地质构造常规物理模拟实验方法研究
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石
・
油
仪
器
２１ ０ ０年 ｌ ２月
４０ ・
Ｐ Ｔ Ｏ Ｅ Ｍ Ｉ Ｓ Ｒ ＭＥ Ｅ Ｒ Ｌ Ｕ Ｎ Ｔ Ｕ ＮＩ １ Ｓ
・
方法研 究 ・
地质构 造常规物理模拟实验方法研究
赵仕俊 李 晓 东
山东 东营 ）
（ 中国石油大学石油仪器研究所
摘
要 ：文章提 出了剖 面伸展／ 压、 挤 平面伸展／ 压 ， 面剪切 ， 挤 平 组合伸展挤 压剪切 四种基本 的地 质构造物 理模拟 实
ｃ
（） ２
Ｃ 为力 相 似倍 数 ， 。为 密度 相 似倍 数 ， 弹性 ｃ Ｃ
模量 相似倍 数 ， Ｃ 为时 问相 似倍 数 ， 为 几何 相 似倍 Ｃ
数。
式 （） 出 ， ２指 当模 型 材 料选 定 ， Ｃ 、 Ｅ被确 定 ， 即 ｐＣ
几何 相似倍 数 Ｃ ￡确定后 ， 时 问相 似倍 数 Ｃ 便 由式 则 （） ２ 的关 系所 确定 ， 能再任意 选取 。同样式 （） 出 ， 不 １指 这时力 的相 似 倍 数 Ｃ ｜ ｐ也被 确 定 。进 一 步 分 析 表 明 ，
模型 实验遵 守这些 条 件 时 ， 型 与 原形 在 惯 性力 和弹 模
义的 。为此 ， 必须建 立 完 整 而科 学 的地 质 构 造 物理 模
拟实验方 法和实 验手段 。 由于常规物 理模拟 实验 因其 直 观形象 等特点被 应用 于地质 构造物 理模拟 实验研 究 的各个方 面 ， 作者通 过对 国 内外研 究 现状 的分 析 【 卜引，
验 参 数 的 实时 采 集记 录 ， 变形 过 程 的 图像 记 录 与 回放 ， 范 了地 质 构造 物 理 模 拟 实验 方 法 。 所做 的松 散 介 质 剖 面 伸 展 对 规
／ 压物理模拟等四种实验 ， 挤 验证 了地质构造物理模拟 实验装置的可靠性 和实用性 。
关 键 词 ： 质 构 造 ；物 理模 型 ； 拟 实验 ； 似 条 件 ；实验 装 置 地 模 相 中图 法 分 类号 ：Ｐ ３ ． ６ １１ ３ 文献 标 识 码 ： Ｂ 文章 编号 ：１０ —１４ ２ １ ）６０４ —３ ０４９ ３ （００ ０ —０ ００
此， 一般 把模 型 最 大 尺 寸 限定 在 １０ｍｍ ～１０ ０ｍ ０ ０ ｍ
在地质 构造物 理模 型 的相 似分 析 中， 我们 把 它 抽 象 为动力 相似问题 进行讨 论 ， 导 出模 型的几 何相似 、 并 时 间相似 、 动相似 、 运 动力 相似 和材料相 似等相 似准则
从 事 地 学 计 算 机应 用 技 术 研 究 。 邮编 ：５０ １ ２ ７６
２１ ０ ０年
第２ ４卷
第 ６期
赵仕俊等 ： 地质构造常规物理模 拟实验方法研究
・４ １・
１２ ２ 材料 相似 ．．
～
０ ７ｍｍ， 相 当于 自然 条件 下研 究 区 的展 布范 围约 ． 这
在 自然界 岩 石 形 变 现 象 中 或 实 验 室 内的 模 拟 过 程 ， 可观察 到具有 弹 性 、 都 塑性 、 性 三 种 属性 的形 变 脆 现象 。在选 择实 验材 料 时 ， 了研 究 岩 石 本 身 的物 理 除 力学性 和形态 变化 特征外 ， 还要研 究岩 石 的成 岩历 史 、 岩相在 横 向和纵 向上 的变 化 。深 入研究 实验 材料 的相
性力 方面是 相似 的 ， 型 与原 形 在 惯性 力 和 重力 方 面 模
是不 相似 的。有 了最基本 的相 似倍数 关系式 （ ） （ ） １和 ２
利 用相似分 析方法 给 出 了物 理模 型设 计 的相 似 条件 ， 提 出 了四种 基本物 理 实验 模 型 ， 完成 了地 质构 造 物理 模拟 实验装 置的设 计制 作 ， 过 实验 验 证 了地 质 构造 通 物理模 拟实验 装置 的可 靠 性 和实 用 性 ， 研 究 成果 可 其
言
