随着地震采集及处理、钻井、物探、化探等技术的进步，对盆地地质结构描述已经达到相当高的水平，由于构造带的演化过程、成因机制研究难度较大，得出的结果往往充满争议.目前，对构造动力学成因的研究，主要借助于构造物理模拟和应力场数值模拟(Braun et al，1994;McClay et al，1995;熊熊等，1998；周建勋等，1999；傅容珊等，2000；郑勇，2006)，其中物理模拟包括沙箱实验、光弹实验、云纹法等多种形式，以沙箱实验的应用最为广泛. 构造物理模拟和数值模拟都可以为成因机制解释提供证据，但具有不同的侧重点，两种方法具有各自的优势和局限性，将两种技术相结合，发挥各自的优势，往往可以得到更为理想的效果. 1 研究现状

构造物理模拟和应力场数值模拟作为构造解释常用的两项技术，经历了长时间的发展，目前都已达到相当高的研究水平.构造的物理模拟实验在19世纪初期便已开始应用，但早期发展缓慢；进入20世纪，在相似理论的推动下，该项技术飞速发展，模拟解决了大量地质力学的专题； 20世纪50年代以后，模拟实验开始朝定量化方向努力，在断裂、伸展、褶皱、底辟、反转等构造模拟方面取得长足进展(Davy et al，1991; Cctton et al，2000;Gutscher et al，2001; McClay et al，2001).X射线照相技术应用及模型材料的探索，都在一定程度上促进了物理模拟技术的进步(Colletta et al .1991; Krantz et al，1991).数值模拟技术自上世纪60年代被引入地质分析(Bott et al，1972)，该项技术随着计算机水平的提高快速发展，目前可以实现线弹性、弹塑性、粘弹性、弹粘塑等本构关系的应力求解(郑洪伟等，2006；郑勇等，2007；朱守彪等，2008；陈祖安等，2008)，模拟对象从刚性的地壳扩展到深部的岩石圈，数学模型不仅由二维平面、剖面受力逐渐推广为三维的地质空间(陆远忠等，2007；张洁等，2008)，还可以考虑热、流、固耦合关系.

2 数值模拟和物理模拟技术的优势和限制条件对比

应力场数值模拟和构造物理模拟技术都可以为局部构造的演化过程、成因机制提供证据，帮助人们认识盆地形成所需要的动力条件，两种技术的应用既有一定的相似性又有明显的差异.

2.1 具有相似的工作原理

物理模拟和数值模拟实验技术具有相似的工作原理，对于一个工区的构造解释，都需经历模型转化～模拟实验～实验成果分析～重新认识地质模型和边界条件的过程(图 1).应力场数值模拟的基础是有限单元法，可以建立各种不受时空限制的地质模型，根据构造应力场特点，结合目的层岩石力学特征、温度压力及流体环境，分析构造应力场的特征和演化历史，预测构造带可能的展布、样式及变形特征等.对于沉积盆地构造模拟过程中，因目的层埋深小，往往以脆性变形为主，多数应力场模拟实验中选择二维、三维的实体单元类型来划分网格，变形过程属结构静力学范畴.构造物理模拟实验中最为常见的是沙箱实验，该方法是在相似原则的控制下，将地质模型转化为物理模型，通过筛选材料、设置边界几何条件、施加载荷后，观察并记录模型的变形过程，通过与实际地质模型向对比，分析造成差异的原因，可以帮助人们重新认识地质模型的演化过程、成因机制，优选构造解释方案.

在详细解剖地震、钻井资料的基础上，通过构造解析手段，可以对工区的构造成因做出初步的推断，在地质条件复杂的地区，地震解释方案、成因解释模式往往具有多解性.比如，在中国东部的伸展盆地中形成构造的张应力与边界断层的配置关系、是否存在区域剪应力以及对构造的影响程度、地质体垂向上的差异运动对其内部的构造影响程度等方面存在多套解释模型，对区域动力条件、局部构造的成因的认识充满争议.通过合理的设计实验模型，可以再现构造的形成过程，为其成因解释提供证据，从而达到重新认识地质模型、优选解释方案的目的.

图 1

图 1 数值模拟工作流程Fig. 1 Workflow of numerical simulation

数值模拟和构造物理模拟具有不同的实验条件和实验过程，所得到的实验结果以及在地质解释中的侧重点、适用范围也有明显差异(表 1).

