中国石化无锡石油地质研究所实验地质技术之新型物理构造模拟装置

由中国石化石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所自主研发的一种能够真实反映自然界地质构造运动特征的走滑构造物理模拟实验装置及其操作方法,日前获得国家实用新型专利授权.

构造物理化学的理论纲要和应用前景

构造物理化学是地质力学在“构造结合建造”领域兴起的研究方向,发展为探讨构造作用过程中岩石物理变化与化学变化相关性的交叉学科领域。针对“构造力能否影响化学平衡”的地球科学难题,作者开展矿田地质构造的深入研究,进行构造力影响压力的探索。构造应力场可以分解为两部分:一部分是应力差,使岩石发生变形;另一部分是平均应力部分,即各向相等的正压应力状态,使岩石体积变化。后者称为“构造附加静水压力”。“构造附加静水压力”叠加在其地质作用引起的压力之上,改变该点的压力并影响其他物理化学条件,由此控制成岩成矿地球化学过程。构造物理化学是研究“构造力改变物理化学条件进而影响化学过程”,即研究构造引起的构造附加压力、温度等物理化学条件及其控制物理化学过程的领域。构造物理化学和“成矿深度构造校正”等理论方法预测胶东金矿深部存在“第二富集带”已得到证实,为胶东成为全球第三大金矿区提供了理论和方法方面的支撑。经过30多年科研和找矿实践,构造物理化学产生了广泛学术影响;中国地质学会地质力学专业委员会1996年设立“构造物理化学专业学组”,中国地球物理学会2018年批准成立“构造物理化学专业委员会”。构造物理化学需继续深入研究的问题有:构造附加静水压力问题,构造作用影响温度问题,构造作用改变岩石物理性质问题,构造作用影响地质P-T相图问题,还要发展“构造结合建造”的构造变形岩相观测研究方法等。构造物理化学在地壳异常压力和地壳深部压力状态、构造对油气的驱动和圈闭问题、成岩成矿深度的构造校正测算和隐伏矿床预测、超高压变质带的“构造增压壳内成因”问题、煤变形-变质作用的物理化学条件、临界成矿的热力学分析、地震灾害流体对于岩石系统的构造物理化学约束以及构造变形岩相基础上的地球物理勘查等方面推广应用已取得长足进展,且具有广阔的发展前景。

渤海湾盆地惠民凹陷中央隆起带张扭性断裂演化的构造物理模拟研究

惠民凹陷位于渤海湾盆地济阳坳陷西部,新生代时期经历了南北向伸展,形成了典型的“北断南超”半地堑结构。平面上,惠民凹陷中央隆起带发育了NE至近EW向的张扭断裂体系;垂向上,中央隆起带断裂体系从深部到浅部呈现出由雁列式分段到逐渐连接贯通的特征。目前对惠民凹陷中央隆起带断裂体系的结构特征有了较好的刻画,但是对于该断裂体系形成的运动学过程及其控制因素仍然停留在描述阶段。文章设计了一组张扭构造物理模拟实验,以探究惠民中央隆起带断裂构造演化过程及其控制因素。实验再现了惠民凹陷中央隆起带断裂体系在平面上由早期孤立分段、侧向传播、最终贯通的三个阶段;在剖面上也很好对应了中央隆起带沿走向由共轭断裂系向阶梯式断裂的结构转变特征。基于粒子成像测速(PIV)的应变分析,文章构建了三阶段的应变—断层距离统计图,揭示了各分段断裂由早期无连接,经历侧向生长,从软连接到硬连接的构造演化过程。研究证实在南北向区域伸展作用下,盆地基底NEE向先存断裂的活化是惠民凹陷中央隆起带张扭构造形成的根本原因。文章利用砂箱构造物理模拟实验揭示了惠民凹陷中央隆起带断裂发育的机制,可为类似的张扭性断陷盆地的断裂演化与油气成藏研究提供有益的启示。