地质构 造物理模 拟实验 是 以地质构 造形变 研究 为 基础 ， 模拟各 种构造 现象 的形 成过 程 ， 察他们 在变形 观 过程 中各个 阶段所表 现 的形 态特征 。深 入研究 构造变 形 的力 学机制 、 发生 过 程 、 变形 特 征 ， 于分 析 地质 构 对 造成 因 ， 推定工业 矿藏存 在 ， 拟矿 藏结构都 是很 有意 模
如 以下各式 【 。
内， 其几 何 相 似 比取 Ｃ ＝１５×１ 相 当 于 自然 条件 ￡ ． ０，
（） １
Ｃ ｐ＝ Ｃ Ｃ ２
下 研究 区的展布 范 围约为 １ ０ ｍ～１ ０ ｍ。 ０ｋ ５ ５００ｋ
基金项 目： 本研究课题为“ 石油大学（ 华东 ） ｌ 工程建设” 目内容 。 ２１ 项 第一作者简介 ： 赵仕俊 ， ，９ ７年生 ， 男 １５ 博士 ， 高级工程师 ，０ ０年毕业于北京科技大学机电检测技术博士专业 ， ２１ 现在 中国石油大学石油仪器研究所
供 同行 参考 ， 误之 处恳请 同行指 正 。 谬
式ห้องสมุดไป่ตู้ ， 描述动 力相似 的其 它物 理 量 的相 似倍 数 便 可 导 出， 如频 率相 似倍数 、 速度相 似倍 数 、 速度相 似倍数 、 加
摩 擦 系数 的相 似倍数 等 。 １ ２ 相似 参数 的确定 ．
１ ２ １ 几何相 似 ．．
验模 型 ， 论 了地 质 构 造 物 理模 拟 实验 模 型的 相 似 性 问题 。指 出 了一般 地质 构造 变形 均 可 用 这 四 种 基 本 模 型进 行 模 拟 。 讨
所设计的地质构造 物理模拟 实验装置 实现 了对模 型的 自动加 载和 实验过程控制 ， 实验载荷 、 对 位移 变化 、 实验 温度等 实
１ 物理 模 拟 实 验 的相 似 性 问题
１ １ 相 似 准 则 ．
几何 相似是 地质 构造物 理模拟 实验装 置设计 首先
要考 虑 的问题 。所 设计 的模 型尺寸不 仅要 满足通 过实 验得 到 的几 何变形 量能 够清楚 的反 映相应 的地质 构造 现象 ， 同时 还 要 便 于 仪 器 的 加 工 装 配 ， 验 操 作 。因 实
・
油
仪
器
２１ ０ ０年 ｌ ２月
４０ ・
Ｐ Ｔ Ｏ Ｅ Ｍ Ｉ Ｓ Ｒ ＭＥ Ｅ Ｒ Ｌ Ｕ Ｎ Ｔ Ｕ ＮＩ １ Ｓ
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方法研 究 ・
地质构 造常规物理模拟实验方法研究
赵仕俊 李 晓 东
山东 东营 ）
（ 中国石油大学石油仪器研究所
摘
要 ：文章提 出了剖 面伸展／ 压、 挤 平面伸展／ 压 ， 面剪切 ， 挤 平 组合伸展挤 压剪切 四种基本 的地 质构造物 理模拟 实
ｃ
（） ２
Ｃ 为力 相 似倍 数 ， 。为 密度 相 似倍 数 ， 弹性 ｃ Ｃ
模量 相似倍 数 ， Ｃ 为时 问相 似倍 数 ， 为 几何 相 似倍 Ｃ
数。
式 （） 出 ， ２指 当模 型 材 料选 定 ， Ｃ 、 Ｅ被确 定 ， 即 ｐＣ
几何 相似倍 数 Ｃ ￡确定后 ， 时 问相 似倍 数 Ｃ 便 由式 则 （） ２ 的关 系所 确定 ， 能再任意 选取 。同样式 （） 出 ， 不 １指 这时力 的相 似 倍 数 Ｃ ｜ ｐ也被 确 定 。进 一 步 分 析 表 明 ，
模型 实验遵 守这些 条 件 时 ， 型 与 原形 在 惯 性力 和弹 模
义的 。为此 ， 必须建 立 完 整 而科 学 的地 质 构 造 物理 模
拟实验方 法和实 验手段 。 由于常规物 理模拟 实验 因其 直 观形象 等特点被 应用 于地质 构造物 理模拟 实验研 究 的各个方 面 ， 作者通 过对 国 内外研 究 现状 的分 析 【 卜引，
验 参 数 的 实时 采 集记 录 ， 变形 过 程 的 图像 记 录 与 回放 ， 范 了地 质 构造 物 理 模 拟 实验 方 法 。 所做 的松 散 介 质 剖 面 伸 展 对 规
／ 压物理模拟等四种实验 ， 挤 验证 了地质构造物理模拟 实验装置的可靠性 和实用性 。
