浅谈挤压砂箱构造物理模拟实验

万元博等

摘 要：文章介绍了挤压砂箱构造物理模拟实验方法、实验原理、实验影响因素；综合各种研究成果，深刻认识到不同的实验参数选择导致不同实验现象，了解模拟的地质背景和材料优化是砂箱构造模拟实验的基石；总结出影响挤压砂箱模拟实验的三大因素对砂箱构造变形样式、楔形体形成演化具有重要的控制作用。

关键词：砂箱构造模拟实验；楔形体；挤压构造变形

前言

砂箱构造物理模拟实验方法是研究构造变形过程和形成机制的重要手段，在挤压、伸展、走滑构造的研究方面均有十分广泛的应用。随着构造物理模拟实验研究的深入开展对边界几何条件的重要性问题逐渐形成共识[1-3]。自1983年Davis经典临界库伦楔原理问世以来，砂箱构造物理模拟实验研究又迅速进入高潮，其应用拓展到挤压环境下的俯冲带、造山带以及构造盆地形成和演化等地质学最前沿的研究中[1，4]。

1 实验方法

1.1 实验比例参数

砂箱物理模型基于相似性原理模拟上地壳构造变形过程必要前提，它们普遍被认为遵循库伦破裂准则[5]。砂箱构造物理模拟实验不仅要与自然构造变形系统具有相似的流变学属性而且还要和自然界实际比例尺相统一。只有遵循这些比例参数才能获得合理的实验模拟结果。一般而言，上地壳岩石内摩擦角为27°-45°，其相应有效内摩擦值为0.5-1。

1.2 实验材料

砂箱物理模型实验材料是砂箱实验的基石。根据前人的大量研究，干颗粒材料、湿粘土和粘性材料等已广泛应用于砂箱物理模拟实验中。颗粒材料具有与上地壳岩石变形相似的流变学机制。干颗粒材料，尤其是石英砂（粒度为100-500um）相对于由粘土和部分微米颗粒与水组成的湿粘土，或以硅胶为代表的粘性材料由于较易切片观测和构建模型应用最为广泛。通常我们实验室所用的脆性材料主要为石英砂内摩擦角为22°-41°，塑性材料主要硅胶和微玻璃珠，它的主要用途用于模拟上地壳滑脱层[6-8]。

1.3 实验装置

自Hall（1815）初次使用构造物理模型解释苏格兰东海岸构造带褶皱变形以来，砂箱物理模型相对于早期实验装置已经发生了巨大的创新与改变[9]。早期挤压砂箱物理模型装置比较简单，但它成功地揭示出自然界褶皱变形主要受控于水平挤压过程。Daubree（1879）在Hall装置上使用不同颜色石蜡初次构建了褶皱增生楔形体砂箱模型，揭示褶皱楔形体断层面垂直于挤压方向的特征[10]。Favre（1878）基于自由移动基底橡胶薄膜层和上覆均值粘土层设计的俯冲砂箱模型得到了与野外地质现象极其相似的背、向斜构造[11]。至20世纪初，随着科学技术的创新与应用，挤压砂箱砂箱物理模型装置逐渐成熟，国内外学者根据研究需要通过适当设计砂箱装置对挤压砂箱物理模型的褶皱变形机制进行了深度研究，如： 弧形构造、低角度逆冲推覆构造、斜向挤压变形、盐构造或侵入构造等。

至今，随着数字可视化技术的飞速发展，将其应用到地质学科研究中大大推进了砂箱构造物理模拟实验的研究。早期砂箱物理模型内部变形研究仅能通过移除砂箱物质侧面进行阶段性检测[8]，随后通过玻璃面板在实验装置中的加入，使我们能够连续观测内部变形[12]。现今砂箱物理模型装置中（螺旋）X射线计算机层系成像技术、PIV技术（粒子成像测速）地震反射技术、光纤光栅测应力应变技术等的加入，使我们能够在不破坏砂箱模型条件下（任意时间切片和任意空间方向上）连续检测和获取砂箱模型内部变形运动学过程，大大提高了实验的可视化程度，进而使人们更加深入和直观的了解地质构造的演化过程[13-17]。

