盆地和造山带构造物理模拟及应用分析

构造变形分析表明，物理模拟是研究盆地及造山带较为有效的方法之一，并已得到构造地质学家的青睐。在全球格局下，地质地貌特征常常表现为盆地和山脊，并广泛分布在不同的板块构造带。典型盆地如巴西盆地、阿姆河盆地、卡尔加里盆地、塔里木盆地和四川盆地。典型造山带如欧洲的阿尔卑斯山和比利牛斯山，中亚的扎格罗斯山、天山，印度-亚洲板块碰撞形成的喜马拉雅山，台湾造山带，北美阿巴拉契亚山和落基山，南美安第斯山以及澳大利亚和新西兰一带的新几内亚造山带，等等。这些盆地和造山带是板块构造运动的产物，也是在威尔逊旋回的某个阶段所形成。它们发生、发展和演化可以揭开板块相互作用的过程，对人类认识和了解地球的演化具有十分重要的意义。

盆地和造山带是大自然提供给人类所需的能源和矿产资源的重要宝库，也是人类所需淡水资源的重要储库，而且，盆地和造山带是当今认识地球以及地球深部结构构造的钥匙。但是，直接认识地球的运动学和动力学过程是极其困难的，这主要体现在三个方面：一是人们知道的仅仅是地球当前所处的状态；二是地球运动学和动力学过程在地质时间尺度上是数百万年，这远远大于人的生命长度；三是地球的运动学和动力学过程都是在较大的时间尺度上发生的，而且在地球的深部进行，这就使得通过人类的观察难以直接认识地球深部的构造，甚至有时是不可能的。因此，这就需要我们开展相关的模拟研究，以进一步揭示地球的变形演化过程。

近年来，地质学家从地球不同构造带的板块属性出发，开展了不同尺度、不同技术层面的构造演化研究。例如，物理模拟、数值模拟和数值分析，尤其是构造物理模拟技术的研究，历经了200余年的发展仍然是模拟造山带和盆地较为重要的分析手段之一。该方法在理论、技术和具体应用上均取得了重要进展。物理模拟的核心是相似理论，因此相似理论是造山带和盆地物理模拟的基石。同时，现代先进计算机和物理设备改进并提高了物理模拟的精度；研究领域涉及从板块内部到板块边界，从地壳表层到深部地幔，通过地壳和岩石圈的物理力学机制和流变学特性，对其开展了大量富有成效的工作；所取得的研究成果为对深化板块构造及其运动学特征的理解，提供了全新的视角。

本书在内容上侧重于物理模拟的理论、模型设计和基本操作方法介绍，并侧重于盆地和造山带两个构造带。许多较为专门的论述需要读者参考阅读相关的国内外最新文献。同时盆地和造山带物理模拟是一种理论性和实践性较强的实验方法，需要掌握岩石物理、构造物理和流变学相关的知识，并熟悉相关的计算机模拟技术等，只有这样才能更好地深入理解盆地和造山带的形成和演化。

本书由遵义师范学院工学院土木工程系地质灾害教研室何文刚编著。在编著过程中，得到了李生红、李华章、周霜林和王春鹏等提出的宝贵意见。同时本书的编著工作得到了葡萄牙里斯本大学科学院Fernando Ornelas Marques、Filip Medeiro Rosas和Joao C.Duarte三位教授，中国石油大学（北京）地球科学学院周建勋教授和油气资源与探测国家重点实验室副主任钟宁宁教授的帮助。天津城建大学刘重庆及中国石油大学（北京）张弛博士为造山带模拟和褶皱-冲断带离心机模拟撰写提供了宝贵的基础资料。遵义师范学院赵远雯、姜开雄、周杰、骆忧、江明倩、罗丽虹、袁大雄和谢飞等参与了本书的部分实验和图件的清绘工作。本书在遵义师范学院科研处、国家留学基金委项目（201908520019）和中国石油大学（北京）油气资源与探测国家重点实验室开放课题基金（PRP/open-2019）项目等资助下完成编写和出版。

