基于离散元的褶皱冲断带构造变形定量分析与模拟
发布时间：2020-08-04 18:55
【摘要】：离散元数值模拟作为构造变形研究的新方法,可以定量的观测分析模型内应力、应变的演化过程,有助于揭示褶皱冲断带的变形特征与变形机制,分析应力应变分布对油气储层物性的影响,具有重要的理论意义及实用价值。本文在文献调研的基础上,结合野外地质调查、地震剖面解析和构造物理模拟试验,基于离散元数值模拟技术,对褶皱冲断带构造变形特征及其变形演化机制和控制因素进行综合分析,取得了如下成果:1)采用结构体数组构建离散元的基本数据结构,改进基于网格法的邻居搜索算法,加快邻居搜索与接触判断的速度,重组邻居搜索与接触判断和接触力的更新模块,实现了无锁、高效的并行计算。嵌入线弹性和Hertz-Mindlin接触力学模型,开发适用于构造模拟的易扩展、高性能的离散元程序VBOX,并给出了离散元程序测试流程。2)提出等效参数与等效模型的概念,通过休止角试验和双轴试验标定反映石英砂宏观力学特性的颗粒的细观参数,构建一个典型的物理模拟和离散元数值模拟试验,提出基于网格的挤压楔体定量方法,定量(如坡角、断层倾角等)对比了两种方法在构造变形研究中的差异与相似点。3)通过系统的离散元数值模拟试验给出颗粒细观参数与岩石宏观参数的对应表,研究岩层粘聚力和内摩擦角、滑脱层强度和厚度对褶皱冲断构造形成与演化的控制作用,定量分析了褶皱冲断构造变形特征与变形机制,为复杂褶皱冲断构造地质理论的完善提供了定量依据。岩层粘聚力较低时,内部应变分散,裂隙分布较为分散;岩层粘聚力较强时,应变集中,断层断距较大,单个断层位移量大,楔体内部可能出现明显的反冲断层。也就是说,粘聚力弱的岩层,应力集中不明显,挤压楔体内部裂隙发育松散、均匀,具有连通孔隙,利于油气在其中储存和渗滤。而粘聚力强的岩层中裂隙发育集中,成带状,可以作为优势的油气运移通道。滑脱层的强度对褶皱冲断带构造形态影响很大,高摩擦滑脱层模型中,主要构造形态为前展式逆冲叠瓦构造;在低摩擦滑脱模型中,正向和反向逆冲断层间隔出现,形成冲起构造;褶皱冲断带盖层岩石强度对褶皱冲断构造影响较小,整体构造演化主要受基底滑脱层强度影响。并且,滑脱层厚度对构造变形样式影响较弱。4)以库车坳陷新生代褶皱冲断带为切入点,标定了岩盐宏观参数所对应的颗粒的细观参数。通过数值模拟证实了同构造沉积对变形的分布具有重要的控制作用,认为秋里塔格盐丘形成演化的主要控制因素之一是同构造沉积作用。盐岩使得库车坳陷西段构造具“垂向分层”特点,盐下构造以紧密排布的逆冲断层为主,盐上构造以宽缓褶皱为主。同时,通过数值模拟了揭示初始盐盆宽度可能是影响库车坳陷西段构造沿走向差异演化的主要控制因素。初始盐盆宽度和盐层厚度差异使得库车坳陷构造变形具“横向分段”特征。盐岩使得地层中应力有明显的分层性,分成盐上、盐层和盐下三层,盐层中应力最小,盐下应力最大。盐岩流动具有一定的指向性,同构造沉积使得盐岩表现明显的顺层流动特点,总体流动趋势与挤压方向相同。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P618.13
【图文】：
１绪论物理模拟始于两个多世纪前，．丨ａｍｅｓ邋Ｈａｌｌ于１８１５年挤压水平叠置的布料和羊毛皱的形成（见图ｌ－２ａ）。之后，不同学者选取其它试验材料，如微玻璃珠、石英砂、牛皮纸、粘土等材料（如图１－１），采用类似的思路模拟褶皱和断层的形成（如图１－２）