胶东大尹格庄金矿田构造物理化学参量急变带成矿特征

在金属内生矿矿田地质研究中,构造变形岩相既能反映矿田形成的构造应力场特征,又能揭示其地球化学特征和物理化学条件。胶东金矿集中区在全球金矿中独具特色,其金矿储量规模位居世界第三,大尹格庄金矿田是区内特大型金矿田之一。在矿田构造蚀变岩相研究基础上,厘清矿田成矿构造物理化学参量之间的关系,探讨构造作用通过影响矿田成矿物理化学条件驱动金成矿作用问题显得尤为必要。本文选取代表成矿流体成分、温压、性质和成矿构造等条件的构造物理化学参量,采用因子分析法,探讨矿田构造成岩成矿问题。结果显示:流体包裹体成分CO_(2)/H_(2) O、酸碱度(pH)、氧逸度(lgfO_(2))、构造附加静水压力(Ps)、流体包裹体均一温度以及流体包裹体最小压力(Pmin)等参量代表的构造物理化学条件对成矿的影响较大,CO_(2)/H_(2)O、lgfO_(2)、Ps、均一温度、Pmin所代表的成矿流体成分、性质、温压条件及构造作用的影响是正相关的,而pH影响是负相关的;矿田黄铁绢英岩带、黄铁绢英岩化花岗质碎裂岩带和强钾长石化花岗岩带中,构造附加静水压力(Ps)、流体包裹体成分CO_(2)/H_(2) O、氧逸度(lgfO_(2))、流体包裹体最小压力(Pmin)和均一温度均依次呈现先升高再降低的趋势。流体包裹体成分Na^(+)/K^(+)、F^(-)/Cl^(-)参量代表的成矿物理化学条件对于成矿的影响是负相关的,在黄铁绢英岩带、黄铁绢英岩化花岗质碎裂岩带和强钾长石化花岗岩带中,F^(-)/Cl^(-)依次呈现逐渐降低的趋势,Na^(+)/K^(+)则依次呈现逐渐增大的趋势。构造附加静水压力(Ps)能够促使成矿流体从Ps较高的部位向较低的部位运移并沉淀成矿。构造物理化学参量的高低值之间存在构造物理化学界面,金矿体主要位于界面的构造应力松弛部位。

煤变质作用的构造物理化学机理实验研究进展

煤作为对温度、压力等地质环境条件极敏感的有机岩,地质历史演化过程中各种构造-热事件必然导致煤发生一系列物理、化学、结构和构造变化,物理模拟实验则是揭示煤变质作用机理的重要手段。本文基于煤变质热模拟实验、高温高压模拟实验方面的研究成果,着重对煤变质作用机理、演化进程及煤变质作用模拟实验的应用和发展趋势进行阐述。煤变质作用包含煤化作用和石墨化作用两个阶段,体现为多尺度、多阶段的物理化学结构演化,基本特征趋向于分子结构有序化和化学成分单一化。温度是煤变质的主导因素,而力的作用方式同样约束着煤变质作用。热模拟实验基于“时间-温度补偿原理”,采用开放、半开放和封闭等不同实验体系,模拟不同温压条件和构造-热环境下的热解过程。高温高压模拟实验基于相似性原理,在热模拟基础上加入压力变量,模拟不同温压条件和应力-应变环境,以全面模拟煤在各种构造物理化学条件下所发生的物理化学变化,探究不同温压耦合条件下煤变质作用机理、影响因素与演化途径。煤变质的热模拟及高温高压模拟实验在油气生成、煤储层评价、煤成石墨化及煤中战略性金属元素迁移等多个领域得到广泛应用,今后将朝多学科交叉融合和多场耦合模拟实验方向发展,以期更精确地模拟地层构造作用下的复杂地质条件,为深入探究煤变质作用的构造物理化学机理提供更有效的技术手段。

渤海湾盆地惠民凹陷滚动背斜与顶部垮塌断层形成的构造物理模拟

伸展盆地中发育的复杂断裂体系的结构样式、形成过程及成因机制一直是含油气盆地分析中的难点。利用构造物理模拟方法,研究了渤海湾盆地惠民凹陷典型剖面中滚动背斜与顶部垮塌断层的发育过程与形成机制。通过设计2组对照实验(E1和E2),分别研究了惠民凹陷中拆离断层和内部洼陷断裂对上盘褶皱和断裂结构影响和控制机制。其中,E1为预设断层模型,主要模拟弯曲的宁南拆离断层;E2实验采用双底板相对伸展模型和预设正断层模型相结合的方案,主要考虑了伸展盆地中后期次级洼陷的活动。构造物理模拟E1实验再现了渤海湾盆地惠民凹陷滚动背斜与顶部垮塌断层的形成过程,表明宁南断层实际控制了上盘一级褶皱的形态和次级断裂体系的发育。顶部垮塌断层体系由顺向和反向正断层构成,总体为不对称的结构特征,新发育的共轭断层具有同期的活动性,随后呈现侧向迁移的规律。断层位移量演化统计表明,实验存在同时活动、呈共轭关系的2组破裂面,与伸展楔体预测的2组库伦破裂一致,反映其处于或接近临界楔体状态。另一组实验显示,临邑和夏口断层的发育切割了早期形成的顶部垮塌断层,临南洼陷开始形成并不断加宽,最终形成的样式与现今构造剖面一致。本次研究对其他类似的伸展断层相关褶皱中的滚动背斜及其相关垮塌断裂发育机制具有一定的启示意义。

