第12章 構(gòu)造物理模擬及實(shí)例分析

平衡剖面方法要準(zhǔn)確再現(xiàn)盆地的古構(gòu)造面貌，平衡地質(zhì)剖面法則非常有效。利用現(xiàn)今的剖面構(gòu)造反演恢復(fù)剖面上的古地質(zhì)構(gòu)造，進(jìn)而勾繪古地質(zhì)構(gòu)造平面圖，對(duì)于尋找油氣藏具有重要的意義遵循三原則：a體積不變；b巖層厚度不變；c各標(biāo)志層長度一致2/1/20231構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)及實(shí)例分析2/1/20232一、構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)簡介二、車古201潛山的構(gòu)造物理實(shí)驗(yàn)?zāi)M三、遼河盆地西部凹陷北帶正反轉(zhuǎn)構(gòu)造的物理模擬

2/1/20233定義：構(gòu)造物理模擬是在研究構(gòu)造變形力學(xué)機(jī)理的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，用實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠碓佻F(xiàn)構(gòu)造變形過程的一種研究方法。

它始于19世紀(jì)初，是幫助地質(zhì)學(xué)家認(rèn)識(shí)構(gòu)造變形過程、研究構(gòu)造形成機(jī)制的重要方法。它能夠再現(xiàn)人們?cè)谧匀唤缰幸褵o法觀察到的構(gòu)造變形過程?，F(xiàn)在從模型設(shè)計(jì)到材料的運(yùn)用均已經(jīng)趨于成熟。在含油氣盆地構(gòu)造研究中也取得較好成效。

構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)2/1/20234基本原理：一、構(gòu)造變形過程（除地震）的特點(diǎn)是時(shí)間長，變形量大。大量研究結(jié)果表明其主要受幾何因數(shù)的控制(模型邊界條件、應(yīng)變方式和應(yīng)變量)，因此實(shí)驗(yàn)中基本上不考慮模型的應(yīng)力大小(Braun,1994;McClay,1995)二、模擬的基本原則：1．相似原則；2．選擇原則；3．分解原則4．逐步近似原則；5．統(tǒng)計(jì)的原則

構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)通常模擬實(shí)驗(yàn)的一分鐘相當(dāng)于自然界中10-100Ma，2/1/20235構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)作用：

1）綜合變形幾何學(xué)和動(dòng)力學(xué)的特點(diǎn)，構(gòu)造變形物理模擬可以重現(xiàn)構(gòu)造變形演化史，從而可清楚解釋其形成機(jī)制和形成過程，對(duì)于理論研究和指導(dǎo)生產(chǎn)都有很大的幫助和啟發(fā)。2）在油區(qū)構(gòu)造解析中可重現(xiàn)含油氣盆地構(gòu)造變形過程，了解其形成和演化的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)機(jī)理，為地質(zhì)、地球物理資料的綜合解釋提供地質(zhì)構(gòu)造模型。2/1/20236⑴相似原則：即實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c研究對(duì)象必須符合相似原理，只有符合這一原則，實(shí)驗(yàn)結(jié)果才能對(duì)研究對(duì)象作出正確的解釋。⑵選擇原則：影響構(gòu)造變形的可能因素很多，往往無法同時(shí)滿足相似原則，因此只能選擇考慮其中主要因素的相似原則。⑶分解(分離)原則：如果同時(shí)考慮所有的因素，模型的設(shè)計(jì)就會(huì)變得十分復(fù)雜，需要采取分解的原則，即設(shè)計(jì)多組實(shí)驗(yàn)，每一組實(shí)驗(yàn)只考慮一個(gè)因素而固定其它因素，在分解研究各個(gè)因素的基礎(chǔ)上進(jìn)行綜合分析，以達(dá)到簡化模型設(shè)計(jì)的目的。⑷逐步近似(逼近)原則：自然界的條件很復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)室條件有時(shí)只能做到大致相似，并隨著認(rèn)識(shí)的發(fā)展和實(shí)驗(yàn)條件的改善逐步逼近相似。⑸統(tǒng)計(jì)的原則：模型實(shí)驗(yàn)所獲得的結(jié)論是純經(jīng)驗(yàn)的，特別是每個(gè)實(shí)驗(yàn)不可能保證條件精確相同，因此需要從統(tǒng)計(jì)的角度來評(píng)價(jià)它的可信度與準(zhǔn)確度。2/1/20237構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)一般采取以下八個(gè)步驟⑴地質(zhì)分析，確定構(gòu)造原型。⑵分析控制構(gòu)造原型的主要因素。⑶根據(jù)原型幾何尺寸及所采用的實(shí)驗(yàn)方法，確定模型比例尺。⑷根據(jù)構(gòu)造變形條件與原型的巖石力學(xué)性狀，選擇合適的相似材料。⑸根據(jù)地質(zhì)和地球物理資料分析所推斷的原型受力方式與約束條件，確定模型的加載方式與邊界幾何條件。⑹記錄模擬實(shí)驗(yàn)過程，及時(shí)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。⑺分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果與天然實(shí)體的相似程度。若達(dá)不到要求，可重復(fù)第⑵、⑷、⑸、⑹、⑺步，甚至對(duì)第⑴步作進(jìn)一步的工作。⑻合理地將實(shí)驗(yàn)結(jié)果用于解釋實(shí)際問題。以上8個(gè)步驟構(gòu)成了“從實(shí)際中來到實(shí)際中去”的循環(huán)。2/1/20238按模擬實(shí)驗(yàn)的功能和驅(qū)動(dòng)方式分為兩類：

