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第２９卷 第４期２０１５年８月现 代 地 质ＧＥＯＳＣＩＥＮＣＥＶｏｌ２９ Ｎｏ４Ａｕｇ２０１５基于粒子成像测速（ＰＩＶ）技术的褶皱冲断带砂箱构造物理模拟研究!周 游１，李 勇１，李敬波１，邵崇建１，颜照坤１，闫 亮１，李 辉１，王腾文１，刘颖倩１，陈玮涵２（１成都理工大学油气藏地质及其开发工程国家重点实验室，四川成都 ６１００５９；２中国地质大学（武汉）地球科学学院，湖北武汉 ４３００７４） 收稿日期：２０１５０３１０；改回日期：２０１５０５２０；责任编辑：潘令枝。 基金项目：国家自然科学基金项目（４１３７２１１４，４１３４０００５，４１１７２１６２，４０９７２０８３，４１４０２１５９）；四川省教育厅科研项目（１５ＺＢ００８５）。 作者简介：周 游，男，硕士研究生，１９９０年出生，构造地质学专业，主要从事构造地质和物理模拟研究。Ｅｍａｉｌ：２９２０８１０７５＠ｑｑｃｏｍ。 通信作者：李 勇，男，教授，博士生导师，１９６３年出生，沉积学专业，主要从事沉积学与构造地貌研究。Ｅｍａｉｌ：ｌｉｙ＠ｃｄｕｔｅｄｕｃｎ。摘要：在前人对褶皱冲断带的研究基础上，为进一步深入分析对比滑脱层数量、强度、深度等对褶皱冲断带的制约，设计了６组砂箱模拟实验，并运用粒子成像测速（ＰＩＶ，ＰａｒｔｉｃｌｅＩｍａｇｅＶｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ）技术的实时监测，计算出各阶段模型剖面上的速度场和涡度场，对褶皱冲断带的运动学过程和变形机制进行详细刻画和定量分析。实验结果表明，滑脱层的强度和深度均制约着褶皱断层的构造演化，滑脱层的强度越小，其上覆地层中的变形传播越远，滑脱层深度越深，对整个构造样式更具有控制作用，变形也就传播得更远。以微玻璃珠组成的滑脱层主要产生前展型逆冲叠瓦式构造，上部推覆体前缘水平位移较快；以硅胶组成的滑脱层上部形成叠瓦式构造，下部形成冲起构造，上、下两部分具有明显的分层变形特征。ＰＩＶ监测结果显示，当上盘速度骤停，并且前缘涡度值骤降时，断坡形成并发展成断坪－断坡组合构造样式；下一条断层以相同方式在前缘形成，从而使褶皱冲断带向前陆方向扩展。将实验结果与龙门山南段褶皱冲断带进行了对比分析，得到了较好的印证。关键词：砂箱模拟；滑脱层；速度场；涡度场；褶皱冲断带；龙门山南段中图分类号：Ｐ５４２ 文献标志码：Ａ 文章编号：１０００－８５２７（２０１５）０４－０７５５－１０ＳａｎｄｂｏｘＭｏｄｅｌｉｎｇｏｆＦｏｌｄａｎｄＴｈｒｕｓｔＢｅｌｔＢａｓｅｄｏｎＰａｒｔｉｃｌｅＩｍａｇｅＶｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ（ＰＩＶ）ＺＨＯＵＹｏｕ１，ＬＩＹｏｎｇ１，ＬＩＪｉｎｇｂｏ１，ＳＨＡＯＣｈｏｎｇｊｉａｎ１，ＹＡＮＺｈａｏｋｕｎ１，ＹＡＮＬｉａｎｇ１，ＬＩＨｕｉ１，ＷＡＮＧＴｅｎｇｗｅｎ１，ＬＩＵＹｉｎｑｉａｎ１，ＣＨＥＮＷｅｉｈａｎ２（１ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＯｉｌａｎｄＧａｓＲｅｓｅｒｖｏｉｒＧｅｏｌｏｇｙａｎｄＥｘｐｌｏｉｔａｔｉｏｎ，ＣｈｅｎｇｄｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ，Ｓｉｃｈｕａｎ ６１００５９，Ｃｈｉｎａ；２ＳｃｈｏｏｌｏｆＥａｒｔｈＳｃｉｅｎｃｅｓ，ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＧｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｗｕｈａｎ，Ｈｕｂｅｉ ４３００７４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄｏｎｐｒｅｖｉｏｕｓｓｔｕｄｉｅｓ，ｔｈｉｓｓｔｕｄｙｕｓｅｄｓａｎｄｂｏｘｍｏｄｅｌｉｎｇｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｏｆｔｈｅｎｕｍｂｅｒ，ｉｎｔｅｎｓｉｔｙａｎｄｄｅｐｔｈｏｆｓｌｉｐｌａｙｅｒｓｔｏｔｈｅｆｏｌｄｔｈｒｕｓｔｂｅｌｔ．