物理沉积模拟在“沉积学”实践教学改革中的探索

鄢继华，陈世悦，袁 静

中国石油大学（华东） 地球资源与信息学院，山东 东营 257061

物理沉积模拟在“沉积学”实践教学改革中的探索

鄢继华，陈世悦，袁 静

中国石油大学（华东） 地球资源与信息学院，山东 东营 257061

实践教学是“沉积学”课程学习的一个重要教学环节。传统的“沉积学”实践教学包括以岩类鉴定为主的实验教学和以现象观察为主的野外沉积考察。本文通过分析“沉积学”实践教学现状，提出将物理沉积模拟作为“沉积学”实践教学内容之一，从而进一步培养学生的创新意识，完善“沉积学”实践教学改革。同时结合本院实验室条件，就如何加强水槽实验室建设和建立完善的物理模拟实验教学体系进行了探讨。

沉积学；物理沉积模拟；实践教学；水槽实验

沉积学是从沉积岩石学发展而来的，是研究沉积岩（物）的形成、沉积特征、沉积相类型和沉积岩时空分布规律的一门地质科学。沉积岩和油气关系密切，油气不仅生成于沉积岩中，而且绝大部分也储集于沉积岩中。从油气勘探的角度来讲，沉积学又是分析生、储、盖分布，寻找和预测地层圈闭、岩性圈闭和成岩圈闭的理论基础。因此，“沉积学”已经成为石油类高等院校矿产普查与勘探等相关专业非常重要的一门基础地质课程。

一、实践教学是“沉积学”课程的重要环节

“沉积学”课程的研究内容可分为岩类学和岩理学两大部分。岩类学研究的是沉积物（岩）的物质成分、结构、构造、分类命名、产状和岩层之间的接触关系等。岩理学则主要是针对沉积岩的形成机理和古沉积环境的恢复。该课程的难点主要有两方面，一是如何利用已学过的矿物学等知识，深刻理解沉积岩的组成特征、鉴别特征、形成过程与分布规律；二是如何利用各类沉积相标志恢复沉积环境，掌握主要沉积相特征。其中的许多概念、原理比较抽象，难于理解，实践性很强。因此，实践教学是解决教学中难点问题的重要手段和途径[1]。

目前，“沉积学”的实践教学主要有两种方式，一种是与理论教学同时开设的室内实验教学，另一种是暑期安排的野外现代沉积考察。其中室内实验教学是教学过程中理论联系实际的一个重要环节，是培养学生综合运用所学的基础理论和基础知识，深化理论教学，提高动手能力，激发学生的开发性、创造性思维的重要途径，也是全面培养学生的综合素质的重要阶段[2-3]。目前实验教学主要以岩类学的内容为主，通过肉眼和偏光显微镜来鉴定岩石的沉积构造、岩石特征、成岩作用等。从教学效果看，这种实验教学有助于学生更好的掌握本门课程的基本知识，锻炼学生“认”、“描”、“量”、“画”、“析”等基本技能。但是，沉积物的形成是一个复杂的动态过程，学生虽然能够通过实验教学掌握岩石基本特征的描述方法和判断岩石的基本类型，但对于沉积物搬运和沉积的动态过程、沉积岩的形成机理以及古沉积环境等岩理学内容的分析仍无从下手。究其原因，主要在于学生对沉积物的形成过程和沉积环境的演化过程没有直观的认识，很难将所学知识结合起来综合分析。

野外现代沉积考察是最有特色的辅助教学方式。“沉积学”的野外实习教学主要侧重于沉积环境的分析，通过对野外沉积现象的宏观识别和鉴定，判断沉积相类型、总结沉积相标志，帮助学生建立三维沉积空间模型。野外实习教学可以让学生把抽象的理论知识与生动的沉积现象联系起来，使得原来模糊的、难以理解的概念具体化、形象化，加深学生对所学理论知识的理解和掌握，同时能激发学生探求知识的兴趣，在潜移默化中提高学生观察问题、分析问题和解决问题的能力[4]。但是，野外现代沉积考察一般都安排在大学二年级的暑假期间，与课堂教学相隔时间较长，不利于知识的巩固和加深。

二、物理沉积模拟是“沉积学”实践教学改革的必然趋势

物理沉积模拟实验在沉积学研究中占有十分重要的地位。从19世纪末笛康（Deacon，1894）首次在一条玻璃水槽中观察到泥沙运动形成的波痕开始，沉积模拟研究就始终贯穿在沉积学研究领域。沉积模拟研究的每个阶段都有其研究重点和热点，并带动了当时沉积学发展的总体趋势[5]。从沉积学的发展历史来看，沉积模拟实验在沉积岩形成作用的研究中具有十分重要的地位。在水槽模拟实验基础上，紧密结合各类沉积环境和沉积体系实际，可促进沉积学由定性向定量化发展，同时也为沉积地质建模提供了更多的可比依据。