构造物理模拟始于两个多世纪前，．丨ａｍｅｓ邋Ｈａｌｌ于１８１５年挤压水平叠置的布料和羊毛毡来逡逑模拟褶皱的形成（见图ｌ－２ａ）。之后，不同学者选取其它试验材料，如微玻璃珠、石英砂、硅逡逑胶、蜡、牛皮纸、粘土等材料（如图１－１），采用类似的思路模拟褶皱和断层的形成（如图１－２）。逡逑Ｄｉ＾ｎＢ逡逑微玻璃珠逦红Ｚ内色石英砂逦白色石英砂逦硅胶逡逑图１－１构造物理模拟常用的试验材料逡逑＿＼逦＊逡逑逦邋，邋逦邋Ｊ逡逑…ＢＥ－邋－逡逑５ｃｍ逦ｉｎ—＜ｗ＞＜ｗｇｇ？ｗ—＇＾ＭＷｐ４＾．．ｖ逡逑图１－２构造物理模拟实例。（ａ）第一个可追溯的物理模拟试验装置示意图，Ｊａｍｅｓ邋Ｈａｌｌ于丨８１５年用叠置布逡逑片模拟真实的地层。（ｂ）邋Ｆａｖｒｅ于１８７８年以石膏层来替代真实地层。（ｃ）用石英砂代表地层，模拟挤压构逡逑造。（ｄ）石英砂代表岩层，硅胶代表盐岩，模拟盐构造的形成（吴珍云，２０１４）。逡逑物理模拟是采用砂、粘ｔ、微玻璃珠、蜡、硅胶等材料来模拟构造过程的－种比例化试逡逑验（Ｃａｄｅｌｌ，１８８９；邋Ｗｉｌｌｉｓ，１８９３；邋Ｈｕｂｂｅｒｔ，邋１９３７；邋Ｒａｍｂｅｒｇｅｔａｌ．，２００１；邋Ｂｕｉｔｅｒ，２０丨２）。当前，物理模拟试逡逑验多选用千燥颗粒物质（如石英砂）作为相似材料模拟构造变形过程（Ｋｉｎｇ邋Ｈｕｂｂｅｒｔ，１９５１；逡逑Ｈｏｒｓｆｉｅｌｄ，１９７７；邋Ｎａｙｌｏｒ邋ｅｔ邋ａｌ．，１９８６；邋Ｖｅｎｄｅｖｉｌｌｅ邋ｅｔ邋ａｌ．，１９８７；邋Ｄａｖｙ邋ａｎｄ邋Ｃｏｂｂｏｌｄ，１９８８；邋ＭｃＣｌａｙ，１９９０；逡逑Ｄａｖｙ邋ａｎｄ邋Ｃｏｂｂｏｌｄ
的挤压试验，初始模型见图ｌ－３ａ，模拟结果见图ｌ－３ｃ。对比图ｌ－３ｃ中，同一个试验Ｔｏｒｏｎｔｏ逡逑２Ａ的切面２５％与切而７５％圆圈所小＇位置的形变，可见局部明显的差异；对比试验Ｔｏｒｏｎｔｏ邋２Ａ逡逑与Ｔｏｒｏｎｔｏ邋２Ｂ的切面２５％圆圈所示位置的形变，可以看到它们也存在微小差异。对比图１－３逡逑中其它物理模拟试验结果也可发现类似的结论，我们永远无法做出两个一样的物理模拟试验，逡逑就像世界上没有两片一样的叶子一样。逡逑１邋Ｉ邋ｉｎ邋ｔｊｉ逡逑ｉ逡逑ｊ逡逑Ｉ逦．邋ｌ邋１逦－邋１１１逦逦逦逦逡逑Ｕ；邋逦逦■邋—逦，邋ｉ邋１１１邋－邋Ｔ邋＾逡逑（ａ）逦（ｂ）逡逑ｓｎ％－？ｒ．ｍ逦ｓｎ％逦Ｓ０％－？－？ｒｊｎ逦７Ｓ％逡逑Ｔ？Ｐ0？邋２Ａ逦■忍逡逑悙咬邋４．逦％逦＾逦逦逦逦＾邋瀑邋逦逦逦邋Ｉ．逦如逡逑Ｔｏｒｏｎｔｏ邋２Ａ逦－逦＊＊＊＊逦＊＂￣邋＿逡逑－－邋－一邋？■一逡逑Ｔｏｒｏｎｔｏ邋２Ｂ逦＾—逦＂＂逡逑ｎ逦“一邋－逦ｉ＝＾ｒ－邋ｉ逡逑［Ｕｐｐｓａｌａ邋２Ａ逦－邋—逦？焌＜＾邋二＂逡逑（ｃ）逡逑图１－３构造挤压试验，引自Ｓｃｈｒｅｕｒｓｅｔａｌ．（２０１６）。（ａ）初始模型；（ｂ）切面位置俯视图图。切面（１）逡逑为模型宽度的２５％，切面（２）为模型宽度的５０％－２邋ｃｍ，切面（３）为模型宽度的５０％，切面（４）为模型逡逑宽度的５０％＋２邋ｃｍ，切面（５）为模型宽度的７５％。这里模型宽度为８０邋ｃｍ；邋（ｃ）挤压１０ｃｍ后，模型在２５％，逡逑５０0／0－２邋ｃｍ
本文编号：2780955
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P618.13
【图文】：
