骨节状香肠构造的实验研究

第三节　骨节状香肠构造的实验研究

本节拟从物理模拟和数值模拟实验的角度，重点研究骨节缝填充脉体在骨节状香肠构造形成中的作用，以及两期纯剪切成因的骨节状香肠体中应力应变的分布特征。

一、物理模拟研究

1.模拟实验

由于目前还无法物理模拟骨节状香肠骨节缝的形成过程，本节拟利用物理模拟实验模拟从骨节缝形成后骨节状香肠的变形过程。对称骨节状香肠构造物理模拟实验使用的装置基本类似图3-8，实验过程中，Z轴为竖向加载方向，模拟垂直岩层主压应力，Y轴方向固定，X方向上水平伸展。不对称骨节状香肠构造物理模拟实验使用的装置则类似图5-10，实验过程中，Z轴为竖向加载方向，模拟垂直岩层主压应力，Y轴方向固定，X轴辅以剪切加载。

实验材料由甲基乙烯基硅橡胶、凡士林和黏土等为原材料配制而成，黏度较低的材料用作基质层，黏度较高的材料作香肠体；充当骨节缝填充脉的材料为沥青（常温下），黏度最大。

实验主要步骤：

（1）将固体沥青切成长条形，能干层材料切成块状，将二者摆靠在一起，静置一段时间，使二者充分粘合，图5-22A为能干层初始状态。

（2）在能干层上下层面放置基质层做成“三明治”状，加载，记录变形时间，控制变形速率。

（3）加载结束后将装置拆开，用切刀将材料整体沿着XZ面切开，观察材料变形，记录并拍照。

2.实验结果与分析

通过多次物理模拟实验，运用垂直层面压缩变形（图3-8）及垂直层面压缩和顺层剪切作用相结合（图5-10）两种加载模式，模拟出不同形态的骨节状香肠构造（图5-22、图5-23）。

在垂向压缩与水平剪切相结合的加载方式作用下，由于填充脉能干性远高于基质和能干层材料，所以当能干层香肠体被基质压扁、伸长时，填充脉体仅发生剪应力作用下的重新侧列排布。在垂直层面压应力作用下，能干层与基质层垂向上整体压缩减薄，水平拉长（图5-22B）；在顺层剪切作用下，填充脉体（深黑色沥青质）表现出侧列歪斜排列的特征，反映了基质层和香肠层物质在骨节状香肠化过程中经历了剪切作用（图5-22C、D、E）；靠近填充脉体的香肠体部分物质由于受到脉体的拖曳等作用影响，比香肠体中部的厚一些，并与对应的填充脉体形成一致的侧列排列。这样就形成了香肠体中部减薄明显、两端凸出的“骨节”状形态（图5-22D、E）。

图5-22　剪切侧列型骨节状香肠构造物理模拟实验结果（图中标尺长为1cm）

图A为能干层XZ面初始状态；图B为骨节状香肠构造模拟的XY面；图C为骨节状香肠构造模拟的XZ面全景；图D为骨节状香肠构造模拟的XZ面近景；图E为骨节状香肠构造模拟的XZ面近景

图5-23　物理模拟获得的具有不同形态骨节缝的骨节状香肠构造

A和图B为直立型骨节缝；图C为侧列型骨节缝；图D为弧型骨节缝；图E为锯齿状骨节缝；图F为“S”及“Z”型骨节缝

在垂直层面压缩应力条件下，模拟出了具有不同形态骨节缝的骨节状香肠构造，如直立型骨节缝、侧列型骨节缝、弧型骨节缝、锯齿状骨节缝和“S”、“Z”型骨节缝（图5-23），与野外实际基本相符，反映出不同流变性质的物质层在变形过程中的复杂流变行为。其中，注意到在该实验中也形成了少量侧列型骨节缝（图5-23C），从各骨节缝侧列形态的不一致，我们认为这与加载过程中，由于模型或仪器的不精确导致压缩作用不严格垂直于层面，从而产生局部的剪切效应相关。

二、数值模拟研究

我们采用有限元分析软件Marc初步研究后成脉体型对称骨节状香肠的形成。骨节状香肠构造在形成时，各层岩石均处于塑性-半塑性状态，基质层与能干层的物质组成和能干性差异形成了物性边界和力学界面。这样，在对其做数值模拟时就要综合考虑相应的几何条件、边界条件和材料性质等，而Marc软件在处理这类非线性问题上的功能是较强大的。