沉积学的研究和发展与沉积模拟研究息息相关，那么，将物理沉积模拟融入“沉积学”的实践教学之中，也必然会带来更好的教学效果。通过沉积学水槽实验，可以直接观察沉积物的搬运过程和搬运方式、沉积构造的形成过程、典型沉积相类型的形成过程和演变历史等。通过合理、完善的方案设计和实验准备，完全可以将部分成熟的水槽模拟实验作为“沉积学”课程的实验教学内容，这样既可以缓解野外沉积考察与理论教学脱钩的问题，将野外教学搬进室内，又可以进一步增强学生的主观认识，促进岩理学内容的掌握，提高学生分析和判断沉积现象的能力。

我国的水槽实验室主要集中于水利、水电和地理部门的有关院校和研究单位，主要从事泥沙运动规律、河床演变及大型水利水电枢纽等方面的实验研究工作。20世纪70年代末，长春地质学院建立了我国第一个用于沉积学研究的小型玻璃水槽，主要用于沉积底形的形成与发展的教学和研究工作。80年代，中国科学院地质研究所也用自己的小型水槽做了一部分研究工作。1998年湖盆沉积模拟实验室在江汉石油学院成立，是中国石油天然气集团公司四个重点基础地质实验室之一。该实验室是集科研与教学为一体的综合实验室。总体来说，物理沉积模拟是沉积学研究与发展的重要途径之一，也是其实践教学改革的必然趋势。

三、加强物理沉积模拟，完善“沉积学”实践教学体系

从我国目前的教学情况来看，物理沉积模拟并没有被系统作为“沉积学”的实践教学内容之一。其根本原因有两点，一是大部分高校不具备可用于教学的水槽实验室和实验模拟条件；二是缺少与之配套的参考材料和辅助教材。如果能解决这两个问题，将物理沉积模拟真正的用于实验教学之中，必将会进一步完善“沉积学”实践教学的教学体系。

1.加强实验室建设，保障物理模拟实验教学条件

我国目前的水槽实验室主要用于科学研究，专门用于教学的水槽实验室很少。江汉石油学院的湖盆沉积模拟实验室虽然能够集科研与教学为一体，但是由于该实验室规模较大，操作流程长，更适用于科研和教学参观。中国石油大学（华东）地球资源与信息学院的沉积学水槽实验室建立于2003年，水槽内壁长5m、宽2m、高1m，属中等规模。该实验室在湖相盆地有利砂体的形成过程与分布预测等方面取得了大量科研成果。由于实验室建设初衷也是主要服务于科研，后期才逐渐扩展到本科生毕业设计和研究生培养之中，因此并不能直接应用于“沉积学”的实验教学。为保障物理沉积模拟实验教学条件，仍需要做一定的改建。一个完善的沉积水槽教学实验室需具备以下几方面条件。

(1)水槽设计合理，实验设施齐全。基本的水槽实验室应包括主槽体、加砂槽和观察台三大组成部分。主槽体是实验室的主体部分，也是沉积物搬运和沉积的基本空间。主槽体的设计应尽可能多地考虑沉积条件的可变性，例如可以通过进水口和排水口的合理应用调节水槽内水体的深浅和可容空间的变化，可以在水槽内放置活动支架模拟不同的沉积地形等。加砂槽属于主槽体的外接部分，原始沉积物在加砂槽内充分混合后，再由加砂通道和主槽体的进水口相连。加砂槽的设计难点在于自动化操作的实施。观察台是进行实验观察和信息采集的场所。对一个教学实验室而言，观察台空间应足够大，最好能保证0.5～1个行政班级的学生同时进行观察。除此以外，水槽实验室还应配备图像采集器、粒度分析仪以及实验参数的相关测量设备，从而保障实验参数的定量化、实验流程的数据化和实验结果的信息化。

(2)操作流程简单，实验教学方便。水槽实验因为需要用大量的泥、砂、水等实验原材料，因此实验室最好处于一个相对独立的场所。在室内建水槽教学实验室，水槽规模也不宜过大，以中小型为最好。水槽规模大则存在安全隐患多，而且单组实验周期过长，实验员前期准备工作繁重，也不利于重点现象的观察。因此，应该有针对性的设计水槽尺度，简化操作流程。以层理的形成过程模拟实验为例，层理特征的观察主要通过剖面表征，因此可采用长度较大、宽度窄的小型玻璃水槽，实验过程中仅通过调整水动力强度，就能观察层理的形成过程和变化特征。这组实验耗费材料少、实验前期准备工作量小，实验有针对性且操作方便。而且层理形成过程的模拟实验在单组实验中具有可重复性，可以将学生分成多个小组分期观察，解决实验水槽规模小而导致观察点有限的问题。此外，简化操作流程还可以节省出多余的时间进行小组讨论和现象分析。

