2019構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)研究中的關(guān)鍵問題

構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)研究中的關(guān)鍵問題自然界的各種地質(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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)已經(jīng)經(jīng)歷了巨大的改變與創(chuàng)新［1-3］。無論是從實(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。該文在查閱國內(nèi)外大量文獻(xiàn)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(shí)驗(yàn),簡要闡述構(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題,以期為研究同行提供參考與借鑒。實(shí)驗(yàn)條件的確定邊界幾何條件根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者的研究,構(gòu)造物理模擬實(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,是指針對實(shí)際地質(zhì)體的實(shí)驗(yàn)?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(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具體某一區(qū)域,而是對抽象地質(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(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。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。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0.2~0.4mm,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(shí)驗(yàn)。硅膠粘度為1.2X104Pa.S,密度為0.926g/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(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。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕⒕?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)過程又會(huì)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(shí)驗(yàn)?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(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砂箱模擬實(shí)驗(yàn)來探討構(gòu)造變形問題的前提。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1.0X10-4mm/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合理、有效的。實(shí)驗(yàn)過程的記錄構(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(jī)的拍照記錄一般是每變形1mm記錄一次,便于實(shí)驗(yàn)的觀察和后期的處理。粒子測速系統(tǒng)①r)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(gè)粒子進(jìn)行動(dòng)態(tài)速度監(jiān)測,可以在不干擾測試對象的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)全過程的動(dòng)態(tài)測量,并得到瞬時(shí)速度場的矢量值,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)變和溫度的測量,可實(shí)現(xiàn)對構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)介質(zhì)多方位的監(jiān)測。實(shí)驗(yàn)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(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(2019)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(shí)驗(yàn)的測量應(yīng)盡量避免。對于圖像測速系統(tǒng)T*)儲存的記錄，進(jìn)行速度矢量圖的批量處理，速度場突變界限與形變節(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(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程和構(gòu)造樣式。結(jié)語構(gòu)造物理模擬實(shí)驗(yàn)對于地殼表層構(gòu)造體系的重演具有獨(dú)特優(yōu)勢,但其受控于