一、平臺(tái)式變形裝置：可以進(jìn)行包括擠壓、伸展、剪切和拱升等多種形式構(gòu)造變形的模擬，既可以采用軟材料（如粘土、硅泥等）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，也可以進(jìn)行松散材料的實(shí)驗(yàn)。特點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)過程中模型所處的重力加速度為1g。

二、離心機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)裝置：其特點(diǎn)是能對(duì)模型施加大于1g以上的重力加速度（最高可達(dá)2000g），這類裝置對(duì)于模擬底辟構(gòu)造尤其有用，但這類裝置制造成本偏高。2/1/20239石油大學(xué)構(gòu)造變形物理模擬綜合實(shí)驗(yàn)儀構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)2/1/202310組合及驅(qū)動(dòng)方式構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)2/1/202311實(shí)驗(yàn)參數(shù)實(shí)驗(yàn)材料：粒徑0.2-0.3mm的松散石英砂，其抗張強(qiáng)度接近于零，變形特性符合庫侖準(zhǔn)則，與地殼淺層次巖石的變形特性相似邊界：剛性邊界－聚苯模塊

自由邊界－無基底：剛性基底—玻璃、薄板、聚苯板

塑性基底—橡皮(可伸展、收縮)構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)2/1/202312構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)的步驟

根據(jù)含油氣區(qū)地震勘探所獲的構(gòu)造資料分析盆地（包括全盆地的主邊界條件和次級(jí)盆地的邊界幾何條件）根據(jù)各級(jí)盆地的系列砂箱實(shí)驗(yàn)結(jié)果，了解幾何條件對(duì)構(gòu)造形成特征的一般控制規(guī)律，探討構(gòu)造的形成規(guī)律

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果和地質(zhì)實(shí)際對(duì)照，選擇最佳相似方案，進(jìn)一步改進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)并證偽相反的變形方式，提出構(gòu)造演化機(jī)制、運(yùn)動(dòng)學(xué)解釋

根據(jù)各級(jí)盆地邊界幾何條件設(shè)計(jì)系列砂箱實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停芯吭诓煌吔缧再|(zhì)（如自由邊界與剛性邊界）、不同運(yùn)動(dòng)方向及運(yùn)動(dòng)方式（包括均勻與非均勻運(yùn)動(dòng)、單側(cè)與雙側(cè)運(yùn)動(dòng)等）條件下形成的剖面構(gòu)造樣式和平面展布特征及三維變化規(guī)律2/1/202313一、構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)簡介二、車古201潛山的構(gòu)造物理實(shí)驗(yàn)?zāi)M三、遼河盆地西部凹陷北帶正反轉(zhuǎn)構(gòu)造的物理模擬

2/1/202314車古201潛山的構(gòu)造物理實(shí)驗(yàn)?zāi)M構(gòu)造特征存在問題實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果討論及結(jié)論2/1/202315沈陽--維坊斷裂帶黃驊—東明斷裂帶霸縣-束鹿-邯鄲斷裂帶2/1/2023162/1/202317車古201潛山位置地質(zhì)概況：位于車鎮(zhèn)凹陷北部的陡坡帶車西洼陷與大王北洼陷的交界處處于車3鼻狀構(gòu)造(NNW-SSE走向)的主體部位，以它為主構(gòu)成了富臺(tái)油田。2/1/202318剖面特征2/1/202319

