三維掃描技術(shù)在構(gòu)造物理模擬中的應(yīng)用
——以瓊東南盆地為例

楊庚兄，尹宏偉，朱繼田，汪 偉，熊小峰，李長圣，3

（1.南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京210023；2.中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東湛江524057；3.東華理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，南昌330013）

0 引 言

構(gòu)造物理模擬實驗最早由James Hall 提出［1］，Hubbert提出了地質(zhì)模擬過程中的比例相似理論，該理論使模擬實驗研究由定性到定量化。物理模擬的另一次巨大飛躍是在20 世紀(jì)80 年代，特別是建立了巖石圈板塊尺度的模型模擬大規(guī)模地質(zhì)過程。近幾年來，隨著數(shù)字技術(shù)進(jìn)步與現(xiàn)代理論技術(shù)創(chuàng)新的不斷結(jié)合，物理模擬實驗裝置不斷改進(jìn)，模擬過程和結(jié)果分析實現(xiàn)了二維到三維的轉(zhuǎn)變。照相或攝像的方法是構(gòu)造物理模擬過程的最傳統(tǒng)且常用的記錄方式，但其存在以下問題：①照片或錄像結(jié)果無法實現(xiàn)數(shù)字化；② 測量結(jié)果為二維平面，體現(xiàn)不出地形地貌特征；③ 斷裂與地形地貌的關(guān)系難以體現(xiàn)；④無法獲得實驗體內(nèi)部特征；⑤在實驗室內(nèi)易受光線干擾，規(guī)模較小的斷裂可能因光線而屏蔽；⑥無法實現(xiàn)動力學(xué)過程的分析。近20 年來，新技術(shù)開始在構(gòu)造模擬實驗室引進(jìn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)拍照記錄的不足。目前國內(nèi)外構(gòu)造物理模擬實驗室除了沿用傳統(tǒng)的相機(jī)定時拍照方式之外，采用最多的記錄方式有粒子測速系統(tǒng)（PIV）全程記錄、光纖光柵系統(tǒng)（FBG）全程監(jiān)測、三維掃描系統(tǒng)全程掃描。此外，為了再現(xiàn)變形過程中內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，CT 掃描技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到了物理模擬實驗中。在一些實驗室中，研究人員將相似模型置于CT 掃描儀中，從而能夠?qū)崟r觀察模型內(nèi)部的變形。該方法費用昂貴，目前還沒有廣泛應(yīng)用于物理模擬，但其巨大的潛力一定可以使該技術(shù)在未來的物理模擬中發(fā)揮更大的作用。新技術(shù)在構(gòu)造物理模擬實驗室的引入使得模擬結(jié)果的分析結(jié)果更加可靠，應(yīng)用更加多樣。

近年來，大多數(shù)構(gòu)造模擬實驗室逐漸配備了地形測量裝置，如激光掃描儀、立體攝影測量、條紋投影測量等，在物理模擬實驗分析中發(fā)揮了重要作用［2］。本文以瓊東南盆地為例，用三維掃描技術(shù)對實驗過程進(jìn)行了定量化測量。掃描得到的點集建立曲面，由此生成虛擬的實驗表面。這種方法使模擬表面被正確地輪廓化、可視化。掃描結(jié)果中包含了所有主要的和許多次要的斷層的同時，還反映出地表高程的起伏變化，可利用表面清晰的斷裂走向和高程變化對構(gòu)造和相關(guān)斷層的演化進(jìn)行研究，在研究瓊東南盆地的構(gòu)造演化、形成機(jī)制等方面發(fā)揮了重要作用。

1 三維掃描技術(shù)原理

本文使用的3DSS（Three Dimentional Sensing System）三維掃描儀是上海數(shù)造機(jī)電科技有限公司研發(fā)生產(chǎn)的三維數(shù)字化設(shè)備。它能對物體進(jìn)行高速高密度掃描，輸出三維點云供進(jìn)一步后處理。3DSS是一種非接觸掃描設(shè)備，能對任何材料掃描，如工件、模型、模具、雕塑、人體等，用于逆向工程，工業(yè)設(shè)計、檢測、三維動畫、文物數(shù)字化等。

