利用骨节状香肠构造恢复岩层初始长度

第四节　利用骨节状香肠构造恢复岩层初始长度

骨节状香肠构造主要有三种成因类型（见第二章第三、四节）。本节仅考虑第一种，即由两期递进垂直层面压缩作用叠加产生的骨节状香肠构造，拟从理论研究、物理模拟实验及实例应用的角度，探讨与论证利用该类骨节状香肠恢复岩层初始长度的方法。

一、骨节状香肠构造中的等面积法

由于骨节缝物质能干性强，在构造运动中应变较小，所以，我们认为骨节缝处香肠层的厚度可近似等于香肠层的初始厚度，再根据等面积法原理即可求出骨节状石香肠层的初始长度。

蔡永建等（2004）根据等面积法原理成功地推算肿缩石香肠层初始厚度（详见本章第一节）。同理，骨节状石香肠也可以利用“梯形替代法”原理来计算香肠体的面积：以曲线AB为例，直线AB与曲线AB所交的两个小区域对于计算图3-15中AB段骨节状香肠体的面积时正好可以相抵消，因此，应用“梯形替代法”求骨节体面积的误差同样比较小。求得骨节体的面积后，再根据前面对骨节状石香肠层初始厚度的设定，就可以求出香肠层的初始长度。

图3-15　骨节状香肠体ac剖面示意图

设某一节骨节状香肠体的横向剖面（ac面）骨节状香肠化前初始截面积为S₀＝H₀L₀（H₀、L₀分别表示能干层的初始厚度与宽度），变形后的ac面面积记为S，单节长度为L。对单节香肠体，建立坐标系（图3-15）。S_AB可看成一个上底为H₂，下底为H₁的梯形的面积；同理，S_BC可视为一个上底为H₂，下底为H₃的梯形的面积。整个单节骨节状石香肠的面积为：

式中：H₁和H₃为香肠体两个端部的厚度；H₂为香肠体的最小厚度；X₁₂为H₁和H₂之间的垂直距离；X₂₃为H₂和H₃之间的垂直距离。

根据第二章第三节的分析可知，本类骨节状石香肠在形成过程中有两期变形。

（1）早期，在垂直层面的挤压和平行岩层的伸展作用下，由于温度较低，香肠层和基质层能干性差异较大，首先形成矩形断裂石香肠。其平行层面的拉伸应变值ε₁等于各破裂缝宽度的加和与能干层初始长度的比值。

（2）晚期，在断裂石香肠体之间的裂缝被充填成脉后，受同样的纯剪切作用，随着温度不断升高，香肠层和基质层能干性差异逐渐变小，形成骨节状石香肠。这时的应变值ε₂为各节香肠伸长长度的累加与各骨节状香肠体初始长度累加和的比值。

具体操作时，将单节骨节状香肠体的面积求出以后，再根据骨节状石香肠层的最大厚度即为骨节状石香肠层初始厚度的假设，求出各段骨节状石香肠体的初始长度，进而计算出骨节状石香肠第二期的应变值：

式中： 为第k节骨节状香肠体的初始长度；S_k为第k节骨节状香肠体的面积；H_max为第k节骨节状香肠体的最大厚度；L₀为香肠层经早期纯剪切形成的矩形断裂香肠体总长度，在这里我们称之为香肠层初始长度；L为各骨节状香肠体的总长度；ε₂为骨节状香肠层第二期变形的顺层拉伸应变值。

二、物理模拟实验论证

由于第五章第三节中的骨节状香肠构造物理模拟实验中所得到的侧列型骨节状香肠构造（图5-22）形态标准、骨节缝充填脉体的倾斜度不大，且XZ剖面上也是同由两期递进垂直层面压缩作用产生的骨节状香肠构造一样为平面应变，即理论上应为等面积变形，可近似地用作本节等面积法的论证。故我们取该侧列型骨节状香肠构造模型的主体区段（图3-16、图3-17）作为例证进行测算。