潛山的古生界平面特征2/1/202320存在構(gòu)造問題1、斷階帶潛山的形成機(jī)制a、主斷層產(chǎn)狀對(duì)潛山的影響b、斷塊如何殘留2、斷陷中逆斷層的形成機(jī)制c、逆斷層是在伸展中形成？d、存在一個(gè)擠壓期？2/1/202321實(shí)驗(yàn)資料分析車古201潛山位于主控?cái)鄬拥臄嚯A帶上，本區(qū)缺少基底隆起的證據(jù)，所以排除了斷層下盤隆起形成潛山的可能。而單純的鏟式斷層則不易形成斷塊殘留；而假如坡坪斷層的坡折帶處于較高位置，則其在構(gòu)造過程中是不容易產(chǎn)生逆斷層的。由此我們推測：車古201所在的潛山構(gòu)造帶是在凹陷的主控?cái)鄬赢a(chǎn)狀上部為較平緩的鏟式，在深部為坡-坪式的形狀下形成的。2/1/202322由區(qū)域資料來看本區(qū)在古生代時(shí)是存在擠壓期的，但那時(shí)的擠壓方向是NE-SW向，所以如形成逆斷層應(yīng)為NW-SE向，而非NE-SW向。從中生代末期始不存在擠壓期，所以潛山中的單條切割到新生代的NE-SW向逆斷層有可能是在伸展過程中產(chǎn)生的。2/1/202323實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)裝置如上圖(模型比例尺為1:50000)。實(shí)驗(yàn)分為兩個(gè)階段，第一期為簡單的伸展，后侵蝕剝平；第二期采取同構(gòu)造沉積方式加砂，在實(shí)驗(yàn)過程中將橡皮自由端固定于模型頂部平臺(tái)上，使得在剖面中部產(chǎn)生拉張。模型最大伸展量為19cm(位于活動(dòng)檔板處)，伸展位移速率約為3.8×10-3s-1cm。。2/1/202324實(shí)驗(yàn)過程2/1/202325實(shí)驗(yàn)過程2/1/202326實(shí)驗(yàn)過程2/1/202327實(shí)驗(yàn)過程2/1/202328實(shí)驗(yàn)過程2/1/202329實(shí)驗(yàn)結(jié)果解釋(D為伸展量，①d=0cm②d=6cm③d=12cm④d=15cm⑤d=19cm圖中白線為解釋斷層)2/1/202330實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際剖面對(duì)比2/1/202331實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析結(jié)果與實(shí)際剖面具有較高的相似性：

a、在主邊界斷層的坡-坪上方出現(xiàn)傾角較陡的順序發(fā)育的切割古潛山的系列正向正斷層形成的斷階帶

b、后期移動(dòng)到沉降中心處的高角度逆斷層c在活動(dòng)端的斷陷斜坡上出現(xiàn)的正向多米諾式斷層

d、以及沙三段－東營組以來沉降中心遷移到剖面中部等。這些主要因素與實(shí)際剖面基本相同，這基本上代表了本地的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)演化過程。

不足：

反向正斷層的發(fā)育程度和近主斷層一側(cè)的滾動(dòng)背斜的彎曲程度與實(shí)際的相似程度較低。模型與剖面之間的差異應(yīng)主要由于基底伸展位移控制精度所致2/1/202332總體特點(diǎn)潛山構(gòu)造帶的形成是由主斷層的產(chǎn)狀控制的（上部為較平緩的鏟式，在深部為坡-坪式）。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃脱莼拭嫣卣鞅砻鲾嗔堰^程中帶有顯著的基底伸展特征，屬于正斷層上盤變形和基底不均勻伸展的復(fù)合類型。2/1/202333逆斷層的形成機(jī)制

實(shí)驗(yàn)證明剖面中的單條逆斷層是在伸展過程中由正斷層倒轉(zhuǎn)而成的2/1/202334

最終作出了合理的構(gòu)造演化平衡剖面2/1/202335結(jié)論1．車古201區(qū)的主控?cái)鄬有螒B(tài)具有上部鏟式，深部坡-坪式的構(gòu)造特點(diǎn)，這樣的產(chǎn)狀特點(diǎn)造就了本區(qū)的潛山構(gòu)造

2．靠近主控?cái)鄬悠抡蹘幍哪鏀鄬邮窃谏煺棺饔孟掠烧龜鄬拥罐D(zhuǎn)形成的3．本區(qū)的復(fù)雜構(gòu)造變形是正斷層上盤變形和柔性基底不均勻伸展的復(fù)合作用的結(jié)果2/1/202336一、構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)簡介二、車古201潛山的構(gòu)造物理實(shí)驗(yàn)?zāi)M三、遼河盆地西部凹陷北帶正反轉(zhuǎn)構(gòu)造的物理模擬

