一种疏松沉积物变形的室内实验模拟方法
【专利摘要】本发明公布了一种疏松沉积物变形的室内实验模拟方法，它包括设置在水下的石膏斜坡，调整石膏斜坡与地面的角度为10度，其特征在于：它包括如下步骤；取天然河道砂用清水进行反复淘洗，直至天然河道砂变得干净无杂物，将淘洗后的天然河道砂晒干，进行粒度分析，选择粒径在0.18?0.15mm之间的河道砂留作备用；它克服了现有技术中诸多国内外学者对疏松沉积物滑塌变形的形成过程和形成条件不能达成共识的缺点，具有由于不同层的材料之间粘滞系数的差异，造成流动速率不同，使得河砂层在滑塌作用带动了下伏泥层被撕裂，沿断裂面侵入砂层中，形成地层的波状隆起。随着坡度增大，逐渐形成各种滑塌变形褶皱。
【专利说明】
一种疏松沉积物变形的室内实验模拟方法
技术领域
[0001]本发明涉及到地质学沉积模拟技术领域，更加具体来说是一种疏松沉积物变形的室内实验模拟方法。
【背景技术】
[0002]疏松沉积物变形(softsediment deformat1n)存在于各个年代不同的沉积环境里，近年来，国内外学者通过野外露头、地震、岩心、测井等资料发现了大量的疏松沉积物变形构造，并且这种变形构造对于分析区域地质发展历史和油气资源勘探具有重要意义，这已经成为了一个热点问题(钟建华等，2009;张昌民等，2011苏德辰等，2013)。
[0003]对于疏松沉积物变形的分类方法有很多，目前还没有一个统一的认识(赵澄林等，1988;吕洪波等，2003;乔秀夫等，2009;杜远生，2011;Van Loon,2009；Owen et al，2011)，在这些学者的文章中都提到了疏松沉积物滑塌变形这一类型，无论是地震、洪水、重力作用，或者其他因素引发的，这一类的变形构造对于研究区域构造、分析盆地演化史以及指导岩性油气藏勘探都具有十分的重要意义(尹太举，2006;马龙等，2008;苏德辰等，2011;吕洪波等，2011;冯娟萍等，2012;杨华等，2012)。
[0004]但是国内外学者对此的研究大都是基于野外观察的定性描述，例如赵密福等(2001)提出滑塌浊积岩的形成和发育主要受洼陷带的开阔程度、沉积古地形、水动力条件、三角洲的规模及高建设性、三角洲的空间变化以及盆地演化阶段所控制，而邱桂强等(2001)则认为地形坡度是影响滑塌变形的主要因素。还有少数学者通过模拟实验探讨其形成过程以及形成条件，例如鄢继华等(2004，2009)和张关龙等(2006)利用水槽实验摸拟了三角洲前缘滑塌浊积体的形成过程，认为地震、波浪是滑塌变形最主要的触发机制，并且总结了在模拟实验中几种常见震积岩相标志;Dasgupta(2008)根据印度贾里亚盆地实际观察到的地质现象设计实验，模拟了斜坡上褶皱的形成及演化过程。
[0005]由此可以看出诸多国内外学者对疏松沉积物滑塌变形的形成过程和形成条件不能达成共识，而目前疏松沉积物变形又是一个热点问题，所以需要定量化的实验研究来解决这一问题。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于克服上述【背景技术】的不足之处，而提出一种疏松沉积物变形的室内实验模拟方法。
[0007]本发明一种疏松沉积物变形的室内实验模拟方法，它包括设置在水下的石膏斜坡，调整石膏斜坡与地面的角度为10度，其特征在于:它包括如下步骤；
[0008]①、取天然河道砂用清水进行反复淘洗，直至天然河道砂变得干净无杂物，将淘洗后的天然河道砂晒干，进行粒度分析，选择粒径在0.18-0.15mm之间的河道砂留作备用；[0009 ]②、将3份水对和I份泥或者4分水和I份泥均匀混合成泥水混合物留作备用；
[0010]③、进行实验之前;通过左、右手动绞盘将疏松沉积物变形室内模拟装置内的沉积箱调节至-10° ;