依托构造物理模拟实验室的“地史学”实验教学改革和成效

培养具有实践动手能力和科研创新能力的高素质复合型人才是高校的重要职能与目标。依托于构造物理模拟实验室,对“地史学”实验教学进行了改革,增加了以学生设计、完成为主的构造物理模拟实验教学环节。在地质学、资源勘查工程专业本科生培养中发挥了积极重要的作用,有助于学生了解专业领域的前沿发展,提升动手实践和科研创新能力,激发学习兴趣、培养团队精神。不仅如此,学生的发散思维也有助于拓宽教师的科研视野,促进教学与科研的协同发展。

基于构造物理模拟的塔中北坡NE向走滑断裂形成机理

为了揭示塔中北坡NE向走滑断裂的形成机制,本文在前人研究的基础上,利用相似分析原理,设计了构造物理模拟实验平台,完成了3组构造物理模拟对比实验,模拟了塔中北坡NE向走滑断裂的形成演化过程,分析了塔中北坡NE向走滑断裂的形成机制。结果表明:塔中北坡NE向走滑断裂受控于先存的基底断裂以及上奥陶统厚层泥岩的调节作用,在周缘构造活动的作用下形成;塔中地区NE向走滑断裂经历了形成期和复活期两个阶段,先后受到SW方向与SE方向作用力挤压。

不同拉伸方式和速度下的伸展构造砂箱物理模拟实验研究

砂箱构造物理模拟实验是室内模拟自然界地质构造变形过程、成因机制以及动力学过程的一种高效方法。影响岩石变形的速度和力的作用方式等是影响伸展构造物理模拟实验的结果和构造形态的主要因素。基于此,为探究砂箱物理模拟实验中拉伸速度和拉伸方式(力的作用方式)对伸展构造变形特征的影响,笔者在已有研究基础上,将高(0.01 mm/s)、中(0.001 mm/s)、低(0.0005 mm/s)3种不同拉伸速度与单向拉伸、双向拉伸2种不同拉伸方式相结合,设计6组实验进行对比研究。结果表明:①拉伸速度对砂体的最终形态无显著影响,但对断层的发育过程有一定的影响,而拉伸方式对断层的发育过程和最终形态的影响均较为显著,且断层形成前砂体速度会增大到一定高值,并于断层形成后快速减小。②单向拉伸模型砂体最终均形成一个不对称的地堑,双向拉伸模型砂体最终均形成一个典型的地堑。③不对称地堑通常形成于相对拉伸或差异拉伸的环境中,相对拉伸侧发育形成一系列阶梯状正断层,而相对固定侧发育一条断距较大的正断层,且先存构造的位置往往决定了后期构造发育的初始位置。这一认识为伸展构造砂箱物理模拟实验中的模型设置和参数选取奠定了基础。

准噶尔盆地中部永进地区走滑断裂发育特征及成因物理模拟

永进地区位于准噶尔盆地中部,最近发现了多个与走滑断层相关的含油气构造,但关于走滑断层的发育特征及成因机制研究程度不够深入。本文通过三维地震资料精细解释,在研究区三叠系—侏罗系内识别出近东西向、北西西向以及北东东向的三组走滑断裂体系,平面上呈“网格状”展布,剖面上具有不同深度几何学形态差异展布特征。在此基础上基于相似性原理设计四组砂箱模拟对比实验,重现研究区构造演化过程。模拟结果表明,这类走滑断裂的形成与基底先存断层的发育位置有关,是受先存构造和地层属性双重控制的广布式走滑断裂系统,从而建立了研究区的断裂系统成因模式。研究成果对具有相似地质背景地区的走滑断裂成因解释具有借鉴意义。

