构造物理模拟实验研究中的关键问题

1、构造物理模拟实验研究中的关键问题门然界的各种地质构造均是地壳岩石受力作用的结果。砂箱物理模拟实验因与地表具备相似 的流变学特征，因而长期以来被国内外众多地质学者采用。h 1815年霍尔在他的实验室用叠 层厚布再现褶皱的形成和演化过程以来，构造物理模拟实验已经经历了巨人的改变与创新 1-3o无论是从实验装置、实验材料、变形记录抑或是实验结果的分析与处理，都使得人们 能够更加真实准确地再现地质变形过程演化。同吋，构造物理模拟实验的理论性研究也逐 渐的系统和完善，诸如机制模拟模型和比例模拟模型的分类、变形几何学和解析方程的引用 等。该文在杳阅国内外人量文献的基础上，结合笔者长期以来从事的构造物理模拟

2、实验，简要 阐述构造物理模拟实验中的几个关键因素以及要注意的问题，以期为研究同行提供参考与借 鉴。1实验条件的确定1.1边界儿何条件根据国内外学者的研究,构造物理模拟实验可以分为比例模拟模型和机制模拟模型两人 类45。所谓比例模拟模型，是指针对实际地质体的实验模拟，即釆用反演的方式，通过研究某 一区域的地质背景,并结合概念模型实验的结果，提出一个或多个地质模型，反复实验直到为 fi标地质体相似，以确定其成因机制和边界条件。而机制模拟模型并不针对具体某一区域，而 是对抽象地质模型的实验模拟，即采用正演的方式，研究分析构造变形要素（构造作用方式、边 界几何条件、应变速率、内部结构和材料性质等）对变

3、形机制的控制和影响。因此，在构造物 理模拟实验的前期准备屮，首选要根据研究对象确定模型类型。在比例模拟模型屮，最重要的 是研究区域/局部构造特征，即根据区域/局部构造野外的表现形式其形变场的关系,深入分 析褶皱类型、构造格架、受力方式。例如在分析褶皱构造时，应确定褶皱的空间类型与次序 关系、动力源与主应力方向等，在分析构造格架吋，应确定断裂的活动方式、伴生构造、组合 与相互结构关系等。而在机针对抽彖构造样式的机制模拟模型实验，其边界条件的确定则相 对容易，只需对构造作用方式和内部结构等要素作定性的确定即可。1.2实验材料岩石类型可分为脆性、脆塑性和塑性，在地质体中，脆性岩石较为常见。冃前构造物

4、理模 拟实验小使用最广泛的脆性材料为干燥石英砂，其粒径为0.20.4 mm,内摩擦角为29-31。， 内摩擦系数约为0.55,且粘聚力低，是模拟地壳浅层脆性变形的理想材料，同时，染色的石英砂 并不会改变其物理属性,因而可以很好地作为标志层，方便实验的观察和记录。鉴于实际地质 体中滑脱层的存在，在实验宗状态下同样具备相应的模拟材料。目前，国内外学者模拟塑性层 使用最多的冇湿粘土、硅胶和微玻璃珠。湿粘土模拟历来备受重视，我国着名地质学家李四 光就曾亲白用湿粘土做过山字型构造等模拟实验。硅胶粘度为1.2x104 pa.s,密度为0.926 g/cm3,在低应变速率卜具有牛顿流体特征。微玻璃珠的粘聚力

5、几乎为零，内摩擦角25。,通常 被用来模拟弱的滑脱层。无论是干燥的石英砂述是湿粘土，二者的摩擦行为是相似的，其摩擦 特征均服从库伦破裂准则，只是石英砂的内聚强度比湿粘土要小得多。在同样边界条件下，实 验屮干燥的石英砂和湿粘土其至可互相转换使用，只是由于内聚强度人小的不同会导致二者 的变形特征有细微差别，暗示了速度对于不同实验材料的影响是非常小的。在湿粘土中，断层 的产生和传播相对于其在干燥石英砂中慢得多。断层传播越慢，表明沿着小断层发生更多的 变形，最终其构造样式更复杂，这与我们的实验结果冇较高的一致性。2实验模型的建立棒细的构造解析和深入的力学分析是成功模拟实际地质体的先决条件，同时，全而准

6、确的 实验过程乂会对野外构造现象的解释捉供新的启发，在此基础上建立起来的实验模型才有更 科学依据。通过前期确定某地区平面的和垂向的构造背景，具至必耍时做平衡剖面恢复和剥 蚀量计算，才可进行模型的建立。砂箱实验模型与地表浅部构造变形原型z间的相似性是通 过砂箱模拟实验来探讨构造变形问题的前提。物理模拟实验的相似性主耍是几何学、运动学、 动力v二方面的相似构造物理模拟实验模型的建立耍遵循以卜相似原则：(1)材料相似;(2)时 间相似佝组合形式相似;(4)边界条件相似;(5)受力方式相似;(6)几何尺寸相似。遵循了以上的相似原则之示，构造物理模拟实验首先要确定的就是构造作用 方式，包括挤压、拉张、隆

7、升等，其次确定材料结构展布特征，如材料布置的厚度、形状、滑脱 层与标志层的关系等，最后耍确定作用的速度。一般实验室的步进电机速度对以精确到 1.0x10-4 mm/s,而根据笔者前期系列实验的启发，较低的作用速度是相对合理、有效的。3实验过程的记录构造物理模拟实验一般是在几十分钟甚至几十小时内完成的,因此实验的记录至关重要。 冃前国内外构造物理模拟实验室采用最多的记录方式有几下几种:相机定时扪照、粒子测速 系统(piv)全程记录、光纤光栅系统(fbg)全程监测、三维扫描系统全程扫描。相机的拍照记 录一般是每变形1 mm记录一次，便于实验的观察和后期的处理。粒子测速系统(piv)是随着 近几年图

8、像处理技术发展起来的，它能对每一个粒子进行动态速度监测，可以在不干扰测试 对象的基础上实现全过程的动态测量,并得到瞬吋速度场的矢量值，并可在其基础上进一步 得到流线图和涡量等势图。光纤光栅系统(fbg)是分布于地质模型中的敏感元件，可全程进行 应力变和温度的测量,可实现对构造物理模拟实验介质多方位的监测。4实验结果的处理基于全方位监测系统的构造物理模拟实验，数据和结果的分析处理至关重要。根据 mcclay(2004)；l|的挤压实验模型解译图，挑选关键点照片进行相应处理，包括对构造楔形 体相关参数的测量以及儿何学特征的对比等,需要注意的是该过程人为因索影响较大，系列 实验的测量应尽量避免。对于图像测速系统(piv)储存的记录，进行速度矢量图的批量处理， 速度场突变界限与形变节点具有高度一致性,1佃速度矢量与砂箱介质运动学共同揭示了砂箱 楔形体动态变性特征，因此特别要注意那些发生形变时对应的图像。光纤光栅系统(fbg)的检 测结果反映了应力应变和温度的变化过程，应力极值点与构造变形点有很好的耦合性。最终 结合三维扫描系统构建3d构造样式图，综合分析构造物理模拟的变形过程和构造样式。5结语构造物理模拟实验对于地売表层构造体系的重演具有独特优势，但其