1.模型建立和模拟过程

香肠构造是典型的B型线理，故在模拟中我们采用了二维平面变形模型。基质、能干层和骨节缝填充脉体材料的弹性参数（杨氏模量、泊松比）、流度和应力指数设定见表5-7。如图5-24中的初始模型所示，X轴方向代表有限应变椭球体A轴方向，Y轴代表C轴方向，且下边界Y方向约束，上边界处于压缩受力状态。

表5-7　骨节状香肠构造数值模拟参数的初始化设置

图5-24　骨节状香肠构造数值模拟初始模型

在垂直层面固定位移速率作用和下边界约束条件下，能干层中部Y方向下压缩变形明显高于两端，形成中部内缩、两端外凸的“骨节”形态，即由初始模型直观地模拟出了骨节状香肠构造（图5-25）。

图5-25　骨节状香肠构造数值模拟Y方向上位移图

2.实验结果与分析

在表5-7和图5-24所示初始状态下，经由垂直层面压应力作用后，矩形香肠体两端部Y方向位移（变形）较小，向中部Y方向位移逐渐变大，从而呈现“骨节”状外凸（图5-25）。

沿着X轴方向，骨节状香肠构造最大主应力呈现出明显的两极分布（图5-26）：在骨节状石香肠构造的上下表面附近，香肠体中部为明显的低应力区，在“骨节”凸出的两端顶点处应力集中尤为强烈，出现应力极大值（图5-26A），这与吴林波等（2011）应变测量反映出的骨节缝充填脉两端对应的基质层区域显示异常高真应变差值的现象相吻合；而在骨节状香肠构造中轴上，香肠体中部最大主应力明显大于香肠体两端（图5-26B），体内积聚的应变能（势能）则表现出从中部到端部陡增的趋势（图5-27）。香肠体之间缝隙部位存在明显低应力区域的现象（图5-25、图5-26B），间接验证了前人有关骨节缝填充脉由基质压溶分异并形成于端部低应力区的设想（Malavieille和Lacassin，1988；樊光明等，2002）。

图5-26　单节骨节状香肠构造X方向主应力分布趋势图

图A为骨节状香肠构造上下表面附近最大主应力的分布；图B为骨节状香肠构造中轴上最大主应力的分布

图5-27　单节骨节状香肠体应变能分布趋势图

在较高的应力和应变能集中的双重作用下，香肠体端部变形却很小，“骨节”外凸形态依然明显；而远离填充脉体的、具有较小应力和应变能的香肠体中部则出现凹陷。这有力地表明骨节缝处香肠层端部的能干性得到了很大的提高，以致在压缩变形中保持了原来的厚度。综合前文物理模拟实验的结果，可以认定能干性最强的骨节缝填充脉在这一过程中发挥了决定性的作用，这与Kenis等（2006）和Maeder等（2009）通过有限元数值模拟得出的认识相一致。

在野外实际所见骨节状香肠构造，均由骨节缝填充脉体予以衔接。北京西山地区骨节状香肠构造发育在中元古界地层灰质白云岩和含硅质白云质灰岩互层中，骨节缝处由充填石英脉予以衔接；铁山地区骨节状石香肠构造发育于下三叠统大冶群变质地层的角岩-大理岩互层中，由含少量石英的中-粗粒绿帘石脉体予以连接。在上述骨节状香肠构造研究中，骨节缝充填脉能干性均大于相应能干层及基质层，进一步印证了上述实验结果与分析。

三、结论

由上述实验研究可得：

（1）在垂直层面压缩变形条件，以及垂直层面压缩和顺层剪切结合条件下，可以分别形成后成脉体型对称骨节状香肠构造与不对称骨节状香肠构造（脉体初始与岩层面相垂直），验证了后成脉体型骨节状香肠构造的形成机制（详见第二章第三节）。对后一种成因的骨节状香肠构造，骨节缝填充脉与能干层层面所交锐角指向相邻基质层的相对剪切方向。

（2）骨节缝填充脉体相对的高能干性对于香肠体局部能干性的提高具有重要意义，是骨节状香肠构造形成机制的关键所在；而剪切作用在骨节状香肠构造的形成过程中，仅能影响骨节缝填充脉的排列，并没有前人理论研究（Malavieille和Lacassin，1988）中设想的那样重要。