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砂箱構造物理模擬與含油氣盆地研究 版權信息
- ISBN：9787030713612
- 條形碼：9787030713612 ; 978-7-03-071361-2
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
砂箱構造物理模擬與含油氣盆地研究 內容簡介
本書以砂箱構造物理模擬基本理論和方法學為基礎，通過對物質特性、變形速率、構造-剝蝕-沉積作用、走滑剪切和底辟構造等基本模型邊界條件進行砂箱物理模擬實驗，進一步結合幾何學-運動學-動力學相似性原理開展從自然界原型到物理實驗模型之間的對比研究，系統揭示典型淺表構造作用過程對含油氣盆地典型構造變形過程及其變形特征的控制影響作用。在此基礎上，重點探討了弧形走滑剪切和底辟構造作用對青藏高原東緣盆-山體系和鶯歌海盆地含油氣構造的形成和演化過程的重要意義。 本書可供從事物理模擬、構造地質、油氣勘探等領域的科技人員和高校相關專業的師生參考。
砂箱構造物理模擬與含油氣盆地研究 目錄
目錄
第1章 砂箱構造物理模擬原理與進展 1
1.1 砂箱物理模擬實驗方法論 1
1.1.1 物理模型比例參數 1
1.1.2 模型材料 3
1.1.3 構造物理模擬設備裝置 5
1.2 臨界楔理論與自相似性生長過程 9
1.3 擠壓砂箱構造物理模擬 11
1.3.1 模型基底特性 12
1.3.2 模型物質特性 15
1.3.3 模型動力學特性 18
1.3.4 模型淺表作用過程 20
1.4 張性砂箱構造物理模擬 23
1.4.1 拉張構造變形模型與機制 23
1.4.2 重力驅動構造變形模型與機制 26
1.4.3 反轉構造物理模型實驗 28
1.5 走滑砂箱構造物理模擬 31
1.5.1 呂德爾剪切模型 33
1.5.2 彌散性剪切帶變形模型 37
1.5.3 走滑剪切構造變形分段性 38
第2章 砂箱物理模型構造運動學與光纖光柵耦合性特征 43
2.1 光纖光柵傳感器基本原理 43
2.2 砂箱物理模擬構造運動學特征 45
2.2.1 物理模型裝置設計 45
2.2.2 砂箱物理模擬構造變形與運動學特征 46
2.3 光纖光柵差異布線方式應力-應變響應特征 47
2.4 砂箱物理模擬運動學與光纖光柵微應變耦合性 52
2.5 褶皺沖斷帶-前陸盆地系統耦合與脫耦性 54
2.6 楔形體斷層生長能耗系數 54
第3章 砂箱物質特性及其對構造變形過程的影響 57
3.1 砂箱物質特性 57
3.1.1 石英砂和玻璃珠物理特性 57
3.1.2 石英砂和玻璃珠力學特性 59
3.2 勻速擠壓變形模擬實驗設置與過程 62
3.2.1 模型邊界條件設置 62
3.2.2 均質石英砂模型模擬過程特征 63
3.2.3 基底玻璃珠滑脫層模型模擬過程特征 66
3.3 砂箱物質特性與構造變形特征相關性 67
3.3.1 砂箱楔形體幾何學與運動學特征 67
3.3.2 砂箱楔形體能干性/力學條件對比 68
3.3.3 砂箱構造變形內因與外因條件控制性 70
3.3.4 模型實驗與自然原型對比 71
第4章 砂箱物理模型速度標桿模擬實驗 74
4.1 物理模型裝置設計 75
4.2 物理模擬實驗過程 78
4.2.1 低速擠壓縮短變形模擬實驗 78
4.2.2 中速擠壓縮短變形模擬實驗 81
4.2.3 高速擠壓縮短變形模擬實驗 81
4.3 擠壓變形速率與沖斷帶-前陸盆地構造特征相關性 83
4.3.1 斷層空間間距 85
4.3.2 楔形體幾何學 86
4.3.3 楔形體內部形變 86