[0011 ]④、往沉积箱中加入步骤②中留作备用的泥水混合物，然后静置12小时;待泥水混合物完全沉淀之后，再用60目的标准筛往所述的沉积箱中缓慢加入步骤①中的晾干的河道砂，然后静置15分钟；
[0012]再用40目标准筛往所述的沉积箱中加入工业石英砂，最后静置15分钟，缓慢加水至40cm深，形成一个泥层-细砂层-中砂层的一个模拟地层；
[0013]⑤、将所述的沉积箱顶部用盖板封盖好;静置30分钟；
[0014]⑥、实验开始前5分钟;开始对所述的沉积箱的前后左右及上部安装摄像机并进行摄像，记录所述的沉积箱各个方向的实验现象；
[0015]⑦、人工通过左、右手动绞盘缓慢匀速拉动绳索改变所述的沉积箱的角度，观察所述的沉积箱中的模拟地层的沉积物变形情况;记录模拟地层的沉积物每一次变形发生的角度和时间，直到模拟地层不再发生变形；
[0016]⑧、在实验结束后，关闭摄像机，将所述的沉积箱中的水缓慢排尽，静置三天后;等待步骤⑦中的模拟地层晒干成型后；留作备用；
[0017]⑨、将步骤⑧中的晒干后的模拟地层按照纵向每隔6cm进行切片，将每片模拟地层分别进行标号，并对每片模拟地层的剖面进行拍照和记录；
[0018]⑩、将步骤⑨中每片模拟地层利用计算机软件进行清绘，对比每片模拟地层，预测油气储集有利区块;同时观察实验过程影像资料;总结石膏斜坡背景下沉积物变形的过程，推测变形的后期发展方向。
[0019]在上述技术方案中:在步骤⑦中；模拟地层的沉积物变形包括如下六个阶段，
[0020]A:时间00:00，地层倾角为O度，模拟地层未发生变化；
[0021 ] B:时间00: 20，地层倾角为7.3度，模拟地层开始滑移，模拟地层的滑动面平直；
[0022]C:时间01:05，地层倾角15.5度，泥层开始进入到细砂层；
[0023]D:时间01:22-02:35，地层倾角为18.5度-27.8度，第一期断裂形成;一开始地层弯曲，形成圆弧褶皱，并且随着地层倾角变大，发展成紧密等斜褶皱；
[0024]E:时间02:44，地层倾角为29度，第二期断裂形成，剪切效应增大，产生断层，由于断层面的错段，形成无根等斜褶皱；
[0025]F:时间为03:30，地层倾角为30.3度，断裂增大，变形结束。
[0026]在上述技术方案中:在步骤⑨中，所述的每片模拟地层的宽度为3厘米-6厘米之间;所述的模拟地层的切片的数量与所述的沉积箱(2)的横向长度相匹配。
[0027]本发明具有如下技术优点:1、由最终实验结果的一系列切片所得截面可见河道砂形成了两条断裂，细砂层沿断裂向上逆冲形成盖层滑脱型逆冲推覆构造，这些断裂将疏松沉积物滑塌过程中早期形成的紧密褶皱破坏，形成无根褶皱。
[0028]2、由于不同层的材料之间粘滞系数的差异，流动速率不同，使得河砂层的逆冲作用带动了下伏泥层被撕裂，沿断裂侵入砂层中。
[0029]3、如果沉积箱足够大而且物源充足，随着地层倾角继续增大，可以预测第三期断裂将出现于第二条断裂的右上方，形成后展式褶皱逆冲断裂构造。
[0030]4、从一系列切片所得截面看出滑塌形成的砂体在横向和纵向上相互叠置，并且成片出现，具备油气形成的有利储集条件。
【附图说明】
[0031]图1为本发明中的疏松沉积物变形室内模拟装置的整体结构示意图。
[0032]图2为疏松沉积物滑塌变形过程中A-G时间段具体的形变过程示意图。
[0033]图3为一组实验结果的连续截面示意图。
[0034]图4为不同阶段褶皱的几何形态(A-D为发展顺序)。
[0035]图中:疏松沉积物变形室内模拟装置1、沉积箱2、左、右手动绞盘3、盖板4。
【具体实施方式】
