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        淺談擠壓砂箱構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)

        2015-05-07 15:09:44萬元博等
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2015年14期

        萬元博等

        摘 要:文章介紹了擠壓砂箱構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)影響因素;綜合各種研究成果,深刻認(rèn)識(shí)到不同的實(shí)驗(yàn)參數(shù)選擇導(dǎo)致不同實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的基石;總結(jié)出影響擠壓砂箱模擬實(shí)驗(yàn)的三大因素對(duì)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(shí)驗(yàn);楔形體;擠壓構(gòu)造變形

        前言

        砂箱構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)方法是研究構(gòu)造變形過程和形成機(jī)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(shí)驗(yàn)研究的深入開展對(duì)邊界幾何條件的重要性問題逐漸形成共識(shí)[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(shí)驗(yàn)研究又迅速進(jìn)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(shí)驗(yàn)方法

        1.1 實(shí)驗(yàn)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(rèn)為遵循庫倫破裂準(zhǔn)則[5]。砂箱構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)驗(yàn)?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(shí)驗(yàn)材料

        砂箱物理模型實(shí)驗(yàn)材料是砂箱實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中。顆粒材料具有與上地殼巖石變形相似的流變學(xué)機(jī)制。干顆粒材料,尤其是石英砂(粒度為100-500um)相對(duì)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(cè)和構(gòu)建模型應(yīng)用最為廣泛。通常我們實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(duì)于早期實(shí)驗(yàn)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(jiǎn)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(dòng)基底橡膠薄膜層和上覆均值粘土層設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)砂箱裝置對(duì)擠壓砂箱物理模型的褶皺變形機(jī)制進(jìn)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(jìn)了砂箱構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)的研究。早期砂箱物理模型內(nèi)部變形研究?jī)H能通過移除砂箱物質(zhì)側(cè)面進(jìn)行階段性檢測(cè)[8],隨后通過玻璃面板在實(shí)驗(yàn)裝置中的加入,使我們能夠連續(xù)觀測(cè)內(nèi)部變形[12]?,F(xiàn)今砂箱物理模型裝置中(螺旋)X射線計(jì)算機(jī)層系成像技術(shù)、PIV技術(shù)(粒子成像測(cè)速)地震反射技術(shù)、光纖光柵測(cè)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(shí)間切片和任意空間方向上)連續(xù)檢測(cè)和獲取砂箱模型內(nèi)部變形運(yùn)動(dòng)學(xué)過程,大大提高了實(shí)驗(yàn)的可視化程度,進(jìn)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(shí)驗(yàn)原理

        擠壓構(gòu)造演化遵循簡(jiǎn)單的變形機(jī)制即臨界楔理論,即描述為“移動(dòng)推土機(jī)前方的楔形砂體”。推土機(jī)前方物質(zhì)沿其底部滑脫面滑動(dòng)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(jìn)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(dòng)位移;如果楔形砂體前方發(fā)生進(jìn)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(zhǎng)發(fā)育過程。通常情況下,運(yùn)用臨界楔理論一般忽略較低的粘聚強(qiáng)度和符合庫倫破裂準(zhǔn)則、顆粒物質(zhì)較均一、砂箱物質(zhì)不隨時(shí)間變化和溫度恒定等。

        3 擠壓型砂箱構(gòu)造模擬實(shí)驗(yàn)影響因素

        擠壓砂箱模擬實(shí)驗(yàn)的類型可根據(jù)其傳播方向分為兩類:?jiǎn)蜗驍D壓縮進(jìn)模型和雙向擠壓縮進(jìn)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(jiǎn)單歸納如下。

        3.1 砂箱基底特性因素

        砂箱基底特性對(duì)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?。?huì)伴隨楔形體地表角度變化(減小或增大),相對(duì)于基底砂箱模型中斷層仍然具有相似特征,但相對(duì)于水平參考系前展式斷層傾角更陡、反向擴(kuò)展斷層更緩。當(dāng)砂箱基底具有不同的正凸起和負(fù)地貌形態(tài)時(shí),擠壓變形過程會(huì)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(jìn)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(zhǎng)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(zhǎng)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(qiáng)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(dòng)力學(xué)特性因素

        砂箱動(dòng)力學(xué)特性對(duì)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(yùn)動(dòng)速率,從而形成差異性幾何學(xué)和運(yùn)動(dòng)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(jìn)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(duì)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(jiǎn)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(kuò)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(shí)驗(yàn)是研究變形機(jī)制的重要手段,它已被廣泛用于各類構(gòu)造變形機(jī)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(shí)驗(yàn)實(shí)踐,結(jié)合國內(nèi)外學(xué)者的研究成果,得出如下認(rèn)識(shí):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(shì),數(shù)字化的科學(xué)技術(shù)應(yīng)用可以大大提高實(shí)驗(yàn)的可視化程度,進(jìn)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(shí)驗(yàn)中,不同的實(shí)驗(yàn)參數(shù)選擇導(dǎo)致不同實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的基石。影響擠壓砂箱模擬實(shí)驗(yàn)的三大因素對(duì)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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