利用鱼嘴构造恢复岩层初始厚度

第二节　利用鱼嘴构造恢复岩层初始厚度

鱼嘴构造是能干层在应力转换条件下，受到垂直岩层面的压缩和平行岩层的伸展作用，断裂的香肠体断面发生弯曲而形成的（详见第二章第四、五节）。在构造形态上，断裂面的弯曲程度往往决定了鱼嘴构造的发育程度。从剖面上来看，弯曲变形前断裂面上的A、B点分别对应变形后鱼嘴构造上的A′、B′点（图3-6），因此香肠体初始厚度H0与鱼嘴长度S之间的关系成为我们研究的关键。（本书将剖面上鱼嘴构造的鱼嘴两尖角点间或者最大曲率的两点间的曲线长度定义为鱼嘴长度。）

如图3-6所示，H₀/H₁的大小可以表征能干层厚度变化的程度，S/H₁则可以表征鱼嘴的弯曲程度。本节试图建立鱼嘴状石香肠的形态与香肠体厚度变化之间的关系，即利用鱼嘴和香肠体的形态（鱼嘴的弯曲程度和变形后的厚度）来恢复能干层的初始厚度。

引入Wegmann（1932）的鱼嘴构造演化模型，将其演化过程中五种不同的状态近似地看成A、B、C、D、E五种不同类型的鱼嘴形态。鱼嘴构造的应变椭球既有垂直于岩层面方向的压缩，又有平行于岩层面方向的伸展。随着断裂面的不断弯曲，鱼嘴产生渐进变形，鱼嘴从演化初期的沿Z轴方向的压缩占主导逐渐转变为后期的沿X轴方向的伸长占主导，因此鱼嘴长度S完整的变形过程中是一个先减小后增大的渐进变形过程（图3-7）。

一、物理模拟实验探讨

在物理模拟实验中，我们使用一种纯剪切实验装置，即在Z轴方向加压导致实验材料沿Z轴方向缩短和X轴方向伸展（图3-8）。实验材料是高分子流变材料聚甲基乙烯基硅橡胶和硅橡胶腻子（表3-4）。实验结果显示，实验1、2属于B型鱼嘴构造，实验3、4属于C型鱼嘴构造，实验5、6属于D型鱼嘴构造，实验7、8属于E型鱼嘴构造（图3-9）。

图3-6　鱼嘴状石香肠变形前后示意图

H₀.能干层初始厚度；H₁.能干层变形后厚度；S.鱼嘴长度；A′、B′.鱼嘴构造尖角点

图3-7　鱼嘴状石香肠的演化过程（Wegmann，1932）

图3-8　实验装置示意图

实验数据的统计规律表明：B、C两种形态的鱼嘴构造的鱼嘴长度S介于能干层初始厚度H0与石香肠厚度H1之间（见表3-4），显示该过程以Z方向的压缩为主；而D、E两种鱼嘴构造的鱼嘴长度远大于能干层初始厚度H0及香肠体厚度H1，显示在该过程鱼嘴构造以X方向的伸展为主（表3-4，图3-9）。鱼嘴的弯曲程度越小，鱼嘴长度越接近能干层初始厚度，能干层变形前后厚度差越小；鱼嘴的弯曲程度越大，鱼嘴长度越远离能干层的初始厚度，能干层变形前后厚度差越大。根据实验结果分析（详见第五章第二节）：在相同的加载和时间的条件下，基质和能干层能干性差别较大的情况下，相对容易产生B、C型鱼嘴构造；而在基质和能干层能干性差别较小的情况下，相对容易产生D、E型鱼嘴构造。相应地，在特定的基质和能干层的条件下，随着加载和时间的增大，香肠会依次经历从A型到B、C、D、E型的演化过程。可见在这里，实验揭示了鱼嘴构造产生和演化的若干动因，外因是加载模式与时间因素，内因是材料的流变性质，而这正好模拟了鱼嘴状石香肠形成所受外力源的作用和岩石流变性质的影响。

