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。

參考文獻(xiàn)

[1]McClay K R， Whitehouse P S， 2004. Analog Modeling of Doubly Vergent Thrust Wedges， In McClay C R，（ed.），Thrust tectonics and hydrocarbon systems： AAPG Memoir 82，pp.184-206.

[2]施煒，劉成林，楊海軍，等. 基于砂箱模擬實(shí)驗(yàn)的羅布泊盆地新構(gòu)造變形特征分析[J].大地構(gòu)造與成礦學(xué)，2009，33（4）：529-534.

[3]Beaumont C， Fullsack P， Hamilton J， 1992. Erosional control of active compressional orogens. In： McClay K R （Ed.）， Thrust Tectonics. Chapman & Hall， London， pp. 1-18.

[4]Davis D， Suppe J， Dahlen FA， 1983. Mechanics of fold-and-thrust belts and accretionary wedges. Journal of Geophysical Research，88（B12）：1153-1172.

[5]Hubbert M K，1951. Mechanical basis for certain familiar geologic structures. Bulletin of the Geological Society of America，62：355-372.

[6]時(shí)秀朋，李理，龔道好，等.構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)方法的發(fā)展與應(yīng)用[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2007，22（6）：1728-1735.

[7]劉玉萍，尹宏偉，張潔，等.褶皺-沖斷體系雙層滑脫構(gòu)造變形物理模擬實(shí)驗(yàn)[J].石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì)，2008，30（4）：424-428.

[8]朱戰(zhàn)軍，周建勛，林壬子，等.擠壓構(gòu)造的砂箱物理模擬實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀[J].斷塊油氣田，2002，9（2）：11-13.

[9]Hall J， 1815. On the vertical position and convolutions of certain strata and their relation with granite. Transactions of the Royal Society of Edinburgh，7：79-108.

[10]Daubrée G A， 1879.Expériences tendant à imiter des formes diverses de ploiements， contournements et ruptures que présente l'écorce terrestre. Comptes Rendus Hebdomadaires des Séances de l'Académie des Sciences，86（12）：733-739.

[11]Favre A，1878.The formation of mountains. Nature，19：103-106.

[12]Cadell HM，1888.Experimental researches in mountain building. Transactions of the Royal Society of Edinburgh，35：337-357.

[13]沈禮，賈東，尹宏偉，等.基于粒子成像測(cè)速-PIV-技術(shù)的褶皺沖斷構(gòu)造物理模擬[J].地質(zhì)論評(píng)，2012，58（3）：471-480.

[14]Linck G，1902.Apparat zur Demonstration der Gebirgsfaltung. CentralBlatt für Geologie，Geologie und Palaeontologie，pp.362-364.

[15]Yamada Y，McClay K R，2004.3-D Analog modeling of inversion thrust structures，in McClay K R（Eds）Thrust tectonics and hydrocarbon systems：AAPG Memoir 82，p.276-301.

[16]Bonini M，Sokoutis D，Talbot C J，Boccaletti M，Milnes A G，1999.Indenter growth in analogue models of Alpine-type deformation. Tectonics，18（1）：119-128.

[17]魏春光，周建勛，何雨丹，等.巖石強(qiáng)度對(duì)沖斷層形成特征影響的砂箱實(shí)驗(yàn)研究[J].地學(xué)前緣，2004，11（4）：559-565.