鱼嘴构造的实验研究

鱼嘴构造的实验研究_香肠构造与流变学

第二节　鱼嘴构造的实验研究

前述（第二章第五、六节，第三章第二节，第四章第九、十节）表明对鱼嘴构造的天然露头研究与理论分析已较为成熟（Wegmann，1932；Cloos，1947；徐云峰等，2002，2003；吴武军等，2004a、b，2005；储玲林等，2006；储玲林和曾佐勋，2004），本节拟通过物理模拟与二维有限元数值模拟来进一步探讨鱼嘴构造的几何形态与其成因机制、介质流变性质之间的联系，以及鱼嘴构造在应变过程中的应力、应变及能量的分布规律。

一、物理模拟研究

1.实验装置

我们已了解到广义的鱼嘴构造包括对称型鱼嘴构造和不对称型鱼嘴构造两个亚类，模拟这两种鱼嘴构造需要两种不同的剪切作用方式，前者为纯剪切作用的结果，后者为简单剪切与纯剪切的共同作用结果。本节设置了两种实验装置：一种为纯剪切装置，纯剪切实际上是应力转换机制下的纵向正应力转换为横向纯剪应力，对于纯剪切的应变椭球来说，Y方向无长度变化，而Z方向产生短缩，X方向发生伸展（图3-8）。另一种装置如图5-10所示，可模拟一般剪切，即包含简单剪切和纯剪切成分的剪切方式，该装置不仅需要纵向的加载，而且还需要施加横向的剪切力。因此，将实验装置设计为：挡板阻挡实验材料沿Y方向流动，Z方向和X方向上同时加载；垫板上安装滚珠，并涂抹润滑油，以减小摩擦；并能调节Z方向与X方向上加载的比例，以便能模拟不同简单剪切和纯剪切组分的剪切作用方式。

图5-10　一般剪切实验装置

2.实验材料

实验采用的流变材料主要是在聚甲基乙烯基硅橡胶（分子量61万，挥发分1.43%，乙烯基含量0.15mol%）中填充颜料、滑石粉、二氧化硅、二氧化钛、碳酸钙等组分，按一定的比例配制而成。使用华中构造力学研究中心实验室自主研制的简式拖曳式流变仪测得10种模型材料的流变参数（表5-4）。

表5-4　实验材料及参数列表（实验温度32℃）

3.结果分析

物理模拟分成两大类：一类是使用纯剪切实验装置模拟对称型鱼嘴构造；另一类是使用一般剪切装置模拟不对称鱼嘴构造。模拟材料的组合、加载以及加载时间、实验温度等实验记录见表5-5。

表5-5　实验记录表

从物理模拟的结果（表5-5，图5-11）来看，对称型鱼嘴构造的形成演化与实验材料的物性参数，特别是黏度与应力指数的关系非常密切。在应变速率基本相当的情况下，实验1、2、3的鱼嘴的演化程度最低，但相应能干层与基质的黏度差异却最大，达到5倍以上；实验8、16的鱼嘴的演化程度次之，其能干层与基质的黏度差异相对较小，达到3～4倍左右；实验5、14、15显示了演化程度相当高的鱼嘴构造，但其能干层与基质的黏度差异最小，差异约为2倍。这与第三章第二节中物理模拟实验得出的认识是一致的。

对于不对称鱼嘴构造，其演化程度的最主要表征是其不对称程度，实验17的不对称程度最高，能干层与基质的黏度差异反而最小，达2倍左右；不对称程度次之的实验15，能干层与基质的黏度差异较大，达5倍左右；极端的情况是实验18、19，实验照片显示能干层几乎未见变形，但是由于剪切作用的存在，能干层不是以变形而是以旋转的形式适应简单剪切——产生雁行式的定向排列，材料黏度的差异最大（图5-12）。

由实验还得到如下规律：能干层的应力指数普遍大于基质的应力指数，能干层的应力指数通常在3左右，而基质的应力指数通常小于2。

图5-11　部分对称鱼嘴构造物理模拟实验图片

实验1、2材料为M1＋M2，加载300g；实验3材料为M1＋M3，加载300g；实验8材料为M1＋M6，加载400g；实验5材料为M3＋M4，加载400g；实验16材料为M7＋M3，加载220g；实验14、15材料为M8＋M4，加载400g

二、数值模拟研究

鱼嘴构造的物理模拟表明，材料的非线性流变是产生鱼嘴构造的内在动因，基于此，在前人所建立模型的基础上，有必要考虑材料的非线性流变性质。在这里我们借助计算机数值模拟一组矩形块体在基质中的变形，以便更为透彻地认识鱼嘴构造的形成机制及相关影响因素。前面已经讲到香肠构造的应变椭球Y轴无变形，XZ面的变形属于平面应变，因此只需要模拟剖面的变形，而无需三维数值模拟。