表3-4　部分鱼嘴构造物理模拟实验数据列表

图3-9　部分鱼嘴状构造物理模拟实验照片

比例棒长1cm

根据模拟出的四类鱼嘴构造的形态和实际测量的各香肠体H₀、H₁及S的数值（表3-5），认为H₀/H值能较好地表征能干层的厚度变化；由于B型鱼嘴构造的S/H1值在1.07～1.22之间，C型鱼嘴构造的S/H1值在1.25～1.40之间，D型鱼嘴构造的S/H1值在1.52～1.70之间，E型鱼嘴构造的S/H1值在2.45～2.78之间（表3-5，图3-10），可见S/H1可较好地表征鱼嘴的形态；将H0/H值与S/H1值投图并线性拟合（图3-10），可得H0、H1及S之间满足如下关系：

式中：K为根据鱼嘴形态的厚度恢复系数。

表3-5　鱼嘴构造S/H1值与厚度恢复系数K的关系表

图3-10　不同类型鱼嘴构造H0、H1及S之间关系图

在上述实验基础上，根据鱼嘴形态（S/H₁）以及能干层的厚度变化（H0/H1），表3-5和图3-10均给出了B、C、D、E四种类型鱼嘴构造能干层的经验厚度恢复系数K。将K值与S/H₁值进一步投图（图3-11）可知，从A类演化至E类鱼嘴构造，鱼嘴的弯曲程度（S/H1）是一个逐步增大的渐进变形过程，而相应的厚度恢复系数却是先增大后减小的。

图3-11　鱼嘴构造厚度恢复系数（K）-鱼嘴弯曲程度（S/H1）投图

图中A、B、C、D、E对应图3-7

二、应用实例

从实验研究的结果来看，B、C、D、E四类不同鱼嘴构造的鱼嘴长度和其初始厚度之间均存在一定的定量关系。因此，联合模拟实验得出的厚度恢复系数K（表3-5）以及野外鱼嘴构造鱼嘴长度S和香肠体厚度H₁的实际测量，可使得利用特定的鱼嘴形态来恢复某些岩层的初始厚度成为可能。以下便是该方法对湖北大冶铁山的两类鱼嘴构造形态的应用实例（图3-12）。

图3-12　湖北铁山鱼嘴构造标本素描图

先测出a标本的S＝1.25cm，H1＝1.28cm，得S/H₁＝0.98，较接近B型鱼嘴构造（表3-5），取恢复厚度系数K1＝1.05，根据公式H₀/H₁＝1.05S/H₁，得到岩层初始厚度H₀＝1.31cm，略大于香肠的厚度H₁＝1.28cm；同样测出b标本的S＝1.20cm，H₁＝0.90cm，得S/H₁＝1.33，较接近C型鱼嘴构造（表3-5），取恢复厚度系数K₂＝1.38，根据公式H₀/H₁＝1.38S/H₁，得到岩层初始厚度H₀＝1.65cm，大于香肠厚度H₁＝0.90cm。

铁山石香肠发育区的岩性组合是角岩和大理岩互层，上述研究表明，通过对发育鱼嘴构造的单层地层恢复厚度，可近似地估计整套地层压缩的百分比。

三、讨论与结论

影响鱼嘴构造形态的因素很多，本节得出的主要影响因子有构造变形的时间和能干层对基质的能干性差异（其他因子详见第五章第二节），不同的应力作用时间和不同的能干性差异可能产生相同或相似的鱼嘴状石香肠形态。这里我们仅从鱼嘴构造的几何学特征出发，建立了一种简单的关系。而应力作用的时间因素和岩石流变性质差异对鱼嘴状石香肠形态的影响，都是有待进一步研究的问题。此外，鱼嘴构造的演化过程实际上是一个连续不间断的过程，将鱼嘴构造的形态分成A、B、C、D、E五类有利于简化研究，但仍然较粗略，鱼嘴的形态实际上是可以用曲率来描述的，而曲率同样是可以连续变化的。进一步的研究需要引入对鱼嘴形态的定量描述，从而探索出更加精确、操作性更强的岩层初始厚度恢复方法。