构造-热演化史恢复的热运动学的系统及方法与流程

本发明涉及构造地质研究技术领域，具体地涉及一种构造-热演化史恢复的热运动学的系统及方法。

背景技术：

构造演化是指从时间角度分析构造的形成过程和变化规律，即构造运动学研究。构造演化史的研究方法可以概括为正演和反演两大类，以反演方法居多。其中，构造物理模拟和数值模拟属于正演方法，而热年代学分析和平衡剖面属于反演方法。这些方法都具有一定的适用性和优缺点，例如：

物理模拟：理论体系完备、可视化程度高、几乎适用于各种构造类型的恢复，是最常用的正演方法，但是在构造变形过程中，很难记录模型内质点的运动轨迹和力学参数。

数值模拟：可以很好解决数字化问题，但是常用的有限差分或有限元模拟是将数值模型网格化，与构造物理模拟采用颗粒材料模拟变形在思路和算法上存在本质不同，而且模拟得到的变形效果也远不如物理模拟。另一种离散元数值模拟虽然在建模思路上与构造物理模拟相同，但是现有的力学参数仅限于千米尺度的构造模拟，缺乏与物理模拟相同的实验室尺度(米级)的参数集。

热年代学：该方法定量效果好，原理是通过恢复温度史来间接反映构造史，但影响温度的因素并不只有构造沉降或抬升，也包括盆地冷却等非构造因素，而且在反演过程中需要提供详细的地质约束，这在复杂变形区比较难实现。

平衡剖面：该方法是构造演化恢复常用的一种反演方法，它的优势是操作简单且效率高，但是平衡剖面技术恢复误差比较大(20％-30％)，而且并不适用于走滑构造恢复。

因此，单独采用上述的一种方法进行构造演化史的研究可能会存在得不到在构造过程中的参数或结果不精确等缺陷。

技术实现要素：

本发明实施例的目的是提供一种构造-热演化史恢复的热运动学的系统及方法，通过对最优正演构造史及反演构造史进行耦合求解，得到构造-热演化史。

为了实现上述目的，本发明实施例提供一种构造-热演化史恢复的热运动学的系统，该系统包括：正演模块，该模块包括：物理模型和离散元数值模型，分别用于进行研究区物理模拟和离散元数值模拟，获得最优正演构造史；反演模块，该模块进行热年代学样品模拟，获得反演构造史；及处理输出模块，该模块用于对所述最优正演构造史及所述反演构造史进行耦合求解，得到构造-热演化史。

可选的，所述正演模块还用于根据所述研究区的地质构造解析及演化史分析结果建立地质模型；所述物理模型和离散元数值模型根据所述地质模型进行建立；

可选的，所述最优正演构造史通过调节所述离散元数值模型的离散元颗粒力学参数，使所述研究区的地质剖面变形特征的数值模拟结果与通过所述物理模型模拟得到的物理模拟结果在同一尺度逼近得到。

可选的，所述反演模块还用于以所述离散元数值模型中与所述热年代学样品对应构造位置的颗粒运动轨迹作为反演地质约束，对所述反演模块的输入参数进行修正。

可选的，所述反演模块的输入参数为古地温梯度。

可选的，所述处理输出模块还用于以平衡剖面的形式输出构造-热演化史。

相应的，本发明还提供一种构造-热演化史恢复的热运动学的方法，该方法包括：进行研究区物理模拟和离散元数值模拟，获得最优的构造演化史；进行热年代学样品模拟，获得反演构造史；及对所述最优正演构造史及所述反演构造史进行耦合求解，得到构造-热演化史。

可选的，所述最优正演构造史通过在所述离散元数值模拟中调节离散元颗粒力学参数，使所述研究区的地质剖面变形特征的数值模拟结果与通过所述物理模拟得到的物理模拟结果在同一尺度逼近得到。

可选的，该方法还包括：以所述离散元数值模拟中与所述热年代学样品对应构造位置的颗粒运动轨迹作为反演地质约束，对所述热年代学样品模拟的输入参数进行修正；所述热年代学样品模拟的输入参数为古地温梯度。

可选的，所述构造-热演化史以平衡剖面的形式输出。

通过上述技术方案，本发明通过对研究区进行物理模拟和离散元数值模拟，获得最优正演构造史，以及对热年代学样品进行热年代学模拟获得反演构造史，最终进行最优正演构造史及反演构造史的耦合求解，得到构造-热演化史，相比于现有技术通过单一方法构造演化史存在一定缺陷，本发明通过对正演和反演两种方法进行耦合求解，既克服了单一方法的缺陷，又能得到精确的构造演化史。

本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：

图1是本发明一实施例提供的一种构造-热演化史恢复的热运动学的系统的示意图。

图2是本发明另一实施例提供的一种构造-热演化史恢复的热运动学的系统的示意图。

图3是本发明一实施例提供的一种构造-热演化史恢复的热运动学的方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。

