岩石圈动力学过程砂箱物理模拟研究进展

自20世纪中叶以来,基于地质构造过程自相似性的砂箱物理模拟实验为岩石圈动力学过程研究提供了独立有效的手段。基于以自然界岩石圈深部变形过程为研究对象的砂箱物理模拟实验研究结果,系统阐述岩石圈动力学变形过程的“自然原型—实验模型”间相似性机理,综述砂箱物理模拟所揭示的岩石圈动力学过程机制与特征,并以坎塔布里亚构造带和扎格罗斯—伊朗高原为实例,对比探讨了岩石圈变形过程与砂箱模拟实验之间的耦合性,以期为同行研究提供参考与借鉴。砂箱物理实验模型与自然原型之间相似性机理,强调二者具有流变学和几何学上非牛顿流体连续介质相似性,才能实现低惯量流动下(Reynolds数Re<<1)动力相似性。砂箱物理模拟实验通常使用干颗粒材料、(非)线性黏性流变学材料、黏弹性材料等构建多层物质结构模型,代表岩石圈双层、三层和四层结构模型。基于砂箱物理模拟实验装置及其实验过程中是否有外部动力和物质等加入,岩石圈动力学砂箱物理模型大致分为3类:系统能量物质守恒的内动力驱动模型、开放系统的外动力驱动模型和内外动力混合驱动模型。砂箱物理模拟研究表明,岩石圈动力学变形过程主要受控于岩石圈多圈层耦合性及其能干性(即弹性强度或黏性刚度)和先存(或继承性)非均质性结构特征,从而控制并影响着浅表盆—山系统变形与整体岩石圈层变形的特征。