萬元博等

摘 要：文章介紹了擠壓砂箱構(gòu)造物理模擬實驗方法、實驗原理、實驗影響因素；綜合各種研究成果，深刻認識到不同的實驗參數(shù)選擇導(dǎo)致不同實驗現(xiàn)象，了解模擬的地質(zhì)背景和材料優(yōu)化是砂箱構(gòu)造模擬實驗的基石；總結(jié)出影響擠壓砂箱模擬實驗的三大因素對砂箱構(gòu)造變形樣式、楔形體形成演化具有重要的控制作用。

關(guān)鍵詞：砂箱構(gòu)造模擬實驗；楔形體；擠壓構(gòu)造變形

前言

砂箱構(gòu)造物理模擬實驗方法是研究構(gòu)造變形過程和形成機制的重要手段，在擠壓、伸展、走滑構(gòu)造的研究方面均有十分廣泛的應(yīng)用。隨著構(gòu)造物理模擬實驗研究的深入開展對邊界幾何條件的重要性問題逐漸形成共識[1-3]。自1983年Davis經(jīng)典臨界庫倫楔原理問世以來，砂箱構(gòu)造物理模擬實驗研究又迅速進入高潮，其應(yīng)用拓展到擠壓環(huán)境下的俯沖帶、造山帶以及構(gòu)造盆地形成和演化等地質(zhì)學(xué)最前沿的研究中[1，4]。

1 實驗方法

1.1 實驗比例參數(shù)

砂箱物理模型基于相似性原理模擬上地殼構(gòu)造變形過程必要前提，它們普遍被認為遵循庫倫破裂準則[5]。砂箱構(gòu)造物理模擬實驗不僅要與自然構(gòu)造變形系統(tǒng)具有相似的流變學(xué)屬性而且還要和自然界實際比例尺相統(tǒng)一。只有遵循這些比例參數(shù)才能獲得合理的實驗?zāi)M結(jié)果。一般而言，上地殼巖石內(nèi)摩擦角為27°-45°，其相應(yīng)有效內(nèi)摩擦值為0.5-1。

1.2 實驗材料

砂箱物理模型實驗材料是砂箱實驗的基石。根據(jù)前人的大量研究，干顆粒材料、濕粘土和粘性材料等已廣泛應(yīng)用于砂箱物理模擬實驗中。顆粒材料具有與上地殼巖石變形相似的流變學(xué)機制。干顆粒材料，尤其是石英砂（粒度為100-500um）相對于由粘土和部分微米顆粒與水組成的濕粘土，或以硅膠為代表的粘性材料由于較易切片觀測和構(gòu)建模型應(yīng)用最為廣泛。通常我們實驗室所用的脆性材料主要為石英砂內(nèi)摩擦角為22°-41°，塑性材料主要硅膠和微玻璃珠，它的主要用途用于模擬上地殼滑脫層[6-8]。

1.3 實驗裝置

自Hall（1815）初次使用構(gòu)造物理模型解釋蘇格蘭東海岸構(gòu)造帶褶皺變形以來，砂箱物理模型相對于早期實驗裝置已經(jīng)發(fā)生了巨大的創(chuàng)新與改變[9]。早期擠壓砂箱物理模型裝置比較簡單，但它成功地揭示出自然界褶皺變形主要受控于水平擠壓過程。Daubree（1879）在Hall裝置上使用不同顏色石蠟初次構(gòu)建了褶皺增生楔形體砂箱模型，揭示褶皺楔形體斷層面垂直于擠壓方向的特征[10]。Favre（1878）基于自由移動基底橡膠薄膜層和上覆均值粘土層設(shè)計的俯沖砂箱模型得到了與野外地質(zhì)現(xiàn)象極其相似的背、向斜構(gòu)造[11]。至20世紀初，隨著科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新與應(yīng)用，擠壓砂箱砂箱物理模型裝置逐漸成熟，國內(nèi)外學(xué)者根據(jù)研究需要通過適當(dāng)設(shè)計砂箱裝置對擠壓砂箱物理模型的褶皺變形機制進行了深度研究，如： 弧形構(gòu)造、低角度逆沖推覆構(gòu)造、斜向擠壓變形、鹽構(gòu)造或侵入構(gòu)造等。

至今，隨著數(shù)字可視化技術(shù)的飛速發(fā)展，將其應(yīng)用到地質(zhì)學(xué)科研究中大大推進了砂箱構(gòu)造物理模擬實驗的研究。早期砂箱物理模型內(nèi)部變形研究僅能通過移除砂箱物質(zhì)側(cè)面進行階段性檢測[8]，隨后通過玻璃面板在實驗裝置中的加入，使我們能夠連續(xù)觀測內(nèi)部變形[12]?，F(xiàn)今砂箱物理模型裝置中（螺旋）X射線計算機層系成像技術(shù)、PIV技術(shù)（粒子成像測速）地震反射技術(shù)、光纖光柵測應(yīng)力應(yīng)變技術(shù)等的加入，使我們能夠在不破壞砂箱模型條件下（任意時間切片和任意空間方向上）連續(xù)檢測和獲取砂箱模型內(nèi)部變形運動學(xué)過程，大大提高了實驗的可視化程度，進而使人們更加深入和直觀的了解地質(zhì)構(gòu)造的演化過程[13-17]。