2/1/202337Harding.M(1985)認(rèn)為，對(duì)一特定構(gòu)造來說，構(gòu)造反轉(zhuǎn)系指構(gòu)造極性從原先的低地形變?yōu)楦叩匦?，或從原先的高地形變?yōu)榈偷匦?，在更大?guī)模上的這種轉(zhuǎn)變則被稱為盆地反轉(zhuǎn)；反轉(zhuǎn)構(gòu)造是一種疊加、復(fù)合構(gòu)造，依反轉(zhuǎn)構(gòu)造的尺度可分為斷層的反轉(zhuǎn)，盆地的反轉(zhuǎn)。按反轉(zhuǎn)的性質(zhì)分為正反轉(zhuǎn)構(gòu)造和負(fù)反轉(zhuǎn)構(gòu)造反轉(zhuǎn)構(gòu)造2/1/202338正反轉(zhuǎn)構(gòu)造：是指正斷層系統(tǒng)控制的地塹、半地塹構(gòu)造受到擠壓作用后發(fā)生褶皺和逆沖構(gòu)造變形。

正反轉(zhuǎn)構(gòu)造發(fā)育演化圖(周祖翼，1994)2/1/202339負(fù)反轉(zhuǎn)構(gòu)造：是指逆斷層及其相關(guān)的隆起受到引張作用后發(fā)生伸展構(gòu)造變形，原來的相對(duì)隆起的構(gòu)造部位發(fā)生沉降。負(fù)反轉(zhuǎn)構(gòu)造發(fā)育演化圖2/1/202340

渤海灣新生代盆地區(qū)(省)構(gòu)造輪廓簡要圖沈陽--維坊斷裂帶黃驊—東明斷裂帶霸縣-束鹿-邯鄲斷裂帶2/1/202341遼河盆地構(gòu)造綱要圖2/1/202342InLine2866InLine2866InLine16002/1/202343L1600部面特征2/1/202344L1600剖面構(gòu)造演化中生代末初始裂陷階段沙三、沙四期—深陷旋回沙一、沙二期、東營期—再陷旋回館陶期—拗陷階段2/1/202345對(duì)于反轉(zhuǎn)這種復(fù)雜的盆地構(gòu)造的解釋與分析有了更深的認(rèn)識(shí)和見解，但是由于其構(gòu)造的特殊性和演化的復(fù)雜性，對(duì)于其變形的分析和形成機(jī)制還不是很清楚。主斷層產(chǎn)狀對(duì)反轉(zhuǎn)構(gòu)造變形的影響大??？主動(dòng)盤是上盤還是下盤？走滑分量在其中的作用大??？存在的構(gòu)造問題2/1/202346模型設(shè)計(jì)：先存斷層的角度作為一個(gè)變量，根據(jù)安德森的斷層形成模式，斷層的傾角一般在30～60度之間(走滑斷層除外)，所以實(shí)驗(yàn)中作為剛性邊界的下盤模塊的斷面角度α依次取30°、45°、60°；依據(jù)實(shí)驗(yàn)過程中反轉(zhuǎn)期施力方式的不同將實(shí)驗(yàn)分為兩組，一組為始終由左側(cè)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)基底帶動(dòng)上盤沙層進(jìn)行伸展和擠壓，另一組初期由左側(cè)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)基底帶動(dòng)上盤為主動(dòng)盤伸展，在后期反轉(zhuǎn)時(shí)由右側(cè)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)下盤作為主動(dòng)盤進(jìn)行擠壓。2/1/202347兩組實(shí)驗(yàn)初始條件和第一期過程均相同，所以其結(jié)果也基本相同(由于實(shí)驗(yàn)的隨機(jī)性，局部小構(gòu)造有差異)，只描述一組。隨著左側(cè)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)基底薄板使上盤做伸展變形，沙層斷裂下陷，正反方向的斷層組合形成了一半地塹構(gòu)造，但是由于先設(shè)邊界斷層角度的不同，所成地塹也不同，2/1/202348第一期實(shí)驗(yàn)結(jié)果(伸展量均為6cm，邊界斷層a=30°；b=45°；c=60°)2/1/202349第一組第二期實(shí)驗(yàn)反轉(zhuǎn)期采用同側(cè)驅(qū)動(dòng)，即左側(cè)檔板和基底薄板帶動(dòng)沙層整體擠壓第二期左側(cè)擠壓時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果(擠壓量均為6cm，邊界斷層a=30°；b=45°；c=60°)

2/1/202350第二期左側(cè)擠壓時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果(擠壓量均為6cm