喜马拉雅多期运动下库车坳陷构造变形响应特征

喜马拉雅期构造运动对中国西部地质地貌具有决定性影响,库车坳陷内的构造变形特征对其多期运动存在何种响应尚待解决。在库车坳陷克拉苏构造带地震剖面解译的基础上,采用离散元数值模拟、构造物理模拟等手段,探讨挤压背景下,喜马拉雅期构造活动造成的多期运动、垂向抬升、同构造沉积等因素对库车坳陷克拉苏构造带的构造变形响应特征与变形演化过程。克拉苏构造带对喜马拉雅多期运动的响应主要体现在,控制盐上层滑脱褶皱向前陆方向传播,挤压端褶皱隆升强度变弱;盐下层挤压端前展式叠瓦状逆冲断裂系统的倾角呈规律性变化,靠近挤压端的断裂倾角较大,远离挤压端断裂的倾角较小,但其逆冲的位移量大;同时,同构造沉积控制盐上层滑脱褶皱变形范围,垂向抬升主要控制盐下层叠瓦状逆冲断裂向前陆方向传播范围。构造变形过程研究显示,喜马拉雅多期运动导致克拉苏构造带构造分层的差异变形,盐上层滑脱褶皱变形范围更广,褶皱相关断层更发育,盐下层在发育前展式叠瓦状逆冲断层后会加强反冲构造的形成。研究结果揭示了喜马拉雅多期运动对克拉苏构造带动力学演化过程的影响,深化了对库车坳陷克拉苏构造带构造变形机理和演化过程的认识。

辽河坳陷陈家断裂带北部构造演化解析及油气成藏

辽河坳陷陈家断裂带油气资源丰富,是辽河西部凹陷北段重要的含油气区带之一。基于构造演化解析,结合砂箱物理模拟实验,分析了辽河坳陷陈家断裂带的变形机制和演化过程,并指出其对油气成藏的控制作用。研究结果表明:(1)辽河坳陷陈家断裂带具有分段发育特征,且活动时期具有“先北后南”的演化特征,受断层分段性影响,陈家断裂带主要发育压扭背冲构造样式和走滑压扭构造样式。(2)物理模拟实验结果显示,台安—大洼断裂上盘在压扭作用影响下首先形成压扭性质的雁行小断裂,随着位移增大,小断裂逐渐连接,最终形成了贯穿型走滑断裂带,即陈家断裂带。(3)台安洼陷为新生代多期次构造变形叠加形成的洼陷,深层发育主力烃源岩层系,具备发育大规模油气藏的物质基础,洼陷边缘的钻井岩心分析结果显示,烃源岩TOC值为4.79%,Ro为0.3%~0.4%,属于好—较好烃源岩,推测洼陷中心厚度更大,质量更优。陈家断裂带中北部下盘发育断鼻构造,具备陈家洼陷和台安洼陷双源供烃的特点,是油气聚集的有利场所。

构造物理模拟实验方法的发展与应用

构造模拟实验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.在查阅大量相关资料的基础上,总结出构造物理模拟实验的发展史、国内外研究现状,以及在实验理论、实验技术和实验材料等方面的研究进展.目前,构造物理模拟实验已被广泛应用于构造地质学和石油构造地质学研究领域以及石油勘探研究领域,是油气勘探研究由定性描述跨入半定量分析乃至定量分析的有效途径.在研究低级序断层组合方法、纯挤压条件下以及俯冲环境中楔体的形成及演化、铲形主拆离断层控制的伸展构造变形等方面取得了很大进展.作为研究构造变形机制的重要手段,构造物理模拟发展在压扭构造研究、盐构造的物理模拟等方面仍存在不足,研究途径的选择也是构造物理模拟实验面临的一个问题.

营口—佟二堡断裂带成因机制的构造物理模拟实验研究

营口—佟二堡断裂带是控制辽河坳陷东部凹陷形成和演化的主体构造体系,是郯庐断裂带的北延部分。根据地质资料分析和构造物理模拟实验研究,营口—佟二堡断裂带在新生代经历了早期的拉张应力和后期右行剪应力的复合作用。拉张构造运动发生在古新世房身泡组沉积期至始新世沙河街组一段沉积期(距今约37.0～63.0Ma),在大陆裂谷演化阶段因地幔上涌而派生;右行走滑构造运动发生在渐新世东营组沉积期(距今约24.5～36.9Ma),后期右行剪应力作用使早期断裂再活动并形成新的断裂。基于构造物理模拟实验结果和对地质资料的分析,渐新世右行走滑构造运动导致的辽河坳陷水平位移约为4～8km。