１绪论物理模拟始于两个多世纪前，．丨ａｍｅｓ邋Ｈａｌｌ于１８１５年挤压水平叠置的布料和羊毛皱的形成（见图ｌ－２ａ）。之后，不同学者选取其它试验材料，如微玻璃珠、石英砂、牛皮纸、粘土等材料（如图１－１），采用类似的思路模拟褶皱和断层的形成（如图１－２）
构造物理模拟始于两个多世纪前，．丨ａｍｅｓ邋Ｈａｌｌ于１８１５年挤压水平叠置的布料和羊毛毡来逡逑模拟褶皱的形成（见图ｌ－２ａ）。之后，不同学者选取其它试验材料，如微玻璃珠、石英砂、硅逡逑胶、蜡、牛皮纸、粘土等材料（如图１－１），采用类似的思路模拟褶皱和断层的形成（如图１－２）。逡逑Ｄｉ＾ｎＢ逡逑微玻璃珠逦红Ｚ内色石英砂逦白色石英砂逦硅胶逡逑图１－１构造物理模拟常用的试验材料逡逑＿＼逦＊逡逑逦邋，邋逦邋Ｊ逡逑…ＢＥ－邋－逡逑５ｃｍ逦ｉｎ—＜ｗ＞＜ｗｇｇ？ｗ—＇＾ＭＷｐ４＾．．ｖ逡逑图１－２构造物理模拟实例。（ａ）第一个可追溯的物理模拟试验装置示意图，Ｊａｍｅｓ邋Ｈａｌｌ于丨８１５年用叠置布逡逑片模拟真实的地层。（ｂ）邋Ｆａｖｒｅ于１８７８年以石膏层来替代真实地层。（ｃ）用石英砂代表地层，模拟挤压构逡逑造。（ｄ）石英砂代表岩层，硅胶代表盐岩，模拟盐构造的形成（吴珍云，２０１４）。逡逑物理模拟是采用砂、粘ｔ、微玻璃珠、蜡、硅胶等材料来模拟构造过程的－种比例化试逡逑验（Ｃａｄｅｌｌ，１８８９；邋Ｗｉｌｌｉｓ，１８９３；邋Ｈｕｂｂｅｒｔ，邋１９３７；邋Ｒａｍｂｅｒｇｅｔａｌ．，２００１；邋Ｂｕｉｔｅｒ，２０丨２）。当前，物理模拟试逡逑验多选用千燥颗粒物质（如石英砂）作为相似材料模拟构造变形过程（Ｋｉｎｇ邋Ｈｕｂｂｅｒｔ，１９５１；逡逑Ｈｏｒｓｆｉｅｌｄ，１９７７；邋Ｎａｙｌｏｒ邋ｅｔ邋ａｌ．，１９８６；邋Ｖｅｎｄｅｖｉｌｌｅ邋ｅｔ邋ａｌ．，１９８７；邋Ｄａｖｙ邋ａｎｄ邋Ｃｏｂｂｏｌｄ，１９８８；邋ＭｃＣｌａｙ，１９９０；逡逑Ｄａｖｙ邋ａｎｄ邋Ｃｏｂｂｏｌｄ
的挤压试验，初始模型见图ｌ－３ａ，模拟结果见图ｌ－３ｃ。对比图ｌ－３ｃ中，同一个试验Ｔｏｒｏｎｔｏ逡逑２Ａ的切面２５％与切而７５％圆圈所小＇位置的形变，可见局部明显的差异；对比试验Ｔｏｒｏｎｔｏ邋２Ａ逡逑与Ｔｏｒｏｎｔｏ邋２Ｂ的切面２５％圆圈所示位置的形变，可以看到它们也存在微小差异。对比图１－３逡逑中其它物理模拟试验结果也可发现类似的结论，我们永远无法做出两个一样的物理模拟试验，逡逑就像世界上没有两片一样的叶子一样。逡逑１邋Ｉ邋ｉｎ邋ｔｊｉ逡逑ｉ逡逑ｊ逡逑Ｉ逦．邋ｌ邋１逦－邋１１１逦逦逦逦逡逑Ｕ；邋逦逦■邋—逦，邋ｉ邋１１１邋－邋Ｔ邋＾逡逑（ａ）逦（ｂ）逡逑ｓｎ％－？ｒ．ｍ逦ｓｎ％逦Ｓ０％－？－？ｒｊｎ逦７Ｓ％逡逑Ｔ？Ｐ0？邋２Ａ逦■忍逡逑悙咬邋４．逦％逦＾逦逦逦逦＾邋瀑邋逦逦逦邋Ｉ．逦如逡逑Ｔｏｒｏｎｔｏ邋２Ａ逦－逦＊＊＊＊逦＊＂￣邋＿逡逑－－邋－一邋？■一逡逑Ｔｏｒｏｎｔｏ邋２Ｂ逦＾—逦＂＂逡逑ｎ逦“一邋－逦ｉ＝＾ｒ－邋ｉ逡逑［Ｕｐｐｓａｌａ邋２Ａ逦－邋—逦？焌＜＾邋二＂逡逑（ｃ）逡逑图１－３构造挤压试验，引自Ｓｃｈｒｅｕｒｓｅｔａｌ．（２０１６）。（ａ）初始模型；（ｂ）切面位置俯视图图。切面（１）逡逑为模型宽度的２５％，切面（２）为模型宽度的５０％－２邋ｃｍ，切面（３）为模型宽度的５０％，切面（４）为模型逡逑宽度的５０％＋２邋ｃｍ，切面（５）为模型宽度的７５％。这里模型宽度为８０邋ｃｍ；邋（ｃ）挤压１０ｃｍ后，模型在２５％，逡逑５０0／0－２邋ｃｍ
本文编号：2780955
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