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构造物理模拟实验研究中的几个关键问题 　　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；（