2 实验原理

挤压构造演化遵循简单的变形机制即临界楔理论，即描述为“移动推土机前方的楔形砂体”。推土机前方物质沿其底部滑脱面滑动挤压变形直到底部滑脱面（β）和砂体顶面倾角（楔顶角，a）之间夹角恒定（即α+β恒定，称为临界角），它主要受控于楔形体内摩擦和孔隙流体压力[4]。如果挤压形成的楔形体前方没有进一步的物质加积，楔形砂体则沿底部滑脱面仅发生滑动位移；如果楔形砂体前方发生进一步的物质加积，楔形砂体则发生保持其几何特征（即临界角恒定）的生长发育过程。通常情况下，运用临界楔理论一般忽略较低的粘聚强度和符合库伦破裂准则、颗粒物质较均一、砂箱物质不随时间变化和温度恒定等。

3 挤压型砂箱构造模拟实验影响因素

挤压砂箱模拟实验的类型可根据其传播方向分为两类：单向挤压缩进模型和双向挤压缩进模型。无论哪种传播方式其影响因素是统一的，文章下面将其因素简单归纳如下。

3.1 砂箱基底特性因素

砂箱基底特性对砂箱构造物理模型模拟过程中楔形体具有不同作用，其主要特性因素包括：基底坡度和地貌形态、有效摩擦角、孔隙流体压力和垂直应力（之比）等。Davis，et al.（1983）基于砂箱模型临界楔理论指出砂箱基底坡角变化（增大或减小）会伴随楔形体地表角度变化（减小或增大），相对于基底砂箱模型中断层仍然具有相似特征，但相对于水平参考系前展式断层倾角更陡、反向扩展断层更缓。当砂箱基底具有不同的正凸起和负地貌形态时，挤压变形过程会导致砂箱物质发生典型的构造剥蚀现象。挤压砂箱模型中通过砂箱底部加入不同摩擦系数的物质决定着砂箱基底特性，进而影响构造变形样式。低摩擦系数砂箱模型中楔形体变形生长主要以箱状褶皱和冲起构造为主，而高摩擦系数砂箱模型中楔形体变形生长以叠瓦状冲断变形为主。

3.2 砂箱物质特性因素

砂箱物质特性主要包括：粘聚力、摩擦力（或强度）、厚度、孔隙度和渗透率等。砂箱物质特性主要受控于粘聚力和摩擦力，如砂箱物质粘聚力弱形成内部软弱层导致楔形体由能干性楔形体的冲断褶皱变形为主构造样式转变为褶皱变形样式为主的特征。

3.3 砂箱动力学特性因素

砂箱动力学特性对砂箱物理模型模拟过程中构造变形差异影响主要体现在：砂箱不同几何边界、不同挤压汇聚方向和差异挤压汇聚速率导致砂箱物质变形过程存在典型的非均一性属性。一般而言，砂箱模型不同几何边界导致砂箱物质具有明显不同的切线运动速率，从而形成差异性几何学和运动学特征，如：弧形构造可能受控于初始地貌的几何学差异和/或推进凸头的几何学差异。斜向汇聚碰撞导致砂箱楔形体存在较高楔顶角和典型分带性，楔形体外带逆冲断层倾向砂箱阻挡隔板、地表破裂普遍平行逆断层具有一定的斜度；内带与外带之间由向外带增厚的、由少量逆断层形成的新月形构造带分割，内带具有典型扭压走滑特征、且切割早期逆断层。差异挤压汇聚速率的变化对物质的传播、冲断变形、物质旋转等相关构造都有影响。高挤压缩短速率使楔形体具有更窄、更厚的几何特征，变形样式简单，其特征主要为前展式冲断变形，发育于冲断带前缘；低挤压缩短速率使楔形体较宽、厚度较薄，变形样式复杂，其特征主要复合无序扩展变形，主要发育于冲断带后缘或内部加积带。

4 结束语

综上所述，构造物理模拟实验是研究变形机制的重要手段，它已被广泛用于各类构造变形机制的研究中。文章基于各种挤压构造的砂箱构造物理模拟实验实践，结合国内外学者的研究成果，得出如下认识：砂箱构造物理模拟与数值模拟相结合是其发展的潮流趋势，数字化的科学技术应用可以大大提高实验的可视化程度，进而使人们更加深入和直观的了解地质构造的演化过程。在挤压砂箱模拟实验中，不同的实验参数选择导致不同实验现象。了解模拟的地质背景和材料的优化是砂箱构造模拟实验的基石。影响挤压砂箱模拟实验的三大因素对砂箱构造变形样式、楔形体形成演化具有重要的控制作用。

参考文献

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