構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)在資源勘查工程本科教育中的應(yīng)用及意義

金文正，丁文龍，樊 春

1．中國地質(zhì)大學(xué)（北京）　能源學(xué)院，北京　100083；2．海相儲層演化與油氣富集機(jī)理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100083

構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)在資源勘查工程本科教育中的應(yīng)用及意義

金文正1，2，丁文龍1，2，樊 春1，2

1．中國地質(zhì)大學(xué)（北京）能源學(xué)院，北京100083；2．海相儲層演化與油氣富集機(jī)理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083

摘 要：本文簡述了構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)的基本原理及國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和實(shí)際應(yīng)用情況，認(rèn)為與地質(zhì)構(gòu)造變形特征及其演化的相關(guān)課程是資源勘查工程專業(yè)重要的基礎(chǔ)課程，而構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)是講授專業(yè)理論的有效展示工具，同時也是培養(yǎng)學(xué)生掌握構(gòu)造變形特征及演化的一種有效工具。建議將構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)適當(dāng)增加到教學(xué)環(huán)節(jié)中，這樣能夠?qū)⒄n堂上的理論知識進(jìn)行動態(tài)展示，有助于學(xué)生消化和吸收，也會有助于增強(qiáng)學(xué)生的動手實(shí)踐能力，對學(xué)生的綜合能力培養(yǎng)具有較大的推動作用。

關(guān)鍵詞：構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)；資源勘查工程；綜合能力；課程

地質(zhì)構(gòu)造變形特征及演化與礦產(chǎn)資源（包括固體礦產(chǎn)資源及石油天然氣資源等）的富集具有密不可分的聯(lián)系，多年來一直是資源勘查工程專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容。在以往該專業(yè)的本科教學(xué)中，多數(shù)以課堂教學(xué)為主，輔以課后綜合大作業(yè)以及野外地質(zhì)實(shí)習(xí)。雖然這樣的教學(xué)方案能夠讓學(xué)生在一定程度上認(rèn)識和了解各種構(gòu)造變形特征和構(gòu)造演化模式，但是不能將各知識點(diǎn)以動態(tài)的和形象化的方式對學(xué)生進(jìn)行講述，造成學(xué)生對不同構(gòu)造變形的理解多限于表面分析，即幾何學(xué)分析，而較難對構(gòu)造變形的運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)進(jìn)行深入理解。筆者根據(jù)資源勘查工程本科專業(yè)的教學(xué)實(shí)際，認(rèn)為將目前已經(jīng)發(fā)展較為成熟的構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)適當(dāng)加入構(gòu)造變形特征及演化相關(guān)教學(xué)，對學(xué)生的知識掌握水平具有較大的推動作用。

一、構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)及其發(fā)展現(xiàn)狀

1．基本概念

由于構(gòu)造變形過程一般都要經(jīng)歷漫長的時間過程，現(xiàn)今只能看到巖石變形的最終結(jié)果，并不能真正觀察到整個變形過程，因而很多學(xué)生對涉及到構(gòu)造變形的許多重要問題都無法理解。于是，采用實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠砟M構(gòu)造變形，以便能夠?qū)ψ匀唤缰兴^察不到的構(gòu)造變形過程開展分析和研究。所以，構(gòu)造模擬實(shí)驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)通過物理裝置模擬自然界中各種地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象變形特征、成因機(jī)制和動力學(xué)過程的一種實(shí)驗(yàn)方法。構(gòu)造物理模擬是目前研究構(gòu)造變形過程與成因機(jī)制最為有效的手段，能夠有效地幫助地質(zhì)學(xué)家認(rèn)識構(gòu)造變形過程并研究構(gòu)造形成機(jī)制。構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)涉及到構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、巖石力學(xué)、石油地質(zhì)學(xué)、材料力學(xué)、彈性力學(xué)、塑性力學(xué)、流變學(xué)等多門學(xué)科，是一門綜合性邊緣學(xué)科[1-2]。

2．構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)展現(xiàn)狀

在石油地質(zhì)研究中，構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)作為一種獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)方法，可以在實(shí)驗(yàn)室條件下再現(xiàn)含油氣構(gòu)造體系的形成和演化過程[3-4]，追蹤它們形成的動力學(xué)成因機(jī)制。此外，在工程地質(zhì)學(xué)中，通過物理模擬實(shí)驗(yàn)研究，可以真實(shí)地再現(xiàn)其構(gòu)造形變過程和特征，通過研究基巖的巖石類型、構(gòu)造格架、斷裂與地震活動性，從而確定地基穩(wěn)定與否。另外，構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)還可以在地震預(yù)報、成層礦產(chǎn)的預(yù)測及勘探、脈狀礦體的預(yù)測及勘探等方面進(jìn)行輔助性研究[1,5]。

多年來，由于含油氣盆地構(gòu)造研究方面增加了大量勘探資料等輔助和驗(yàn)證，構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)在伸展構(gòu)造、擠壓構(gòu)造、走滑構(gòu)造、反轉(zhuǎn)構(gòu)造、鹽構(gòu)造等研究領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，不斷有新的研究成果問世[6-13]。

