構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)研究中的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題

黃瑞 昝博文 李澤奇 龍翼

摘 要：構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)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(jī)制和動(dòng)力學(xué)過(guò)程的一種重要的實(shí)驗(yàn)方法。近幾年，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和圖像處理技術(shù)的配套提升，構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)越來(lái)越被廣泛地應(yīng)用、繼承和發(fā)展。本文根據(jù)作者長(zhǎng)期以來(lái)從事的構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)研究，詳細(xì)闡述了在實(shí)驗(yàn)研究中的幾個(gè)關(guān)鍵因素，包括實(shí)驗(yàn)前期準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?、?shí)驗(yàn)過(guò)程記錄以及實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?幾何條件 實(shí)驗(yàn)材料

中圖分類號(hào)：P554 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(shí)驗(yàn)因與地表具備相似的流變學(xué)特征，因而長(zhǎng)期以來(lái)被國(guó)內(nèi)外眾多地質(zhì)學(xué)者采用。自1815年霍爾在他的實(shí)驗(yàn)室用疊層厚布再現(xiàn)褶皺的形成和演化過(guò)程以來(lái)，構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)已經(jīng)經(jīng)歷了巨大的改變與創(chuàng)新[1-3]。無(wú)論是從實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)材料、變形記錄抑或是實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析與處理，都使得人們能夠更加真實(shí)準(zhǔn)確地再現(xiàn)地質(zhì)變形過(guò)程與演化。同時(shí)，構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)的理論性研究也逐漸的系統(tǒng)和完善，諸如機(jī)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(guó)內(nèi)外大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合筆者長(zhǎng)期以來(lái)從事的構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)，簡(jiǎn)要闡述構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)中的幾個(gè)關(guān)鍵因素以及要注意的問(wèn)題，以期為研究同行提供參考與借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)條件的確定

1.1邊界幾何條件

根據(jù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究，構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)可以分為比例模擬模型和機(jī)制模擬模型兩大類[4-5]。所謂比例模擬模型，是指針對(duì)實(shí)際地質(zhì)體的實(shí)驗(yàn)?zāi)M，即采用反演的方式，通過(guò)研究某一區(qū)域的地質(zhì)背景，并結(jié)合概念模型實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，提出一個(gè)或多個(gè)地質(zhì)模型，反復(fù)實(shí)驗(yàn)直到與目標(biāo)地質(zhì)體相似，以確定其成因機(jī)制和邊界條件。而機(jī)制模擬模型并不針對(duì)具體某一區(qū)域，而是對(duì)抽象地質(zhì)模型的實(shí)驗(yàn)?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(duì)變形機(jī)制的控制和影響。因此，在構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)的前期準(zhǔn)備中，首選要根據(jù)研究對(duì)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(chǎng)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(shí)，應(yīng)確定褶皺的空間類型與次序關(guān)系、動(dòng)力源與主應(yīng)力方向等，在分析構(gòu)造格架時(shí)，應(yīng)確定斷裂的活動(dòng)方式、伴生構(gòu)造、組合與相互結(jié)構(gòu)關(guān)系等。而在機(jī)針對(duì)抽象構(gòu)造樣式的機(jī)制模擬模型實(shí)驗(yàn)，其邊界條件的確定則相對(duì)容易，只需對(duì)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(shí)驗(yàn)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(jiàn)。目前構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)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(shí)，染色的石英砂并不會(huì)改變其物理屬性，因而可以很好地作為標(biāo)志層，方便實(shí)驗(yàn)的觀察和記錄。鑒于實(shí)際地質(zhì)體中滑脫層的存在，在實(shí)驗(yàn)室狀態(tài)下同樣具備相應(yīng)的模擬材料。目前，國(guó)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(lái)備受重視，我國(guó)著名地質(zhì)學(xué)家李四光就曾親自用濕粘土做過(guò)山字型構(gòu)造等模擬實(shí)驗(yàn)。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(lái)模擬弱的滑脫層。無(wú)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(kù)倫破裂準(zhǔn)則，只是石英砂的內(nèi)聚強(qiáng)度比濕粘土要小得多。在同樣邊界條件下，實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度大小的不同會(huì)導(dǎo)致二者的變形特征有細(xì)微差別，暗示了速度對(duì)于不同實(shí)驗(yàn)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(duì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果有較高的一致性。

