基于粒子圖像測(cè)速技術(shù)（PIV）的砂箱物理模擬實(shí)驗(yàn)研究

趙高平++黃瑞++姜磊++張健++丁海峰

摘要：地殼淺表變形受控于多種邊界條件因素的影響，因而具有長(zhǎng)期構(gòu)造演化過程和復(fù)雜的構(gòu)造特征。構(gòu)造物理模擬是研究自然界地質(zhì)變形過程的一種重要的可視化方法，特別是伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，粒子圖像測(cè)速技術(shù)（PIV）在地質(zhì)模擬實(shí)驗(yàn)中越來越發(fā)揮著重要作用。該文以砂箱物理模擬實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，詳細(xì)分析了粒子圖像測(cè)速技術(shù)（PIV）應(yīng)用的方法、過程和技巧，模擬結(jié)果對(duì)于解譯砂箱物質(zhì)變形過程和機(jī)制具有重要意義。

關(guān)鍵詞：粒子圖像測(cè)速（PIV） 砂箱物理模擬 變形機(jī)制 速度場(chǎng)

中圖分類號(hào)：P542 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）07（b）-0000-00

粒子圖像測(cè)速技術(shù)（PIV）是20世紀(jì)80年代隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像處理技術(shù)等發(fā)展起來的一種流動(dòng)測(cè)量與顯示技術(shù)，它的基本原理是：通過在流場(chǎng)中布撒大量的示蹤粒子，把激光束經(jīng)過組合透鏡擴(kuò)束成片光照明流場(chǎng)，使用數(shù)字相機(jī)拍攝流場(chǎng)照片，得到的前后兩幀粒子圖像，對(duì)粒子圖像進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算得到流場(chǎng)一個(gè)切面內(nèi)定量的速度分布[1]。其特點(diǎn)在于它擺脫了以往單點(diǎn)測(cè)試的局限，能夠在不干擾測(cè)試對(duì)象的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)全過程的動(dòng)態(tài)測(cè)量，并得到瞬時(shí)速度場(chǎng)的矢量值。

砂箱構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)可以直觀地再現(xiàn)前陸褶皺沖斷帶的發(fā)生發(fā)展、繼承與改造，因而被國(guó)內(nèi)外眾多地質(zhì)學(xué)者采用。根據(jù)研究對(duì)象的不同和研究思路的差異，砂箱模擬實(shí)驗(yàn)可分為兩類：機(jī)制模型實(shí)驗(yàn)和比例模型實(shí)驗(yàn)。前者是指針對(duì)抽象地質(zhì)模型的實(shí)驗(yàn)?zāi)M，即采用正演的方式，研究分析構(gòu)造變形要素對(duì)變形機(jī)制的控制和影響[2]；后者是指針對(duì)實(shí)際地質(zhì)體的實(shí)驗(yàn)?zāi)M，即采用反演的方式，通過研究某一區(qū)域的地質(zhì)背景，并結(jié)合概念模型實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，提出一個(gè)或多個(gè)地質(zhì)模型，反復(fù)實(shí)驗(yàn)直到與目標(biāo)地質(zhì)體相似，以確定其成因機(jī)制和邊界條件[3]。該文以機(jī)制模型的砂箱物理模擬實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，詳細(xì)分析了粒子圖像測(cè)速技術(shù)（PIV）應(yīng)用的方法、過程和技巧，模擬結(jié)果對(duì)于解譯砂箱物質(zhì)變形過程和機(jī)制具有重要意義。

1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1摩爾-庫(kù)倫破裂準(zhǔn)則

砂箱物理模擬實(shí)驗(yàn)表明，造山帶的演化遵循簡(jiǎn)單的臨界楔理論，即砂箱楔形體在擠壓作用下逐漸積累，并在一定條件下將達(dá)到臨界狀態(tài)。臨界楔理論具有一定的假設(shè)前提：（1）較低或可忽略的內(nèi)聚力強(qiáng)度和符合Coulomb破裂準(zhǔn)則；（2）均值且各向同性的砂體特性；（3）均值摩擦底界特性；（4）砂箱物質(zhì)和溫度等屬性不隨時(shí)間變化。一般而言，楔形體遵循如下公式：

式中，μb 為基底摩擦系數(shù)；?為砂箱物質(zhì)內(nèi)摩擦角。

1.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

實(shí)驗(yàn)所采用的平臺(tái)為南京大學(xué)設(shè)計(jì)研發(fā)的構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)可以模擬擠壓、拉張、走滑等各類構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)材料采用干燥純白石英砂，該石英砂粒徑為0.2～0.4mm，內(nèi)摩擦角為29°～31°，內(nèi)摩擦系數(shù)約為0.55，經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是模擬地殼淺層脆性變形的理想材料[3]。物理模擬實(shí)驗(yàn)的相似性主要是幾何學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)三方面的相似。此次實(shí)驗(yàn)共相似初始邊界條件，石英砂從下到上厚度分別為15mm、10mm、10mm，中間以純紅、藍(lán)干燥石英砂作為標(biāo)志層，表面以純干燥綠色石英砂做標(biāo)志層。實(shí)驗(yàn)采取左端電缸不動(dòng)，通過啟動(dòng)右端電缸作水平單側(cè)向活動(dòng)，對(duì)砂箱水平砂層施加擠壓變形，擠壓速度為V=0.005mm/s。每次擠壓縮的位移量D=500mm。擠壓過程中每擠壓1mm進(jìn)行相機(jī)的拍照記錄，粒子圖像測(cè)速系統(tǒng)（PIV）對(duì)砂箱楔形體的整個(gè)變形過程做全程監(jiān)測(cè)。