[0036]下面结合附图详细说明本发明的的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已，同时通过说明本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。
[0037]参照图1-4所示:本发明一种疏松沉积物变形的室内实验模拟方法，它包括设置在水下的石膏斜坡，调整石膏斜坡与地面的角度为10度，其特征在于:它包括如下步骤；
[0038]①、取天然河道砂用清水进行反复淘洗，直至天然河道砂变得干净无杂物，将淘洗后的天然河道砂晒干，进行粒度分析，选择粒径在0.18-0.15mm之间的河道砂留作备用；
[0039]②、将3份水对和I份泥或者4分水和I份泥均匀混合成泥水混合物留作备用；
[0040]③、进行实验之前;通过左、右手动绞盘3将疏松沉积物变形室内模拟装置I内的沉积箱2调节至-10° ;
[0041 ]④、往沉积箱2中加入步骤②中留作备用的泥水混合物，然后静置12小时;待泥水混合物完全沉淀之后，再用60目的标准筛往所述的沉积箱2中缓慢加入步骤①中的晾干的河道砂，然后静置15分钟；
[0042]再用40目标准筛往所述的沉积箱2中加入工业石英砂，最后静置15分钟，缓慢加水至40cm深，形成一个泥层-细砂层-中砂层的一个模拟地层；
[0043]⑤、将所述的沉积箱2顶部用盖板4封盖好;静置30分钟；
[0044]⑥、实验开始前5分钟;开始对所述的沉积箱2的前后左右及上部安装摄像机并进行摄像，记录所述的沉积箱2各个方向的实验现象；
[0045]⑦、人工通过左、右手动绞盘3缓慢匀速拉动绳索改变所述的沉积箱2的角度，观察所述的沉积箱2中的模拟地层的沉积物变形情况;记录模拟地层的沉积物每一次变形发生的角度和时间，直到模拟地层不再发生变形；
[0046]⑧、在实验结束后，关闭摄像机，将所述的沉积箱2中的水缓慢排尽，静置三天后；等待步骤⑦中的模拟地层晒干成型后；留作备用；
[0047]⑨、将步骤⑧中的晒干后的模拟地层按照纵向每隔6cm进行切片，将每片模拟地层分别进行标号，并对每片模拟地层的剖面进行拍照和记录；
[0048]⑩、将步骤⑨中每片模拟地层利用计算机软件进行清绘，对比每片模拟地层，预测油气储集有利区块;同时观察实验过程影像资料;总结石膏斜坡背景下沉积物变形的过程，推测变形的后期发展方向。
[0049]在步骤⑦中；模拟地层的沉积物变形包括如下六个阶段，
[0050]A:时间00:00，地层倾角为O度，模拟地层未发生变化；
[0051 ] B:时间00: 20，地层倾角为7.3度，模拟地层开始滑移，模拟地层的滑动面平直；
[0052]C:时间01:05，地层倾角15.5度，泥层开始进入到细砂层；
[0053]D:时间01:22-02:35，地层倾角为18.5度-27.8度，第一期断裂形成;一开始地层弯曲，形成圆弧褶皱，并且随着地层倾角变大，发展成紧密等斜褶皱；
[0054]E:时间02:44，地层倾角为29度，第二期断裂形成，剪切效应增大，产生断层，由于断层面的错段，形成无根等斜褶皱；
[0055]F:时间为03:30，地层倾角为30.3度，断裂增大，变形结束。
[0056]在步骤⑨中，所述的每片模拟地层的宽度为3厘米-6厘米之间；所述的模拟地层的切片的数量与所述的沉积箱2的横向长度相匹配。
[0057]实验结果与讨论
[0058]参照图2所示:观察实验过程显示，如果一堆拥有正常粘度差异的层状沉积物沿着趋向于石膏斜坡的方向流动，粘度系数差异使得两种材料之间形成流速差异，使得流变界面之间受到剪切力，具有较小粘度的上层材料(砂)先向前移动(图2-C)阻止下层具有较大粘度材料(泥)的流动，从而形成隆起(图2-D)，使得在核部带有上涌的泥的上覆砂层中形成圆弧纽褶皱(图2-E)，随着模拟地层的坡度不断增大，剪切力增大，在持续的剪切效应作用下，圆弧褶皱逐渐发展成紧密等斜褶皱(图2-F)。