由于编著者的研究水平与工作经验有限，对盆地和造山带物理模拟研究领域的科学问题的认识、分析与总结可能存在欠妥和不足之处，热诚欢迎读者批评指正。

　　

何文刚

2021年12月于葡萄牙里斯本

本书以构造物理模拟的相似理论为基础，以盆地和造山带的概念和研究现状为基本出发点，以科学问题的产生、物理模拟方法及模型建立、模拟结果和科学问题的解释为脉络，开展了对伸展型盆地，挤压型盆地，走滑拉分型盆地，褶皱-冲断带如阿尔卑斯山、扎格罗斯山、安第斯山等典型造山带以及特殊的底辟构造，以及造山带和盆地内部结构在变形过程中的应力、应变、剥蚀和抬升、块体几何学、运动学和动力学等构造变形物理模拟方法技术的分析和探讨。本书具有较强的知识性系统性和应用性，可供从事构造物理模拟研究的科研人员和工程人员参考，也可供高等学校构造地质学、石油地质学和地球物理学及相关专业师生参阅。

何文刚，从事有关造山带和盆地构造变形及其演化等相关的基础研究工作，2014年至今在中国石油大学（北京）构造物理模拟实验室工作，一直从事造山带和盆地构造变形物理模拟研究。已在《Journal of structural geology》、《Geological Magazine》 和《地球科学》等中英文版期刊上发表相关研究成果。2018年以来，在贵州省遵义市遵义师范学院建立了完备的构造物理模拟实验室。2021年5月~2022年5月（预计）在葡萄牙里斯本大学科学院从事造山带和盆地物理模拟研究工作。