4.3.4 楔形體非對稱性結構特征 87
4.3.5 砂箱物理模擬可重復性 88
第5章 “從源到匯”淺表作用過程砂箱物理模擬研究 91
5.1 構造-剝蝕-沉積過程與機制 92
5.2 盆-山系統構造-剝蝕-沉積過程模擬 94
5.2.1 構造-剝蝕-沉積作用邊界條件 94
5.2.2 “從源到匯”過程相似性原理 96
5.3 龍門山—川西前陸系統剝蝕-沉積過程模擬實驗 98
5.3.1 剝蝕-沉積作用過程物理模型邊界條件 98
5.3.2 構造-剝蝕-沉積過程實驗結果 100
5.4 盆-山系統自然界原型與模擬實驗對比 105
5.4.1 盆-山系統淺表剝蝕與沉積物質通量 105
5.4.2 淺表構造剝蝕-沉積(耦合)作用過程典型互饋機制作用 107
5.4.3 龍門山—川西前陸系統構造-剝蝕-沉積耦合作用特征 109
第6章 青藏高原東緣走滑盆-山系統構造物理模擬研究 112
6.1 弧形走滑剪切模型方法學 113
6.1.1 走滑剪切物理模擬裝置設計 113
6.1.2 模型實驗比例系數 117
6.2 弧形走滑剪切模擬實驗結果 118
6.2.1 均質石英砂模擬實驗結果 118
6.2.2 非均質-層間玻璃珠物質模擬實驗結果 120
6.2.3 非均質-層間硅膠物質模擬實驗結果 122
6.3 弧形走滑剪切系統構造變形特征 123
6.4 自然原型弧形走滑系統對比特征 126
第7章 淺表底辟構造砂箱構造物理模擬研究 129
7.1 自然界底辟構造形成過程機制與特征 130
7.1.1 底辟構造形成機制 131
7.1.2 底辟構造結構與形態特征 132
7.1.3 底辟構造斷裂特征與成礦/成藏 134
7.1.4 泥巖和膏鹽底辟差異性 136
7.2 底辟構造砂箱物理模擬實驗 138
7.2.1 相似性原理 138
7.2.2 底辟模擬裝置條件 139
7.2.3 底辟構造形成演化控制因素 140
7.3 鶯歌海盆地底辟構造物理模擬實驗 142
7.3.1 底辟模擬裝置設計 144
7.3.2 走滑底辟物理模擬實驗過程 145
7.3.3 底辟模型實驗-自然界原型對比 152
參考文獻 161
附圖 182
第1章 砂箱構造物理模擬原理與進展 1
1.1 砂箱物理模擬實驗方法論 1
1.1.1 物理模型比例參數 1
1.1.2 模型材料 3
1.1.3 構造物理模擬設備裝置 5
1.2 臨界楔理論與自相似性生長過程 9
1.3 擠壓砂箱構造物理模擬 11
1.3.1 模型基底特性 12
1.3.2 模型物質特性 15
1.3.3 模型動力學特性 18
1.3.4 模型淺表作用過程 20
1.4 張性砂箱構造物理模擬 23
1.4.1 拉張構造變形模型與機制 23
1.4.2 重力驅動構造變形模型與機制 26
1.4.3 反轉構造物理模型實驗 28
1.5 走滑砂箱構造物理模擬 31
1.5.1 呂德爾剪切模型 33
1.5.2 彌散性剪切帶變形模型 37
1.5.3 走滑剪切構造變形分段性 38
第2章 砂箱物理模型構造運動學與光纖光柵耦合性特征 43
2.1 光纖光柵傳感器基本原理 43
2.2 砂箱物理模擬構造運動學特征 45
2.2.1 物理模型裝置設計 45
2.2.2 砂箱物理模擬構造變形與運動學特征 46
2.3 光纖光柵差異布線方式應力-應變響應特征 47
2.4 砂箱物理模擬運動學與光纖光柵微應變耦合性 52
2.5 褶皺沖斷帶-前陸盆地系統耦合與脫耦性 54
2.6 楔形體斷層生長能耗系數 54
第3章 砂箱物質特性及其對構造變形過程的影響 57
3.1 砂箱物質特性 57
3.1.1 石英砂和玻璃珠物理特性 57
3.1.2 石英砂和玻璃珠力學特性 59
