本发明属于构造物理模拟实验技术领域，具体地说，是涉及一种山前复杂挤压构造物理模拟实验方法。
背景技术：
山前复杂挤压构造物理模拟实验是目前研究再现山前复杂挤压地质构造变形过程，定量分析挤压变形结果和地质构造成因机制最为广泛和成熟的方法之一，对于地壳表层挤压构造体系的重演具有独特优势。但其也存在一些缺点,受控于多种因素的影响,这些因素包括实验前期模型的设计、变形物质特性和动力学机制等,具体表现为：(1)实验材料的选取；(2)各种实验参数及条件的设置；(3)最优实验方案的确定。
前两类问题通过野外地质详查及地震剖面解译，并对特定山前复杂挤压的几何学特点，运动学特点，动力学特点进行大量的研究，可以在得到最优实验方案之前得到解决。但最后一类问题一直处于试探性、繁琐性、逼近性的实验阶段，存在盲目随机性，没有进行有效的最优方案选取分析。
为此，本发明提出一种山前复杂挤压构造物理模拟实验方法，将正交实验设计方法应用到山前复杂挤压构造物理模拟实验最佳方案确定中，能够快速而准确的确定最优参数及水平组合，可以很好的解决以上存在的技术问题。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种山前复杂挤压构造物理模拟实验方法，以解决当前山前复杂挤压构造物理模拟实验确定最优实验方案存在的繁琐性、盲目随即性的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种山前复杂挤压构造物理模拟实验方法，所述方法为：
获取山前复杂挤压真实地质现象；
选择影响山前复杂挤压构造物理模拟实验结果的条件参数作为试验因子，并确定各试验因子对应的试验水平；
根据试验因子和试验水平进行正交试验；
对正交试验结果与山前复杂挤压真实地质现象对比，进行赋值评价，生成试验结果分析表；
对试验结果分析表进行极差和方差分析，分析各个试验因子对试验水平的影响大小，确定试验的因子主次；
根据试验结果分析表计算每个水平对应评分指标均值的最大值f，确定各个因子的最优水平。
如上所述的山前复杂挤压构造物理模拟实验方法，影响山前复杂挤压构造发育的试验因子包括：砂：泥：水(a)、模拟地层厚度(b)、挤压速率(c)、挤压距离(d)、模拟断裂带宽度(e)。
如上所述的山前复杂挤压构造物理模拟实验方法，试验因子：砂：泥：水(a)、模拟地层厚度(b)、挤压速率(c)、挤压距离(d)、模拟断裂带宽度(e)各有四个试验水平。
如上所述的山前复杂挤压构造物理模拟实验方法，进行赋值评价时，正交试验结果与山前复杂挤压真实地质现象相似性越高赋值越大。
如上所述的山前复杂挤压构造物理模拟实验方法，通过因子各水平主效应的差值即极差(r)的值判断各个试验因子对试验结果的影响大小；分别求出ra、rb、rc、rd、re并按照数值大小正序排列，r越大，试验因子主次排名越高，试验因子的水平变化对实验结果的影响越大，其次考虑次大的，依次类推：
式中，i为试验因子序列号；n表示试验水平重复数；yin表示第i个试验因子在相应水平下的试验评分指标；
如上所述的山前复杂挤压构造物理模拟实验方法，通过方差分析弥补极差分析时产生的误差及各水平间的显著性对试验结果的影响，判断各个试验因子对试验结果的显著性；计算所有试验结果之和t及偏差平方和sj2进行显著性检验，计算公式如下：
其中，k为水平数；r为对应水平条件下的试验数；tjri为第j列所有相应水平所对应数据之和。
如上所述的山前复杂挤压构造物理模拟实验方法，
式中，i为试验因子序列号；n表示试验水平重复数；yin表示第i个试验因子在相应水平下的试验评分指标；
