黃瑞 昝博文 李澤奇 龍翼

摘 要：構(gòu)造物理模擬實驗是研究和模擬自然界地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象變形特征成因機制和動力學(xué)過程的一種重要的實驗方法。近幾年，隨著計算機技術(shù)和圖像處理技術(shù)的配套提升，構(gòu)造物理模擬實驗越來越被廣泛地應(yīng)用、繼承和發(fā)展。本文根據(jù)作者長期以來從事的構(gòu)造物理模擬實驗研究，詳細闡述了在實驗研究中的幾個關(guān)鍵因素，包括實驗前期準備、實驗?zāi)Ｐ徒?、實驗過程記錄以及實驗結(jié)果分析，以期為研究同行提供參考與借鑒。

關(guān)鍵詞：構(gòu)造物理模擬實驗 實驗?zāi)Ｐ?幾何條件 實驗材料

中圖分類號：P554 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）07（b）-0000-00

自然界的各種地質(zhì)構(gòu)造均是地殼巖石受力作用的結(jié)果。砂箱物理模擬實驗因與地表具備相似的流變學(xué)特征，因而長期以來被國內(nèi)外眾多地質(zhì)學(xué)者采用。自1815年霍爾在他的實驗室用疊層厚布再現(xiàn)褶皺的形成和演化過程以來，構(gòu)造物理模擬實驗已經(jīng)經(jīng)歷了巨大的改變與創(chuàng)新[1-3]。無論是從實驗裝置、實驗材料、變形記錄抑或是實驗結(jié)果的分析與處理，都使得人們能夠更加真實準確地再現(xiàn)地質(zhì)變形過程與演化。同時，構(gòu)造物理模擬實驗的理論性研究也逐漸的系統(tǒng)和完善，諸如機制模擬模型和比例模擬模型的分類、變形幾何學(xué)和解析方程的引用等。該文在查閱國內(nèi)外大量文獻的基礎(chǔ)上，結(jié)合筆者長期以來從事的構(gòu)造物理模擬實驗，簡要闡述構(gòu)造物理模擬實驗中的幾個關(guān)鍵因素以及要注意的問題，以期為研究同行提供參考與借鑒。

1 實驗條件的確定

1.1邊界幾何條件

根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者的研究，構(gòu)造物理模擬實驗可以分為比例模擬模型和機制模擬模型兩大類[4-5]。所謂比例模擬模型，是指針對實際地質(zhì)體的實驗?zāi)M，即采用反演的方式，通過研究某一區(qū)域的地質(zhì)背景，并結(jié)合概念模型實驗的結(jié)果，提出一個或多個地質(zhì)模型，反復(fù)實驗直到與目標地質(zhì)體相似，以確定其成因機制和邊界條件。而機制模擬模型并不針對具體某一區(qū)域，而是對抽象地質(zhì)模型的實驗?zāi)M，即采用正演的方式，研究分析構(gòu)造變形要素（構(gòu)造作用方式、邊界幾何條件、應(yīng)變速率、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和材料性質(zhì)等）對變形機制的控制和影響。因此，在構(gòu)造物理模擬實驗的前期準備中，首選要根據(jù)研究對象確定模型類型。在比例模擬模型中，最重要的是研究區(qū)域/局部構(gòu)造特征，即根據(jù)區(qū)域/局部構(gòu)造野外的表現(xiàn)形式與其形變場的關(guān)系，深入分析褶皺類型、構(gòu)造格架、受力方式。例如在分析褶皺構(gòu)造時，應(yīng)確定褶皺的空間類型與次序關(guān)系、動力源與主應(yīng)力方向等，在分析構(gòu)造格架時，應(yīng)確定斷裂的活動方式、伴生構(gòu)造、組合與相互結(jié)構(gòu)關(guān)系等。而在機針對抽象構(gòu)造樣式的機制模擬模型實驗，其邊界條件的確定則相對容易，只需對構(gòu)造作用方式和內(nèi)部結(jié)構(gòu)等要素作定性的確定即可。

1.2實驗材料

巖石類型可分為脆性、脆-塑性和塑性，在地質(zhì)體中，脆性巖石較為常見。目前構(gòu)造物理模擬實驗中使用最廣泛的脆性材料為干燥石英砂，其粒徑為0.2～0.4 mm，內(nèi)摩擦角為29～31°，內(nèi)摩擦系數(shù)約為0.55，且粘聚力低，是模擬地殼淺層脆性變形的理想材料，同時，染色的石英砂并不會改變其物理屬性，因而可以很好地作為標志層，方便實驗的觀察和記錄。鑒于實際地質(zhì)體中滑脫層的存在，在實驗室狀態(tài)下同樣具備相應(yīng)的模擬材料。目前，國內(nèi)外學(xué)者模擬塑性層使用最多的有濕粘土、硅膠和微玻璃珠。濕粘土模擬歷來備受重視，我國著名地質(zhì)學(xué)家李四光就曾親自用濕粘土做過山字型構(gòu)造等模擬實驗。硅膠粘度為1.2×104 Pa.S，密度為0.926 g/cm3，在低應(yīng)變速率下具有牛頓流體特征。微玻璃珠的粘聚力幾乎為零，內(nèi)摩擦角25°，通常被用來模擬弱的滑脫層。無論是干燥的石英砂還是濕粘土，二者的摩擦行為是相似的，其摩擦特征均服從庫倫破裂準則，只是石英砂的內(nèi)聚強度比濕粘土要小得多。在同樣邊界條件下，實驗中干燥的石英砂和濕粘土甚至可互相轉(zhuǎn)換使用，只是由于內(nèi)聚強度大小的不同會導(dǎo)致二者的變形特征有細微差別，暗示了速度對于不同實驗材料的影響是非常小的。在濕粘土中，斷層的產(chǎn)生和傳播相對于其在干燥石英砂中慢得多。斷層傳播越慢，表明沿著小斷層發(fā)生更多的變形，最終其構(gòu)造樣式更復(fù)雜，這與我們的實驗結(jié)果有較高的一致性。

