一种基于洋壳速度结构的深海热液区深部构造应力场模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种基于洋壳速度结构的深海热液区深部构造应力场模拟方法，包括如下步骤：首先选择应力分析区域，并建立分析区的几何模型；其次基于研究区洋壳声波速度结构计算弹性力学参数，建立地质力学模型，并对建立的地质力学模型进行有限元数值模拟，得到研究区深部应力场；然后利用洋壳声波速度结构计算一维速度模型，重复步骤3和步骤4，计算自重应力场；最后将步骤4的应力场减去步骤6中的自重应力场，得到研究区的深部构造应力场。本发明专利技术方法将海底热液区深部构造应力场的分布特征和地质过程相结合，相对于其他的方法，该方法能快速建立完整、较高分辨率的研究区深部应力场分布特征，从而揭示该研究区相关地质过程发生的机理。的机理。的机理。

【技术实现步骤摘要】
一种基于洋壳速度结构的深海热液区深部构造应力场模拟方法


[0001]本专利技术涉及深海热液区应力场模拟领域，尤其涉及一种基于洋壳速度结构的深海热液区深部构造应力场模拟方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着陆地矿产资源的消耗和深海调查技术的发展，海底矿产资源的勘探开发逐渐成为了各国竞相研究开发的目标，海底多金属硫化物由于其具有较浅的赋存水深并富含大量重金属元素，是一项具有潜在商业开采价值的矿产资源，有望成为深海开采的首个对象，承载着海洋资源的明天。2012年我国与国际海底管理局正式签署了西南印度洋多金属硫化物勘探区的勘探合同，为能使我国在将来国际海底资源矿产开发利用中争取主动权，同时完成合同区的区域放弃工作，对资源矿区开展矿体的空间分布、规模及赋存状况等相关资源评价的研究工作迫在眉睫。
[0003]深海的热液循环过程是海底硫化物资源能够在深海表面堆积的重要因素，地质和地球物理的相关研究表明，以拆离断层主导的深海热液循环是全球热液循环中重要的一类，拆离断层的高渗透率特征在深海热液循环的过程中扮演了流体运移通道的作用。微震检测的结果表明：拆离断层的两侧是地震活动、岩石破裂等地质运动最为频繁的地区，岩石破裂或者滑动的过程反过来也提高了地壳的渗透率，进一步为热液循环提供了上涌的通道。因此，理解岩石破裂、地震作用的机制有助于进一步地理解深海热液循环过程，揭示海底硫化物矿产的成矿机理。
[0004]目前对于深海热液区深部应力场的研究非常有限，且绝大部分研究集中于地震震源机制解的反演。当前的地震震源机制解只能求出地壳中某一个或者几个点的应力状态，且布置一次微震检测的成本巨大、反演结果极其依赖于站台布置方位和反演技术，是一种耗时且耗资源的方法。相比之下，数值模拟的方法能够得到整个研究区的应力状态且几乎不消耗人力和物力资源，是一种快速、经济、有效的方式，对于理解深海热液区的硫化物资源成矿机制、岩石破裂和地震发生等过程有重要的价值。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供洋壳速度结构的深海热液区深部应力场模拟方法，利用洋壳P波速度结构、海底地形数据进行应力数值模拟，根据深部构造应力场的分布特征，结合地质力学的分析方法揭示深海热液区洋壳中相关地质过程发生机理的方法。以期对理解深海热液区的动力学地质过程做出新的探索，解决现有技术中的上述不足。在现有技术条件下，它具有快速、经济、有效的优势。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于洋壳速度结构的深海热液区深部构造应力场模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0007]步骤1：选择应力分析区域；并根据选定的区域及海底地形数据建立分析区的几何
模型；
[0008]步骤2：基于应力分析区域的洋壳声波速度结构计算弹性力学参数，包括泊松比、密度和杨氏模量，建立地质力学模型；
[0009]步骤3：对建立的地质力学模型设置边界条件、加载载荷、模型网格化，并进行有限元数值模拟。边界条件的设置需结合应力分析区域具体的地质构造条件设置；为适应海底地形起伏变化的特征，模型的网格化过程采用自由网格划分策略；模型内部施加的载荷为重力载荷，加载在每一个网格点上，得到模拟的自重应力场。
[0010]步骤4：应力分析区域的洋壳声波速度结构为一个二维速度模型，为每一个深度的速度值等于二维模型在该深度速度的平均值，建立一维速度模型；重复步骤2
‑
3的过程，模拟得到应力分析区域的自重应力场；
[0011]步骤5：步骤3模拟得到的自重应力场减去步骤4模拟得到的自重应力场，得到应力分析区域的深部构造应力场，并分析应力分析区域的应力状态。
[0012]进一步地，步骤2中，所述洋壳声波速度结构通过采用海底地震仪获取的地震波反演计算得到。
[0013]进一步地，步骤2所示的利用洋壳声波速度结构计算弹性参数的具体的计算公式为：
[0014][0015][0016][0017][0018]μ＝V
s2
ρ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0019]E＝μ(3λ+2μ)/(λ+μ)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0020]上式(1)