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明山前复杂挤压构造物理模拟实验方法，根据具体的山前复杂挤压构造问题进行分析,设计了多因子多水平的试验，通过选用合适的正交表,对各个因子的不同水平进行试验分析,最终得到各个因子的最优水平组合,即山前复杂挤压构造物理模拟实验最佳实验方案。本发明通过试验指标的确定、选因素和定水平、选择和设计正交表、实施试验以及试验结果分析等,有效避免了山前复杂挤压构造物理模拟实验在探寻最优实验方案的盲目性。将正交设计方法与山前复杂挤压构造物理模拟实验相结合大大降低了实验次数，不仅可以节约时间，而且可以节约实验成本，提高了工作效率。正交设计方法“均匀分散，整齐可比”的特性保证了多因子同时优化，多指标同时评判的一致性，考虑了交互作用的影响，兼顾了经济需求和技术需求，使实验结果更加准确、可靠，在构造物理模拟实验探寻最优实验方案领域具有广阔的应用前景。
结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
图1是本发明具体实施例的流程图。
图2是本发明具体实施例最优实验方案实验结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细地描述。
结合图1，本发明提出一种正交思想指导下的山前复杂挤压构造物理模拟实验方法，它包括以下步骤：
步骤一：查明山前复杂挤压构造物理模拟实验模拟对象的几何学、运动学、动力学特征，明确正交试验的目的与要求。获取山前复杂挤压真实地质现象。
步骤二：选择影响山前复杂挤压构造物理模拟实验结果的条件参数作为试验因子，并确定各试验因子对应的试验水平。
其中，影响山前复杂挤压构造发育的试验因子包括：砂：泥：水(a)、模拟地层厚度(b)、挤压速率(c)、挤压距离(d)、模拟断裂带宽度(e)。
步骤三：对影响山前复杂挤压构造物理模拟实验结果的因子和对应的水平进行具体设计，列出因子水平表。
设计具体为：试验因子：砂：泥：水(a)、模拟地层厚度(b)、挤压速率(c)、挤压距离(d)、模拟断裂带宽度(e)各有四个水平。
步骤四：根据步骤三中的因子水平表设计相应的正交表。
正交表为l16(45)，需要完成16次正交试验。
步骤五：选择合适的正交表或进行表头设计，然后译成试验方案表。
步骤六：进行山前复杂挤压构造物理模拟实验，将实验结果用评分的方式评价好坏，进行相应计算生成试验结果分析表。
具体评价方法为：依据相似性原理，对16次构造物理模拟实验结果与山前复杂挤压真实地质现象对比，进行赋值评价，相似性越高赋值越大。
步骤七：对试验结果分析表进行极差和方差分析，分析各个试验因子对试验水平的影响大小，确定试验的因子主次。
具体为：通过因子各水平主效应的差值即极差(r)的值判断各个试验因子对试验结果的影响大小；分别求出ra、rb、rc、rd、re并按照数值大小正序排列，r越大，因子主次排名越高，它的水平变化对实验结果的影响越大，故它的水平必须首先考虑，其次考虑次大的，依次类推：
式中，i为试验因子序列号；n表示试验水平重复数；yin表示第i个试验因子在相应水平下的试验评分指标；
通过方差分析弥补极差分析时产生的误差及各水平间的显著性水平对试验结果的影响，从而判断各个试验因子对试验结果的显著性。计算所有试验结果之和t及偏差平方和sj2进行显著性检验，计算公式如下：
式中，k为水平数；r为对应水平条件下的试验数；tjri为第j列所有相应水平所对应数据之和。
步骤八：对正交试验结果进行详细分析，根据试验结果分析表计算每个水平对应评分指标均值的最大值f，确定各个因子的最优水平。f值为每个水平对应评分指标均值的最大值，其计算公式为：
式中，i为试验因子序列号；n表示试验水平重复数；yin表示第i个试验因子在相应水平下的试验评分指标；
由于评分指标yin与试验结果呈正相关性，因此f最大值对应的因子水平即为最优的水平，计算并确定其它各试验因子的最优水平，从而确定最优因子水平组合。
在应用本发明的一具体实施例中，包括了以下步骤：
