基于粒子圖像測速技術（PIV）的砂箱物理模擬實驗研究

趙高平++黃瑞++姜磊++張健++丁海峰

摘要：地殼淺表變形受控于多種邊界條件因素的影響，因而具有長期構造演化過程和復雜的構造特征。構造物理模擬是研究自然界地質變形過程的一種重要的可視化方法，特別是伴隨著計算機技術的飛速發展，粒子圖像測速技術（PIV）在地質模擬實驗中越來越發揮著重要作用。該文以砂箱物理模擬實驗為基礎，詳細分析了粒子圖像測速技術（PIV）應用的方法、過程和技巧，模擬結果對于解譯砂箱物質變形過程和機制具有重要意義。

關鍵詞：粒子圖像測速（PIV） 砂箱物理模擬 變形機制 速度場

中圖分類號：P542 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）07（b）-0000-00

粒子圖像測速技術（PIV）是20世紀80年代隨著計算機技術、圖像處理技術等發展起來的一種流動測量與顯示技術，它的基本原理是：通過在流場中布撒大量的示蹤粒子，把激光束經過組合透鏡擴束成片光照明流場，使用數字相機拍攝流場照片，得到的前后兩幀粒子圖像，對粒子圖像進行互相關計算得到流場一個切面內定量的速度分布[1]。其特點在于它擺脫了以往單點測試的局限，能夠在不干擾測試對象的基礎上實現全過程的動態測量，并得到瞬時速度場的矢量值。

砂箱構造物理模擬實驗可以直觀地再現前陸褶皺沖斷帶的發生發展、繼承與改造，因而被國內外眾多地質學者采用。根據研究對象的不同和研究思路的差異，砂箱模擬實驗可分為兩類：機制模型實驗和比例模型實驗。前者是指針對抽象地質模型的實驗模擬，即采用正演的方式，研究分析構造變形要素對變形機制的控制和影響[2]；后者是指針對實際地質體的實驗模擬，即采用反演的方式，通過研究某一區域的地質背景，并結合概念模型實驗的結果，提出一個或多個地質模型，反復實驗直到與目標地質體相似，以確定其成因機制和邊界條件[3]。該文以機制模型的砂箱物理模擬實驗為基礎，詳細分析了粒子圖像測速技術（PIV）應用的方法、過程和技巧，模擬結果對于解譯砂箱物質變形過程和機制具有重要意義。

1實驗設計

1.1摩爾-庫倫破裂準則

砂箱物理模擬實驗表明，造山帶的演化遵循簡單的臨界楔理論，即砂箱楔形體在擠壓作用下逐漸積累，并在一定條件下將達到臨界狀態。臨界楔理論具有一定的假設前提：（1）較低或可忽略的內聚力強度和符合Coulomb破裂準則；（2）均值且各向同性的砂體特性；（3）均值摩擦底界特性；（4）砂箱物質和溫度等屬性不隨時間變化。一般而言，楔形體遵循如下公式：

式中，μb 為基底摩擦系數；?為砂箱物質內摩擦角。

1.2 實驗模型

實驗所采用的平臺為南京大學設計研發的構造物理模擬實驗平臺，該平臺可以模擬擠壓、拉張、走滑等各類構造運動。實驗材料采用干燥純白石英砂，該石英砂粒徑為0.2～0.4mm，內摩擦角為29°～31°，內摩擦系數約為0.55，經大量實驗驗證是模擬地殼淺層脆性變形的理想材料[3]。物理模擬實驗的相似性主要是幾何學、運動學、動力學三方面的相似。此次實驗共相似初始邊界條件，石英砂從下到上厚度分別為15mm、10mm、10mm，中間以純紅、藍干燥石英砂作為標志層，表面以純干燥綠色石英砂做標志層。實驗采取左端電缸不動，通過啟動右端電缸作水平單側向活動，對砂箱水平砂層施加擠壓變形，擠壓速度為V=0.005mm/s。每次擠壓縮的位移量D=500mm。擠壓過程中每擠壓1mm進行相機的拍照記錄，粒子圖像測速系統（PIV）對砂箱楔形體的整個變形過程做全程監測。