‑
(6)中，V
P
和V
s
分别表示纵波和剪切波在地层介质中的传播速度，单位为m/s；σ为岩石的泊松比，横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值；ρ表示岩石的密度，单位为g/cm3；λ为拉梅常数，μ为剪切模量，E为杨氏模量，单位为N/m2；结合公式(1)
‑
(6)，岩石的密度、杨氏模量和泊松比都可以根据纵波速度V
P
计算得出。
[0021]进一步地，步骤3中所述的边界条件的设置方法为：南、北两边界边各施加8mm/y和7mm/y的扩张速率，上边界根据海底深度施加静水压力，计算公式由公式(7)表示，下边界固定。
[0022]F
s
＝ρgh
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0023]上式中F
s
表示静水压力，单位为Pa，ρ表示海水密度，单位为kg/m3。
[0024]进一步地，步骤3中，重力载荷值的计算根据IEC标准的全球重力加速度计算公式得出，其计算公式为:
[0025][0026]式中，为纬度值，单位为度，北纬为正，Z为海拔高度，单位为米，水平面以上为正，g表示重力加速度。
[0027]进一步地，步骤4中所述的应力分析区域一维速度模型提取的具体方式为：选定研
究的二维速度模型，给定某一个深度d，提取该深度的所有的速度值，计算平均值，作为一维模型在该深度的速度值。依次求取每一个深度的速度平均值，就得到该二维速度模型对应的一维速度模型。
[0028]进一步地，步骤5中应力状态分析方法具体为：根据模拟结果提取第一主应力场，固体力学认为第一主应力的正值代表张力，负值代表拉力，可以将应力的模拟结果与应力分析区域的地质现象结合，分析应力分析区域的地球动力过程机理，揭示洋壳中岩地震发生、流体运移过程，具体方式如下：
[0029](1)根据建立的模型、边界条件模拟应力场的分布特征；
[0030](2)提取第一主应力σ1分布图；
[0031](3)张应力(σ1＞0)对应着岩石张性破裂，诱发地震，并引起地震波P波的低速异常并为流体运移提供通道；
[0032](4)压应力(σ1＜0)对应着岩石压实作用，引起地震波P波的高速异常。本专利技术的有益效果：本专利技术方法将海底热液区深部构造应力场的分布特征和地质过程相结合，提出了一种基于洋壳速度结构的海底热液区深部应力场有限元模拟方法，相对于其他的方法，该方法能快速建立完整、较高分辨率的研本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于洋壳速度结构的深海热液区深部构造应力场模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：选择应力分析区域；并根据选定的区域及海底地形数据建立分析区的几何模型；步骤2：基于应力分析区域的洋壳声波速度结构计算弹性力学参数，包括泊松比、密度和杨氏模量，建立地质力学模型；步骤3：对建立的地质力学模型设置边界条件、加载载荷、模型网格化，并进行有限元数值模拟。边界条件的设置需结合应力分析区域具体的地质构造条件设置；为适应海底地形起伏变化的特征，模型的网格化过程采用自由网格划分策略；模型内部施加的载荷为重力载荷，加载在每一个网格点上，得到模拟的自重应力场。步骤4：应力分析区域的洋壳声波速度结构为一个二维速度模型，为每一个深度的速度值等于二维模型在该深度速度的平均值，建立一维速度模型；重复步骤2
‑
3的过程，模拟得到应力分析区域的自重应力场；步骤5：步骤3模拟得到的自重应力场减去步骤4模拟得到的自重应力场，得到应力分析区域的深部构造应力场，并分析应力分析区域的应力状态。2.根据权利要求1所述的深海热液区深部构造应力场模拟方法，其特征在于：步骤2中，所述洋壳声波速度结构通过采用海底地震仪获取的地震波反演计算得到。3.根据权利要求1所述的深海热液区深部构造应力场模拟方法，其特征在于：步骤2所示的利用洋壳声波速度结构计算弹性参数的具体的计算公式为：示的利用洋壳声波速度结构计算弹性参数的具体的计算公式为：示的利用洋壳声波速度结构计算弹性参数的具体的计算公式为：示的利用洋壳声波速度结构计算弹性参数的具体的计算公式为：μ＝V
s2
ρ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)E＝μ(3λ+2μ)/(λ+μ)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)上式(1)
‑
(6)中，V
P
和V
s
分别表示纵波和剪切波在地层介质中的传播速度，单位为m/s；σ为岩石的泊松比，横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值；ρ表示岩石的密度，...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶春辉，陈明，柳云龙，王汉闯，吴涛，廖时理，李怀明，邓显明，金肖兵，
申请(专利权)人：自然资源部第二海洋研究所，
类型：发明
国别省市：