3.2 勻速擠壓變形模擬實驗設置與過程 62
3.2.1 模型邊界條件設置 62
3.2.2 均質石英砂模型模擬過程特征 63
3.2.3 基底玻璃珠滑脫層模型模擬過程特征 66
3.3 砂箱物質特性與構造變形特征相關性 67
3.3.1 砂箱楔形體幾何學與運動學特征 67
3.3.2 砂箱楔形體能干性/力學條件對比 68
3.3.3 砂箱構造變形內因與外因條件控制性 70
3.3.4 模型實驗與自然原型對比 71
第4章 砂箱物理模型速度標桿模擬實驗 74
4.1 物理模型裝置設計 75
4.2 物理模擬實驗過程 78
4.2.1 低速擠壓縮短變形模擬實驗 78
4.2.2 中速擠壓縮短變形模擬實驗 81
4.2.3 高速擠壓縮短變形模擬實驗 81
4.3 擠壓變形速率與沖斷帶-前陸盆地構造特征相關性 83
4.3.1 斷層空間間距 85
4.3.2 楔形體幾何學 86
4.3.3 楔形體內部形變 86
4.3.4 楔形體非對稱性結構特征 87
4.3.5 砂箱物理模擬可重復性 88
第5章 “從源到匯”淺表作用過程砂箱物理模擬研究 91
5.1 構造-剝蝕-沉積過程與機制 92
5.2 盆-山系統構造-剝蝕-沉積過程模擬 94
5.2.1 構造-剝蝕-沉積作用邊界條件 94
5.2.2 “從源到匯”過程相似性原理 96
5.3 龍門山—川西前陸系統剝蝕-沉積過程模擬實驗 98
5.3.1 剝蝕-沉積作用過程物理模型邊界條件 98
5.3.2 構造-剝蝕-沉積過程實驗結果 100
5.4 盆-山系統自然界原型與模擬實驗對比 105
5.4.1 盆-山系統淺表剝蝕與沉積物質通量 105
5.4.2 淺表構造剝蝕-沉積(耦合)作用過程典型互饋機制作用 107
5.4.3 龍門山—川西前陸系統構造-剝蝕-沉積耦合作用特征 109
第6章 青藏高原東緣走滑盆-山系統構造物理模擬研究 112
6.1 弧形走滑剪切模型方法學 113
6.1.1 走滑剪切物理模擬裝置設計 113
6.1.2 模型實驗比例系數 117
6.2 弧形走滑剪切模擬實驗結果 118
6.2.1 均質石英砂模擬實驗結果 118
6.2.2 非均質-層間玻璃珠物質模擬實驗結果 120
6.2.3 非均質-層間硅膠物質模擬實驗結果 122
6.3 弧形走滑剪切系統構造變形特征 123
6.4 自然原型弧形走滑系統對比特征 126
第7章 淺表底辟構造砂箱構造物理模擬研究 129
7.1 自然界底辟構造形成過程機制與特征 130
7.1.1 底辟構造形成機制 131
7.1.2 底辟構造結構與形態特征 132
7.1.3 底辟構造斷裂特征與成礦/成藏 134
7.1.4 泥巖和膏鹽底辟差異性 136
7.2 底辟構造砂箱物理模擬實驗 138
7.2.1 相似性原理 138
7.2.2 底辟模擬裝置條件 139
7.2.3 底辟構造形成演化控制因素 140
7.3 鶯歌海盆地底辟構造物理模擬實驗 142
7.3.1 底辟模擬裝置設計 144
7.3.2 走滑底辟物理模擬實驗過程 145
7.3.3 底辟模型實驗-自然界原型對比 152
參考文獻 161
附圖 182
展開全部
砂箱構造物理模擬與含油氣盆地研究 節選
