基于离散元的褶皱冲断带构造变形定量分析与模拟

题目：基于离散元的褶皱冲断带构造变形定量分析与模拟

作者：李长圣

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：

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。
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。
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。
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。

关键词：离散元；并行计算；应力应变；挤压楔体；盐构造

绪论
- 1.1 研究意义与选题依据
- 1.2 构造变形定量分析方法研究现状
  - 1.2.1 平衡剖面技术
  - 1.2.2 临界角库伦楔模型
  - 1.2.3 构造物理模拟
  - 1.2.4 构造数值模拟
- 1.3 本文内容提要
- 1.4 研究方法及技术路线
- 1.5 创新点
离散元软件的开发与测试
- 2.1 离散元理论与软件
- 2.2 数据结构
- 2.3 邻居搜索与接触判断
- 2.4 颗粒位置的更新
- 2.5 接触力的计算
  - 2.5.1 线弹性模型
  - 2.5.2 Hertz-Mindlin接触模型
- 2.6 阻尼和时间步
- 2.7 应力应变表征方法
  - 2.7.1 应力
  - 2.7.2 应变
- 2.8 并行设计
- 2.9 软件测试
  - 2.9.1 1个颗粒
  - 2.9.2 2个颗粒
  - 2.9.3 颗粒集合体
- 2.10 小结
构造数值模拟参数选取与标定
- 3.1 等效参数与等效模型
- 3.2 石英砂的离散元细观参数标定
  - 3.2.1 休止角试验
  - 3.2.2 双轴试验
  - 3.2.3 小结
- 3.3 物理模拟
- 3.4 数值模拟
- 3.5 物理模拟与数值模拟对比
  - 3.5.1 变形与应变分析
  - 3.5.2 构造解译
  - 3.5.3 楔体演化
- 3.6 小结
褶皱冲断带变形机制及影响因素
- 4.1 参数选取与调试
- 4.2 初始条件与计算设备
- 4.3 岩层粘聚力
- 4.4 岩层内摩擦角
- 4.5 岩层厚度
- 4.6 滑脱层对褶皱冲断带构造变形的影响
  - 4.6.1 基底滑脱层强度
  - 4.6.2 基底滑脱层厚度
  - 4.6.3 讨论
- 4.7 小结
褶皱冲断带盐构造数值模拟
- 5.1 盐岩及盐构造
- 5.2 盐岩对应的颗粒细观参数
- 5.3 库车前陆盆地数值模拟
  - 5.3.1 同构造沉积
  - 5.3.2 初始盐盆宽度
  - 5.3.3 盐层厚度
- 5.4 小结
结论及展望
- 6.1 结论
- 6.2 展望
附录
- 7.1 硬件和软件环境
- 7.2 石英砂双轴试验数值模拟
- 7.3 岩石双轴试验
  - 7.3.1 不同围压下的双轴试验结果
  - 7.3.2 不同摩擦系数下的双轴试验结果
  - 7.3.3 不同粘结参数下的双轴试验结果
- 7.4 生长墙
- 7.5 测试实例 N0、 N1、 S0和 S1
- 7.6 离散元中的平面几何知识 192
- 7.7 初始条件与计算设备 M1C1、 M1C2、 M2C1、 M3C1 和 M4C1
- 7.8 岩层粘聚力 C1、 C10、 C19、 C24
- 7.9 岩层内摩擦角 φ5 φ13 φ17 φ20 217
- 7.10 基底滑脱层强度 μ0、 μ1、 μ2、 μ3
- 7.11 基底滑脱层厚度 D0、 D300、 D500、 D1000
8 参考文献