2實(shí)驗(yàn)處理

2.1 演化特征研究

實(shí)驗(yàn)結(jié)束得到照片記錄300張，根據(jù)其演化過程和最終構(gòu)造樣式，選取關(guān)鍵點(diǎn)作為處理對(duì)象。砂箱擠壓初始階段，砂箱剖面上表現(xiàn)為一個(gè)平頂背斜的發(fā)育。隨后砂箱剖面產(chǎn)生連續(xù)的三條前展式逆沖斷層，斷層間距較小且產(chǎn)狀一致。伴隨著擠壓作用的進(jìn)行楔形體很快達(dá)到臨界擠壓狀態(tài)。第二階段，擠壓作用繼續(xù)進(jìn)行，砂箱剖面發(fā)育第四條逆沖斷層，且由于砂體后緣的積累導(dǎo)致前緣擴(kuò)展區(qū)發(fā)生剪破裂，因而與先存斷層的間距明顯增大，并在隨后的變形過程中，該條逆沖斷層表現(xiàn)為典型的無序沖斷作用，即斷層并非一直逆沖達(dá)到臨界狀態(tài)，而是與第三條逆沖斷層交替發(fā)育，共同調(diào)節(jié)著砂箱楔形體的穩(wěn)態(tài)。第三階段至擠壓終點(diǎn)，砂體前緣發(fā)育第五條逆沖斷層，且在其發(fā)育過程中，先存斷層四繼續(xù)活動(dòng)，表現(xiàn)出主控主控?cái)鄬犹卣?。而該逆沖斷層的反沖斷層同樣錯(cuò)切先存斷層，導(dǎo)致第二個(gè)沖起構(gòu)造更大的抬升。最終砂箱剖面共發(fā)育5條逆沖斷層，砂箱楔形體表現(xiàn)為“窄而厚”的幾何特征。

2.2 粒子圖像處理

選取對(duì)應(yīng)關(guān)鍵點(diǎn)的粒子圖像記錄是深入分析砂箱楔形體演化過程的前提條件。對(duì)于圖像測(cè)速系統(tǒng)（PIV）儲(chǔ)存的記錄，進(jìn)行速度矢量圖的批量處理，速度場(chǎng)突變界限與形變節(jié)點(diǎn)具有高度一致性，因此特別要注意那些發(fā)生形變時(shí)對(duì)應(yīng)的圖像[4]。打開系統(tǒng)自帶的MicroVec3軟件后，首先打開標(biāo)尺照片，畫定標(biāo)尺和即將處理的對(duì)象區(qū)域，然后輸入標(biāo)尺（單位為毫米）后點(diǎn)擊圖像放大率進(jìn)行像素設(shè)定。設(shè)定完成后便可開始PIV圖像的計(jì)算：打開圖像序列，導(dǎo)入關(guān)鍵點(diǎn)附近的PIV照片（一次可導(dǎo)入32張），并進(jìn)行二次迭代。由于綜合了互相關(guān)計(jì)算以及圖像偏置技術(shù)二者特點(diǎn)，迭代算法結(jié)果比沒有迭代的計(jì)算結(jié)果更為精確，一般經(jīng)過二次迭代即判斷區(qū)像素變化為32→16。迭代完成之后，通過窗口2選擇計(jì)算幀數(shù)（可以逐個(gè)計(jì)算也可以間隔計(jì)算），得到PIV預(yù)處理圖像。點(diǎn)擊保存為數(shù)字格式（.dat）文件。

PIV預(yù)處理的圖像可經(jīng)過Tecplot二次處理：打開Tecplot軟件，選擇描繪工具后成圖，在這里可設(shè)置速度場(chǎng)的向量大小及密度。需要注意的是，向量的調(diào)整盡量保持橫向與縱向的一致性，以保證圖像的清晰和美觀，但不可忽略關(guān)鍵變形點(diǎn)的向量[5]。同樣可在數(shù)字工具欄下設(shè)定標(biāo)尺的單位，單位一般以毫米計(jì)。標(biāo)尺的長(zhǎng)度及大小可在顏色工具欄下進(jìn)行設(shè)定，以達(dá)到每幅圖片標(biāo)尺的一致性。點(diǎn)擊三維圖像設(shè)定可完成圖像由二位向三維的轉(zhuǎn)換。

對(duì)比得到的PIV粒子圖像與砂箱演化照片記錄可知：在第一階段由于后側(cè)擋板的約束作用，砂箱物質(zhì)迅速擠壓并逆沖，粒子速度場(chǎng)保持一致的動(dòng)態(tài)特征，直到砂箱楔形體達(dá)到初始臨界狀態(tài)。第二階段，由于逆沖作用在砂體前緣產(chǎn)生第四條逆沖斷層，而此時(shí)前三條逆沖斷層速度場(chǎng)并未發(fā)生較大變化，表明應(yīng)力-應(yīng)變集中在砂體破裂前緣。第三階段開始至擠壓作用結(jié)束，粒子速度場(chǎng)發(fā)生較雜亂的變化，與第四條逆沖斷層的無序沖斷作用高度吻合。

3結(jié)語

該文通過采用均一介質(zhì)條件下的砂箱物理模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停敿?xì)介紹了粒子圖像測(cè)速技術(shù)（PIV）在砂箱模擬實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用和技巧，解譯了PIV技術(shù)與砂箱物質(zhì)變形過程和構(gòu)造樣式的相關(guān)性。實(shí)驗(yàn)表明：砂箱速度場(chǎng)突變界限與斷層發(fā)育具有高度一致性，速度矢量與砂箱介質(zhì)運(yùn)動(dòng)學(xué)共同揭示了砂箱楔形體動(dòng)態(tài)變性特征。

參考文獻(xiàn)

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