表 1(Table 1)

表 1物理模拟与数值模拟实验要素差异性对比 Table 1Comparative study of elements in physical modeling and numerical simulation experiments 数值模拟 物理模拟 实验成本 低 高 模型转化 难 容易 模拟条件 不受时空限制 相似原则 实验结果 潜在变形 持续受力、连续变形 适用范围 应力机制分析、演化预测 成因机制、构造演化

表 1物理模拟与数值模拟实验要素差异性对比 Table 1Comparative study of elements in physical modeling and numerical simulation experiments

在具备数值模拟软件和物理模拟仪器时，开展一次数值模拟实验所需要的成本远低于物理模拟.实际地质情况下，成因机制不明的构造部位往往具有十分复杂的结构，这些部位可能存在多套的构造解释方案、成因机制模型，相应的物理模型往往需要多次修改仪器的边界，更换实验的材料，在此过程中会耗费大量的石英砂、粘土、凡士林、橡胶等实验材料；应力场数值模拟在这方面具有明显的优势，地质模型向数学模型转化过程中，基本不需要相应的开支. 2.2.2 模型的转化过程

地质模型的规模较大，形成时间漫长，在实验室开展的物理模拟实验很难复制这一过程，地质模型向物理模拟的转化过程中必须严格按照相似原则进行简化，在此过程中，实验材料、边界几何形态、伸展量大小及变形时间都需经过相似因子的换算，这些参数只有分布在一定范围时，实验结果才具备可信性.现有的构造物理模拟仪器中，往往具备完成多种变形方式的功能沙箱模型，在其基础上只需要稍加改造即可满足实验的条件，操作难度相对较小；物理模拟所需的材料选择范围较广，从松散的石英砂、粘土到湿度、延展性较大的泥沙混合物，都能满足实验所需的相似条件，材料的筛选也相对容易.数值模拟与物理模拟相比，最大的优点在于模型转化过程中，模型的建立不受时空的限制，其规模、受力的大小来源于真实地质模型的分析、测量，而材料的弹性模量、泊松比、密度等力学参数直接来源于岩心的测试，这样能够尽可能的保存地质模型的相关信息.绝大多数地质模型比较复杂，随着模型的单元网格的增加计算机完成一次模拟所需的时间会明显延长.在向数学模型的转化过程中必须做出简化，通常情况下，数学模型仅考虑相应时期的主要活动断层，忽略小规模断层，对薄互层力学参数的均一化处理，在保证不影响整体变形的基础上，尽可能使模型简单化、理想化.多数条件下，数学模型的建立和调试过程十分繁琐，需要庞大的工作量，其建立难度远大于物理模型的转化. 2.2.3 实验结果对比

数值模拟与物理模拟实验结果对应地质模型的不同变形阶段.多数的数值模拟实验将构造变形简化为结构静力学问题，将确立的边界条件加载到数学模型之上， 观察主应力大小及方向、剪应力分布及旋向 ，根据破裂准则预测地层的破裂范围及变形趋势，可以为构造成因的解释提供足够的证据.两种方法最显著的差异在于：应力场数值模拟过程中必须保证计算结果的收敛，模拟得到的结果对应于地质模型受力以后至大规模断裂活动之前这一特定阶段内的应力分布，计算结果可以预测模型受力之后，所产生构造的位置、样式及变形特征.模型受力，断层、构造变形产生以后，局部的应力分布发生改变，数值模拟必须通过重新建模的方式计算下一阶段应力的分布，单个模型不具备模拟持续变形过程中应力场变化的能力.而在物理模拟实验过程中，施加于边界处的载荷大小、方向也可以根据需要进行调整，模型整个变形过程处于外力的持续作用下，可以模拟整个演化阶段构造的变化特征，同时可以考虑构造应力作用在地质体上所具备的时间效应.

数值模拟结果主要反映水平构造应力的作用，垂向差异升降造成的局部应力改变往往难以体现，而物理模拟可以考虑垂向作用力，但在处理水平方向的张应力在模型内部传递的问题时难度较大.数值模拟计算得到是变形初期的应力分布，地层受力到断裂这一过程十分短暂，随后便因岩层弯曲、塑性岩层的上拱、断裂释放、断层两盘拖拽等原因造成局部应力的改变，这些应力变化在数值模拟结果中无法体现.物理模拟实验恰恰相反，材料自身受重力影响、断块存在相对运动的拖拽，可以有效避免数值模拟中存在的不足，但在水平方向构造应力的传递难度较大，这一问题在伸展构造的模拟过程中尤为突出，通过在模型底部铺设橡胶模、延性层的方式，虽然可以将边界处施加的载荷传递至模型内部，但在地层存在掀斜等特殊条件下的伸展构造模拟试验中，模型设计具有相当大的难度(冯阵东等，2011). 3 数值模拟和物理模拟技术的综合应用

数值模拟和物理模拟技术具有自身的优势和限制条件，数值模拟可以得到变形初期应力的定量数值，物理模拟则可以再现整个变形的过程，两种技术的有机结合可以更好的解释构造的成因问题.下面以高邮凹陷南断阶(图 2)阜宁期断块模拟过程为例进行说明：

图 2

图 2 高邮凹陷南断阶T33断层分布图Fig. 2 Fault distribution of T33 of south fault terrace in Gaoyou sag

高邮凹陷南部断阶带主要受真①断层控制，该断层作为盆地的边界，形成时间较早，受其控制的低序级断层主要产生于阜宁期.根据断层走向，低序级断层可以分为NNE、NE、EW向三组断层，通过构造解析初步判断，NE向断层是受SE153°-NW333°向张应力，NNE、EW向断层为共轭断层，是在张应力环境下形成的具有张扭性质的正断层，该模型是否准确，需要通过数值模拟与物理模拟结果来验证；竹 墩地区断层具有帚状平面组合特征，其成因需要进一步解释.

