弧形走滑砂箱构造物理模型及其大地构造意义

利用砂箱构造物理模型和"实验-实例"互证思想,探讨弧形剪切走滑变形构造特征及其意义。基于弧形吕德尔和弥散性走滑砂箱构造物理模型模拟实验,揭示弧形走滑构造变形导致砂箱浅表断层以R型和Y型走滑破裂为主,形成相互叠置的花状构造冲起带;但弧形带内侧和外侧具有明显不一致的几何学与运动学特征。弧形吕德尔剪切模型中弧形带内侧和外侧走滑断层与基底断层走向夹角范围分别为4°~23°、6°~23°,内外侧走滑断层端点与基底断层间距离分别为1~6mm、4~5mm;弧形弥散性剪切走滑变形过程中弧形带内侧、外侧走向角分别为4°~30°、11°~25°,断层间距分别为1.1~5.7mm、1.6~4.7mm,且弧形带内侧断层倾角主要为~45°,而弧形带外侧断裂倾角主要为65°和75°,总体上揭示出弧形剪切带内侧走滑上冲构造特征显著强于外侧。同时,砂箱浅表物质PIV监测揭示弧形基底断层带外侧冲起构造带的地质体走向上水平走滑速率逐渐减小、垂直运动速率逐渐增大,揭示了走滑断层构造属性逐渐转变的过程,即由走滑断裂逐渐转变为(走滑)上冲断裂,断层沿走向的倾角逐渐减小、断距增大,空间上呈现为螺旋状断面特征。四川盆地周缘弧形(走滑)构造变形带,即大凉山-小江弧形走滑构造带和大巴山城口弧形走滑上冲构造带,它们的形成过程及其构造特征与弧形(走滑)结构带密切相关。

浅表走滑构造系统砂箱物理模拟研究进展

地壳浅表走滑构造系统发育于多种类型的地球动力学背景,不仅具有较强地震危害性、也富集油气矿产等资源。自20世纪初以来,基于地质构造过程自相似性和“无理有效性”的砂箱物理模型为走滑构造系统演化特征与机制等研究提供了独立有效的手段。自然界走滑构造系统动力学上可分为板缘构造转换断层和板内走滑断层体制,空间几何学上可分为走滑断层弯曲类和走滑断层叠置类。基于吕德尔剪切和弥散性剪切砂箱物理模型实验共同揭示出,走滑剪切系统主走滑变形位移带发育五类断裂/破裂体系,即R型破裂、R′型破裂、P型剪切、张破裂和Y型破裂,尤其是在弥散性剪切变形过程中发育大量的RL和RL′型斜切剪破裂。浅表走滑剪切构造系统分段性及其走滑转换带差异变形特征受控于基底走滑断层应力‒应变条件沿走向差异变化的特性,基底断层几何学(弯曲/叠置性、间隔性等)、砂箱动力学特性(纯走滑剪切、拉分走滑和挤压走滑剪切)、非均质性砂箱物质特征(黏土和膏岩等)、基底非均一性(塑性基底物质几何学等)等对走滑构造变形过程具有明显的控制作用。砂箱物理模拟实验能为走滑构造系统运动学、变形特征与机制等提供较好的解释模型,能有效再现走滑构造形成演化的四维过程与机制,在地震灾害机理、油气勘探等方面将发挥越来越重要的作用。

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。