[0059]当大量的沉积物向下滑动过程中，由于沉积箱尺寸的限制，沉积物滑动到末端堆积下来，流速迅速减缓，导致层间的流速差逐渐增大，产生断裂，紧密等斜褶皱被断层面错断，形成无根褶皱(图2-G)。
[0060]之后，随着坡度的增大，第二期变形在第一期变形逆冲到第一期变形之上，形成相互叠置的砂体。
[0061]由最终实验结果的一系列切片所得截面可见河道砂形成了两条断裂，细砂层沿断裂(滑动面)向上逆冲形成相互叠置的砂体，这些断裂将疏松沉积物滑塌过程中早期形成的紧密褶皱破坏，形成无根褶皱(参照图4所示)。
[0062]由于不同层的材料之间粘滞系数的差异，流动速率不同，使得河砂层的逆冲作用带动了下伏泥层被撕裂，沿断裂侵入砂层中。
[0063]此外，如果沉积箱足够大而且物源充足，随着地层倾角继续增大，可以预测第三期断裂将出现于第二条断裂的右上方，形成后展式褶皱逆冲断裂构造。
[0064]从一系列切片所得截面看出滑塌形成的砂体在横向和纵向上相互叠置，并且成片出现，具备油气形成有利储集的条件。
[0065]另外，笔者对实验过程中滑塌褶皱几何形态的变化进行分析，随着地形坡度变大，层与层之间的剪切效应变大，滑塌褶皱从开始的圆弧褶皱(图3-A)发展为紧密等斜褶皱(图3-B和图3-C)，直到地层发生断裂，形成无根等斜褶皱(图3-D)。因此可以得出结论:连续层状沉积物之间的粘滞系数差异导致了流变界面之间产生剪切效应，这是产生滑塌褶皱变形的原因。并且在持续剪切效应作用下，褶皱的几何形态变化逐渐被改造(参照图3所示)。
[0066]变形构造演化模式
[0067]综合观察和比较多次实验的全过程，可以发现，这些实验过程都经历了基本相似的个阶段，才最终形成各种疏松沉积物滑塌变形构造，演化模式即:随着地层坡度的不断增大，疏松地层沿斜坡方向重力的分量逐渐大于沉积物的抗剪强度，疏松沉积物顺坡产生滑动，滑塌变形开始发展，由于不同材料的粘滞系数的差异造成砂层和泥层滑动速率不同，连续层之间的流变界面产生剪切效应，引起地层隆起，发生变形，随着地形坡度不断增大，重力作用加强，持续剪切效应作用下变形增大，形成圆弧褶皱、紧密等斜褶皱、无根等斜褶皱等不同的滑塌褶皱变形构造，最后趋于平稳。
[0068]滑塌变形的形成机理分析
[0069]一般认为疏松沉积物发生变形需要三个条件(Owen ,2011):( I)能改变疏松沉积物变形原始特征的驱动力。(2)促使疏松沉积物变形的变形机制。(3)—定的触发条件。
[0070]驱动力
[0071 ]疏松沉积物变形的驱动力较为复杂，除内力作用外，外力作用对疏松沉积物发生变形更为重要，而重力则是最重要的驱动力。本文实验中场景设置为水下斜坡(设置倾角为10°的石膏斜坡)，斜坡所产生的重力提供滑塌变形所需的驱动力，当地形坡度达到一定临界值时，疏松地层的重力沿斜坡分量超过沉积物的抗剪强度时就会发生顺层滑动。
[0072]变形机制
[0073]沉积物表面的剪切力是影响疏松沉积物变形的一个潜在原因(Shanmugam et al，1988；Grebet al ,2007)。0?611(1996)表明小的平卧褶皱的形成是由于负载调节过程中产生的剪切力。本文实验采用不同粘滞系数的砂和泥作为实验材料，不同粘滞系数的连续层流动时会产生速度差，层与层之间的流变界面就会产生剪切力，从而产生剪切效应(Dasgupta，2008)，在实验中在沉积箱中由下到上依次铺设泥、天然河道砂、石英砂，这三种材料的粘滞系数逐渐见小，即动态流动能力逐渐变大，所以从上到下流变界面产生剪切效应，从而导致滑塌褶皱的变形，因此，剪切效应成为滑塌变形最基本的变形机制。
