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1、 构造物理模拟实验研究中的关键问题 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
2、 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m,内摩擦角为 2931,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，毕业.n 篇论业论载计计算载计 篇论论文,我国着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 1.2104 Pa.S,密度为 0.926 g/cm3,
3、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
4、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;(6xmm/s,而根据笔者前期系列实验的
5、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。
6、 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
7、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。xmm/s,而
8、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
9、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
10、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。xmw 论文，毕业工科毕业论文,