我國的構(gòu)造物理模擬研究和相關(guān)教學(xué)工作也取得了較大發(fā)展，可以模擬多種應(yīng)力背景下的構(gòu)造變形特征和構(gòu)造演化（圖1）。中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所、國家地震局地質(zhì)研究所、中國石油大學(xué)、中國地質(zhì)大學(xué)（北京）以及其他一些地質(zhì)院校和石油公司都在該領(lǐng)域開展了積極探索并取得了顯著的研究成果。同時，其中部分單位也將構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)用于相關(guān)的教學(xué)中，比如中國石油大學(xué)（北京）、中國地質(zhì)大學(xué)（北京）。

圖1　中國地質(zhì)大學(xué)（北京）多功能地質(zhì)構(gòu)造模擬裝置

二、構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)在資源勘查工程本科專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

1．構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)是講授專業(yè)理論的有效展示工具

（1）資源勘查工程本科專業(yè)培養(yǎng)目的及方案。

資源勘查工程專業(yè)涉及知識面廣、實(shí)踐性強(qiáng)，與生產(chǎn)實(shí)際結(jié)合緊密，要求學(xué)生在學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、外語、計(jì)算機(jī)等基礎(chǔ)課程的基礎(chǔ)上，主要學(xué)習(xí)基礎(chǔ)地質(zhì)、應(yīng)用地質(zhì)和現(xiàn)代資源勘查技術(shù)等方面的基本理論和基礎(chǔ)知識，能夠接受資源地質(zhì)調(diào)查和找礦勘查室內(nèi)外工作等方面的基本訓(xùn)練，具有綜合分析研究區(qū)域地質(zhì)與礦產(chǎn)地質(zhì)特征、礦產(chǎn)分布規(guī)律及工業(yè)價值，進(jìn)行資源評價與礦產(chǎn)資源管理等方面的基本能力，其中，培養(yǎng)學(xué)生對構(gòu)造變形及其演化的時空概念對于資源勘查工程專業(yè)來說十分重要。

通過對國內(nèi)相關(guān)高校本專業(yè)課程調(diào)研，不難發(fā)現(xiàn)目前該專業(yè)需要學(xué)習(xí)的主要專業(yè)課程有礦物巖石學(xué)、古生物地層學(xué)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)等，此外還有實(shí)踐性學(xué)習(xí)。其中與地質(zhì)構(gòu)造變形與演化相關(guān)的課程主要有石油構(gòu)造分析、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、石油地質(zhì)學(xué)、含油氣盆地分析、中國大地構(gòu)造學(xué)綱要、地震地質(zhì)綜合解釋等，在各個高校的課程設(shè)置中均占有重要地位。

2．構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生構(gòu)造變形及演化的一種有效工具

筆者通過實(shí)際教學(xué)發(fā)現(xiàn)，面向資源勘查工程（能源）專業(yè)的“石油構(gòu)造分析”課程和面向石油工程專業(yè)的“油藏構(gòu)造分析”課程，如果讓學(xué)生更為清楚、直觀地理解和掌握構(gòu)造變形及其演化，僅僅根據(jù)課堂教學(xué)并不能滿足要求，這就要求在適當(dāng)章節(jié)中，加入構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)可以根據(jù)教學(xué)大綱、課時數(shù)量、學(xué)生數(shù)量、場地情況等設(shè)置為不同的教學(xué)方式，比如教師演示實(shí)驗(yàn)、學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)、主題性實(shí)驗(yàn)、自創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)、改進(jìn)型實(shí)驗(yàn)等，實(shí)踐證明，這樣的教學(xué)方式對于學(xué)生對不同構(gòu)造變形樣式的理解和掌握具有很好的推動作用。

比如在講授“伸展構(gòu)造變形”章節(jié)中，不僅需要介紹伸展構(gòu)造樣式的基本概念和類型，更要分析不同伸展構(gòu)造的特征以及形成條件、成因機(jī)制、演化序列，并且需要剖析各構(gòu)造類型在油氣成藏過程中的影響，如果在課堂的理論知識講授之后，加以實(shí)際構(gòu)造變形的物理模擬（圖2-a），則會讓學(xué)生更加清楚地了解伸展構(gòu)造變形樣式及其演化特征。同樣，在其他構(gòu)造變形分析的章節(jié)中，同樣可以通過物理模擬對理論教學(xué)進(jìn)行較好的補(bǔ)充，比如走滑構(gòu)構(gòu)造的物理模擬中，可以讓學(xué)生清楚地觀察到在構(gòu)造應(yīng)力作用下，地質(zhì)體的整體變形過程（圖2-b），并可以通過實(shí)測分析在變形的不同階段，地質(zhì)體中斷裂（或者裂縫）的形成和分布特征。

圖2　構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果——構(gòu)造變形樣式

此外，塑性地層的流變特征會使其上下地層的構(gòu)造變形具有一定的差異性，并加大了地震剖面解釋工作和構(gòu)造變形分析的難度，如果在課堂理論教學(xué)的基礎(chǔ)上，配以實(shí)驗(yàn)?zāi)M，則會讓學(xué)生更好地理解和掌握此部分內(nèi)容（圖3）。

