趙高平++黃瑞++姜磊++張健++丁海峰

摘要：地殼淺表變形受控于多種邊界條件因素的影響，因而具有長期構(gòu)造演化過程和復(fù)雜的構(gòu)造特征。構(gòu)造物理模擬是研究自然界地質(zhì)變形過程的一種重要的可視化方法，特別是伴隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，粒子圖像測速技術(shù)（PIV）在地質(zhì)模擬實驗中越來越發(fā)揮著重要作用。該文以砂箱物理模擬實驗為基礎(chǔ)，詳細分析了粒子圖像測速技術(shù)（PIV）應(yīng)用的方法、過程和技巧，模擬結(jié)果對于解譯砂箱物質(zhì)變形過程和機制具有重要意義。

關(guān)鍵詞：粒子圖像測速（PIV） 砂箱物理模擬 變形機制 速度場

中圖分類號：P542 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）07（b）-0000-00

粒子圖像測速技術(shù)（PIV）是20世紀80年代隨著計算機技術(shù)、圖像處理技術(shù)等發(fā)展起來的一種流動測量與顯示技術(shù)，它的基本原理是：通過在流場中布撒大量的示蹤粒子，把激光束經(jīng)過組合透鏡擴束成片光照明流場，使用數(shù)字相機拍攝流場照片，得到的前后兩幀粒子圖像，對粒子圖像進行互相關(guān)計算得到流場一個切面內(nèi)定量的速度分布[1]。其特點在于它擺脫了以往單點測試的局限，能夠在不干擾測試對象的基礎(chǔ)上實現(xiàn)全過程的動態(tài)測量，并得到瞬時速度場的矢量值。

砂箱構(gòu)造物理模擬實驗可以直觀地再現(xiàn)前陸褶皺沖斷帶的發(fā)生發(fā)展、繼承與改造，因而被國內(nèi)外眾多地質(zhì)學(xué)者采用。根據(jù)研究對象的不同和研究思路的差異，砂箱模擬實驗可分為兩類：機制模型實驗和比例模型實驗。前者是指針對抽象地質(zhì)模型的實驗?zāi)M，即采用正演的方式，研究分析構(gòu)造變形要素對變形機制的控制和影響[2]；后者是指針對實際地質(zhì)體的實驗?zāi)M，即采用反演的方式，通過研究某一區(qū)域的地質(zhì)背景，并結(jié)合概念模型實驗的結(jié)果，提出一個或多個地質(zhì)模型，反復(fù)實驗直到與目標地質(zhì)體相似，以確定其成因機制和邊界條件[3]。該文以機制模型的砂箱物理模擬實驗為基礎(chǔ)，詳細分析了粒子圖像測速技術(shù)（PIV）應(yīng)用的方法、過程和技巧，模擬結(jié)果對于解譯砂箱物質(zhì)變形過程和機制具有重要意義。

1實驗設(shè)計

1.1摩爾-庫倫破裂準則

砂箱物理模擬實驗表明，造山帶的演化遵循簡單的臨界楔理論，即砂箱楔形體在擠壓作用下逐漸積累，并在一定條件下將達到臨界狀態(tài)。臨界楔理論具有一定的假設(shè)前提：（1）較低或可忽略的內(nèi)聚力強度和符合Coulomb破裂準則；（2）均值且各向同性的砂體特性；（3）均值摩擦底界特性；（4）砂箱物質(zhì)和溫度等屬性不隨時間變化。一般而言，楔形體遵循如下公式：

式中，μb 為基底摩擦系數(shù)；?為砂箱物質(zhì)內(nèi)摩擦角。

1.2 實驗?zāi)Ｐ?/p>

實驗所采用的平臺為南京大學(xué)設(shè)計研發(fā)的構(gòu)造物理模擬實驗平臺，該平臺可以模擬擠壓、拉張、走滑等各類構(gòu)造運動。實驗材料采用干燥純白石英砂，該石英砂粒徑為0.2～0.4mm，內(nèi)摩擦角為29°～31°，內(nèi)摩擦系數(shù)約為0.55，經(jīng)大量實驗驗證是模擬地殼淺層脆性變形的理想材料[3]。物理模擬實驗的相似性主要是幾何學(xué)、運動學(xué)、動力學(xué)三方面的相似。此次實驗共相似初始邊界條件，石英砂從下到上厚度分別為15mm、10mm、10mm，中間以純紅、藍干燥石英砂作為標志層，表面以純干燥綠色石英砂做標志層。實驗采取左端電缸不動，通過啟動右端電缸作水平單側(cè)向活動，對砂箱水平砂層施加擠壓變形，擠壓速度為V=0.005mm/s。每次擠壓縮的位移量D=500mm。擠壓過程中每擠壓1mm進行相機的拍照記錄，粒子圖像測速系統(tǒng)（PIV）對砂箱楔形體的整個變形過程做全程監(jiān)測。

