一种由旋转-滑动构建扩容膝折构造的模拟方法

摘要

本申请提供了一种由旋转‑滑动构建扩容膝折构造的模拟方法，包括：构建二维地质体剖面模型，二维地质体剖面包括多个相互平行堆叠的岩层以及沿岩层厚度方向贯穿地质体剖面的相互平行的第一节理和第二节理；第一节理和第二节理之间所夹持的膝折带受侧向挤压发生旋转；膝折带两侧的上盘部分和下盘部分均由于膝折带的旋转而发生滑动和反向于膝折带旋转方向的旋转，并且上盘部分的岩层之间和下盘部分的岩层之间均发生相对滑动。通过本申请，定量化模拟膝折构造形成的动态过程，再现膝折构造形成的演化过程，以探讨膝折构造形成的机制以及在膝折形成过程中的效应。

说明书

技术领域

本发明涉及构造地质学领域，尤其涉及一种由旋转-平移构建扩容膝折构造的模拟方法。

背景技术

膝折又称扭折，也称为膝褶，膝折实质上是具有一定宽度的剪切带，由于受到构造应力的作用，带内岩石与两侧岩石作相对剪切滑动，而使其中的层理或面理发生急剧改变。如果为两翼等长的对称褶皱，称为人字型褶皱或手风琴式褶皱。两个倾向相反的共轭膝折带组成箱状褶皱，也称共轭褶皱。膝折带的规模可大可小，大者可达几十千米，小者尺度几个厘米，甚至是微米级别。

自1897年膝折概念被提出以来，膝折和膝折带的几何学、运动学、形成机理的研究备受地质学家关注。经由早期对矿物晶体内显微膝折带的观测，发展到对地震资料中膝折带的精细识别，从对膝折带几何学定性描述和试验模拟到对其形成机制的理论探讨。

在地质环境上，主要在盆地内和造山带内观测到膝折，例如在造山带内、在沉积岩中，对澳大利亚Mystery海湾地区膝折带做了研究，研究认为膝折带与主控断层存在时空关系，即断裂对邻区膝折带发育起控制与制约作用；Tasmania北部沉积岩中可能存在的超大型膝折带；在墨西哥湾深水盆地，对褶皱带内的地震资料重新处理和解释，发现控制该褶皱带的主构造样式不是以往传统认为的“背冲断裂”组合或断层相关褶皱，而是“膝折型褶皱和共轭膝折带”。国内研究提出柴达木盆地油泉子构造为共轭膝折型背斜构造样式，塔里木盆地巴楚隆起区的形成也与大型膝折带构造密切相关；在四川盆地内部地震剖面上识别出膝折构造，并强调膝折型箱状褶皱是控制川东地区天然气藏的主要构造样式之一。

纵观众多文献，大多以手绘图示的方式对于膝折的形成过程做了大量定性描述和探讨，鲜见定量化的数学-数字模拟研究。

发明内容

基于此，本发明提供一种由旋转-平移构建扩容膝折构造的模拟方法，一方面，通过有针对性设计算法，定量化模拟膝折构造形成的动态过程，再现膝折构造形成的演化过程，用于探讨膝折构造形成的机制以及在膝折形成过程的效应。另一方面，由于这种类型的膝折在形成演化过程中出现扩容现象，这种方法的提出有利于在工业上定量评价矿脉的经济价值，以及由于扩容造成的通道是否相关矿液流动，在油气地质勘探中，有利于评价扩容和油气运移的关系等。

为达到上述目的，本发明提供了一种由旋转-平移构建扩容膝折构造的模拟方法，包括：构建二维地质体剖面模型，所述二维地质体剖面包括多个相互平行堆叠的岩层以及沿岩层厚度方向贯穿所述地质体剖面的相互平行的第一节理和第二节理；所述第一节理和所述第二节理之间所夹持的膝折带受侧向挤压应力发生旋转；所述膝折带两侧的上盘部分和下盘部分均由于所述膝折带的旋转而发生滑动和反向于所述膝折带旋转方向的旋转，并且所述上盘部分的岩层之间和所述下盘部分的岩层之间均发生相对滑动。

在其中一个实施方式中，所述膝折带每一岩层中均有一旋转点，每一岩层中各点均围绕其各自旋转点发生等角度旋转，且所述旋转点位于贯穿所述膝折带的旋转轴上，所述膝折带中每一岩层中的任意一点(x，y)围绕旋转点(x

x

y

在其中一个实施方式中，第一节理和第二节理的方程式分别为：y

每一岩层的旋转点坐标(x

y

其中，k是相互平行的所述第一节理和所述第二节理的斜率；k

在其中一个实施方式中，所述上盘部分中的每一岩层的任一点(x

x

y

所述下盘部分中的每一岩层的任一点(x

x

y

其中，Δx

在其中一个实施方式中，所述上盘部分中的每一岩层，其左下角顶点跟随与相应的膝折带中相连的点发生滑动，所述上盘部分每一岩层中任意一点(x

所述下盘部分中的每一岩层，其右上角顶点跟随与相应的膝折带中相连的点发生滑动，所述下盘部分每一岩层中任意一点(x

在其中一个实施方式中，所述膝折带为逆时针旋转，所述上盘部分中的每一岩层沿着顺时针方向旋转目标角度，使得所述上盘部分的每一岩层的左上角点和右上角点确定的直线经过所述膝折带的相应岩层的左下角点；所述下盘部分中的每一岩层沿着顺时针方向旋转所述目标角度，使得所述下盘部分的每一岩层的由右下角点和左下角点确定的直线经过所述膝折带的相应岩层的右上角点。