图5-12　部分不对称鱼嘴构造物理模拟实验照片

实验18材料为M10＋M9，纵向加载800g，横向加载800g，加载时间4min；实验19材料为M10＋M9，纵向加载800g，横向加载400g，能干层块体亦呈雁行排列；实验17材料为M6＋M3，纵向加载220g，横向加载220g，加载时间7min；实验15材料为M7＋M3，纵向加载220g，横向加载400g，加载时间6.5min；实验7材料为M2＋M5，纵向加载400g，横向加载200g

1.对称鱼嘴构造数值模拟

使用有限元分析软件MARC，材料力学参数设置见表5-6。在对称型鱼嘴构造的模拟中，以纯剪切的作用方式加载，Y方向上的位移速率为-0.03（图5-13、图5-14）。

下面我们简要分析数值模拟结果：对称鱼嘴构造的变形图（整个变形过程中的一祯）与野外的实际形态以及物理模拟的形态相似；但是，野外的标本与物理模拟的香肠构造的基质与能干层接触面平直，而数值模拟的结果显示明显的弧形，香肠体端部变形尤其明显（图5-14）。本书认为其原因在于数值模拟的结果显示能干层以弹性变形为主，香肠构造的端部储集了较大的应变能，中部应变能则很小（图5-15），而岩石和模拟材料实际上属于一种塑性变形，因此，两者在相似性上还存在一定的差别。

模拟结果显示，对称鱼嘴构造的最大主应力区为香肠体边部及相邻香肠层的间距中点处，反映基质挤入了同一层相邻香肠体之间的空隙，基质的流动或挤入导致能干层的被拖曳或被挤压是鱼嘴构造形成的直接原因（图5-16）。

图5-13　对称鱼嘴构造材料图

图5-14　对称鱼嘴构造变形图

图5-15　对称鱼嘴构造能量图

图5-16　对称鱼嘴构造主应力分布图

2.不对称鱼嘴构造数值模拟

不对称鱼嘴构造的数值模拟材料的物理参数与对称鱼嘴构造数值模拟的相同（表5-6），模型也基本相同，只是在模型的下边界赋以一水平剪切力，且Y方向上只在下边界加载（图5-17）。

表5-6　数值模拟的参数列表

图5-17　不对称鱼嘴构造模型图

数值模拟的X方向位移显示不对称鱼嘴构造存在一个整体的横向剪切作用，这在很大程度上控制了香肠体的形态（图5-18）；而Y方向的位移在这里代表厚度的减薄，其等值线基本平行，显示了整体的减薄（图5-19）。

图5-18　不对称鱼嘴构造X方向位移图

图5-19　不对称鱼嘴构造Y方向位移图

不对称鱼嘴构造数值模拟的变形图（图5-18、图5-19）、能量图（图5-20）显示出矩形块体的端部是变形的集中区域，这为我们在分类研究应变和流变计设计时，将构造变形放在其端部形态的定量化探索上提供了依据和佐证。

不对称鱼嘴构造数值模拟中剪应力的分布：过不对称鱼嘴状香肠体的两个尖锐端做鱼嘴弯弧的切线，两条平行切线上显示最大的剪应力；切线之间显示中等剪应力，且其剪应力基本相等；切线之外的区域显示最小的剪应力（图5-21）。

图5-20　不对称鱼嘴构造能量图

图5-21　不对称鱼嘴构造主应力分布图

三、结论

（1）物理模拟表明：当其他条件相似时，鱼嘴构造的演化程度与其能干层对基质层的黏度比值呈反相关，即黏度比越大，鱼嘴构造演化程度越低；黏度比越小，演化程度越高。且在鱼嘴构造发育过程中，能干层的应力指数普遍大于基质层的应力指数。

（2）数值模拟表明：鱼嘴构造能干层的最大主应力区、应变及应变能集中区主要位于其两端部。对称鱼嘴构造形成的直接原因，是能干层上下基质层的流动或挤入所导致的能干层被拖曳或者被挤压。过不对称鱼嘴构造两尖锐端作鱼嘴弯弧的切线，可对能干层中剪应力值分区，两切线上剪应力最大，切线之间次之，切线之外最小。

（3）实验研究结果再次印证，鱼嘴构造是较好的岩石流变学指示标志，不对称鱼嘴构造还是良好的剪切方向指示标志。