首页 励志故事 利用肿缩香肠构造恢复岩层初始厚度

利用肿缩香肠构造恢复岩层初始厚度

时间:2023-01-27 励志故事 版权反馈
【摘要】:然而,肿缩石香肠是由于受到垂直层面压缩和平行层面拉伸作用形成的,垂直岩层面的压缩必然会导致能干层减薄,本节我们拟通过物理实验对此加以验证,并探求得一种利用石香肠恢复岩层初始厚度的方法——等面积法。所以可以利用断裂石香肠的长度代替肿缩石香肠的初始长度。
利用肿缩香肠构造恢复岩层初始厚度_香肠构造与流变学

第一节 利用肿缩香肠构造恢复岩层初始厚度

肿缩香肠构造是最常见的香肠构造类型之一,由夹于基质层中的能干层在受垂直层面挤压、平行层面伸展作用过程中(Ramberg,1955;Smith,1977;Neurath和Smith,1982),能干层因应变局部化而颈缩减薄形成(Rast,1956;刘如琦,1963;马杏垣,1965;Price和Cosgrove,1990),为典型的韧性香肠构造。基于连续介质流体力学的理论研究表明,肿缩香肠不能发育于牛顿流体层中,而只能在非线性材料如幂律流体中形成(Smith,1977;Emerman和Turcotte,1984;Johnson和Fletcher,1994;Pollard和Fletcher,2005)。正是由于发育的普遍性和对天然岩石流变性质的良好指示意义,肿缩香肠构造备受国内外学者关注,基于此,除本节肿缩石香肠在岩层初始厚度恢复方面的应用外,本书还将在第四章第六节、第五章第一节等部分陆续阐述与它相关的大地构造研究、岩石流变学研究及实验研究等。

该类香肠构造形成过程中能干层变形前后的形态可简要地用图3-1表示,其中H0为原始厚度,Hm为最大厚度,Hx为缩颈处厚度。实践时,常用肿缩石香肠最大厚度来近似代替能干层的初始厚度(曾佐勋等,1997,1999)。然而,肿缩石香肠是由于受到垂直层面压缩和平行层面拉伸作用形成的,垂直岩层面的压缩必然会导致能干层减薄,本节我们拟通过物理实验对此加以验证,并探求得一种利用石香肠恢复岩层初始厚度的方法——等面积法。

img70

图3-1 能干层肿缩香肠化示意图

一、等面积法基本原理

经过沉积、压实变质等作用以后,岩层孔隙度将会大大降低,压实率趋近或达到最终压实率,即在岩层接受动力改造时,岩层的孔隙度将不再随着压力的变化而产生明显变化。而且岩石中矿物颗粒骨架基本上保持不变,即岩层体积在变形前后是保持不变的。根据体积不变的假设,设定岩层在垂直于b轴方向上发生平面应变,则石香肠体在横向剖面(ac面)上变形前后的面积应是相等的,故称“等面积法”(蔡永建等,2004)。

变形前能干层ac面的截面积M0=H0L0。变形后的面积记为M,M可以用面积仪来测量,但这需要大量的处理工作,极为不便。本节运用曲线拟合法,推出一个简单易行的方法。

对于第k节肿缩香肠体(图3-2A)的面积Mk,由于几何相似性,可先分析弧AB段,建立坐标系(图3-2B)。

img71

图3-2 肿缩香肠体ac剖面及其相应坐标系

左图为第k节肿缩香肠体ac剖面形态;右图为对AB弧线建立的坐标系

设曲线AB的方程为:y=f(x)。由于肿缩香肠体边界是连续且光滑的,可以得出f(x)在A、B两点的切线方向为水平。即方程应满足:

f′(0)=0 f′(-l)=0 f(0)=q f(-l)=p

下面分别用三角函数和多项式拟合。

(1)令y=f(x)=acos(kx+b)+c,可得出AB段的函数表达式应为:

img72

(2)令y=f()x=ax3+bx2+cx+d,可得出AB段的函数表达式为:

img73

对f(x)在AB区间定积分:

img74

可以看出两种方法所得出的结果是同样的,相当于一个上底为p,下底为q,高为l的梯形面积(图3-3A中阴影区)。也就是说第k节的面积相当于一个上底为Hxk,下底为Hmk,高为λk1的梯形与一个上底为Hx(k+1),下底为Hmk,高为λk2的梯形面积之和(图3-3B中阴影区)。也就是说,整个石香肠的横截面面积可以用一系列梯形来替代,称之为“梯形替代法”。所以有:

img75

n节香肠体变形后的总面积

img76

img77

式中:H0为初始厚度;L为肿缩石香肠的变形后的长度;S为肿缩石香肠的伸长率;Hxk、Hx(k+1)为第k节两端的缩颈厚度;Hmk为第k节的最大厚度;λk为第k节的波长(λk被分成λk1、λk2)(图3-3)。

img78

图3-3 在第k节肿缩香肠体的梯形替代法

左图为对曲线AB的梯形替代法;右图为对第k节面积的梯形替代法

在肿缩石香肠发育的同时常伴随有断裂石香肠产出,断裂香肠体常是一些具有强能干性的岩层。由于能干性的差异,这些断裂石香肠本身变形微小,多呈矩形或近似矩形产出(图3-4中1、2)。所以可以利用断裂石香肠的长度代替肿缩石香肠的初始长度。

img79

图3-4 肿缩石香肠与断裂石香肠的一种构造组合

二、等面积法实验验证

实验采用甲基乙烯基硅橡胶、高岭土和凡士林等材料制成的三种材料(A、B、C),模拟多层岩层,B的能干性大于A,远远小于C。对模型Z方向加载,限制XZ面,模型产生如图3-5所示的变形。测量加载后的模型参数,并据式(3-3)得出材料B层的初始厚度H0(表3-1)。

img80

图3-5 物理模拟得到的肿缩香肠与断裂香肠构造组合

表3-1 模型的测量和计算结果

img81

对比等面积法和最大厚度法获得的厚度与原始厚度的误差(表3-2),可见两模型中等面积法的误差均小于最大厚度法。变形后香肠体最大厚度小于岩层初始厚度是因为Z方向压缩的结果,而计算结果之所以会小于原始厚度,则是因为在变形过程中断裂香肠体产生了微小的厚度与长度变形,且也未能严格呈矩形状产出,导致算得伸长率略小于真实值。但相对而言,等面积法导致的误差(1.94%,3.57%)远小于最大厚度法导致的误差(9.68%,28.57%),显然更能真实地反映能干层初始厚度。故我们认为只有当伸长率较小时,能干层的变形较小,最大厚度法和真实初始厚度才相差不大,可以近似地用最大厚度代替真实的初始厚度。

表3-2 等面积法与最大厚度法的误差对比

img82

三、应用实例

测量湖北铁山的肿缩石香肠,运用等面积法计算,结果如表3-3。从表中可以看出,在伸长率小于30%时,用等面积法得到的原始厚度略大于最大厚度,这时可近似地用最大厚度代替真实的初始厚度。但当伸长率较大时(>30%),等面积法得到的原始厚度超过最大厚度达5%以上,由于等面积法得到的原始厚度应比最大厚度大,也就意味着用最大厚度法导致的误差将会更大。其主要原因是随着变形的加剧,能干层在c轴方向上的压缩变形增大,即导致肿缩香肠的最大厚度与初始厚度偏差更大;这时用等面积法将可以减小误差。

表3-3 铁山肿缩香肠体的测算结果

img83

四、小结

本节提出并论证了利用肿缩石香肠恢复岩层初始厚度的等面积法。通过对铁山地区的肿缩香肠构造实例研究表明:在利用该类香肠构造推算岩层初始厚度的研究中,当岩层顺层伸长率小于30%时,运用等面积法与最大厚度法均可获得较理想的结果(偏差<5%);当大于30%时,两种方法导致的偏差均将变大(>5%),但等面积法获得参数的偏差明显小于最大厚度法的,更接近真实初始岩层厚度。

免责声明:以上内容源自网络,版权归原作者所有,如有侵犯您的原创版权请告知,我们将尽快删除相关内容。

我要反馈