圖3　塑性地層在構(gòu)造變形過程中對上下地層構(gòu)造變形的影響

3．構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)在教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用

（1）實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置。以我院資源勘查工程本科生專業(yè)必修課“石油構(gòu)造分析”為例，在此課程的學(xué)習(xí)中，學(xué)生對構(gòu)造變形及其演化的理解還多限于老師上課的講解和多媒體的展示。教學(xué)大綱要求在詳細(xì)介紹含油氣盆地內(nèi)構(gòu)造樣式的概念和分類基礎(chǔ)上，重點(diǎn)講授伸展、壓縮、走滑、反轉(zhuǎn)、底辟、潛山披覆等構(gòu)造樣式的基本特征、成因及分布規(guī)律，分析不同構(gòu)造樣式伴生的油氣圈閉類型、與油氣聚集的關(guān)系則為課程教學(xué)的基本內(nèi)容。在不同構(gòu)造變形樣式和演化的章節(jié)中分別加入實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)（表1），則會明顯提高教學(xué)效果。

（2）實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，應(yīng)該根據(jù)班級人數(shù)來確定上課方式，其中主要包括班級分組、各組實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图皵?shù)量以及是否需要占用課余時間等多方面。筆者根據(jù)實(shí)際教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為每組5個人比較合適，這樣的人數(shù)能夠使得每個組員都具有不同的分工，具有較好的學(xué)習(xí)效果。如果每次實(shí)驗(yàn)課針對一種構(gòu)造變形樣式開展，大約120分鐘（2學(xué)時）內(nèi)完成主要實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕⒑蜆?gòu)造變形實(shí)驗(yàn)，所以如果一個班級有30名同學(xué)，除了第一組同學(xué)可以占用正常上課時間外，其他組的同學(xué)需要在課余時間完成物理模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)。

表1　“石油構(gòu)造分析”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)置情況

（3）學(xué)生考核方式。對學(xué)生的有效考核是教學(xué)過程中重要的環(huán)節(jié)之一。根據(jù)此物理模擬實(shí)驗(yàn)特征，可以以組為單位，讓學(xué)生完成綜合實(shí)驗(yàn)報告，其中配以實(shí)驗(yàn)過程中主要圖片和文字說明。根據(jù)學(xué)生在平時實(shí)驗(yàn)過程中的表現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，綜合評定成績，作為該課程結(jié)業(yè)成績的一部分。

三、結(jié)束語

資源勘查工程專業(yè)的教學(xué)中，關(guān)于地質(zhì)構(gòu)造變形特征及其演化的內(nèi)容是重要的內(nèi)容之一，目前各相關(guān)高校已經(jīng)基本上形成了較為系統(tǒng)和完善的課程理論體系和相應(yīng)的教學(xué)大綱，但是目前該方面教學(xué)總體上以課堂教學(xué)為主，而構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)環(huán)節(jié)能夠有效對課堂上講述的理論進(jìn)行有效的動態(tài)展示，能夠使得相關(guān)地質(zhì)構(gòu)造理論更加有效地被學(xué)生消化和吸收，是對理論知識的一種有益補(bǔ)充和完善，同時有助于學(xué)生形成發(fā)散思維和空間思維，有利于對其他相關(guān)課程的學(xué)習(xí)。此外，在教學(xué)中適當(dāng)輔以構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，有助于增強(qiáng)學(xué)生的動手實(shí)踐能力，對學(xué)生的綜合能力培養(yǎng)具有較大的推動作用。

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中圖分類號：G642

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1006-9372 （2013）04-0016-04

收稿日期：2013-03-28；修回日期：2013-07-09。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41002072）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（2652010095，2652011127，2652011306）；地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題基金項(xiàng)目（GPMR2011）。

作者簡介：金文正，男，講師，主要從事石油地質(zhì)和含油氣盆地分析專業(yè)方向的教學(xué)和科研工作。

Structural Physical Simulation and Its Signif i cance on Undergraduate Education in the Major of Resource Exploration Engineering

JIN Wen-zheng1,2, DING Wen-long1,2, FAN Chun1,2
1.China University of Geosciences, Beijing 100083, China; 2.Key Laboratory of Marine Reservoir Evolution and Hydrocarbon Accumulation Mechanism, Ministry of Education, Beijing 100083, China

Abstract：A brief description of basic principles about structural physical simulation and its development status and actual application condition was presented. It is concluded that some curriculums about structural deformation and its geological evolution are basic courses. And structural physical simulation experiment is an effective tool for teaching professional theories, a perfect method for training students to master the tectonic deformation and its evolution as well. It is advised that the structural physical simulation should be added to relevant knowledge teaching, which will make the theoretical knowledge displayed vividly and understood by students easily. Meanwhile it can enhance the experiment ability and plays a promoting role for cultivating the student’s comprehensive abilities.

Key words：structural physical simulation; resource exploration engineering; comprehensive ability; curriculum