摘要：地壳浅表变形受控于多种边界条件因素的影响，因而具有长期构造演化过程和复杂的构造特征。构造物理模拟是研究自然界地质变形过程的一种重要的可视化方法，特别是伴随着计算机技术的飞速发展，粒子图像测速技术（PIV）在地质模拟实验中越来越发挥着重要作用。该文以砂箱物理模拟实验为基础，详细分析了粒子图像测速技术（PIV）应用的方法、过程和技巧，模拟结果对于解译砂箱物质变形过程和机制具有重要意义。

关键词：粒子图像测速（PIV） 砂箱物理模拟 变形机制 速度场

中图分类号：P542 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）07（b）-0000-00

粒子图像测速技术（PIV）是20世纪80年代随着计算机技术、图像处理技术等发展起来的一种流动测量与显示技术，它的基本原理是：通过在流场中布撒大量的示踪粒子，把激光束经过组合透镜扩束成片光照明流场，使用数字相机拍摄流场照片，得到的前后两帧粒子图像，对粒子图像进行互相关计算得到流场一个切面内定量的速度分布[1]。其特点在于它摆脱了以往单点测试的局限，能够在不干扰测试对象的基础上实现全过程的动态测量，并得到瞬时速度场的矢量值。

砂箱构造物理模拟实验可以直观地再现前陆褶皱冲断带的发生发展、继承与改造，因而被国内外众多地质学者采用。根据研究对象的不同和研究思路的差异，砂箱模拟实验可分为两类：机制模型实验和比例模型实验。前者是指针对抽象地质模型的实验模拟，即采用正演的方式，研究分析构造变形要素对变形机制的控制和影响[2]；后者是指针对实际地质体的实验模拟，即采用反演的方式，通过研究某一区域的地质背景，并结合概念模型实验的结果，提出一个或多个地质模型，反复实验直到与目标地质体相似，以确定其成因机制和边界条件[3]。该文以机制模型的砂箱物理模拟实验为基础，详细分析了粒子图像测速技术（PIV）应用的方法、过程和技巧，模拟结果对于解译砂箱物质变形过程和机制具有重要意义。

1实验设计

1.1摩尔-库伦破裂准则

砂箱物理模拟实验表明，造山带的演化遵循简单的临界楔理论，即砂箱楔形体在挤压作用下逐渐积累，并在一定条件下将达到临界状态。临界楔理论具有一定的假设前提：（1）较低或可忽略的内聚力强度和符合Coulomb破裂准则；（2）均值且各向同性的砂体特性；（3）均值摩擦底界特性；（4）砂箱物质和温度等属性不随时间变化。一般而言，楔形体遵循如下公式：

式中，μb 为基底摩擦系数；ϕ为砂箱物质内摩擦角。

1.2 实验模型

实验所采用的平台为南京大学设计研发的构造物理模拟实验平台，该平台可以模拟挤压、拉张、走滑等各类构造运动。实验材料采用干燥纯白石英砂，该石英砂粒径为0.2～0.4mm，内摩擦角为29°～31°，内摩擦系数约为0.55，经大量实验验证是模拟地壳浅层脆性变形的理想材料[3]。物理模拟实验的相似性主要是几何学、运动学、动力学三方面的相似。此次实验共相似初始边界条件，石英砂从下到上厚度分别为15mm、10mm、10mm，中间以纯红、蓝干燥石英砂作为标志层，表面以纯干燥绿色石英砂做标志层。实验采取左端电缸不动，通过启动右端电缸作水平单侧向活动，对砂箱水平砂层施加挤压变形，挤压速度为V=0.005mm/s。每次挤压缩的位移量D=500mm。挤压过程中每挤压1mm进行相机的拍照记录，粒子图像测速系统（PIV）对砂箱楔形体的整个变形过程做全程监测。