3DSS的基本原理是：采用一種結(jié)合結(jié)構(gòu)光技術(shù)、相位測量技術(shù)、計算機(jī)視覺技術(shù)的復(fù)合三維非接觸式測量技術(shù)。測量時光柵投影裝置投影數(shù)幅特定編碼的結(jié)構(gòu)光到待測物體上，成一定夾角的兩個攝像頭同步采得相應(yīng)圖像，然后對圖像進(jìn)行解碼和相位計算，并利用匹配技術(shù)、三角形測量原理，解算出兩個攝像機(jī)公共視區(qū)內(nèi)像素點的三維坐標(biāo)。采用這種測量原理，使對物體進(jìn)行照相測量成為可能，所謂照相測量，就是類似于照相機(jī)對視野內(nèi)的物體進(jìn)行照相，不同的是照相機(jī)攝取的是物體的二維圖像，而3DSS 三維掃描儀獲得的是物體的三維信息，是一種面掃描技術(shù)，具有掃描速度快、非接觸式工作、數(shù)據(jù)信息豐富、高精度、高密度等特點。

2 三維掃描技術(shù)在構(gòu)造物理模擬中的應(yīng)用

2.1 地質(zhì)背景

瓊東南盆地位于南海北部大陸邊緣西北部，是新生代形成的北東向伸展盆地。其范圍約西起108°51′E，東至114°41′E，北起18°50′N，南到17°00′N。東西長290 km，南北寬約181 km，面積約60 000 km2［3］。盆地西部以1 號斷裂為界與鶯歌海盆地分隔，東部由神狐隆起與珠江口盆地分開，北部為海南隆起，南部與西沙隆起相鄰［4］。在平面上，自北向南可劃分為北部隆起區(qū)、中央坳陷區(qū)和南部隆起區(qū)3 個一級構(gòu)造單元。盆地東部和西部在凹陷分布和內(nèi)部斷裂構(gòu)造方向表現(xiàn)出明顯的構(gòu)造差異［5］。盆地東部和西部凹陷的平面展布方向不同：盆地東部的松南凹陷、寶島凹陷、長昌凹陷和松南低凸起呈EW向展布，西部的崖南-陵水低凸起、樂東-陵水凹陷為NE 向展布。二級、三級斷層走向由西向東從NNE逐漸過渡為EW走向，在過渡區(qū)甚至發(fā)育NW向斷裂（見圖1）。

瓊東南盆地的研究最早開始于1990 年［6］，前人對該區(qū)做了大量工作，近年來，在沉積學(xué)和地層學(xué)［7］、構(gòu)造演化分析［8-9］、油氣成藏分析［10］、成因機(jī)制［11］等方面的研究取得新的突破。上述研究，初步建立了瓊東南盆地斷裂系統(tǒng)幾何學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)的基本框架，但對于瓊東南盆地斷裂系統(tǒng)的形成機(jī)制和演化特征還未得到系統(tǒng)、完善的研究和認(rèn)識。目前，基底先存構(gòu)造對瓊東南盆地的復(fù)雜斷裂系統(tǒng)的影響作用仍研究較少，基底先存構(gòu)造薄弱帶與瓊東南盆地的形態(tài)及其復(fù)雜的斷裂系統(tǒng)有何聯(lián)系，盆地內(nèi)斷裂在平面上東西部差異分布是否受先存構(gòu)造薄弱帶幾何形態(tài)控制等需要進(jìn)一步探究。

2.2 實驗設(shè)計

實驗儀器主要組成部分為沙箱和兩個施力電缸，沙箱由透明玻璃板組成，其高度和寬度固定（見圖2（a），2（b））。兩個施力電缸從沙箱兩側(cè)對砂箱施加應(yīng)力。其運移速度按需要任意設(shè)定。構(gòu)造物理模擬實驗中材料的選取也至關(guān)重要，不同的材料對模擬結(jié)果有不同的影響，使用干燥石英砂模擬脆性巖層的做法最廣泛［12］。與前人物理模擬實驗一樣，實驗采用干燥石英砂來模擬上地殼脆性地層。松散石英砂粒徑在200～400 μm，其抗張強(qiáng)度接近為零，變形特性遵循摩爾-庫倫破裂準(zhǔn)則，破裂內(nèi)摩擦角約20°，聚合強(qiáng)度約200 Pa。非常接近地殼淺部沉積地層的脆性變形行為。仿照前人的做法［13］，模型中底面鋪設(shè)一層嵌有彈力布的無伸縮帆布傳遞位移，彈力布模擬構(gòu)造薄弱帶，帆布模擬不發(fā)生基底變形的區(qū)域。物理模擬的關(guān)鍵是模型與原型之間的相似性問題。實驗?zāi)Ｐ驮诙啻蟪潭壬吓c原型具有可比性是模擬實驗成敗的重要判據(jù)［14］。上述實驗符合幾何學(xué)相似、運動學(xué)相似和動力學(xué)相似。