第1章 砂箱構造物理模擬原理與進展 自然界構造變形具有長演化周期和復雜的結構構造特征，普遍受多種因素控制影響，如地層非均質性、幾何學和運動學邊界條件、淺 部地表過程(剝蝕、沉積等作用)等，從而難以有效量化解譯其在地史中的形成演化過程。地質構造過程的自相似性(標度不變形)和實 驗-實例驗證(即物理模型-自然界原型)等說明構造物理模擬與自然界盆-山系統演化等具有一致性［無理的有效性，unreasonable effectiveness(Wigner，1960)，即尺度大小上的相似性與一致性］，它是砂箱物理模擬研究的理論基礎。值得指出的是，雖然砂箱 構造物理模擬有與生俱來的缺點，如簡化地層模型、流體壓力-溫度缺失等問題，但它能夠幫助我們在時間-空間上詳細觀察解譯構造 變形的形成與生長等四維過程，因此受到越來越廣泛的應用。 自Hall(1815)初次使用砂箱構造模擬解釋蘇格蘭東海岸構造帶褶皺變形以來，砂箱模型相對于早期實驗裝置及其理論思想已經發生了 極大的革新與變化。由于不同的目的性和手段性等，砂箱物理模型目前主要存在3種典型類別：構造砂箱模型(tectonic sandbox modelling)，以盆-山系統和褶皺沖斷帶等生長變形機制為主要研究對象(Cadell，1888)；地貌幾何砂箱模型(geomorphic sandbox modelling)，以可控降水(量)條件下的人工地貌為主要研究對象(Flint，1973)；地層砂箱模型(stratigraphic sandbox modelling) ，以構造和/或氣候條件下的地層沉積記錄為主要研究對象(Paola et al.，2009)。19世紀以來，以砂箱物理模型為主的物理(和/或 結合數值)模擬手段廣泛地運用于與擠壓增生楔/沖斷帶、拉張盆-嶺帶等相關的研究中，結合庫侖沖斷楔(即臨界楔理論，critical taper theory)共同揭示出四維時空尺度上砂箱模型基底特性、變形物質特性、活動擋板(或阻擋物)特性、變形物質通量(輸出和輸入 )、匯聚(擠壓)運動學和地表過程等對結構-構造演化過程的重要作用(Biagi，1988；Marshak and Wilkerson，1992；Beaumont et al.，2001；Bonini，2003；Koyi and Vendeville，2003；Konstantinovskaia and Malavieille，2005；Bonnet et al.，2007； Graveleau et al.，2012；McClay et al.，2004，2011；Reiter et al.，2011)。 1.1 砂箱物理模擬實驗方法論 1.1.1 物理模型比例參數 砂箱物理模擬基于相似性原理模擬上地殼構造變形過程，需要滿足能干性巖層和非能干性巖層的流變學準則，它們普遍被認為遵循莫 爾-庫侖破裂準則(Davis et al.，1983)。理想狀態下完整均一的、各向同性的巖石(破裂變形前)具線性應力-應變關系，即遵循公式 ： (1-1) 其中，φ為內摩擦角；C為內聚力或內聚力強度；σs 和 σn為潛在破裂面上剪切應力和正應力。一般而言，上地殼巖石內摩擦角為27°～45°，其相應有效內摩擦值為0.5～1(Handin，1966；Jaeger and Cook，1976)。此外，為了獲得合理的實驗模擬結果，除砂箱物理模型與自然界原型系統具有相似的流變學屬性(即砂箱模型物質內摩擦角與上地殼 巖石相似)外，砂箱模型(即比例砂箱模型，scaled sandbox modelling)和自然界原型幾何學上還應符合如下經驗公式(Hubbert， 1937；Ramberg，1981)： (1-2) 其中，分別為內聚力、密度、重力加速度和長度；*表示模型中參數與自然界之比或系數(即比例系數)。一般而言，砂箱物理模型中常用顆粒材料內摩擦角普遍為20°～40°(Eisenstadt and Sims，2005；Panien et al.，2006)，因此與 上地殼巖石具有大致相似的流變學屬性(Krantz，1991；Schellart，2000)。物理模型中，重力系數g*=1，顆粒材料密度一般為1.4～ 1.7g/cm3，上地殼巖石平均密度為2.5g/cm3，即 *=0.56～0.68。