2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕?/p>

精細(xì)的構(gòu)造解析和深入的力學(xué)分析是成功模擬實(shí)際地質(zhì)體的先決條件，同時(shí)，全面準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)過(guò)程又會(huì)對(duì)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(lái)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒庞懈茖W(xué)依據(jù)。通過(guò)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(shí)做平衡剖面恢復(fù)和剝蝕量計(jì)算，才可進(jìn)行模型的建立。砂箱實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c地表淺部構(gòu)造變形原型之間的相似性是通過(guò)砂箱模擬實(shí)驗(yàn)來(lái)探討構(gòu)造變形問(wèn)題的前提。物理模擬實(shí)驗(yàn)的相似性主要是幾何學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)三方面的相似構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕⒁裱韵孪嗨圃瓌t：（1）材料相似；（2）時(shí)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(shí)驗(yàn)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(biāo)志層的關(guān)系等，最后要確定作用的速度。一般實(shí)驗(yàn)室的步進(jìn)電機(jī)速度可以精確到1.0×10-4 mm/s，而根據(jù)筆者前期系列實(shí)驗(yàn)的啟發(fā)，較低的作用速度是相對(duì)合理、有效的。

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程的記錄

構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)一般是在幾十分鐘甚至幾十小時(shí)內(nèi)完成的，因此實(shí)驗(yàn)的記錄至關(guān)重要。目前國(guó)內(nèi)外構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)室采用最多的記錄方式有幾下幾種：相機(jī)定時(shí)拍照、粒子測(cè)速系統(tǒng)（PIV）全程記錄、光纖光柵系統(tǒng)（FBG）全程監(jiān)測(cè)、三維掃描系統(tǒng)全程掃描。相機(jī)的拍照記錄一般是每變形1 mm記錄一次，便于實(shí)驗(yàn)的觀察和后期的處理。粒子測(cè)速系統(tǒng)（PIV）是隨著近幾年圖像處理技術(shù)發(fā)展起來(lái)的，它能對(duì)每一個(gè)粒子進(jìn)行動(dòng)態(tài)速度監(jiān)測(cè)，可以在不干擾測(cè)試對(duì)象的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)全過(guò)程的動(dòng)態(tài)測(cè)量，并得到瞬時(shí)速度場(chǎng)的矢量值，并可在其基礎(chǔ)上進(jìn)一步得到流線圖和渦量等勢(shì)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(jìn)行應(yīng)力-應(yīng)變和溫度的測(cè)量，可實(shí)現(xiàn)對(duì)構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)介質(zhì)多方位的監(jiān)測(cè)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的處理

基于全方位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒庾g圖，挑選關(guān)鍵點(diǎn)照片進(jìn)行相應(yīng)處理，包括對(duì)構(gòu)造楔形體相關(guān)參數(shù)的測(cè)量以及幾何學(xué)特征的對(duì)比等，需要注意的是該過(guò)程人為因素影響較大，系列實(shí)驗(yàn)的測(cè)量應(yīng)盡量避免。對(duì)于圖像測(cè)速系統(tǒng)（PIV）儲(chǔ)存的記錄，進(jìn)行速度矢量圖的批量處理，速度場(chǎng)突變界限與形變節(jié)點(diǎn)具有高度一致性，而速度矢量與砂箱介質(zhì)運(yùn)動(dòng)學(xué)共同揭示了砂箱楔形體動(dòng)態(tài)變性特征，因此特別要注意那些發(fā)生形變時(shí)對(duì)應(yīng)的圖像。光纖光柵系統(tǒng)（FBG）的檢測(cè)結(jié)果反映了應(yīng)力-應(yīng)變和溫度的變化過(guò)程，應(yīng)力極值點(diǎn)與構(gòu)造變形點(diǎn)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(guò)程和構(gòu)造樣式。

5 結(jié)語(yǔ)

構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)于地殼表層構(gòu)造體系的重演具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，但其受控于多種因素的影響，這些因素包括實(shí)驗(yàn)前期與模型的設(shè)計(jì)、變形物質(zhì)特性和動(dòng)力學(xué)機(jī)制等，每一個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)于實(shí)驗(yàn)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(yán)格確定邊界幾何條件、科學(xué)合理的設(shè)計(jì)模型是構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵。此外，應(yīng)盡量避免構(gòu)造模擬過(guò)程中人為因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

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