步骤1：以准噶尔盆地南缘山前发育的近平行展布并向北凸出的断褶带为模拟对象；由于自晚古生代以来，研究区经历多期构造变形叠加，每期构造运动的强度、影响范围、受力方向以及受力方式不同，导致其构造变形样式错综复杂。野外地质详查及地震剖面解译揭示了准噶尔盆地南缘山前复杂挤压构造主要是受到自南向北的挤压应力作用形成的断褶带，断褶带呈近平行的弧形排列。
步骤2：研究区广泛分布二叠系、三叠系和侏罗系地层，岩性主要为砂岩、粉砂岩、泥页岩,夹有凝灰岩、油页岩、白云岩等，属于脆-塑性地层不均一分布；因此实验选取石英砂作为骨料，在石英砂中参入不同比例的水和泥，以达到很好模拟脆-塑性地层的目的，根据研究区地层岩性配比特征，本实验设计砂：泥：水(a)为2:1:0.4，2:1:1，3:2:2，2:2:1四种水平的材料比例进行实验，以对比确定最优实验结果。为研究地层厚度对南缘构造形成演化的影响，实验材料选用白色混有不同比例的泥和水的石英砂作为地层，用蓝色石英砂作为地层分界，结合地震、测井和钻井资料，对研究区不同演化阶段实际地层的厚度进行比例计算，铺设的模拟地层厚度(b)为4cm、6cm、8cm、10cm；为研究不同挤压速率对南缘构造形成演化的影响，根据平衡剖面演化技术计算研究区不同演化阶段的挤压速率，将挤压速率(c)设置为：0.02mm/s、0.05mm/s、0.1mm/s、0.2mm/s，实验过程采用单侧挤压，移动端(右端)以特定的速率向左推进。根据平衡剖面演化技术计算研究区挤压距离，在考虑到实验沙箱尺寸及可行性的前提下进行比例化换算，将挤压距离(d)分别设置为8cm、12cm、16cm、20cm进行实验。实验基底的设置充分考虑到实际地质现象的受力情况，由于研究区基底存在先存断裂，将两块底板之间的空隙模拟断裂带，根据先存断裂的规模大小进行比例化换算，将基底断裂带宽度(e)设置为：2cm、3cm、4cm、5cm。由于试验因子：砂：泥：水(a)、模拟地层厚度(b)、挤压速率(c)、挤压距离(d)、模拟断裂带宽度(e)各有4个水平，选用正交表为l16(45)进行试验设计，所有方案为45＝1024个，但只需完成16次正交试验即可，见表1、表2。
表1试验因子水平表
表2试验方案表
步骤3：按照试验方案进行山前复杂挤压构造物理模拟实验。
步骤4：依据相似性原理，对16次构造物理模拟实验结果与山前复杂挤压真实地质现象对比，进行赋值评价，相似性越高赋值越大，试验结果分析表见表3。
表3试验结果分析表
步骤5：通过因子各水平主效应的差值即极差(r)的值判断各个试验因子对试验结果的影响大小；分别求出ra、rb、rc、rd、re并按照数值大小正序排列，r越大，因子主次排名越高，它的水平变化对实验结果的影响越大，故它的水平必须首先考虑，其次考虑次大的，依次类推：
其中i＝1,2,3,4,5；n＝4
步骤6：通过方差分析弥补极差分析时产生的误差及各水平间的显著性水平对试验结果的影响，从而判断各个试验因子对试验结果的显著性。计算所有试验结果之和t及偏差平方和sj2进行显著性检验，计算公式如下：
其中t＝136；sa2＝27.50；sb2＝76.50；sc2＝8.50；sd2＝222.00；se2＝5.50由于因子c的偏差平方和sc2远小于其他偏差平方和，因此把sc2作为误差来检验各因子的显著性。每个因子的自由度均为3，这里检验水平α取0.05(分析可靠性95％)，查f分布表得各因子的误差均方差fα均为9.28。结合以上数据分析，经过显著性检验得到方差分析表见表4。
表4方差分析表
其中“*”表示检验效果较显著，“**”表示检验效果高度显著。
步骤7：f值为每个水平对应评分指标均值的最大值，以最大值最优为例，其计算公式为：