2實驗處理

2.1 演化特征研究

實驗結束得到照片記錄300張，根據其演化過程和最終構造樣式，選取關鍵點作為處理對象。砂箱擠壓初始階段，砂箱剖面上表現為一個平頂背斜的發育。隨后砂箱剖面產生連續的三條前展式逆沖斷層，斷層間距較小且產狀一致。伴隨著擠壓作用的進行楔形體很快達到臨界擠壓狀態。第二階段，擠壓作用繼續進行，砂箱剖面發育第四條逆沖斷層，且由于砂體后緣的積累導致前緣擴展區發生剪破裂，因而與先存斷層的間距明顯增大，并在隨后的變形過程中，該條逆沖斷層表現為典型的無序沖斷作用，即斷層并非一直逆沖達到臨界狀態，而是與第三條逆沖斷層交替發育，共同調節著砂箱楔形體的穩態。第三階段至擠壓終點，砂體前緣發育第五條逆沖斷層，且在其發育過程中，先存斷層四繼續活動，表現出主控主控斷層特征。而該逆沖斷層的反沖斷層同樣錯切先存斷層，導致第二個沖起構造更大的抬升。最終砂箱剖面共發育5條逆沖斷層，砂箱楔形體表現為“窄而厚”的幾何特征。

2.2 粒子圖像處理

選取對應關鍵點的粒子圖像記錄是深入分析砂箱楔形體演化過程的前提條件。對于圖像測速系統（PIV）儲存的記錄，進行速度矢量圖的批量處理，速度場突變界限與形變節點具有高度一致性，因此特別要注意那些發生形變時對應的圖像[4]。打開系統自帶的MicroVec3軟件后，首先打開標尺照片，畫定標尺和即將處理的對象區域，然后輸入標尺（單位為毫米）后點擊圖像放大率進行像素設定。設定完成后便可開始PIV圖像的計算：打開圖像序列，導入關鍵點附近的PIV照片（一次可導入32張），并進行二次迭代。由于綜合了互相關計算以及圖像偏置技術二者特點，迭代算法結果比沒有迭代的計算結果更為精確，一般經過二次迭代即判斷區像素變化為32→16。迭代完成之后，通過窗口2選擇計算幀數（可以逐個計算也可以間隔計算），得到PIV預處理圖像。點擊保存為數字格式（.dat）文件。

PIV預處理的圖像可經過Tecplot二次處理：打開Tecplot軟件，選擇描繪工具后成圖，在這里可設置速度場的向量大小及密度。需要注意的是，向量的調整盡量保持橫向與縱向的一致性，以保證圖像的清晰和美觀，但不可忽略關鍵變形點的向量[5]。同樣可在數字工具欄下設定標尺的單位，單位一般以毫米計。標尺的長度及大小可在顏色工具欄下進行設定，以達到每幅圖片標尺的一致性。點擊三維圖像設定可完成圖像由二位向三維的轉換。

對比得到的PIV粒子圖像與砂箱演化照片記錄可知：在第一階段由于后側擋板的約束作用，砂箱物質迅速擠壓并逆沖，粒子速度場保持一致的動態特征，直到砂箱楔形體達到初始臨界狀態。第二階段，由于逆沖作用在砂體前緣產生第四條逆沖斷層，而此時前三條逆沖斷層速度場并未發生較大變化，表明應力-應變集中在砂體破裂前緣。第三階段開始至擠壓作用結束，粒子速度場發生較雜亂的變化，與第四條逆沖斷層的無序沖斷作用高度吻合。

3結語

該文通過采用均一介質條件下的砂箱物理模擬實驗模型，詳細介紹了粒子圖像測速技術（PIV）在砂箱模擬實驗中的應用和技巧，解譯了PIV技術與砂箱物質變形過程和構造樣式的相關性。實驗表明：砂箱速度場突變界限與斷層發育具有高度一致性，速度矢量與砂箱介質運動學共同揭示了砂箱楔形體動態變性特征。

參考文獻

[1] 沈禮，賈東，尹宏偉，等.基于粒子成像測速（ PIV ） 技術的褶皺沖斷構造物理模擬[J].地質論評， 2012，58（3）：471-480.

[2] 周建勛，魏春光，朱戰軍.基底收縮對擠壓構造變形特征影響-來自砂箱實驗的啟示[J].地學前緣地學前緣，2002，9（4）：377-382.

[3] 單家增.構造模擬實驗在石油地質學中的應用[M].北京：石油工業出版社，1996： 1-22.

[4] 董周賓，顏丹平，張自力，等..基于粒子圖像測速系統（ PIV） 的砂箱模擬實驗方法研究與實例分析[J].現代地質，2014，28（2）：321-330.

[5]王昊利，王元.粒子圖像測速技術（PIV）的新進展[J].力學進展，2005，35（1）：77-90.