2實驗處理

2.1 演化特征研究

實驗結(jié)束得到照片記錄300張，根據(jù)其演化過程和最終構(gòu)造樣式，選取關(guān)鍵點作為處理對象。砂箱擠壓初始階段，砂箱剖面上表現(xiàn)為一個平頂背斜的發(fā)育。隨后砂箱剖面產(chǎn)生連續(xù)的三條前展式逆沖斷層，斷層間距較小且產(chǎn)狀一致。伴隨著擠壓作用的進行楔形體很快達到臨界擠壓狀態(tài)。第二階段，擠壓作用繼續(xù)進行，砂箱剖面發(fā)育第四條逆沖斷層，且由于砂體后緣的積累導(dǎo)致前緣擴展區(qū)發(fā)生剪破裂，因而與先存斷層的間距明顯增大，并在隨后的變形過程中，該條逆沖斷層表現(xiàn)為典型的無序沖斷作用，即斷層并非一直逆沖達到臨界狀態(tài)，而是與第三條逆沖斷層交替發(fā)育，共同調(diào)節(jié)著砂箱楔形體的穩(wěn)態(tài)。第三階段至擠壓終點，砂體前緣發(fā)育第五條逆沖斷層，且在其發(fā)育過程中，先存斷層四繼續(xù)活動，表現(xiàn)出主控主控斷層特征。而該逆沖斷層的反沖斷層同樣錯切先存斷層，導(dǎo)致第二個沖起構(gòu)造更大的抬升。最終砂箱剖面共發(fā)育5條逆沖斷層，砂箱楔形體表現(xiàn)為“窄而厚”的幾何特征。

2.2 粒子圖像處理

選取對應(yīng)關(guān)鍵點的粒子圖像記錄是深入分析砂箱楔形體演化過程的前提條件。對于圖像測速系統(tǒng)（PIV）儲存的記錄，進行速度矢量圖的批量處理，速度場突變界限與形變節(jié)點具有高度一致性，因此特別要注意那些發(fā)生形變時對應(yīng)的圖像[4]。打開系統(tǒng)自帶的MicroVec3軟件后，首先打開標尺照片，畫定標尺和即將處理的對象區(qū)域，然后輸入標尺（單位為毫米）后點擊圖像放大率進行像素設(shè)定。設(shè)定完成后便可開始PIV圖像的計算：打開圖像序列，導(dǎo)入關(guān)鍵點附近的PIV照片（一次可導(dǎo)入32張），并進行二次迭代。由于綜合了互相關(guān)計算以及圖像偏置技術(shù)二者特點，迭代算法結(jié)果比沒有迭代的計算結(jié)果更為精確，一般經(jīng)過二次迭代即判斷區(qū)像素變化為32→16。迭代完成之后，通過窗口2選擇計算幀數(shù)（可以逐個計算也可以間隔計算），得到PIV預(yù)處理圖像。點擊保存為數(shù)字格式（.dat）文件。

PIV預(yù)處理的圖像可經(jīng)過Tecplot二次處理：打開Tecplot軟件，選擇描繪工具后成圖，在這里可設(shè)置速度場的向量大小及密度。需要注意的是，向量的調(diào)整盡量保持橫向與縱向的一致性，以保證圖像的清晰和美觀，但不可忽略關(guān)鍵變形點的向量[5]。同樣可在數(shù)字工具欄下設(shè)定標尺的單位，單位一般以毫米計。標尺的長度及大小可在顏色工具欄下進行設(shè)定，以達到每幅圖片標尺的一致性。點擊三維圖像設(shè)定可完成圖像由二位向三維的轉(zhuǎn)換。

對比得到的PIV粒子圖像與砂箱演化照片記錄可知：在第一階段由于后側(cè)擋板的約束作用，砂箱物質(zhì)迅速擠壓并逆沖，粒子速度場保持一致的動態(tài)特征，直到砂箱楔形體達到初始臨界狀態(tài)。第二階段，由于逆沖作用在砂體前緣產(chǎn)生第四條逆沖斷層，而此時前三條逆沖斷層速度場并未發(fā)生較大變化，表明應(yīng)力-應(yīng)變集中在砂體破裂前緣。第三階段開始至擠壓作用結(jié)束，粒子速度場發(fā)生較雜亂的變化，與第四條逆沖斷層的無序沖斷作用高度吻合。

3結(jié)語

該文通過采用均一介質(zhì)條件下的砂箱物理模擬實驗?zāi)Ｐ?，詳細介紹了粒子圖像測速技術(shù)（PIV）在砂箱模擬實驗中的應(yīng)用和技巧，解譯了PIV技術(shù)與砂箱物質(zhì)變形過程和構(gòu)造樣式的相關(guān)性。實驗表明：砂箱速度場突變界限與斷層發(fā)育具有高度一致性，速度矢量與砂箱介質(zhì)運動學(xué)共同揭示了砂箱楔形體動態(tài)變性特征。

參考文獻

[1] 沈禮，賈東，尹宏偉，等.基于粒子成像測速（ PIV ） 技術(shù)的褶皺沖斷構(gòu)造物理模擬[J].地質(zhì)論評， 2012，58（3）：471-480.

[2] 周建勛，魏春光，朱戰(zhàn)軍.基底收縮對擠壓構(gòu)造變形特征影響-來自砂箱實驗的啟示[J].地學(xué)前緣地學(xué)前緣，2002，9（4）：377-382.

[3] 單家增.構(gòu)造模擬實驗在石油地質(zhì)學(xué)中的應(yīng)用[M].北京：石油工業(yè)出版社，1996： 1-22.

[4] 董周賓，顏丹平，張自力，等..基于粒子圖像測速系統(tǒng)（ PIV） 的砂箱模擬實驗方法研究與實例分析[J].現(xiàn)代地質(zhì)，2014，28（2）：321-330.

[5]王昊利，王元.粒子圖像測速技術(shù)（PIV）的新進展[J].力學(xué)進展，2005，35（1）：77-90.