Ｕｓｉｎｇｐａｒｔｉｃｌｅｉｍａｇｅｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ（ＰＩＶ）ａｓａｒｅａｌｔｉｍｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｓｉｘｓａｎｄｂｏｘｍｏｄｅｌｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｗｅｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄｔｏｃａｌｃｕｌａｔｅｔｈｅｖｅｌｏｃｉｔｙａｎｄｖｏｒｔｉｃｉｔｙｏｆｍｏｄｅｌｓｔｏｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅａｎａｌｙｚｅｋｉｎｅｍａｔｉｃａｎｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｌｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｔｈｅｆｏｌｄｔｈｒｕｓｔｂｅｌｔ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔ（１）ｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｄｅｐｔｈｏｆｓｌｉｐｌａｙｅｒｓｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｈｅｔｅｃｔｏｎｉｃｅｖｏｌｕｔｉｏｎｏｆｆｏｌｄｆａｕｌｔｓ；（２）ｔｈｅｓｍａｌｌｅｒｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｓｌｉｐｌａｙｅｒｓｉｓ，ｔｈｅｆａｒｔｈｅｒｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｏｆｏｖｅｒｌｙｉｎｇｓｔｒａｔａｉｓ；（３）ｔｈｅｓｌｉｐｐｉｎｇｄｅｐｔｈｉｓｄｅｅｐｅｒ，ａｎｄｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌａｃｔｉｏｎｏｎｅｎｔｉｒｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓｌａｒｇｅｒ，ｔｈｕｓｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｓｐｒｅａｄｓｆａｒｔｈｅｒ．Ｔｈｅｓｌｉｐｌａｙｅｒｗｈｉｃｈｉｓｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆｍｉｃｒｏｇｌａｓｓｂｅａｄｓｍａｉｎｌｙｐｒｏｄｕｃｅｓｐｒｅｓｈｏｗｔｙｐｅｏｆｔｈｒｕｓｔｉｍｂｒｉｃａｔｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｗｉｔｈｆａｓｔｅｒｒａｔｅｏｆｕｐｐｅｒｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔａｔｔｈｅｎａｐｐｅｆｒｏｎｔｅｄｇｅ．Ｔｈｅｕｐｐｅｒｌａｙｅｒｗｈｉｃｈｃｏｎｓｉｓｔｓｏｆｓｉｌｉｃａｇｅｌｍａｉｎｌｙｇｅｎｅｒａｔｅｓｉｍｂｒｉｃａｔｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｗｉｔｈｗａｓｈｅｄｆｏｒｍｆｒｏｍｔｈｅｌｏｗｅｒｐａｒｔｏｆｔｈｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｕｐｐｅｒａｎｄｌｏｗｅｒｐｏｒｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｓｌｉｐｌａｙｅｒｓｈｏｗｄｉｓｔｉｎｃｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ．ＴｈｅＰＩＶａｎａｌｙｓｉｓｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｒａｍｐｏｆｆｔｈｅｆｌｏｏｒｆｏｒｍｓａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｓｉｎｔｏａｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｓｔｙｌｅｒａｍｐｓｗｈｅｎｔｈｅｄｉｓｋｓｐｅｅｄａｒｒｅｓｔｓａｎｄｔｈｅｖｏｒｔｉｃｉｔｙｏｆｔｈｅｌｅａｄｉｎｇｅｄｇｅｒａｐｉｄｌｙｄｅｃｒｅａｓｅｓ，ａｎｄｔｈｅｆｏｌｌｏｗｉｎｇｆａｕｌｔｆｏｒｍｓｉｎｔｈｅｓａｍｅｍａｎｎｅｒａｔｔｈｅｆｒｏｎｔｅｄｇｅ，ｌｅａｄｉｎｇｔｏｔｈｅｆｏｒｗａｒｄｅｘｐａｎｓｉｏｎｏｆｔｈｅｆｏｌｄｔｈｒｕｓｔｂｅｌｔ．ＴｈｅｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｓｏｕｔｈｅｒｎｓｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅＬｏｎｇｍｅｎｓｈａｎｆｏｌｄｔｈｒｕｓｔｂｅｌｔａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｓｇｏｏｄｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓａｎｄｂｏｘｍｏｄｅｌｉｎｇ；ｓｌｉｐｌａｙｅｒ；ｖｅｌｏｃｉｔｙｆｉｅｌｄ；ｖｏｒｔｉｃｉｔｙｆｉｅｌｄ；ｆｏｌｄｔｈｒｕｓｔｂｅｌｔ；ｔｈｅｓｏｕｔｈｅｒｎｓｅｃｔｉｏｎｏｆＬｏｎｇｍｅｎｓｈａｎ０ 引 言建立科学合理的构造解释模型，是研究浅层构造变形的一种有效正演手段［１－３］。