图1是本发明一实施例提供的一种构造-热演化史恢复的热运动学的系统的示意图，该系统包括：正演模块，该模块包括：物理模型和离散元数值模型，分别用于进行研究区物理模拟和离散元数值模拟，获得最优正演构造史；反演模块，该模块进行热年代学样品模拟，获得反演构造史；处理输出模块，用于对最优正演构造史及反演构造史进行耦合求解，得到构造-热演化史。

图2是本发明另一实施例提供的一种构造-热演化史恢复的热运动学的系统的示意图，该系统包括：地质模型，用于提供研究区地质信息；正演模块，该模块包括：物理模型和离散元数值模型，分别用于根据地质模型提供的地质信息进行研究区物理模拟和离散元数值模拟，获得最优正演构造史；反演模块，该模块进行热年代学样品模拟，获得反演构造史；处理输出模块，用于对最优正演构造史及反演构造史进行耦合求解，得到构造-热演化史。

具体的，利用已有的地质资料和地球物理资料可进行研究区地质构造解析和演化史分析，以确定不同地层的岩石力学性质，对应划分出刚性和塑形地层，从而建立地质模型。然后根据建立的地质模型，一方面建立物理模型，使用石英砂、玻璃珠和硅树脂等材料建立物理模型，实现实验室尺度(米级)的模拟；另一方面，输入离散元颗粒力学参数构建离散元数值模型。

离散元数值模拟在建模思路上构造物理模拟相同，但由于现有的离散元颗粒力学参数仅限于千米尺度的构造模拟，因此调节离散元数值模型的离散元颗粒力学参数，使研究区的地质剖面变形特征的数值模拟结果与通过物理模型模拟得到的物理模拟结果在同一尺度逼近，以得到与物理模型相同尺度(米级)的离散元数值模型。

综合上述物理模型及与物理模型相同尺度的离散元数值模型的模拟结果，既能实现模拟的高程度可视化，又能记录模型内质点的运动轨迹和力学参数，体现了两种模型优缺点的互补。

可以理解，根据地质模型建立的物理模型和离散元数值模型的模拟结果应与实际地质剖面的变形特征逼近，因此在进行物理模拟和离散元数值模拟过程中，可根据模拟结果深化地质认识，相应地调整地质模型、物理模型及离散元数值模型，达到更好的模拟效果，最终获得最优正演构造史，而此时对应的离散元颗粒力学参数集为与构造物理模拟尺度(米级)相同的离散元颗粒力学参数集，其中，离散元颗粒力学参数集包括刚性地层和塑性地层两套力学参数，包括的参数有：密度、法向刚度、切向刚度、法相粘结力、内摩擦系数和粘度。如表1所示为在褶皱作用为主的构造区适用的一套离散元颗粒力学参数集。

表1离散元颗粒力学参数集

反演模块所应用的反演方法为热年代学分析，依据实际地质剖面采集热年代学系列样品，并标记样品的构造位置，然后筛选样品中的磷灰石和锆石等矿物，进行裂变径迹和(u-th)/he等热年代学分析，最后使用热年代学模拟软件反演样品经历的构造-热演化过程，获得反演构造史。

在进行热年代学样品模拟时，需输入古地温梯度的参数值以得到样品热史，即反演构造史。其中，反演模块以离散元数值模型中与热年代学样品对应构造位置的颗粒运动轨迹作为反演地质约束，对古地温梯度进行修正。

可以理解，根据反演模块模拟得到的热史及输入的古地温梯度可计算出某一样品颗粒的颗粒运动轨迹，此时提取离散元数值模型中与热年代学样品处于相同构造位置的颗粒运动轨迹进行比较，若该两个结果差距明显，则相应调整反演模块中输入的古地温梯度，使根据热史及输入的古地温梯度计算出的样品颗粒的颗粒运动轨迹与离散元数值模型中与热年代学样品处于相同构造位置的颗粒运动轨迹逼近。古地温梯度可参考前人已发表的古地温梯度进行调整，若与热年代学样品处于相同构造位置的颗粒运动轨迹逼近时输入的古地温梯度与前人已发表的古地温梯度差距明显时，则可将输入的该古地温梯度进行存储修正，作为以后进行模拟的参考。

可以理解的是，结合离散元数值模型中与热年代学样品处于相同构造位置的颗粒运动轨迹，反演模型可将样品的深度域路径转化为温度域路径，通过该约束进行的热演化模拟更为精确。