因此，由式(1-2)可以得到內聚力系數為 (1-3)如果砂箱物理模型實驗中我們選擇長度比例系數(L*)為10?5，即砂箱模型中1cm代表自然界中1km，則砂箱顆粒材料內聚力比例系數為 (0.56～0.68)×10?5模擬上地殼巖石變形。Byerlee(1978)強調地殼淺部具較弱的內聚力強度，因此砂箱物理模型需要近似無內聚力 的模型材料開展模型研究。 此外，黏性材料(如PDMS和Gomme GS1R)能夠較好地模擬具相似幾何學和邊界條件的地殼塑性/韌性變形過程(Weijermars and Schmeling，1986)，其遵循經驗公式： (1-4) 式中，ε*、η*和σ*分別為砂箱物理模型和自然界原型中應變率、黏度和應力之比或系數。 式(1-4)也可以表達為 (1-5) 其中，T*為模型和自然界原型時間之比。 如果構造變形過程中內部應力可以忽略，則模型與自然界的長度和時間之比是獨立于物理模型實驗之外的參數(Hubbert，1937)。式 (1-5)可以表達為 (1-6) 式中，v*為模型和自然界原型速度之比。 由于自然界巖石密度已知，因此可以確定砂箱物理模型黏度和密度。基于顆粒材料的基礎物理特征，選擇合理的長度比例系數能夠得 到物理模型擠壓速度值，或者選擇合理的長度比例系數，基于自然界原型變形速率，得到黏度比，從而確定物理模型比例參數及其有 效性。 需要指出的是，雖然Hubbert(1937)強調合理的比例系數砂箱物理模型對于物理模型能否得到自然界原型代表性結果至關重要，但實 驗室物理模型中很難以得到準確、系統的比例砂箱模型。同時，對于自然界原型中不同參數的有限了解及參數自身的不確定性，也限 制著比例砂箱物理模型的模擬研究。 1.1.2 模型材料 干顆粒材料、濕黏土和黏性材料等已廣泛應用于砂箱物理模擬實驗中。干顆粒材料，尤其是石英砂(粒度為100～500μm)相對于由黏 土和部分微顆粒與水組成的濕黏土，或以硅膠為代表的黏性材料，由于它較易切片觀測和構建模型而應用*為廣泛。為了解不同材料 物質特征參數及其適用性，以Hubbert型(Hubbert，1951)和Ring-shear型(Schulze，1994)為代表的較低正應力實驗(即直剪和環剪實 驗法)研究受到廣泛關注。一般而言，顆粒材料具有與上地殼巖石變形相似的流變學機制(Marone，1998；Panien et al.，2006； Klinkmüller，2011)，峰值強度下內摩擦角普遍為31°～41°，而部分微顆粒內摩擦角相對較低，為22°～30°(表1-1)。與Hubbert 型相反，Ring-shear型不僅揭示峰值強度條件下實驗材料的特征參數(如內摩擦角)，還能反映穩定動態強度下(即斷層滑動)和穩定靜 態強度下(斷層活化)下的參數。但Ring-shear型實驗中干砂顆粒材料普遍具有10%～30%的應變弱化特征，且斷層滑動摩擦角和斷層活 化也相對于其初始時間明顯較低。尤其是，Lohrmann等(2003)和Panien等(2006)基于Ring-shear型實驗強調砂箱物理模型中顆粒材料 變形機制并不完全符合庫侖破裂準則，破裂變形前的瞬時應變強化(峰值強度)及隨后的應變弱化過程都具有彈塑性變形特征。因此， 庫侖破裂準則主要適用于初始破裂形成演化階段。 需要指出的是，較低正應力條件下顆粒材料屬性具有較大爭議(Krantz，1991；Mourgues and Cobbold，2003；Schellart，2000)， 即較低正應力條件下顆粒材料內聚力強度常常通過線性插值得到，揭示其較寬的范圍值(單位為10～100Pa)，它們都明顯高于模型實 驗觀察得到的石英砂極低或可忽略的內聚力強度。