砂箱构造物理模拟实验能够直接观察和对比分析构造形成机制和演化过程［４－５］，因此在国内外得到了广泛的运用，特别是在探讨褶皱冲断带发育演化的运动学过程和变形机制方面，砂箱构造物理模拟可以提供一个真实可见的模型发展过程［６］。滑脱层对于褶皱冲断带的形成和发展过程起着控制作用，因此前人在对褶皱冲断带进行物理模拟时也十分注重滑脱层的设置［７］。但是，在前人的研究中，多数是通过砂箱实验解释不同缩短率条件下得到的相机照片，对断层、褶皱等几何样式及其相互之间的关系进行定性或者半定量的描述［８－１２］，无法获得相关结论，没有得出相应的运动速度、涡度等运动参数，没有充分发挥砂箱模拟实验的真正优势。因此，在前陆褶皱冲断构造分析基础上，本研究设计了６种滑脱层类型的模型实验，将相机照片和粒子成像测速（ＰＩＶ，ＰａｒｔｉｃｌｅＩｍａｇｅＶｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ）技术紧密结合，利用速度场连续变化的过程清晰地记录实验过程中逆冲断层发育的过程及断层相关褶皱的形成过程，有助于对比分析研究不同强度、数量和埋深的滑脱层对于构造变形样式的制约。１ 物理模拟实验１１ 实验原理与运用构造物理模拟实验（ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｏｆＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＭｏｄｅｌｉｎｇ）是研究和模拟自然界地质构造现象变形特征、成因机制和动力学过程的一种物理实验方法［１３］。在实验室条件下，根据实际地质条件或背景，构造物理模拟实验能够再现某一构造的形成和演化过程，论证实验与实际地质体互为相似的物系中，变形特征与各物理参量之间的控制作用或效应，从实验上阐述所研究构造的成因机制，以及提供构造变形特征与岩石材料性质、边界条件、力的作用形式和速率、温度等物理参量之间因果关系的实验证据［１３］。在构造模拟实验发展历程中，量化概念也越来越突出，人们尽可能用维量概念来描述变形过程、特性和动力学特征［１４］。在构造模拟实验中，可以依据驱动力的作用形式和量值、位移量或应变率、构造形迹的几何参数等，半定量乃至定量给出应力－应变、应力－位移、深度－变形几何参数等一系列数据，使在地质体中不可能连续测量到的各项数值，在实验室条件下能够获得。构造模拟实验的深入发展，加快了地质科学研究由定性描述向半定量乃至定量分析的进程，为进入定量研究阶段奠定了基础。相似理论被广泛应用于构造模拟实验中。依据相似理论可以确定各项实验相似系数，包括几何相似系数、时间相似系数和实验材料力学参数的相似系数等。相似理论的引入，使得实验精度大幅度提高。同时，地质原型背景和条件在实验模型中展示得更为充分，实验模型与地质模型之间对比研究的唯一性越来越成为现实［１４］。构造物理模拟实验在众多研究领域中都起着非常重要的作用。虽然构造物理模拟是在与实际构造地质背景和相似实验室条件下所进行的实验，但是作为一种研究手段，对于正处于研究中不能确定的自然界构造地质变形特征、成因机制或动力学过程，可以通过简易的物理模拟实验来辅助研究，或者是为观点提供旁证，有助于进行下一步的深入研究。ＰＩＶ（粒子成像测速）能在同一瞬态记录下大量空间点上的速度分布信息，并可提供丰富的流场空间结构以及流动特性，在速度场、６５７现 代 地 质２０１５年 位移场内讨论变形过程。其基本原理是利用高分辨率相机获得一系列图像，再通过一系列计算分析得到图像上各点的速度矢量，从而获取运动对象的速度场［１２，１５］。本文将砂箱相机照片和ＰＩＶ技术紧密结合，多方位地对不同滑脱层的褶皱冲断带发育和变形机理进行了有益探讨。１２ 实验模型本文根据构造物理模拟的分解原则，每组实验只控制一个变量，其它条件不变。在此基础上设计了６组实验，再通过综合对比分析，进而得出比较客观的结果。在实验材料的选取上，模拟上地壳脆性地层的是干燥的石英砂，干燥石英砂的变形行为符合莫尔－库伦准则，内摩擦角在３１°左右。实验中用红色的石英砂薄层作为标志层，以便更好地观察构造变形过程。为了ＰＩＶ记录的图像精度更高，白色石英砂里掺杂了一些红砂，颜色不同不会影响石英砂的力学性质。实验中，通常用微玻璃珠来模拟泥岩、页岩和煤层这类较强的滑脱层［１６－１７］，用硅胶来模拟盐岩和膏盐岩这类较弱的滑脱层［１８－１９］。本实验所用硅胶为牛顿流体，粘度系数为１×１０４Ｐａ·ｓ，是模拟盐岩和膏盐岩的理想材料。笔者设计的实验模型一共有６种类型（图１），６组模型的初始长度均为１０００ｍｍ，宽为４００ｍｍ，硅胶层和微玻璃珠厚度均为５ｍｍ，石英砂总厚度为４５ｍｍ。动力来源为右侧单侧挤压，缩短量（Ｓ）为４００ｍｍ，缩短速率（Ｖ）为０００７ｍｍ／ｓ。模型１为无滑脱层对照组；模型２为硅胶模拟的深层弱滑脱层；模型３为相对应的浅层滑脱层；模型４中，基底滑脱层为用微玻璃珠模拟的强滑脱层，而浅部的滑脱层则为用硅胶模拟的弱滑脱层；模型５和６分别对应模型２和３，只将