由于评分指标yin与试验结果呈正相关性，因此f最大值对应的因素水平即为最优的水平，从而确定最优因素水平组合为a2b3c2d4e3，即砂：泥：水：2:1:1；模拟地层厚度：8cm；挤压速率：0.05mm/s；挤压距离：20cm；模拟断裂带宽度：4cm。
见表3。由此，得到山前复杂挤压构造物理模拟实验最优参数组合即最优实验方案。
对山前复杂挤压构造物理模拟实验最优实验方案进行实验，实验结果如图2。
利用正交设计思想对实验材料及条件进行优化分析得到最优实验方案，针对性的进行特定构造物理模拟实验，从实验的演化过程(图2)中可以看出，在单侧挤压应力作用下，随着推移距离的增大，断褶带之间的距离逐渐拉大，剖面上显示各断层上盘依次呈叠瓦状逆冲抬升，各逆冲断层依次向逆冲方向扩展，是典型的前展式断层。实验中显示的褶皱主要受断层发育控制，表现为形态不对称，前翼陡窄，后翼宽缓的断层传播褶皱特征。与实际地质剖面中观察到的准噶尔盆地南缘山前发育的断褶带所展现出的前翼陡、后翼缓的断层传播褶皱构造特征相吻合。从实验平面图上可以看到各断层大致平行展布并向固定挡板一侧凸出，这一现象与准噶尔盆地南缘山前发育的近于平行排列并向北凸出的断褶带的平面展布特征极为相似。利用正交设计思想得到的最优实验成功再现了准噶尔盆地南缘山前复杂挤压构造的形成演化过程，充分体现了正交设计方法应用于山前复杂挤压构造物理模拟实验中的优越性。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
1.一种山前复杂挤压构造物理模拟实验方法，其特征在于，所述方法为：
获取山前复杂挤压真实地质现象；
选择影响山前复杂挤压构造物理模拟实验结果的条件参数作为试验因子，并确定各试验因子对应的试验水平；
根据试验因子和试验水平进行正交试验；
对正交试验结果与山前复杂挤压真实地质现象对比，进行赋值评价，生成试验结果分析表；
对试验结果分析表进行极差和方差分析，分析各个试验因子对试验水平的影响大小，确定试验的因子主次；
根据试验结果分析表计算每个水平对应评分指标均值的最大值f，确定各个因子的最优水平。
2.根据权利要求1所述的山前复杂挤压构造物理模拟实验方法，其特征在于，影响山前复杂挤压构造发育的试验因子包括：砂：泥：水(a)、模拟地层厚度(b)、挤压速率(c)、挤压距离(d)、模拟断裂带宽度(e)。
3.根据权利要求2所述的山前复杂挤压构造物理模拟实验方法，其特征在于，试验因子：砂：泥：水(a)、模拟地层厚度(b)、挤压速率(c)、挤压距离(d)、模拟断裂带宽度(e)各有四个试验水平。
4.根据权利要求1所述的山前复杂挤压构造物理模拟实验方法，其特征在于，进行赋值评价时，正交试验结果与山前复杂挤压真实地质现象相似性越高赋值越大。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的山前复杂挤压构造物理模拟实验方法，其特征在于，通过因子各水平主效应的差值即极差(r)的值判断各个试验因子对试验结果的影响大小；分别求出ra、rb、rc、rd、re并按照数值大小正序排列，r越大，试验因子主次排名越高，试验因子的水平变化对实验结果的影响越大，其次考虑次大的，依次类推：
式中，i为试验因子序列号；n表示试验水平重复数；yin表示第i个试验因子在相应水平下的试验评分指标；
6.根据权利要求1-4任意一项所述的山前复杂挤压构造物理模拟实验方法，其特征在于，通过方差分析弥补极差分析时产生的误差及各水平间的显著性对试验结果的影响，判断各个试验因子对试验结果的显著性；计算所有试验结果之和t及偏差平方和sj2进行显著性检验，计算公式如下：
其中，k为水平数；r为对应水平条件下的试验数；tjri为第j列所有相应水平所对应数据之和。
7.根据权利要求1-4任意一项所述的山前复杂挤压构造物理模拟实验方法，其特征在于，
式中，i为试验因子序列号；n表示试验水平重复数；yin表示第i个试验因子在相应水平下的试验评分指标；