关 键 词 ： 质 构 造 ；物 理模 型 ； 拟 实验 ； 似 条 件 ；实验 装 置 地 模 相 中图 法 分 类号 ：Ｐ ３ ． ６ １１ ３ 文献 标 识 码 ： Ｂ 文章 编号 ：１０ —１４ ２ １ ）６０４ —３ ０４９ ３ （００ ０ —０ ００
此， 一般 把模 型 最 大 尺 寸 限定 在 １０ｍｍ ～１０ ０ｍ ０ ０ ｍ
在地质 构造物 理模 型 的相 似分 析 中， 我们 把 它 抽 象 为动力 相似问题 进行讨 论 ， 导 出模 型的几 何相似 、 并 时 间相似 、 动相似 、 运 动力 相似 和材料相 似等相 似准则
从 事 地 学 计 算 机应 用 技 术 研 究 。 邮编 ：５０ １ ２ ７６
２１ ０ ０年
第２ ４卷
第 ６期
赵仕俊等 ： 地质构造常规物理模 拟实验方法研究
・４ １・
１２ ２ 材料 相似 ．．
～
０ ７ｍｍ， 相 当于 自然 条件 下研 究 区 的展 布范 围约 ． 这
在 自然界 岩 石 形 变 现 象 中 或 实 验 室 内的 模 拟 过 程 ， 可观察 到具有 弹 性 、 都 塑性 、 性 三 种 属性 的形 变 脆 现象 。在选 择实 验材 料 时 ， 了研 究 岩 石 本 身 的物 理 除 力学性 和形态 变化 特征外 ， 还要研 究岩 石 的成 岩历 史 、 岩相在 横 向和纵 向上 的变 化 。深 入研究 实验 材料 的相
性力 方面是 相似 的 ， 型 与原 形 在 惯性 力 和 重力 方 面 模
是不 相似 的。有 了最基本 的相 似倍数 关系式 （ ） （ ） １和 ２
利 用相似分 析方法 给 出 了物 理模 型设 计 的相 似 条件 ， 提 出 了四种 基本物 理 实验 模 型 ， 完成 了地 质构 造 物理 模拟 实验装 置的设 计制 作 ， 过 实验 验 证 了地 质 构造 通 物理模 拟实验 装置 的可 靠 性 和实 用 性 ， 研 究 成果 可 其
言
地质构 造物理模 拟实验 是 以地质构 造形变 研究 为 基础 ， 模拟各 种构造 现象 的形 成过 程 ， 察他们 在变形 观 过程 中各个 阶段所表 现 的形 态特征 。深 入研究 构造变 形 的力 学机制 、 发生 过 程 、 变形 特 征 ， 于分 析 地质 构 对 造成 因 ， 推定工业 矿藏存 在 ， 拟矿 藏结构都 是很 有意 模
如 以下各式 【 。
内， 其几 何 相 似 比取 Ｃ ＝１５×１ 相 当 于 自然 条件 ￡ ． ０，
（） １
Ｃ ｐ＝ Ｃ Ｃ ２
下 研究 区的展布 范 围约为 １ ０ ｍ～１ ０ ｍ。 ０ｋ ５ ５００ｋ
基金项 目： 本研究课题为“ 石油大学（ 华东 ） ｌ 工程建设” 目内容 。 ２１ 项 第一作者简介 ： 赵仕俊 ， ，９ ７年生 ， 男 １５ 博士 ， 高级工程师 ，０ ０年毕业于北京科技大学机电检测技术博士专业 ， ２１ 现在 中国石油大学石油仪器研究所
供 同行 参考 ， 误之 处恳请 同行指 正 。 谬
式ห้องสมุดไป่ตู้ ， 描述动 力相似 的其 它物 理 量 的相 似倍 数 便 可 导 出， 如频 率相 似倍数 、 速度相 似倍 数 、 速度相 似倍数 、 加
摩 擦 系数 的相 似倍数 等 。 １ ２ 相似 参数 的确定 ．
１ ２ １ 几何相 似 ．．
验模 型 ， 论 了地 质 构 造 物 理模 拟 实验 模 型的 相 似 性 问题 。指 出 了一般 地质 构造 变形 均 可 用 这 四 种 基 本 模 型进 行 模 拟 。 讨
所设计的地质构造 物理模拟 实验装置 实现 了对模 型的 自动加 载和 实验过程控制 ， 实验载荷 、 对 位移 变化 、 实验 温度等 实
１ 物理 模 拟 实 验 的相 似 性 问题
１ １ 相 似 准 则 ．
几何 相似是 地质 构造物 理模拟 实验装 置设计 首先
要考 虑 的问题 。所 设计 的模 型尺寸不 仅要 满足通 过实 验得 到 的几 何变形 量能 够清楚 的反 映相应 的地质 构造 现象 ， 同时 还 要 便 于 仪 器 的 加 工 装 配 ， 验 操 作 。因 实