一种疏松沉积物变形模拟实验装置研究

【作者】 陈俊飞； 张昌民； 朱爱国； 晏奇； 卢晓林；

【机构】 长江大学地球科学学院； 长江大学油气资源与勘探技术教育部重点实验室；

【摘要】 疏松沉积物变形具有重要的区域地质意义和油气勘探前景,为再现其形成过程,探究其形成机理,已有部分国内外学者从模拟实验方面入手做了研究。疏松沉积物变形的形成机理主要是液化和流化,从Lowe(1975)研究流化开始,便有学者(Nichols et al.,1994;Ross et al.,2011;易雪斐等,2014)利用水压驱动沉积物流化,模拟砂岩侵入体的形成过程,更有在实际工作中使用了向上压缩空气代替水驱来进行实验(Pralle et al.,2003;Rodrigues et al.,2009)。而在对模拟疏松沉积物变形触发因素的研究中,一些学者(Anketell et al.,1970;Owen,1996;Moretti et al.,1999;Dasgupta,2008)利用人为震动模拟地震从而触发疏松沉积物变形。在国内,鄢继华等(2010)利用水槽沉积实验模拟了三角洲前缘滑塌浊积体以及震浊积岩的形成过程。通过对比研究,总结前人的优点和存在的局限性,笔者建立了一套模拟斜坡背景下重力成因的疏松沉积物滑塌变形的模拟实验装置,并且提出切片、图像网格化、基于体素模型的建模方法,实现实验结果的3D可视化。实验装置由沉积箱、弓形底座、电子倾角计、双槽定滑轮、单槽定滑轮、石膏斜坡、固紧螺丝、实验支架、密封条、绳索、手动绞盘共11个部件组成,实验材料为天然泥和天然河道砂,大致清洗去除杂质并用标准筛进行筛析。对于重力成因的滑塌变形而言,地震是最重要的触发机制,在斜坡背景下沉积的地层具有一定的倾角,而在地震的作用下地层倾角会迅速的改变,疏松的沉积物在重力作用下将会迅速向下滑动,不同的层状沉积物之间由于向下流动而产生流变界面,疏松沉积物顺着界面滑动就会发生变形。实验中通过手动绞盘匀速调节绳索改变弓形底座的坡度来模拟突发地质事件中地形坡度的改变,观察疏松沉积物由于地形坡度的改变下,在重力作用下发生的变形,以期对三角洲前缘的古地震和沉积盆地的构造活动提供沉积学上的依据。为了模拟自然界中的真实地层,使用了具有不同的粘滞性的天然材料,从底部向上依次为泥层、河道细砂层、河道中砂层,这样的实验设计可以很好的与滑塌变形发生的环境对比,以尽量接近自然界真实条件。并且前人的实验只能对沉积箱外壁的实验现象进行观察,而本实验装置的沉积箱的上下底板均可打开,类似于法兰片,可以实现多次实验观察。并在每一轮实验结束后进行切片,观察实验结果内部构造,并进一步进行3D建模,精细化表征因重力原因和黏滞系数不同而形成的滑塌变形。这一实验基本上成功地完成了斜坡背景下重力成因的滑塌变形形成过程的模拟,为室内沉积模拟提供了一种新思路。精确地刻画不同粘度的层状材料流动时流变界面的变化情况,半定量-定量地刻画不同厚度、不同角度的地层中疏松沉积物变形,但是实验的整体精度有待提高。例如,后期对实验结果的处理中,使用了手工切片的方法,对实验的结果有一定的影响。其次,沉积箱长度较短,实验结果相对受限,这也是下一步实验可以改进的地方。更多还原