2 實驗原理

擠壓構(gòu)造演化遵循簡單的變形機制即臨界楔理論，即描述為“移動推土機前方的楔形砂體”。推土機前方物質(zhì)沿其底部滑脫面滑動擠壓變形直到底部滑脫面（β）和砂體頂面傾角（楔頂角，a）之間夾角恒定（即α+β恒定，稱為臨界角），它主要受控于楔形體內(nèi)摩擦和孔隙流體壓力[4]。如果擠壓形成的楔形體前方?jīng)]有進一步的物質(zhì)加積，楔形砂體則沿底部滑脫面僅發(fā)生滑動位移；如果楔形砂體前方發(fā)生進一步的物質(zhì)加積，楔形砂體則發(fā)生保持其幾何特征（即臨界角恒定）的生長發(fā)育過程。通常情況下，運用臨界楔理論一般忽略較低的粘聚強度和符合庫倫破裂準則、顆粒物質(zhì)較均一、砂箱物質(zhì)不隨時間變化和溫度恒定等。

3 擠壓型砂箱構(gòu)造模擬實驗影響因素

擠壓砂箱模擬實驗的類型可根據(jù)其傳播方向分為兩類：單向擠壓縮進模型和雙向擠壓縮進模型。無論哪種傳播方式其影響因素是統(tǒng)一的，文章下面將其因素簡單歸納如下。

3.1 砂箱基底特性因素

砂箱基底特性對砂箱構(gòu)造物理模型模擬過程中楔形體具有不同作用，其主要特性因素包括：基底坡度和地貌形態(tài)、有效摩擦角、孔隙流體壓力和垂直應(yīng)力（之比）等。Davis，et al.（1983）基于砂箱模型臨界楔理論指出砂箱基底坡角變化（增大或減小）會伴隨楔形體地表角度變化（減小或增大），相對于基底砂箱模型中斷層仍然具有相似特征，但相對于水平參考系前展式斷層傾角更陡、反向擴展斷層更緩。當(dāng)砂箱基底具有不同的正凸起和負地貌形態(tài)時，擠壓變形過程會導(dǎo)致砂箱物質(zhì)發(fā)生典型的構(gòu)造剝蝕現(xiàn)象。擠壓砂箱模型中通過砂箱底部加入不同摩擦系數(shù)的物質(zhì)決定著砂箱基底特性，進而影響構(gòu)造變形樣式。低摩擦系數(shù)砂箱模型中楔形體變形生長主要以箱狀褶皺和沖起構(gòu)造為主，而高摩擦系數(shù)砂箱模型中楔形體變形生長以疊瓦狀沖斷變形為主。

3.2 砂箱物質(zhì)特性因素

砂箱物質(zhì)特性主要包括：粘聚力、摩擦力（或強度）、厚度、孔隙度和滲透率等。砂箱物質(zhì)特性主要受控于粘聚力和摩擦力，如砂箱物質(zhì)粘聚力弱形成內(nèi)部軟弱層導(dǎo)致楔形體由能干性楔形體的沖斷褶皺變形為主構(gòu)造樣式轉(zhuǎn)變?yōu)轳薨欁冃螛邮綖橹鞯奶卣鳌?/p>

3.3 砂箱動力學(xué)特性因素

砂箱動力學(xué)特性對砂箱物理模型模擬過程中構(gòu)造變形差異影響主要體現(xiàn)在：砂箱不同幾何邊界、不同擠壓匯聚方向和差異擠壓匯聚速率導(dǎo)致砂箱物質(zhì)變形過程存在典型的非均一性屬性。一般而言，砂箱模型不同幾何邊界導(dǎo)致砂箱物質(zhì)具有明顯不同的切線運動速率，從而形成差異性幾何學(xué)和運動學(xué)特征，如：弧形構(gòu)造可能受控于初始地貌的幾何學(xué)差異和/或推進凸頭的幾何學(xué)差異。斜向匯聚碰撞導(dǎo)致砂箱楔形體存在較高楔頂角和典型分帶性，楔形體外帶逆沖斷層傾向砂箱阻擋隔板、地表破裂普遍平行逆斷層具有一定的斜度；內(nèi)帶與外帶之間由向外帶增厚的、由少量逆斷層形成的新月形構(gòu)造帶分割，內(nèi)帶具有典型扭壓走滑特征、且切割早期逆斷層。差異擠壓匯聚速率的變化對物質(zhì)的傳播、沖斷變形、物質(zhì)旋轉(zhuǎn)等相關(guān)構(gòu)造都有影響。高擠壓縮短速率使楔形體具有更窄、更厚的幾何特征，變形樣式簡單，其特征主要為前展式?jīng)_斷變形，發(fā)育于沖斷帶前緣；低擠壓縮短速率使楔形體較寬、厚度較薄，變形樣式復(fù)雜，其特征主要復(fù)合無序擴展變形，主要發(fā)育于沖斷帶后緣或內(nèi)部加積帶。

4 結(jié)束語

綜上所述，構(gòu)造物理模擬實驗是研究變形機制的重要手段，它已被廣泛用于各類構(gòu)造變形機制的研究中。文章基于各種擠壓構(gòu)造的砂箱構(gòu)造物理模擬實驗實踐，結(jié)合國內(nèi)外學(xué)者的研究成果，得出如下認識：砂箱構(gòu)造物理模擬與數(shù)值模擬相結(jié)合是其發(fā)展的潮流趨勢，數(shù)字化的科學(xué)技術(shù)應(yīng)用可以大大提高實驗的可視化程度，進而使人們更加深入和直觀的了解地質(zhì)構(gòu)造的演化過程。在擠壓砂箱模擬實驗中，不同的實驗參數(shù)選擇導(dǎo)致不同實驗現(xiàn)象。了解模擬的地質(zhì)背景和材料的優(yōu)化是砂箱構(gòu)造模擬實驗的基石。影響擠壓砂箱模擬實驗的三大因素對砂箱構(gòu)造變形樣式、楔形體形成演化具有重要的控制作用。

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