的技術(shù)水平。驗證了地質(zhì)構(gòu)造物理模擬實驗裝置的可靠性和實用性。

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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)”項目內(nèi)容。

趙仕俊,男,1957年生,博士,高級工程師,2010年畢業(yè)于北京科技大學(xué)機電檢測技術(shù)博士專業(yè),現(xiàn)在中國石油大學(xué)石油儀器研究所從事地學(xué)計算機應(yīng)用技術(shù)研究。郵編:257061

2010-09-09編輯:梁保江)