构造物理模拟实验教学在资源勘查工程本科教育中的应用及意义

金文正，丁文龙，樊 春

1．中国地质大学（北京）　能源学院，北京　100083；2．海相储层演化与油气富集机理教育部重点实验室，北京　100083

构造物理模拟实验教学在资源勘查工程本科教育中的应用及意义

金文正1，2，丁文龙1，2，樊 春1，2

1．中国地质大学（北京）能源学院，北京100083；2．海相储层演化与油气富集机理教育部重点实验室，北京100083

摘 要：本文简述了构造物理模拟实验的基本原理及国内外发展现状和实际应用情况，认为与地质构造变形特征及其演化的相关课程是资源勘查工程专业重要的基础课程，而构造物理模拟实验是讲授专业理论的有效展示工具，同时也是培养学生掌握构造变形特征及演化的一种有效工具。建议将构造物理模拟实验适当增加到教学环节中，这样能够将课堂上的理论知识进行动态展示，有助于学生消化和吸收，也会有助于增强学生的动手实践能力，对学生的综合能力培养具有较大的推动作用。

关键词：构造物理模拟实验；资源勘查工程；综合能力；课程

地质构造变形特征及演化与矿产资源（包括固体矿产资源及石油天然气资源等）的富集具有密不可分的联系，多年来一直是资源勘查工程专业学生学习的主要内容。在以往该专业的本科教学中，多数以课堂教学为主，辅以课后综合大作业以及野外地质实习。虽然这样的教学方案能够让学生在一定程度上认识和了解各种构造变形特征和构造演化模式，但是不能将各知识点以动态的和形象化的方式对学生进行讲述，造成学生对不同构造变形的理解多限于表面分析，即几何学分析，而较难对构造变形的运动学及动力学进行深入理解。笔者根据资源勘查工程本科专业的教学实际，认为将目前已经发展较为成熟的构造物理模拟实验适当加入构造变形特征及演化相关教学，对学生的知识掌握水平具有较大的推动作用。

一、构造物理模拟实验及其发展现状

1．基本概念

由于构造变形过程一般都要经历漫长的时间过程，现今只能看到岩石变形的最终结果，并不能真正观察到整个变形过程，因而很多学生对涉及到构造变形的许多重要问题都无法理解。于是，采用实验模型来模拟构造变形，以便能够对自然界中所观察不到的构造变形过程开展分析和研究。所以，构造模拟实验是在实验室内通过物理装置模拟自然界中各种地质构造现象变形特征、成因机制和动力学过程的一种实验方法。构造物理模拟是目前研究构造变形过程与成因机制最为有效的手段，能够有效地帮助地质学家认识构造变形过程并研究构造形成机制。构造物理模拟实验涉及到构造地质学、岩石力学、石油地质学、材料力学、弹性力学、塑性力学、流变学等多门学科，是一门综合性边缘学科[1-2]。

2．构造物理模拟实验发展现状

在石油地质研究中，构造物理模拟实验作为一种独特的实验方法，可以在实验室条件下再现含油气构造体系的形成和演化过程[3-4]，追踪它们形成的动力学成因机制。此外，在工程地质学中，通过物理模拟实验研究，可以真实地再现其构造形变过程和特征，通过研究基岩的岩石类型、构造格架、断裂与地震活动性，从而确定地基稳定与否。另外，构造物理模拟实验还可以在地震预报、成层矿产的预测及勘探、脉状矿体的预测及勘探等方面进行辅助性研究[1,5]。

多年来，由于含油气盆地构造研究方面增加了大量勘探资料等辅助和验证，构造物理模拟实验在伸展构造、挤压构造、走滑构造、反转构造、盐构造等研究领域获得了广泛应用，不断有新的研究成果问世[6-13]。

我国的构造物理模拟研究和相关教学工作也取得了较大发展，可以模拟多种应力背景下的构造变形特征和构造演化（图1）。中国科学院地质与地球物理研究所、国家地震局地质研究所、中国石油大学、中国地质大学（北京）以及其他一些地质院校和石油公司都在该领域开展了积极探索并取得了显著的研究成果。同时，其中部分单位也将构造物理模拟实验用于相关的教学中，比如中国石油大学（北京）、中国地质大学（北京）。