在其中一个实施方式中，所述膝折带为顺时针旋转，所述上盘部分中的每一岩层沿着逆时针方向旋转目标角度，使得所述上盘部分的每一岩层的由左下角点和右下角点确定的直线经过所述膝折带的相应岩层的左上角点；所述下盘部分中的每一岩层沿着逆时针方向旋转所述目标角度，使得所述下盘部分的每一岩层的右上角点和左上角点确定的直线经过所述膝折带的相应岩层的右下角点。

在其中一个实施方式中，地质体中的各岩层厚度可以是等厚的。

在其中一个实施方式中，地质体中的各岩层厚度也可以是不等厚的。

在其中一个实施方式中，旋转点为膝折带的每一岩层沿厚度方向的中线与贯穿膝折带的旋转轴的交点。

通过本申请提供的由旋转-平移构建扩容膝折构造的模拟方法，可以定量的模拟膝折带扩容的变化，因此可以探讨矿脉的形成，也可以把扩容现象增加的裂缝作为矿液流动的通道，在盆地构造研究中，这种扩容现象结合盆地流体的运动和性质，还可以分析由于这种构造运动对于岩石储集空间改造的意义。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对发明进行更详细的描述。其中：

图1是模拟扩容膝折构造未变形状态(初始状态)的示意图；

图2显示了未变形前旋转轴与膝折带中各岩层的位置示意图；

图3是膝折带每一岩层中任意一点围绕其所在层中旋转点旋转后的示意图；

图4是在图3的基础上，膝折带的上盘和下盘的每一岩层发生滑动后的示意图；

图5是在图4的基础上，膝折带的上盘和下盘的每一岩层发生旋转后的示意图；

图6至图13是根据本发明实施例的定量模拟地质体由未变形状态到开始变形，进而到膝折扩容状态的实施例变化的示意图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

在二维地质体剖面或平面上，一个最基本的扩容型膝折构造是在众多相互平行的岩层组成的地质体中发育而成的。其中，岩层可以是沉积岩、火成岩或变质岩。

为了对最基本扩容膝折模型的运动学过程进行描述，本发明构建了二维地质体剖面模型，对扩容膝折构造的形成进行演绎：

如图1所示，在该地质体剖面模型中发育出两组沿岩层厚度方向贯穿地质体剖面的相互平行的第一节理L

因此两条平行线的斜率是一样的，设定两条平行线L

y

y

其中k为斜率，代表平行线L

如图2所示，在膝折带内贯穿有一旋转轴L

旋转轴L

每一岩层中的旋转点的坐标为：

y

其中，y

优选地，当F

在本发明的实施例中，每一岩层中任意一点(x，y)围绕其所在岩层的旋转点旋转α角度后，坐标变为(x

x

y

如图4所示，对于膝折带的上盘部分，每一岩层为适应膝折带的旋转而发生滑动，其每一岩层中的左下角顶点跟随与相应的膝折带岩层中相连的点发生滑动，其中x和y轴方向上的滑动变化量分别为：

对于膝折带的下盘部分，每一岩层为适应膝折带的旋转而发生滑动，其每一岩层中的右上角顶点沿着相应的膝折带中相连的点发生滑动，其中沿x轴和y轴方向上的滑动变化量分别为：

如上文所述，KL部和KR不部由于滑动而在各部的岩层之间产生缝隙，为补偿该缝隙，KL部中各岩层沿左下角顶点发生旋转，旋转到左上角顶点和K部中对应层的顶界处于同一直线上为止；KR部中各岩层沿右上角顶点发生旋转，旋转到右下角顶点和K部中对应层的底界处于同一直线上为止。

具体地，如图5所示，在一个实施例中，所述膝折带为逆时针旋转，所述上盘部分中的每一岩层沿着顺时针方向旋转目标角度，使得所述上盘部分的每一岩层的左上角点和右上角点确定的直线经过所述膝折带的相应岩层的左下角点；所述下盘部分中的每一岩层沿着顺时针方向旋转所述目标角度，使得所述下盘部分的每一岩层的由右下角点和左下角点确定的直线经过所述膝折带的相应岩层的右上角点。

在另一个实施例中，所述膝折带为顺时针旋转，所述上盘部分中的每一岩层沿着逆时针方向旋转目标角度，使得所述上盘部分的每一岩层的由左下角点和右下角点确定的直线经过所述膝折带的相应岩层的左上角点；所述下盘部分中的每一岩层沿着逆时针方向旋转所述目标角度，使得所述下盘部分的每一岩层的右上角点和左上角点确定的直线经过所述膝折带的相应岩层的右下角点。

通过本方法，定量模拟了二维地质体剖面由未变形的状态如图6所示，到开始变形如图8所示，进而发育到图13的膝折状态，图7、图9、图10、图11、图12均是由未变形到变形之间的过渡状态。其具有如下步骤：

建立初始模型：设定具有10个岩层的二维地质体剖面，每个岩层厚度为5米，岩性为坚硬的粉砂岩，岩层之间为薄层，岩性为柔软泥岩。所有岩层的总厚度为50米，每一岩层的长度都是200米。

第一节理和第二节理为两条平行的直线，方程分别为：

y＝-1.732050808x+137.602540378444

y＝-1.732050808x+258.846096908265

代表两条两条节理的斜率为-1.732050808，截距分别为137.602540378444和258.846096908265，和x轴正方向的夹角为120度。两条节理的水平宽度为70米，垂向厚度为50米，视厚度为60.62米，视厚度即发生扩容的厚度。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“底”、“顶”、“前”、“后”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。