第1章 盆地及造山带研究模拟方法概述 001

1.1 数值分析 002

1.2 物理模拟研究 005

1.3 数值模拟研究 008

第2章 物理模拟的相似性及模型设计 011

2.1 物理模拟的理论发展 011

2.2 物理模拟中的相似理论 017

2.2.1 几何学相似性 019

2.2.2 运动学相似性 020

2.2.3 动力学相似性 020

2.3 变形的受力影响因素 020

2.3.1 受力分析 020

2.3.2 特殊的受力分析 021

2.4 物理模拟相似模型建立 022

2.4.1 研究思路 022

2.4.2 模型设计 023

2.4.3 模型参数确定及其依据 024

2.5 数据分析 026

2.5.1 三维扫描数据处理 026

2.5.2 PIV应变场分析 027

第3章 盆地形成和演化的物理模拟研究 029

3.1 盆地的概念 029

3.2 伸展型盆地的物理模拟研究 030

3.2.1 伸展剪切模式 030

3.2.2 伸展型盆地地质问题 031

3.2.3 伸展型盆地的物理模拟 032

3.3 挤压型盆地的物理模拟研究 045

3.3.1 挤压型盆地地质问题 045

3.3.2 挤压型盆地的物理模拟 045

3.4 走滑拉分型盆地的物理模拟研究 052

3.4.1 走滑拉分型盆地的分布 052

3.4.2 走滑拉分型盆地地质问题 053

3.4.3 走滑拉分型盆地的物理模拟 053

第4章 造山带形成和演化的物理模拟研究 059

4.1 阿尔卑斯典型构造带的物理模拟研究 061

4.1.1 区域地质问题 061

4.1.2 模型设计 062

4.1.3 模拟结果 063

4.2 扎格罗斯典型构造带的物理模拟研究 064

4.2.1 区域地质问题 065

4.2.2 模型设计 066

4.2.3 模拟结果 067

4.3 印度-亚洲俯冲碰撞的物理模拟研究 068

4.3.1 区域地质问题 068

4.3.2 模型设计 071

4.3.3 模拟结果 071

4.4 安第斯山形成的物理模拟研究 082

4.4.1 区域地质问题 082

4.4.2 模型设计 083

4.4.3 模拟结果 084

4.5 卡斯卡迪古陆典型构造样式形成的物理模拟研究 085

4.5.1 区域地质问题 085

4.5.2 模型设计 088

4.5.3 模拟结果 088

4.6 台湾造山带形成的物理模拟研究 089

4.6.1 区域地质问题 089

4.6.2 模型设计 090

4.6.3 模拟结果 090

4.7 川东—湘鄂西典型构造样式形成的物理模拟研究 092

4.7.1 区域地质问题 092

4.7.2 模型设计 095

4.7.3 模拟结果 097

4.7.4 变形扩展过程及控制因素探讨 101

4.8 川东南马尾状褶皱带特征与形成机制的物理模拟研究 108

4.8.1 研究背景 108

4.8.2 构造形成演化及地质条件 110

4.8.3 模型设计 113

4.8.4 实验结果 115

4.8.5 讨论 118

4.8.6 研究结论与认识 123

4.9 巴基斯坦典型盐构造形成的物理模拟研究 123

4.9.1 区域地质问题 123

4.9.2 模型设计 125

4.9.3 模拟结果 126

第5章 地质地貌变形过程的物理模拟研究 130

5.1 地质地貌变形 130

5.2 造山带浅表滑坡物理模拟 130

5.2.1 研究背景 130

5.2.2 物理模拟及设计 132

5.2.3 模拟结果 134

5.2.4 讨论 139

5.2.5 结论 141

5.3 地质地貌的物理模拟 142

5.3.1 地貌动力学基本地质问题 142

5.3.2 地貌动力学模型设计 143

5.3.3 模拟结果 146

第6章 底辟构造形成和演化的物理模拟研究 149

6.1 底辟构造特征及分布 149

6.1.1 典型的泥底辟特征分析 151

6.1.2 典型的盐底辟及沉积建造分析 157

6.2 底辟构造模型设计 170

6.2.1 模型设计的思路 170

6.2.2 模型构建 171

6.3 底辟构造模拟结果 173

第7章 变形控制因素的物理模拟研究 176

7.1 构造、侵蚀和沉积作用对变形的影响及其物理模拟 176

7.1.1 构造、侵蚀和沉积作用对变形的影响 176

7.1.2 构造、侵蚀和沉积作用的物理模拟 177

7.2 先存构造对变形的影响及其物理模拟 180

7.2.1 先存构造对变形的影响 180

7.2.2 先存构造的物理模拟 181

7.3 摩擦力对构造变形的影响及其物理模拟 184

7.3.1 摩擦力对变形的影响 184

7.3.2 摩擦力的物理模拟 185

7.4 地层力学特性对构造变形的影响及其物理模拟 194

7.4.1 地层力学特性对变形的影响 194

7.4.2 地层力学特性的物理模拟 194

7.5 挤压变形速率对构造变形的影响及其物理模拟 196

7.5.1 挤压变形速率对变形的影响 196

7.5.2 挤压变形速率的物理模拟 197

7.6 挡板的几何特征及其强度对变形的影响及其物理模拟 201

7.6.1 挡板的几何特征及其强度对变形的影响 202

7.6.2 挡板的几何特征及其强度的物理模拟 203

7.7 脆、韧性结构对变形的影响及其物理模拟 212

7.7.1 脆、韧性结构对变形的影响 212

7.7.2 脆、韧性结构的物理模拟 212

第8章 离心机条件下的物理模拟研究 221

8.1 离心机的发展历史 221

8.2 离心机的应用现状 221

第9章 结论与认识及趋势分析 234

9.1 结论与认识 234

9.2 技术发展及优势分析 234

9.3 趋势分析 236

9.3.1 模拟方法的应用趋势 236

9.3.2 模拟技术的发展趋势 237

9.3.3 未来的发展趋势 240

参考文献 242

1.本书所介绍的对造山带和盆地进行的模拟研究有助于深入认识地球的演化，还有助于发现油气资源和矿产资源。2.国内尚未有专著对地质构造物理模拟实验、模型设计进行系统梳理，本书归纳和总结了作者近年来对造山带和盆地构造物理模拟的研究成果，并针对造山带和盆地中的一些科学问题、模型设计及模拟结果，归纳了国外研究者的重要研究成果。3.本书对从事构造物理模拟研究的专业人士理解盆地及造山带的形成有很强的参考价值。