图1　中国地质大学（北京）多功能地质构造模拟装置

二、构造物理模拟实验在资源勘查工程本科专业教学中的应用

1．构造物理模拟实验是讲授专业理论的有效展示工具

（1）资源勘查工程本科专业培养目的及方案。

资源勘查工程专业涉及知识面广、实践性强，与生产实际结合紧密，要求学生在学习数学、物理、化学、外语、计算机等基础课程的基础上，主要学习基础地质、应用地质和现代资源勘查技术等方面的基本理论和基础知识，能够接受资源地质调查和找矿勘查室内外工作等方面的基本训练，具有综合分析研究区域地质与矿产地质特征、矿产分布规律及工业价值，进行资源评价与矿产资源管理等方面的基本能力，其中，培养学生对构造变形及其演化的时空概念对于资源勘查工程专业来说十分重要。

通过对国内相关高校本专业课程调研，不难发现目前该专业需要学习的主要专业课程有矿物岩石学、古生物地层学、构造地质学等，此外还有实践性学习。其中与地质构造变形与演化相关的课程主要有石油构造分析、构造地质学、石油地质学、含油气盆地分析、中国大地构造学纲要、地震地质综合解释等，在各个高校的课程设置中均占有重要地位。

2．构造物理模拟实验是培养学生构造变形及演化的一种有效工具

笔者通过实际教学发现，面向资源勘查工程（能源）专业的“石油构造分析”课程和面向石油工程专业的“油藏构造分析”课程，如果让学生更为清楚、直观地理解和掌握构造变形及其演化，仅仅根据课堂教学并不能满足要求，这就要求在适当章节中，加入构造物理模拟实验教学环节。该实验教学环节可以根据教学大纲、课时数量、学生数量、场地情况等设置为不同的教学方式，比如教师演示实验、学生分组实验、主题性实验、自创性实验、改进型实验等，实践证明，这样的教学方式对于学生对不同构造变形样式的理解和掌握具有很好的推动作用。

比如在讲授“伸展构造变形”章节中，不仅需要介绍伸展构造样式的基本概念和类型，更要分析不同伸展构造的特征以及形成条件、成因机制、演化序列，并且需要剖析各构造类型在油气成藏过程中的影响，如果在课堂的理论知识讲授之后，加以实际构造变形的物理模拟（图2-a），则会让学生更加清楚地了解伸展构造变形样式及其演化特征。同样，在其他构造变形分析的章节中，同样可以通过物理模拟对理论教学进行较好的补充，比如走滑构构造的物理模拟中，可以让学生清楚地观察到在构造应力作用下，地质体的整体变形过程（图2-b），并可以通过实测分析在变形的不同阶段，地质体中断裂（或者裂缝）的形成和分布特征。

图2　构造物理模拟实验结果——构造变形样式

此外，塑性地层的流变特征会使其上下地层的构造变形具有一定的差异性，并加大了地震剖面解释工作和构造变形分析的难度，如果在课堂理论教学的基础上，配以实验模拟，则会让学生更好地理解和掌握此部分内容（图3）。

图3　塑性地层在构造变形过程中对上下地层构造变形的影响

3．构造物理模拟实验在教学实践中的应用

（1）实验课程设置。以我院资源勘查工程本科生专业必修课“石油构造分析”为例，在此课程的学习中，学生对构造变形及其演化的理解还多限于老师上课的讲解和多媒体的展示。教学大纲要求在详细介绍含油气盆地内构造样式的概念和分类基础上，重点讲授伸展、压缩、走滑、反转、底辟、潜山披覆等构造样式的基本特征、成因及分布规律，分析不同构造样式伴生的油气圈闭类型、与油气聚集的关系则为课程教学的基本内容。在不同构造变形样式和演化的章节中分别加入实验教学环节（表1），则会明显提高教学效果。

（2）实验教学方式。在实验教学中，应该根据班级人数来确定上课方式，其中主要包括班级分组、各组实验模型及数量以及是否需要占用课余时间等多方面。笔者根据实际教学经验，认为每组5个人比较合适，这样的人数能够使得每个组员都具有不同的分工，具有较好的学习效果。如果每次实验课针对一种构造变形样式开展，大约120分钟（2学时）内完成主要实验模型的建立和构造变形实验，所以如果一个班级有30名同学，除了第一组同学可以占用正常上课时间外，其他组的同学需要在课余时间完成物理模拟实验环节的学习。

表1　“石油构造分析”课程实验教学设置情况

（3）学生考核方式。对学生的有效考核是教学过程中重要的环节之一。根据此物理模拟实验特征，可以以组为单位，让学生完成综合实验报告，其中配以实验过程中主要图片和文字说明。根据学生在平时实验过程中的表现和实验结果，综合评定成绩，作为该课程结业成绩的一部分。

