构造物理模拟实验研究中的几个关键问题

黄瑞 昝博文 李泽奇 龙翼

摘 要：构造物理模拟实验是研究和模拟自然界地质构造现象变形特征成因机制和动力学过程的一种重要的实验方法。近几年，随着计算机技术和图像处理技术的配套提升，构造物理模拟实验越来越被广泛地应用、继承和发展。本文根据作者长期以来从事的构造物理模拟实验研究，详细阐述了在实验研究中的几个关键因素，包括实验前期准备、实验模型建立、实验过程记录以及实验结果分析，以期为研究同行提供参考与借鉴。

关键词：构造物理模拟实验 实验模型 几何条件 实验材料

中图分类号：P554 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）07（b）-0000-00

自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。自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大的改变与创新[1-3]。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与演化。同时，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。该文在查阅国内外大量文献的基础上，结合笔者长期以来从事的构造物理模拟实验，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边界几何条件

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大类[4-5]。所谓比例模拟模型，是指针对实际地质体的实验模拟，即采用反演的方式，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，反复实验直到与目标地质体相似，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中，首选要根据研究对象确定模型类型。在比例模拟模型中，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与其形变场的关系，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，在分析构造格架时，应确定断裂的活动方式、伴生构造、组合与相互结构关系等。而在机针对抽象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。目前构造物理模拟实验中使用最广泛的脆性材料为干燥石英砂，其粒径为0.2～0.4 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，在实验室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有湿粘土、硅胶和微玻璃珠。湿粘土模拟历来备受重视，我国著名地质学家李四光就曾亲自用湿粘土做过山字型构造等模拟实验。硅胶粘度为1.2×104 Pa.S，密度为0.926 g/cm3，在低应变速率下具有牛顿流体特征。微玻璃珠的粘聚力几乎为零，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还是湿粘土，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，实验中干燥的石英砂和湿粘土甚至可互相转换使用，只是由于内聚强度大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有较高的一致性。

2 实验模型的建立

精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，全面准确的实验过程又会对野外构造现象的解释提供新的启发，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，甚至必要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之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要是几何学、运动学、动力学三方面的相似构造物理模拟实验模型的建立要遵循以下相似原则：（1）材料相似；（2）时间相似；（3）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后，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，最后要确定作用的速度。一般实验室的步进电机速度可以精确到1.0×10-4 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。目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：相机定时拍照、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，并得到瞬时速度场的矢量值，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-应变和温度的测量，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）提出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几何学特征的对比等，需要注意的是该过程人为因素影响较大，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，而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壳表层构造体系的重演具有独特优势，但其受控于多种因素的影响，这些因素包括实验前期与模型的设计、变形物质特性和动力学机制等，每一个环节对于实验结果的影响都至关重要，系统分析区域地质背景、严格确定边界几何条件、科学合理的设计模型是构造物理模拟实验的关键。此外，应尽量避免构造模拟过程中人为因素对实验结果的影响。

参考文献

[1] 单家增.构造模拟实验在石油地质学中的应用[M].北京：石油工业出版社，1996：8-11.

[2] 李涤，何登发，高敏.冲断构造与正反转构造物理模拟实验的研究进展[J].地质科学，2014，49（1）：81-94.

[3] 周建勋，魏春光，朱战军.基底收缩对挤压构造变形特征影响-来自砂箱实验的启示[J].地学前缘，2002，9（4）：377-382.

[4] 童亨茂，孟令箭，蔡东升，等.2009裂陷盆地断层的形成和演化目标砂箱模拟实验与认识[J].地质学报，83（6）：759-774.

[5] 童亨茂.2003渤海湾盆地张巨河复杂断块区平面砂箱模拟实验及其启示[J].地质论评，49（3）：305-310.