实习指导书：构造变形的物理模拟实验

2025-10-01 百科知识版权反馈

【摘要】：实习五构造变形的物理模拟实验一、实习目的和意义构造变形的物理模拟实验是构造地质学家认识构造变形过程、研究构造形成机制的重要手段。通过实习，使学生了解构造物理模拟实验装置及其基本操作流程，深入理解伸展、挤压和剪切作用下构造样式的形成及发育过程。通过数码相机实时拍摄和记录模拟的构造变形与变化，记录模拟过程和结果，及时进行整理。

实习五　构造变形的物理模拟实验

一、实习目的和意义

构造变形的物理模拟实验是构造地质学家认识构造变形过程、研究构造形成机制的重要手段（周建勋等，1999）。物理模拟是采用实际的物理材料，按照一定的构造形成模式，根据相似性原则，模拟自然界岩石体的构造形态、变形过程及各种物理量与几何量的实验方法。物理模拟要求实验室里的实验模型（Model）与自然界中的构造原型（Natural prototype）之间几何学相似、运动学相似及动力学相似（Eisenstadt et al，1995）。几何学相似即实验模型与地质构造原型在不同方向上比例尺相同；运动学相似要求实验模型的变形过程与地质构造变形原型相似，同样的变形结果可能是不同的变形过程所导致的；动力学相似要求地质构造原型所受的力在实验模型中均缩小相同的比例（周建勋等，1999）。

本实习将依托“能源地质工程湖北省教学示范中心”修购专项建设中的构造物理模拟教学实验室，通过构造物理模拟实验装置设计多方向的动力加载，模拟不同边界条件下拉伸、挤压和剪切构造样式的发育过程，并且实现实验装置的自动化、实验过程的程序化、实验结果的数字化，通过数码相机实时拍摄模拟构造变形与变化。通过实习，使学生了解构造物理模拟实验装置及其基本操作流程，深入理解伸展、挤压和剪切作用下构造样式的形成及发育过程。

二、实习内容

（1）各班级以小组为单位，6～7人一组，共4～5个小组。

（2）实验前准备好实验模型和实验材料。

（3）设备工作流程显示在计算机界面上，实现人机对话，每个小组操作人员设定好参数后，计算机可以自动控制平面运动机构与推杆运动机构的运行，通过马达的驱动模拟构造变形过程。

（4）通过数码相机实时拍摄模拟的构造变形与变化，并采集和处理任意方向的切片。

（5）根据实验设计要求完成伸展构造、挤压构造、升降构造、剪切（扭动）构造、反转构造和叠加构造等多种构造变形过程的物理模拟实验。

（6）对物理模拟实验结果进行分析，完成实验报告。

三、物理模拟实验装置和材料

物理模拟实验装置由南通华兴石油仪器有限公司设计制造，该实验在设计制造过程中参考了国内外一些类似实验仪器的技术资料，同时考虑到要尽可能有较多、较好的功能，能进行各种不同样式构造变形过程的物理模拟实验。实验装置主要由以下几部分组成。

（1）实验平台：最大模拟地质构造面1 500 mm×800 mm×300 mm。

（2）平面运动机构。

（3）推杆运动机构。(https://www.chuimin.cn)

（4）辅助系统：操作台、照相机、数据采集卡、计算机、打印机、控制软件等。

实验装置效果图如图5－1所示，推杆运动装置如图5－2所示。

图5－1　物理模拟实验装置效果图

图5－2　物理模拟实验设备推杆装置示意图

根据相似原理，模拟地壳浅层岩石的脆性构造变形，松散砂是最为理想的相似材料（周建勋等，1999）。实验材料主要选用粒径小于300μm的干燥松散的纯石英砂来模拟沉积岩。在自然重力场中，石英砂的形变遵循莫尔－库仑破坏准则，破裂内摩擦角为25°～30°，非常接近地壳浅部（10～15km）沉积岩层的脆性形变行为（Krantz，1991；Schellart，2000）。实验中，为方便观察构造变形，石英砂被染成各种不同的颜色，不同颜色的石英砂力学性质相同。此外，通过加入黏土、水泥等细粒粉末改变砂子内摩擦角的方法模拟不同强度类型的岩层（周建勋等，1999）。使用小玻璃珠（Glass Microbeads）模拟基底滑脱层（Schreursetal，2006），它是一种白色球状颗粒，粒径约100μm，密度约1 500 kg／m3，破裂内摩擦角约22°。

四、物理模拟实验的一般步骤

（1）根据地质资料和实验的需要，确定要模拟的构造原型（伸展、挤压、走滑、反转等，平面或剖面），并分析控制构造原型的主要因素。

（2）根据几何学相似、运动学相似及动力学相似的原则，确定实验模型的比例。

（3）选择合适的砂箱和实验材料，进行实验模型的设计和装配。

（4）根据构造原型，推断受力方式和约束条件，确定模型的加载方式和约束条件。

（5）在计算机上设定参数，通过计算机控制马达，驱动推杆运动装置匀速、缓慢移动，模拟构造变形过程。

（6）通过数码相机实时拍摄和记录模拟的构造变形与变化，记录模拟过程和结果，及时进行整理。

（7）分析模拟结果的精确性以及与构造原型的相似程度，合理的对模拟结果进行解释。

五、实习指导

构造物理模拟实验的基本原理和方法，伸展、挤压、走滑及反转构造的物理模拟实验设计，半地堑盆地层序结构和构造形成演化的物理模拟实验设计及其分析等可参考《盆地构造研究中的砂箱模拟实验方法》一书（周建勋等，1999）。