尤其是，Schellart(2000)通過Ring-shear型實驗揭示出低正應力條件下(即小于 300Pa)顆粒材料內聚力強度僅為0～10Pa。同時砂箱物理模型表明其斷層首先在(低內聚力強度的)干顆粒材料形成剪切帶(寬度為10～ 15倍顆粒大小)，導致顆粒膨脹擴大，其顆粒擴大過程有賴于顆粒密度、初始大小、磨圓和顆粒表面特征等(Koopman et al.，1987) 。此外，實驗室材料顆粒、布砂過程、測試方法和實驗人員等因素對材料參數都有不同程度的影響(Krantz，1991；Lohrmann et al. ，2003)，如篩選和噴灑方式相對于傾瀉布砂方式使顆粒材料具有較高的內摩擦角和更易應變弱化，但Krantz(1991)對比表明相同石 英砂顆粒內摩擦角和內聚力強度主要與其密度相關。 相關學者普遍認為濕黏土材料內摩擦角與上地殼巖石相似且變形過程遵循庫侖破裂準則(Tchalenko，1970；Sims，1993；Atmaoui et al.，2006；Withjack et al.，2007)，但其(較高)內聚力強度和含水性具有較大爭議(Naylor et al.，1986)。濕黏土的內聚力強度 伴隨密度增大而增大，主要受含水性控制，也可能導致其變形特征等主要受含水性控制和影響(Arch et al.，1988；Eisenstadt and Sims，2005)。同時，濕黏土材料由于常常缺乏成分、粒度和含水比參數等導致其也難以在不同的研究模型實驗中進行有效對比 (Tchalenko，1970；Wilcox et al.，1973；Sims，1993；Atmaoui et al.，2006)。 干顆粒材料和濕黏土材料具有相似的內摩擦角和內聚力強度特征導致它們在宏觀構造變形方面具相似性，小尺度和微觀尺度上它們之 間的變形特征具有較大差異(Eisenstadt and Sims，2005；Atmaoui et al.，2006；Withjack et al.，2007)，可能主要與兩者顆粒 大小和形態、顆粒膨脹過程和孔隙水特征等密切相關。干顆粒材料主要通過顆粒膨脹和摩擦滑動產生變形，而濕黏土材料顆粒常具板 -片狀形態和有較強的水-巖反應過程。因此，干顆粒材料斷層發展、傳播和連接過程明顯較快，具有較大位移量和較寬剪切破裂帶， 主斷層系統控制砂箱模型變形與應變。 表1-1 砂箱物理模型中顆粒材料特征參數綜合表(Klinkmüller，2011) 1.1.3 構造物理模擬設備裝置 Hall(1815)初始物理模型由一系列布片組成，分別受垂向和水平方向的橡木塞擠壓變形，隨后模型物質被改造成黏土物質(圖1-1)。 雖然砂箱物理模型裝置比較簡單(即早期擠壓砂箱模型原型)，但它成功地揭示出自然界褶皺變形受控于水平擠壓縮短過程。Daubrée (1879)在Hall裝置上改進使用不同顏色石蠟初次構建了褶皺沖斷帶楔形體模型(圖1-1)，揭示褶皺沖斷帶楔形體斷層面垂直于擠壓方 向的特征。隨后，Pfaff(1880)和Forchheimer(1883)結合黏土、紙張和水-黏土-砂混合材料等物質基于Hall裝置進行不同邊界條件( 張性、水平壓縮和垂直壓縮等)的物理模擬實驗。Cadell(1888)使用不同顏色的石膏、濕砂和黏土等材料大大完善了該類型砂箱模型 裝置，初次揭示褶皺沖斷帶中前展式褶皺沖斷過程。值得指出的是，Favre(1878)基于自由移動基底橡膠薄膜層和上覆均質黏土層設 計出另一類砂箱物理模型裝置(即早期俯沖砂箱模型原型)，該裝置得到與野外地質現象極其相似
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