裂缝性岩石裂缝扩展的光弹构造物理模拟——以南华北盆地户部寨沙河阶组为例

以南华北盆地户部寨第三系沙河阶组粉砂岩低渗透储层为例,总结了其中发育的5种类型构造裂缝组合,即:①南北向雁形张节理组成的共轭剪节理带;②东西向雁形张节理组成的共轭剪节理带;③缠结状多组剪切构造裂缝;④组合状交切的多组剪切构造裂缝及张裂缝;⑤散状无序排列的构造裂缝。在此基础上,建立光弹性试验构造物理模型,沿现应力场96°方向,均匀地对该模型逐步增加外载力。结果表明,沿各组合裂缝尖端分别形成对称于裂缝走向、且主轴垂直于裂缝的Ⅰ型等色线条纹;对称于裂缝走向、且主轴平行于裂缝走向的Ⅱ型条纹和斜交于裂缝走向的复合型(Ⅲ型)条纹。第①类组合裂缝尖端以Ⅰ型等色线条纹的拉张应力和张剪应力为主;第②类组合裂缝尖端以复合型(Ⅲ型)等色线条纹的挤压应力为主;第③、④和⑤类组合裂缝尖端的应力分布较为复杂。当模型外载荷接近1000kg时,裂缝尖端起裂,并开始发育显微裂缝,而当外载荷达1100-1200 kg时,沿裂缝尖端部位形成宏观裂缝,并开始扩展。5种类型的裂缝组合扩展发育程度由强至弱依次为:①,③,⑤,②,④。其中第①类共轭裂缝组合起裂最早,扩展最快,裂缝间的连通趋势最好,说明规则分布的构造裂缝组合,在垂直于外施加载衙时更易达到连通的目的。

韧性构造地质事件时限的确定——一种构造物理定年方法探索

韧性剪切带活动时限 (持续的时间 )的研究 ,可以为相关地质事件提供重要的制约条件。由于直接测定韧性构造事件的时限尚没有一种成熟的方法 ,本文试图依据韧性剪切带中构造岩及其应力矿物所反映的物理化学信息 ,以求得时限。现主要讨论构造应变速率法 ,具体的方法和步骤 :首先 ,通过计算差异应力求得流变速率 ;其次 ,通过计算体积因子来求算有限应变 ;第三 ,应用有限应变量与流变速率来求得地质事件的过程时间。并以宿松韧性剪切带型磷矿为例 ,获得韧性剪切带形成的时限为 10 0± 10万年。

北部湾盆地迈陈凹陷东部构造物理模拟研究

北部湾盆地迈陈凹陷断裂系统十分复杂,为了明确其成因机制,在三维地震资料构造解析的基础上,应用砂箱模拟实验,对迈陈凹陷东部断裂系统形成进行分析。结果表明,迈陈凹陷东部可划分为上、下2套断裂系统,下部断裂系统是受长流—流沙港期NW-SE向区域拉张应力形成,上部断裂系统是受涠洲期NW-SE向区域拉张及右旋走滑应力形成。并且下部断裂体系受基底先存断裂影响较大,走向、倾向、断层组合都与其保持一致;上部断裂体系受基底断层影响较小,多为新生型断层或继承改造型断层。涠洲期走滑程度的强弱直接影响断裂发育的走向,弱走滑条件下实验结果与实际地质特征吻合度高,并且发育的次级小断层有利构造圈闭的形成,对三维地震构造精细解释有指导作用。

构造物理模拟实验技术与实验室建设

介绍了国内外石油公司、高等院校及科研院所已建立的构造物理模拟实验室的情况,通过对实验装置、实验功能、实验研究成果及发表论文等方面的系统调研,分析了我国构造物理模拟实验技术的不足之处,认为在地质和石油类高等院校中有计划地持续建设高水平的＂石油构造物理模拟实验室＂,不仅对教学和科学研究非常必要,而且还有很重要的实践意义。

辽河坳陷古近纪两期构造演化的构造物理模拟实验

按辽河坳陷古近纪经历过早期大陆裂谷拉张变形和后期右行走滑变形的地质模型,对其东部凹陷34.8测线断裂体系形成和演化进行构造物理模拟实验,结果表明,早期地幔上涌派生的拉张应力作用导致正断层断裂体系的形成和演化,后期的右行张扭剪应力作用诱发了正花状和负花状断裂体系的形成和演化,两期构造运动决定了现今复杂含油气构造体系的展布,能够解释辽河坳陷复杂断裂体系形成和演化的动力学成因机制。

次火山岩型金矿床构造物理过程研究——以内蒙古金厂沟梁金矿为例

华北克拉通北缘的金厂沟梁金矿产于晚太古宙片麻岩系中，１２６．３—１２１．５Ｍａ的浅成相斑状花岗岩岩株侵位，１２１．７１—１００．０２Ｍａ在岩株周边的放射状—共轭断裂中，岩浆热液注入形成脉状金矿。在矿床地质和地球化学背景上，对成矿过程中的构造样式及构造应力场进行研究，采用声发射地应力等方法建立了矿田的构造物理模型。６期构造应力场表明矿床所在基底岩块自９．１ｋｍ深处抬升，在３．４ｋｍ处小岩株侵位直到剥蚀浮升到地表的过程是与东亚滨太平洋构造成矿域中、新生代活动密切联系的。