重力滑覆构造的物理模拟实验研究

刘宗权

摘要：重力滑覆构造是一种在重力的影响条件下，岩体的重力势能转化为岩体的动能，岩体本身还发生了一定的构造变形变位所形成的构造，一般形成于地表或地下较浅位置。构造物理模拟实验是在构造地质学中一种热门的研究手段，是研究和模拟各种构造现象的成因机制、变形特征和动力学过程的物理模拟实验方法。本文所要研究的主要问题是通过构造物理模拟，分析重力滑覆构造的几何结构，了解重力滑覆构造的形成过程。研究手段即是构造物理模拟实验。采用石英砂以及硅胶这些模拟材料建立一个模型来模拟一个地层，在抬升一定的高度后形成斜坡，并在重力作用下逐渐下滑形成重力滑覆构造基本构造样式的模型。经过本次实验研究了解构造物理模拟这一构造地质学方法的进展，熟悉构造物理模拟实验的基本流程，了解重力滑动条件下不同区域的变形型式和变形过程；还可以推动重力滑覆构造的基础研究。

关键词：重力滑覆构造；构造物理模拟；构造变形过程

1.引言

重力滑覆作用是指在岩层在仅仅只受到重力的影响作用下，其动能由重力势能转化而来，且其本身还产生了或多或山的构造变位变形的地质作用。其通常发生在离地壳表层下不远处或者地壳表层上。当岩体发生过重力滑覆作用后，并且因此而保存下来的地质构造称为重力滑覆构造。前人在对重力滑覆构造进行模拟实验研究时，对岩层的岩性、坡角、层厚以及其中所含有的孔隙流体等各种能够对重力滑覆构造形成产生一定影响的因素做了相关的研究，得出了一系列的发现，比如发生重力滑覆所需要的实际坡度角小于理论值；岩层的孔隙流体对于滑动有一定的促进作用[1]。在前人的研究中重力滑覆构造的几何结构被划分为了下伏系统、滑动系统（滑覆体）、滑动面、润滑层（滑脱层）、后缘拉伸带和前缘推挤带。

构造物理模拟实验是一种在构造地质学中被广泛使用的研究方法与手段。由于构造地质作用发生年代久远，规模通常较大，光凭借理论研究很难对构造地质作用有更深的理解，于是科学家们想到通过用石英砂、硅胶、石膏等各种模拟材料来模拟地质体[2]，建立一定的模型，并且通过施加一定外力来模拟地质体发生构造作用时的地质营力，在作用过程中观察模型的变形过程以及变形特征，最后将经过一段时间的静置以后的模型与实际地质体相比较，以此来验证所提出的理论。

2.实验原理

构造物理模拟实验是指通过模拟各种构造现象来研究其成因机制、变形特征和动力学过程的物理模拟实验方法，是研究构造地质学比较有效的手段。构造物理模拟实验的基本原理即是相似理论。

相似理论有三大定理：其一，相似第一定理：凡彼此相似的现象，必定具有数值相同的相似准则；其二，相似第二定理：凡具有同一特性的现象，当单值条件彼此相似，且由单值条件的物理量所组成的相似准则在数值上相等，则这些现象必定相似；其三，当一个现象由n个物理量的函数关系来表示，且这些物理量中含有m种基本量纲时，则能得（n-m）个相似准则；描述这一现象的函数关系式，可表示成（n-m）个相似准则间的函数关系式。

通常来说，相似理论中主要的相似条件有几何相似、材料相似、动力相似和边界相似，而次要相似条件有时间相似、运动相似和其他相似[3]。构造物理模拟实验能直观地再现地质构造现象、有针对性地模拟特定的地质构造现象，给出定性至定量的分析。

3.实验过程及实验结果

根据实际实验装置的情况设计了一个模型：总体长60cm，宽30cm，由于实验装置平台被分为三部分，所以模型也分为三部分，宽不变，中间坡面40cm，前后各10cm，前缘装置是不动的，后缘10cm处装置为6号缸的隆升仪器；再由下往上铺放实验模拟材料，首先铺放两层0.5cm厚的不同颜色的干燥石英砂[4]，铺好后再铺放60万凝聚系数的硅胶作为滑脱层。硅胶铺好之后，继续往上铺厚度分别为0.3cm、0.3cm、0.4cm的干燥石英砂，这个厚度不至于太厚使得滑覆体不能滑覆，而且观察起来很方便[5]。然后启动6号缸，将后缘10cm处抬升10cm高度，然后静置一天以后即可观察到模型的变形结果。

由于6号缸的抬升动力是要模拟实际地质体所受到的抬升应力，所以如何控制抬升速率与实际相似是一个重要的问题，经查阅前人资料研究，考虑到时间的充分利用，设定抬升速率为0.05mm/s，采用这样的抬升速率，既能清楚地、全面地观察到实验过程，又能得到良好的实验结果。这个速率对应到实际地质体在应力作用下进行隆升的速度可能就是一年0.5cm，故以这个速度抬升对于模型表层的原始几何形态不会有太大破坏作用，更有利于重力滑覆构造的形成。

本次实验综合考虑模型长度、实验装置限制等多方面因素后，将抬升高度设定为100mm，抬升速率为0.05mm/s。

本次实验由下往上依次铺设0.5cm干燥石英砂、0.5cm干燥石英砂、0.5cm60万凝聚系数硅胶、0.3cm干燥石英砂、0.3cm干燥石英砂、0.4cm干燥石英砂；下面两层石英砂模拟下伏系统，硅胶模拟滑脱层，上面三层石英砂模拟滑覆体。

图1 实验模型剖面图

经过实验后得到如图1的实验模型，从图中可了解到重力滑覆构造的基本结构，首先是后缘拉伸带，作为物源供给区，发育大量正断层；然后是前缘的推挤带，为堆积区，发育少数类似逆冲推覆构造的逆断层；最后是中段滑动带，包含有滑脱层、滑动面、滑覆体以及下伏的基底。重力滑覆构造的基本构造样式即是如此，而其前缘推挤带的逆断层数量的多少，形态的完好程度取决于滑动 的时间、滑脱层的相关滑动系数、滑覆体的组成、厚度等等因素。

4.结论

本次论文研究通过构造物理模拟实验得出了以下结论：

（1）重力滑覆构造的基本几何结构纵向上包含了下伏系统、滑覆体、滑脱层、滑动面，横向上为前缘推挤带、中段滑动带以及后缘拉伸带；

（2）重力滑覆构造的变形型式和变形特征为：①前缘以挤压变形为主，多形成类似于逆冲推覆构造的挤压性逆断层；②中段变形微弱，一般没有明显的变形；③后缘以伸展变形为主，多形成正断层等拉张性的构造；

参考文献

[1]Alexander I C, Maurice M, Jacques M, et al. 1995.A mechanism for syn-collisional rock exhumation and associated normal faulting: Results from physical modelling[J]. Earth & Planetary Science Letters, 132(s1–4): 225-232.

[2]时秀朋,李理,龚道好等.2007.构造物理模拟实验方法的发展与应用[J].地球物理学进展,22(6):1728-1735.

[3]赵仕俊,赵锡奎,杨少春.2005.地质构造物理模拟实验模型的相似分析[J].西北地质,38(4):14-18.

[4]赵仕俊,李晓东.2010.地质构造常规物理模拟实验方法研究[J].石油仪器,24(6):40-42.

[5]于京都.2012.龙门山北段重力滑覆构造物理模拟[D].成都理工大学,1-77.