2 實驗?zāi)Ｐ偷慕?/p>

精細的構(gòu)造解析和深入的力學(xué)分析是成功模擬實際地質(zhì)體的先決條件，同時，全面準確的實驗過程又會對野外構(gòu)造現(xiàn)象的解釋提供新的啟發(fā)，在此基礎(chǔ)上建立起來的實驗?zāi)Ｐ筒庞懈茖W(xué)依據(jù)。通過前期確定某地區(qū)平面的和垂向的構(gòu)造背景，甚至必要時做平衡剖面恢復(fù)和剝蝕量計算，才可進行模型的建立。砂箱實驗?zāi)Ｐ团c地表淺部構(gòu)造變形原型之間的相似性是通過砂箱模擬實驗來探討構(gòu)造變形問題的前提。物理模擬實驗的相似性主要是幾何學(xué)、運動學(xué)、動力學(xué)三方面的相似構(gòu)造物理模擬實驗?zāi)Ｐ偷慕⒁裱韵孪嗨圃瓌t：（1）材料相似；（2）時間相似；（3）組合形式相似；（4）邊界條件相似；（5）受力方式相似；（6）幾何尺寸相似。遵循了以上的相似原則之后，構(gòu)造物理模擬實驗首先要確定的就是構(gòu)造作用方式，包括擠壓、拉張、隆升等，其次確定材料結(jié)構(gòu)展布特征，如材料布置的厚度、形狀、滑脫層與標志層的關(guān)系等，最后要確定作用的速度。一般實驗室的步進電機速度可以精確到1.0×10-4 mm/s，而根據(jù)筆者前期系列實驗的啟發(fā)，較低的作用速度是相對合理、有效的。

3 實驗過程的記錄

構(gòu)造物理模擬實驗一般是在幾十分鐘甚至幾十小時內(nèi)完成的，因此實驗的記錄至關(guān)重要。目前國內(nèi)外構(gòu)造物理模擬實驗室采用最多的記錄方式有幾下幾種：相機定時拍照、粒子測速系統(tǒng)（PIV）全程記錄、光纖光柵系統(tǒng)（FBG）全程監(jiān)測、三維掃描系統(tǒng)全程掃描。相機的拍照記錄一般是每變形1 mm記錄一次，便于實驗的觀察和后期的處理。粒子測速系統(tǒng)（PIV）是隨著近幾年圖像處理技術(shù)發(fā)展起來的，它能對每一個粒子進行動態(tài)速度監(jiān)測，可以在不干擾測試對象的基礎(chǔ)上實現(xiàn)全過程的動態(tài)測量，并得到瞬時速度場的矢量值，并可在其基礎(chǔ)上進一步得到流線圖和渦量等勢圖。光纖光柵系統(tǒng)（FBG）是分布于地質(zhì)模型中的敏感元件，可全程進行應(yīng)力-應(yīng)變和溫度的測量，可實現(xiàn)對構(gòu)造物理模擬實驗介質(zhì)多方位的監(jiān)測。

4 實驗結(jié)果的處理

基于全方位監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)造物理模擬實驗，數(shù)據(jù)和結(jié)果的分析處理至關(guān)重要。根據(jù)McClay（2004）提出的擠壓實驗?zāi)Ｐ徒庾g圖，挑選關(guān)鍵點照片進行相應(yīng)處理，包括對構(gòu)造楔形體相關(guān)參數(shù)的測量以及幾何學(xué)特征的對比等，需要注意的是該過程人為因素影響較大，系列實驗的測量應(yīng)盡量避免。對于圖像測速系統(tǒng)（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(jié)點具有高度一致性，而速度矢量與砂箱介質(zhì)運動學(xué)共同揭示了砂箱楔形體動態(tài)變性特征，因此特別要注意那些發(fā)生形變時對應(yīng)的圖像。光纖光柵系統(tǒng)（FBG）的檢測結(jié)果反映了應(yīng)力-應(yīng)變和溫度的變化過程，應(yīng)力極值點與構(gòu)造變形點有很好的耦合性。最終結(jié)合三維掃描系統(tǒng)構(gòu)建3D構(gòu)造樣式圖，綜合分析構(gòu)造物理模擬的變形過程和構(gòu)造樣式。

5 結(jié)語

構(gòu)造物理模擬實驗對于地殼表層構(gòu)造體系的重演具有獨特優(yōu)勢，但其受控于多種因素的影響，這些因素包括實驗前期與模型的設(shè)計、變形物質(zhì)特性和動力學(xué)機制等，每一個環(huán)節(jié)對于實驗結(jié)果的影響都至關(guān)重要，系統(tǒng)分析區(qū)域地質(zhì)背景、嚴格確定邊界幾何條件、科學(xué)合理的設(shè)計模型是構(gòu)造物理模擬實驗的關(guān)鍵。此外，應(yīng)盡量避免構(gòu)造模擬過程中人為因素對實驗結(jié)果的影響。

參考文獻

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