圖1 瓊東南盆地構(gòu)造區(qū)域劃分（地貌特征修編自文獻(xiàn)［4，7］，斷裂系統(tǒng)修編自CNOOC）

考慮到基底邊界與盆地形態(tài)及其內(nèi)部斷裂系統(tǒng)的特征密切相關(guān)。根據(jù)瓊東南盆地邊界走向變化特征，可將其分為中西部和中東部兩個區(qū)域。在中西部，盆地南北邊界的走向為NE向且大致平行；在中東部，盆地邊界為EW向，整體上呈“八”字形（見圖1），兩個區(qū)域斷裂走向具有明顯的差異性。為此，據(jù)瓊東南盆地的邊界走向變化設(shè)置了多組模型，本文中僅展示與地質(zhì)原型最為符合的模型結(jié)果。模型中將彈力布邊界走向與應(yīng)力垂直的區(qū)域稱為垂向區(qū)（中西部），與應(yīng)力斜交的區(qū)域稱為斜向區(qū)（中東部）（見圖2（c））。

圖2 實驗裝置示意圖和模型

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 實驗結(jié)果

實驗頂面的演化過程如圖3 所示，拉伸過程中先沿著先存構(gòu)造薄弱帶的幾何邊界發(fā)育兩條邊界斷裂，在斷裂帶內(nèi)部離邊界斷裂較近的兩側(cè)各發(fā)育一個地塹，中間形成地壘（見圖3（a））。隨著進(jìn)一步拉伸，構(gòu)造帶的拉分寬度增大，兩邊的地塹構(gòu)造也隨之變寬，斷裂逐漸從邊界發(fā)育至中心，在地壘上形成多條次級斷裂（圖3（a）～3（c））。圖中清楚地顯示斷裂在垂向區(qū)和斜向區(qū)的差異性分布。在垂向區(qū)，內(nèi)部的次級斷裂的走向與邊界斷裂一致，均與拉伸方向垂直，斷裂帶走向一致，并形成“兩隆三凹”格局；在斜向區(qū)，出現(xiàn)兩組不同方向的斷裂，一組與拉伸方向垂直，而另一組則平行于邊界斷裂，即與拉伸方向斜交。該區(qū)內(nèi)部斷裂發(fā)育方向基本與拉伸方向垂直，靠近邊界處發(fā)育與邊界平行的斷裂，說明在該模型下斷裂走向受伸展方向與先存邊界的共同控制，最終為“一隆兩凹”格局。在基底發(fā)生轉(zhuǎn)向的位置，發(fā)育構(gòu)造轉(zhuǎn)換帶，調(diào)節(jié)斷裂傾向或走向發(fā)生變化時的位移，以凸起構(gòu)造為主，將兩側(cè)凹陷隔開。

圖3 模擬結(jié)果（mm）（a）拉伸1.08 cm 激光掃描結(jié)果；（b）拉伸1.80 cm 激光掃描結(jié)果；（c）拉伸2.16 cm激光掃描結(jié)果；（d）拉伸3.00 cm激光掃描結(jié)果

3.2 結(jié)果分析

實驗中也用了傳統(tǒng)的拍照記錄手段（見圖4（a）），其主要缺點是無法將地形表面數(shù)字化、輪廓化，拍攝的照片易受光線干擾，在統(tǒng)計斷層規(guī)模及數(shù)量時易出現(xiàn)誤差，但在單側(cè)照明的情況下，通過斷層的明暗狀況可判斷斷層傾向。而三維掃描結(jié)果則不受光線影響，斷裂的走向、規(guī)模等特征在掃描結(jié)果（見圖3）中清晰明了。所以結(jié)合這兩種記錄手段對模擬結(jié)果中的斷層解譯時，即能保證數(shù)量及走向的正確性，還能準(zhǔn)確標(biāo)定斷層傾向。解譯結(jié)果中（見圖4（b））斷裂的不同顏色代表不同傾向，黑色表示左側(cè)邊界斷裂傾向及斷陷內(nèi)部與其傾向相同的斷裂；白色表示右側(cè)邊界斷裂傾向及斷陷內(nèi)部與其傾向相同的斷裂。