三、结束语

资源勘查工程专业的教学中，关于地质构造变形特征及其演化的内容是重要的内容之一，目前各相关高校已经基本上形成了较为系统和完善的课程理论体系和相应的教学大纲，但是目前该方面教学总体上以课堂教学为主，而构造物理模拟实验的教学环节能够有效对课堂上讲述的理论进行有效的动态展示，能够使得相关地质构造理论更加有效地被学生消化和吸收，是对理论知识的一种有益补充和完善，同时有助于学生形成发散思维和空间思维，有利于对其他相关课程的学习。此外，在教学中适当辅以构造物理模拟实验环节，有助于增强学生的动手实践能力，对学生的综合能力培养具有较大的推动作用。

参考文献：

[1] 时秀朋，李理，龚道好.构造物理模拟实验方法的发展与应用[J].地球物理学进展，2007，22(6)：1278-1285.

[2] 丁文龙，何登发，张金川，等.构造物理模拟实验技术与实验室建设[J].实验技术与管理，2010，27(8)： 177-180.

[3] 单家增.对称褶皱形成的三维构造物理模拟实验[J].石油勘探与开发， 2004， 31(5)： 8-10.

[4] Yu Yixin, Tang Liangjie, Yang Wenjing, et al. Thick-skinned contractional salt structures in the Kuqa Depression, the northern Tarim Basin: constraints from physical experiments[J]. ACTA GEOLOGICA SINICA, 2008, 82(2):327-333.

[5] 丁文龙，何登发，张金川，等.石油构造物理模拟实验室建设的探讨[J].实验室科学，2010，13(2)：127-129.

[6] Chemenda A, Deverchere J, Calais E. Three-dimensional laboratory modelling of rifting: application to the Baikalrift, Russia [J]. Tectonophysics, 2002, 356(4): 253-273.

[7] Colletta B, Letouzey J, Pinedo R, et al. Computerized X-ray tomography analysis of sand- box experiments: examples of thin skinned thrust systems[J]. Geology, 1991, (19): 1063-1067.

[8] Dooley T P, Jackson M P A, Hudec M R. Inflation and deflation of deeply buried salt stocks during lateral shortening [J]. Journal of Structural Geology, 2009, 31(6): 582-600.

[9] Koyi H. Analogue modelling: from a qualitative to a quantitative technique————a historical outline [J]. Journal of Petroleum Geology, 1997, 20(2): 223-238.

[10] McClay K R, Whitehouse P S. Analog modeling of doubly vergent thrust wedges [C] //McClay K R eds. Thrust tectonics and hydrocarbon systems. AAPG Memoir, 2004, (82): 184-206.

[11] Hubbert M K. Theory of scale models as applied to the study of geologic structures [J]. GSA Bulletin, 1937, 48(10): 1459-1519.

[12] 冯阵东，戴俊生，张继标，等.伸展构造物理模拟中存在的问题及解决办法[J].中国石油大学学报(自然科学版)，2011，35(3)：7-12

[13] 周建勋，漆家福，童亨茂.盆地构造研究中的砂箱模拟实验方法[M].北京：地震出版社，1999，1-11.

中图分类号：G642

文献标识码：A

文章编号：1006-9372 （2013）04-0016-04

收稿日期：2013-03-28；修回日期：2013-07-09。

基金项目：国家自然科学基金项目（41002072）；中央高校基本科研业务费专项资金（2652010095，2652011127，2652011306）；地质过程与矿产资源国家重点实验室开放课题基金项目（GPMR2011）。

作者简介：金文正，男，讲师，主要从事石油地质和含油气盆地分析专业方向的教学和科研工作。

Structural Physical Simulation and Its Signif i cance on Undergraduate Education in the Major of Resource Exploration Engineering

JIN Wen-zheng1,2, DING Wen-long1,2, FAN Chun1,2
1.China University of Geosciences, Beijing 100083, China; 2.Key Laboratory of Marine Reservoir Evolution and Hydrocarbon Accumulation Mechanism, Ministry of Education, Beijing 100083, China

Abstract：A brief description of basic principles about structural physical simulation and its development status and actual application condition was presented. It is concluded that some curriculums about structural deformation and its geological evolution are basic courses. And structural physical simulation experiment is an effective tool for teaching professional theories, a perfect method for training students to master the tectonic deformation and its evolution as well. It is advised that the structural physical simulation should be added to relevant knowledge teaching, which will make the theoretical knowledge displayed vividly and understood by students easily. Meanwhile it can enhance the experiment ability and plays a promoting role for cultivating the student’s comprehensive abilities.

Key words：structural physical simulation; resource exploration engineering; comprehensive ability; curriculum