[0074]触发条件
[0075]自然界中能够触发疏松沉积物变形的条件有很多，如地震、海嘯、风暴潮、洪水、波浪以及滑动、滑塌作用等。本文实验在进行过程中通过左、右手动绞盘调整沉积箱倾角模拟自然界地形坡度的变化，当地形坡度达到一个临界值时，疏松沉积物顺层滑动，形成各种滑塌变形构造。
[0076]上述未详细说明的部分均为现有技术。
【主权项】
1.一种疏松沉积物变形的室内实验模拟方法，它包括设置在水下的石膏斜坡，调整石膏斜坡与地面的角度为10度，其特征在于:它包括如下步骤； ①、取天然河道砂用清水进行反复淘洗，直至天然河道砂变得干净无杂物，将淘洗后的天然河道砂晒干，进行粒度分析，选择粒径在0.18-0.15mm之间的河道砂留作备用； ②、将3份水对和I份泥或者4分水和I份泥均匀混合成泥水混合物留作备用； ③、进行实验之前;通过左、右手动绞盘(3)将疏松沉积物变形室内模拟装置(I)内的沉积箱(2)调节至-10°，与石膏斜坡倾向相反，即此时地层倾角为0°。 ④、往沉积箱(2)中加入步骤②中留作备用的泥水混合物，然后静置12小时;待泥水混合物完全沉淀之后，再用60目的标准筛往所述的沉积箱(2)中缓慢加入步骤①中的晾干的河道砂，然后静置15分钟； 再用40目标准筛往所述的沉积箱(2)中加入工业石英砂，最后静置15分钟，缓慢加水至40cm深，形成一个泥层-细砂层-中砂层的一个模拟地层； ⑤、将所述的沉积箱(2)顶部用盖板(4)封盖好;静置30分钟； ⑥、实验开始前5分钟;开始对所述的沉积箱(2)的前后左右及上部安装摄像机并进行摄像，记录所述的沉积箱(2)各个方向的实验现象； ⑦、人工通过左、右手动绞盘(3)缓慢匀速拉动绳索改变所述的沉积箱(2)的角度，观察所述的沉积箱(2)中的模拟地层的沉积物变形情况;记录模拟地层的沉积物每一次变形发生的角度和时间，直到模拟地层不再发生变形； ⑧、在实验结束后，关闭摄像机，将所述的沉积箱(2)中的水缓慢排尽，静置三天后；等待步骤⑦中的模拟地层晒干成型后；留作备用； ⑨、将步骤⑧中的晒干后的模拟地层按照纵向每隔6cm进行切片，将每片模拟地层分别进行标号，并对每片模拟地层的剖面进行拍照和记录； ⑩、将步骤⑨中每片模拟地层利用计算机软件进行清绘，对比每片模拟地层，预测油气储集有利区块；同时观察实验过程影像资料;总结石膏斜坡背景下沉积物变形的过程，推测变形的后期发展方向。2.根据权利要求1所述的一种疏松沉积物变形的室内实验模拟方法，其特征在于:在步骤⑦中；模拟地层的沉积物变形包括如下六个阶段， A:时间00: 00，地层倾角为O度，模拟地层未发生变化； B:时间00: 20，地层倾角为7.3度，模拟地层开始滑移，模拟地层的滑动面平直； C:时间01:05，地层倾角15.5度，泥层开始进入到细砂层； D:时间01: 22-02: 35，地层倾角为18.5度-27.8度，第一期断裂形成；一开始地层弯曲，形成圆弧褶皱，并且随着地层倾角变大，发展成紧密等斜褶皱； E:时间02:44，地层倾角为29度，第二期断裂形成，剪切效应增大，产生断层，由于断层面的错段，形成无根等斜褶皱； F:时间为03:30，地层倾角为30.3度，断裂增大，变形结束。3.根据权利要求1或2所述的一种疏松沉积物变形的室内实验模拟方法，其特征在于:在步骤⑨中，所述的每片模拟地层的宽度为3厘米-6厘米之间;所述的模拟地层的切片的数量与所述的沉积箱(2)的横向长度相匹配。
【文档编号】G01N21/84GK106093041SQ201610431947
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月17日
【发明人】陈俊飞, 张昌民, 李莎, 时俊杰
【申请人】长江大学