2.自编实验教材，完善“沉积学”实践教学体系

实验指导教材不但是师生上实验课程时的蓝本，也是学生预习自学和课后消化复习的重要依据[6]。我院“沉积学”课程有配套的实验辅助教材，其内容以沉积岩肉眼观察和镜下鉴定为主，其次为钻井岩心的观察描述、沉积岩分析技术和方法以及岩相古地理研究实践，其中并不包括物理沉积模拟的内容。从目前各高校沉积学教学情况看，还没有专门或包含物理沉积模拟的正式实验教材。长春地质学院的《沉积岩石学实习教材》中，涉及了部分与底形相关的水槽实验内容，但并不适用于我院水槽实验教学。因此必须根据我院沉积水槽实验室建设现状，认真编写与之配套的实验教材，明确实验目的和实验内容，分析实验重点难点，建立物理模拟实验教学体系，补充和完善沉积学辅助实验教材。

物理沉积模拟本身的操作过程繁琐，涉及原型分析、参数选择、方案设计、实验模拟、结果分析等多个环节，而真正用于教学的主要是实验模拟和结果分析这两个环节。因此，编写实验教材首先应系统介绍物理沉积模拟实验的基本原理、实验参数选择的主要依据以及模拟实验的基本流程，在此基础上，针对不同实验目的设计具体实验内容，明确实验重点和难点，并对可能出现的实验结果进行分析，并要求以实验分析报告的形式提交课堂作业。同时，可以针对实验结果多样化的特点，鼓励学生自己动脑设计实验方案，自己动手进行实验操作，激发学生创造性思维。

物理沉积模拟的实验教学主要侧重于实验过程的观察。对于一些典型的沉积现象，如碎屑物在流体中的搬运、浊流的形成过程、层理类型与水动力条件的关系、典型沉积砂体的展布等等，只要前期工作准备充分，完全可以让学生在一个实验课时单元内观察到。而对于沉积模拟周期较长的实验，如典型沉积相类型的形成过程、不同环境条件下的沉积相变规律等，可通过录像、照相等电子设备记录下来，经过剪切和编辑，选取关键沉积步骤和沉积变化过程在多媒体教室或实验室给学生进行分析讲解，将物理模拟实验融入理论教学之中，建立物理模拟实验教学和理论教学之间相对独立、相互依存、相互促进辩证统一的教学关系。

四、结束语

将物理沉积模拟作为“沉积学”实验教学内容之一，是“沉积学”实践教学改革的必然趋势。但是，物理沉积模拟实验教学在实践教学体系中的全面推广仍面临很多问题，例如实验条件的限制、实验结果与野外沉积现象存在一定差别、实验过程具有多变性等等。应当指出，物理沉积模拟实验教学的完善是一个长期的、复杂的系统工程，只有在实验教学的实践中不断摸索、总结经验，才能将“沉积学”实践教学改革进行到底。

[1]杨吉.对地质学（理科）专业实验教学的思考[J].中国地质教育，2003，(1)：28-31.

[2]陈步云.深化实验教学改革培养创新人才[J]. 中国大学教学，2007，(10)：75-76.

[3]周鼎武，赖绍聪，张成立，等.地质学实践教学新体系[J].中国地质教育，2006，(4)：47-53.

[4]王冠民，陈世悦，吴智平，等.有关野外地质教学实习的经验点滴[J].中国地质教育，2008，(3)：34-36.

[5]张春生，刘忠保.现代河湖沉积与模拟实验［M］.北京：地质出版社，1997：13.

[6]魏玲，邵林，陈锋.专业实验指导教材建设的思考[J].华商，2008，(20)：113.

Physical Sedimentary Simulation in the Reform of Sedimentology Practical Teaching

YAN Ji-hua, CHEN Shi-yue, YUAN Jing
China University of Petroleum, Dongying 257061, China

Practical teaching is an important teaching program of sedimentology course. Traditional practical teaching of sedimentology includes experiment teaching giving priority to petrographic category identification and field depositional investigation giving priority to phenomenon observation. In this article, the present situation of sedimentology practical teaching is analyzed. It is proposed that physical sedimentary simulation should be regarded as one part of sedimentology practical education, which can cultivate the creative consciousness of students and perfect the reform of sedimentology practical teaching. Also, according to the laboratory condition of the academy, it is discussed on how to strengthen the construction of flume laboratory and establish perfect teaching system of physical simulation experiment

sedimentology; physical sedimentary simulation; practical teaching; fl ume experiment

G642

A

1006-9372 （2010）02-0036-04

2010-03-25。

山东省研究生教育创新计划项目（SDYY0901）。

鄢继华，男，讲师，主要从事地质学的教学和研究工作。