圖4 實驗結(jié)果平面斷層線性解釋

解譯結(jié)果表明，瓊東南盆地中復(fù)雜的斷裂系統(tǒng)并非是不同的構(gòu)造背景下不同伸展方向所形成的產(chǎn)物。由拉伸方向和先存構(gòu)造薄弱帶共同控制的一系列斷層首先在薄弱帶邊界發(fā)育然后向構(gòu)造帶內(nèi)部傳播，構(gòu)造帶中斷裂走向東西部差異性分布現(xiàn)象受控于先存構(gòu)造薄弱帶的走向變化。在南海擴(kuò)張背景下的斷陷期作為盆地的主要斷裂發(fā)育期，可認(rèn)為在這期間受基底先存構(gòu)造薄弱帶幾何形態(tài)的影響，盆地中東西部斷裂帶走向差異分布，“東西分段”的特征已經(jīng)形成。

實驗頂面的掃描結(jié)果中地形起伏特征一目了然，瓊東南盆地隆起和凹陷在相對位置和數(shù)量上與實驗的掃描結(jié)果有很好的對應(yīng)關(guān)系（見圖5）。在模擬結(jié)果的垂向區(qū)“三隆兩凹”的特征（見圖5）與瓊東南盆地中西部地形特征相符，物理模擬的演化過程（見圖3）顯示這種地形特征是由最初的“地塹-地壘-地塹”結(jié)構(gòu)經(jīng)進(jìn)一步拉張發(fā)育而來的。在斜向區(qū)，仍為“地塹-地壘-地塹”結(jié)構(gòu)（見圖5），而實際在瓊東南中東部發(fā)育一個大規(guī)模的凹陷——長昌凹陷（見圖1）?；诃倴|南的演化歷史，不難解釋這種現(xiàn)象，瓊東南盆地在40 Ma之后區(qū)域應(yīng)力場方向由NW-SE 向轉(zhuǎn)變?yōu)镹-S 向，而在本文中僅僅模擬了40 Ma 之前的單一方向，所以長昌凹陷可能是在“地塹-地壘-地塹”構(gòu)造的基礎(chǔ)上經(jīng)過N-S向的進(jìn)一步拉伸，應(yīng)力集中區(qū)北遷使位于北側(cè)的地塹進(jìn)一步變寬變深形成的巨大凹陷。構(gòu)造轉(zhuǎn)換帶上由于斷裂方向的改變，地形地貌較東西部復(fù)雜，起初的構(gòu)造轉(zhuǎn)換帶在平面上為一個弧形的地壘構(gòu)造（圖3（a）），經(jīng)進(jìn)一步演化，形成多個次級相間的地壘地塹構(gòu)造，形成現(xiàn)今的松濤凸起、松南凹陷、松南低凸起、北礁凹陷。

圖5 模擬結(jié)果地形解譯圖

由此看來，三維掃描技術(shù)非常有利于研究區(qū)構(gòu)造特征和演化過程的研究。這種方法使表面能夠被正確地輪廓化、可視化，生成虛擬的實驗表面，包含了所有主要的和許多次要的斷層的同時，還反映出地表高程的起伏變化。通過分析掃描結(jié)果中的斷層發(fā)育特征和地形地貌特征，分析研究區(qū)的構(gòu)造特征和演化過程的研究方法，在物理模擬實驗分析中起重要作用。

4 結(jié) 語

三維掃描技術(shù)在研究瓊東南盆地復(fù)雜的斷裂系統(tǒng)及凹隆構(gòu)造的演化過程中發(fā)揮了重要作用。結(jié)合相機(jī)拍照和三維掃描的記錄方法，通過分析和解譯，明確了瓊東南盆地復(fù)雜斷裂的成因及凹隆構(gòu)造的演化過程。由此看來三維掃描技術(shù)在構(gòu)造物理模擬實驗中的應(yīng)用非常有利于研究斷裂系統(tǒng)特征及凹隆構(gòu)造的演化過程。

利用三維掃描技術(shù)對構(gòu)造物理實驗表面掃描得到的點集建立曲面，由此生成虛擬的實驗表面的成像技術(shù)，使表面能夠被正確地輪廓化、可視化，包含了所有主要的和許多次要的斷層的同時，還反映出地表高程的起伏變化?？衫帽砻媲逦臄嗔炎呦蚝透叱套兓瘜?gòu)造和相關(guān)斷層的演化進(jìn)行研究。其高精度、高密度、高效、便捷和獲取的數(shù)據(jù)量大這幾個特點，是傳統(tǒng)測量技術(shù)不能比擬的。但同時也需要認(rèn)識到內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重要性，因此，結(jié)合CT技術(shù)、PIV技術(shù)等分析內(nèi)部構(gòu)造演化的方法才能對構(gòu)造模擬實驗進(jìn)行全面、系統(tǒng)的解譯。