图3-16为模型变形前的状态，从第二个香肠体（左起）开始算起，能干层段的面积分别为：4.02cm²、4.23cm²、4.31cm²和4.54cm²。实验加载后获得的骨节状香肠如图3-17所示。利用等面积法求得香肠体的面积分别为：3.89cm²、4.11cm²、4.14cm²和4.23cm²。

对比测得变形前后的面积可知，用等面积法算得的面积与实验前的面积相差分别为：3.23%、2.84%、3.94%和6.82%。第1、2和3节都在误差允许范围之内。由于第4节骨节状石香肠可能是处于边界，受力不均匀，骨节缝倾斜度比较大，导致用等面积法求得的实验前后面积相差比较大，但如果增加模型长度则可避免。由此认为用等面积法来计算骨节状香肠的原始面积是可行的。

图3-16　模型加载变形前状态

质层，由黏度较低的材料配制而成；b.能干层，由黏度较高的材料配制而成；c.骨节缝充填脉，橡胶腻子

图3-17　模型加载变形后状态

三、骨节状香肠构造应变测量

按上述测量方法，我们在铁山地区尖山一带共测得8个骨节层，各数据如表3-8。

表3-8　铁山骨节状香肠构造应变计算（据许海萍等，2005）

在测得结果（表3-8）中，第一期应变量相对较小，在1.95%～4.09%之间，平均值为3.21%；第二期应变量较大，在29.71%～45.04%之间，平均值为37.35%。

在上述测量的8个骨节层中，1、2两层骨节状石香肠之间发育一条矩形断裂石香肠。该层的观测总长度为l＝105.2cm。各分矩形香肠体的长度分别为：0.9cm、1.1cm、1.2cm、1.4cm、0.8cm、1.7cm、3.4cm、0.6cm、2.4cm、1.8cm、1.2cm、1.7cm、2.5cm、1.9cm、1.8cm、1.9cm、3.3cm，2.2cm、2.2cm、2.4cm、2.3cm、2.0cm、4.8cm、2.7cm、1.5cm、3.3cm、1.5cm、7.8cm、4.5cm、3.4cm、1.5cm。

由于矩形断裂石香肠的初始长度l₀为各香肠体段长度之和，计算得l0＝71.7cm，则平行层面方向的拉伸应变值：

该层矩形断裂香肠体之间无胶结物充填，表明它的能干性比骨节状香肠层的弱，在骨节状香肠骨节缝形成时，矩形断裂香肠还未断裂形成，则通过该矩形断裂香肠算得的应变值相当于骨节状香肠的第二期应变值。

与表3-8实测数据对比可知，第1～3层骨节状香肠测得的应变值与矩形断裂石香肠测得的应变值相差依次仅为：4.49%、1.68%和4.86%，这间接反映出运用等面积法获得的骨节状石香肠初始长度是可靠的。而其他骨节状香肠层应变值与矩形断裂石香肠应变值偏差较大则可能是由于各个香肠层的能干性差异及基质能干性差异造成的。例如，伴随着骨节状香肠第二期的变形，骨节缝脉体也发生了相对微小的垂直层面的压缩与顺层伸长作用，这直接导致获取的能干层初始厚度偏小，从而间接使得它的L₀偏大、ε₂偏小；矩形香肠体相应的微小伸长变形也未纳入考虑，这直接导致相应的l₀偏大，间接导致计算的应变值偏小。故进一步的论证工作需要从物质组成的角度深入研究。

四、小结

通过物理模拟实验和野外实例应变测量表明，运用等面积法来反演骨节状香肠的能干层初始长度是可行的。需要注意的是，这种应变测量方法暂时只能适用于两期递进垂直层面压缩作用叠加产生的骨节状香肠构造。另外，本节的物理模拟实验还有待改进，更多的证据有待发掘以证实该方法的可靠性。