根据上述的地质条件，使用ANSYS有限元软件建立了本次实验所需的数学模型.由于低序级断层形成之前，该地区仅有真①断层活动，物理模拟和数值模拟过程中仅考虑该断层，边界处施加应力的方向为SE153°~NW333°向，根据构造活动强度在数学模型边界施加了6.5 MPa的张应力(略大于沉积岩抗张强度4 MPa)；物理模拟结果主要受边界断层的形态和伸展方向的控制，施加应力的大小对结果影响不大，实验中主要观察和记录断裂稳定发展的阶段.

数值模拟结果表明，张应力控制了断层的产生范围(图 3a)，剪应力旋向影响了断层的走向(图 3b).阜宁期低序级断层主要分布在张应力大于4.94 MPa的地区，真①断层向北凸出的许庄、竹墩地区，张应力大于12.7 MPa，这些部位比较容易产生与伸展方向近垂直的NE向断层；边界断层平面为锯齿状，其NNE、EW段与区域伸展方向斜交，受断层上、下盘相对运动方向影响，产生不同旋向的剪应力，许庄地区的西部为右旋剪应力，东部剪应力却为左旋，这些区域断层走向出现了明显的转变，产生了与边界断层近平行的NNE、EW向断层.

图 3

图 3 高邮凹陷南断阶应力分布特征(a：最小主应力；b：剪应力)Fig. 3 Characteristics of stress distribution in south fault terrace in Gaoyou sag

本次物理模拟实验中，将地质模型中边界断层按照114万的比例缩放成物理模型边界，实验材料选取了破裂强度略大于石英砂的干粘土，该材料符合相似条件要求，在平面构造现象的保存上明显稳定于石英砂.拉张速度约0.95×10^-5 m/s，实验记录了三个主要变形阶段，伸展量分别为0.6 cm、1.5 cm、2.1 cm(图 4).模型在区域张应力作用下发生变形，伸展量在0～0.6 cm之间时，是断层上盘能量积聚阶段，此时的应力大小及方向差异程度加剧，其结果在数值模拟实验中得到体现，伸展距离达到0.6 cm后，真①断层上盘地层达到了破裂极限，低序级断层开始产生；伸展量0.6～2.1 cm期间是低序级断层产生的主要阶段，早期相对集中的部位逐渐产生断裂，随着伸展量增加，小断层首尾相连，规模增大.整体上看，断层发育顺序具有南早北晚的特点，即真①断层形成最早，真②断层产生时间最晚，两者之间的断层由南向北逐次发育；伸展量大于2.1cm以后，模型失去稳定，结束本次试验.

图 4

图 4 高邮凹陷南断阶物理模拟结果(a1、b1、c1：拉张0.6、1.5、2.1 cm模拟成果；a2、b2、c2：对应的原始照片)Fig. 4 Simulation Results Form Physical Modeling of South Fault Terrace in Gaoyou Sag

4.1    应力场数值模拟实验条件不受时空限制，实验结果主要反映模型受力后至低序级断裂产生之前这一特定阶段的应力分布，其提供的应力分布可以预测断裂产生的位置、特征及变形趋势，重点反映水平向构造应力对构造变形的影响，而地层自身重力、断块之间相互的摩擦力、变形以后垂向的拱张力对模型的影响往往无法考虑.

4.2    物理模拟在相似条件控制下进行，实验成果可以反应构造变形的全过程，边界作用力具有持续性，可以兼顾水平应力的时间效应以及断块相对运动对局部应力的调整，不仅可以反应构造的成因机制还能再现构造的演化过程，但缺乏体验成因机制的量化数值，在解决水平方向构造应力的传导问题时也具有较大的难度.

4.3     使用数值模拟方法解释构造成因，物理模拟技术再现演化过程，两种技术相结合可以帮助人们更准确的认识地质模型.

4.4    高邮凹陷南部真①断层弯曲形态致使NW向的区域应力发生分异，局部应力应力的大小和方向发生改变，进一步影响了局部的构造形态，整体上看：张应力控制正断层产生的范围，剪应力旋向则影响了断层走向；许庄和竹墩两个地区在应力分布、断层产生时间、次序等方面十分相似，两者应具有相同的成因机制，同为NW向张应力控制下产生的NE向正断层和NNE、EW向共轭的张剪性断层组成.