处理输出模块可包括：耦合计算模块，用于将得到的最优正演构造史及反演构造史进行耦合求解；及输出模块，用于以平衡剖面的形式输出构造-热演化史。

构造演化史恢复过程中，正演和反演方法需要互相配合和印证，以弥补单一方法的缺陷，但现有技术联合的程度还仅限于定性而非定量，这已经无法满足日益复杂的研究需求了。对于正演和反演方法的联合很难满足定量化，本发明构建一个与构造物理模拟尺度相同的(米级)的离散元数值模型，并建立了一个将构造物理模拟、离散元数值模拟、热年代学分析和平衡剖面四种方法联合恢复构造-热演化历史的热运动学系统，克服了构造物理模拟难以记录质点运动轨迹的缺陷，完善了现有离散元数值模拟参数仅适用于大尺度构造分析的不足，解决了复杂构造区热史模拟缺乏运动学约束的难题。

图3是本发明一实施例提供的一种构造-热演化史恢复的热运动学的方法的流程图。该方法包括：

步骤301，建立地质模型。

利用已有的地质资料和地球物理资料可进行研究区地质构造解析和演化史分析，以确定不同地层的岩石力学性质，对应划分出刚性和塑形地层，从而建立地质模型。

步骤302，构建研究区物理模型，进行物理模拟。

步骤303，构建研究区离散元数值模型，进行离散元数值模拟。

具体的，根据建立的地质模型，一方面使用石英砂、玻璃珠和硅树脂等材料建立物理模型，实现实验室尺度(米级)的模拟；另一方面，输入离散元颗粒力学参数构建离散元数值模型。

步骤304，判断物理模拟与离散元数值模拟的结果是否与实际地质剖面变形特征逼近，若判断结果为“是”，则执行步骤306，反之，执行步骤305。

步骤305，调整地质模型。

具体的，当物理模拟与离散元数值模拟的结果与实际地质剖面变形特征差别很大时，可根据模拟结果深化地质认识，重新调整地质模型，从而根据调整后的地质模型重新调整物理模型和离散元数值模型，直到物理模型和离散元数值模型的模拟结果与实际地质剖面变形特征逼近，实现更好的模拟效果。

步骤306，判断研究区的地质剖面变形特征的数值模拟结果是否与通过物理模型模拟得到的物理模拟结果在同一尺度逼近，若判断结果为“是”，则执行步骤308和步骤309，反之，执行步骤307。

步骤307，调整离散元颗粒力学参数。

具体的，离散元数值模拟在建模思路上构造物理模拟相同，但由于现有的离散元颗粒力学参数仅限于千米尺度的构造模拟，因此调节离散元数值模型的离散元颗粒力学参数，在满足实际地面剖面的变形特征的同时，使研究区的地质剖面变形特征的数值模拟结果与通过物理模型模拟得到的物理模拟结果在同一尺度逼近，以得到与物理模型相同尺度(米级)的离散元数值模型。

综合上述物理模型及与物理模型相同尺度的离散元数值模型的模拟结果，既能实现模拟的高程度可视化，又能记录模型内质点的运动轨迹和力学参数，体现了两种模型优缺点的互补。

步骤308，采集热年代学系列样品，标记构造位置。

步骤309，进行热年代学分析。

具体的，依据实际地质剖面采集热年代学系列样品，并标记样品的构造位置，然后筛选样品中的磷灰石和锆石等矿物，进行裂变径迹和(u-th)/he等热年代学分析。

步骤310，进行热年代学样品模拟。

具体的，在进行热年代学样品模拟时，需输入古地温梯度的参数值以得到样品热史，即反演构造史。其中，在进行模拟时，以离散元数值模拟中与热年代学样品对应构造位置的颗粒运动轨迹作为反演地质约束，对古地温梯度进行修正。

可以理解，根据热年代学样品模拟得到的热史及输入的古地温梯度可计算出某一样品颗粒的颗粒运动轨迹，此时提取离散元数值模拟过程中与热年代学样品处于相同构造位置的颗粒运动轨迹进行比较，若该两个结果差距明显，则相应调整输入的古地温梯度，使根据热史及输入的古地温梯度计算出的样品颗粒的颗粒运动轨迹与离散元数值模型中与热年代学样品处于相同构造位置的颗粒运动轨迹逼近。古地温梯度可参考前人已发表的古地温梯度进行调整，若与热年代学样品处于相同构造位置的颗粒运动轨迹逼近时输入的古地温梯度与前人已发表的古地温梯度差距明显时，则可将输入的该古地温梯度进行存储修正，作为以后进行模拟的参考。

步骤312，获得最优正演构造史。

步骤313，获得反演构造史。

步骤314，对最优正演构造史及反演构造史进行耦合计算，得到研究区的构造-热演化史。

步骤315，将研究区的构造-热演化史以平衡剖面的形式输出。

以上结合附图详细描述了本发明实施例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。

本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得单片机、芯片或处理器(processor)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

此外，本发明实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。