2实验处理

2.1 演化特征研究

实验结束得到照片记录300张，根据其演化过程和最终构造样式，选取关键点作为处理对象。砂箱挤压初始阶段，砂箱剖面上表现为一个平顶背斜的发育。随后砂箱剖面产生连续的三条前展式逆冲断层，断层间距较小且产状一致。伴随着挤压作用的进行楔形体很快达到临界挤压状态。第二阶段，挤压作用继续进行，砂箱剖面发育第四条逆冲断层，且由于砂体后缘的积累导致前缘扩展区发生剪破裂，因而与先存断层的间距明显增大，并在随后的变形过程中，该条逆冲断层表现为典型的无序冲断作用，即断层并非一直逆冲达到临界状态，而是与第三条逆冲断层交替发育，共同调节着砂箱楔形体的稳态。第三阶段至挤压终点，砂体前缘发育第五条逆冲断层，且在其发育过程中，先存断层四继续活动，表现出主控主控断层特征。而该逆冲断层的反冲断层同样错切先存断层，导致第二个冲起构造更大的抬升。最终砂箱剖面共发育5条逆冲断层，砂箱楔形体表现为“窄而厚”的几何特征。

2.2 粒子图像处理

选取对应关键点的粒子图像记录是深入分析砂箱楔形体演化过程的前提条件。对于图像测速系统（PIV）储存的记录，进行速度矢量图的批量处理，速度场突变界限与形变节点具有高度一致性，因此特别要注意那些发生形变时对应的图像[4]。打开系统自带的MicroVec3软件后，首先打开标尺照片，画定标尺和即将处理的对象区域，然后输入标尺（单位为毫米）后点击图像放大率进行像素设定。设定完成后便可开始PIV图像的计算：打开图像序列，导入关键点附近的PIV照片（一次可导入32张），并进行二次迭代。由于综合了互相关计算以及图像偏置技术二者特点，迭代算法结果比没有迭代的计算结果更为精确，一般经过二次迭代即判断区像素变化为32→16。迭代完成之后，通过窗口2选择计算帧数（可以逐个计算也可以间隔计算），得到PIV预处理图像。点击保存为数字格式（.dat）文件。

PIV预处理的图像可经过Tecplot二次处理：打开Tecplot软件，选择描绘工具后成图，在这里可设置速度场的向量大小及密度。需要注意的是，向量的调整尽量保持横向与纵向的一致性，以保证图像的清晰和美观，但不可忽略关键变形点的向量[5]。同样可在数字工具栏下设定标尺的单位，单位一般以毫米计。标尺的长度及大小可在颜色工具栏下进行设定，以达到每幅图片标尺的一致性。点击三维图像设定可完成图像由二位向三维的转换。

对比得到的PIV粒子图像与砂箱演化照片记录可知：在第一阶段由于后侧挡板的约束作用，砂箱物质迅速挤压并逆冲，粒子速度场保持一致的动态特征，直到砂箱楔形体达到初始临界状态。第二阶段，由于逆冲作用在砂体前缘产生第四条逆冲断层，而此时前三条逆冲断层速度场并未发生较大变化，表明应力-应变集中在砂体破裂前缘。第三阶段开始至挤压作用结束，粒子速度场发生较杂乱的变化，与第四条逆冲断层的无序冲断作用高度吻合。

3结语

该文通过采用均一介质条件下的砂箱物理模拟实验模型，详细介绍了粒子图像测速技术（PIV）在砂箱模拟实验中的应用和技巧，解译了PIV技术与砂箱物质变形过程和构造样式的相关性。实验表明：砂箱速度场突变界限与断层发育具有高度一致性，速度矢量与砂箱介质运动学共同揭示了砂箱楔形体动态变性特征。

参考文献

[1] 沈礼，贾东，尹宏伟，等.基于粒子成像测速（ PIV ） 技术的褶皱冲断构造物理模拟[J].地质论评， 2012，58（3）：471-480.

[2] 周建勋，魏春光，朱战军.基底收缩对挤压构造变形特征影响-来自砂箱实验的启示[J].地学前缘地学前缘，2002，9（4）：377-382.

[3] 单家增.构造模拟实验在石油地质学中的应用[M].北京：石油工业出版社，1996： 1-22.

[4] 董周宾，颜丹平，张自力，等..基于粒子图像测速系统（ PIV） 的砂箱模拟实验方法研究与实例分析[J].现代地质，2014，28（2）：321-330.

[5]王昊利，王元.粒子图像测速技术（PIV）的新进展[J].力学进展，2005，35（1）：77-90.