断裂香肠构造线应变折射流变计

第七节　断裂香肠构造线应变折射流变计

在香肠构造相当发育的地区，基质的流变性质受岩性、结晶粒度等因素的影响（樊光明等，1997，2000），而不同基质流变性质的差异可由石香肠构造显示的应变量反映。在形变时物理化学条件相同的情况下，同一岩性的断裂石香肠构造显示的基质层应变值与基质的流变学参数之间存在比例关系，即断裂香肠构造线应变折射流变计，简称线应变折射流变计。将其进一步推广，可认为同一岩性的基质中不同层矩形香肠层的应变值与流变学参数之间也存在着比例关系。

一、物理模拟实验验证

实际岩石的应变速率是很低的，一般在10-14～10-15s^-1之间（周永胜和何昌荣，2000），在物理模拟实验中，我们只能通过调整实验材料的性质来达到与之类似的结果。在石香肠构造线应变折射流变计的模拟实验中，本课题组配置了低黏度的流变学实验材料（甲基乙烯基硅橡胶、凡士林分别与黏土以不同比例混合，从而制成基质J系列材料和能干层M系列材料）（表4-11、表5-4），并用夹心式剪切流变仪（曾佐勋等，1995）（详见本章第三节）测定了材料的流变参数（图4-21和表4-11）。

图4-21　基质材料的流变参数关系图

左图为基质材料剪应力-剪应变速率关系；
右图为基质材料黏度-剪应变速率关系

分别用材料M¹和M²作能干层做了两组实验（图4-22），模拟了相同条件下不同流变性质的基质中断裂香肠构造的发育特征。其中实验温度、载荷和加载时间是根据经验限定的，实验中采用具有不同流变性质的材料J₁和J₂（表4-11）作为一组对比基质。

表4-11　断裂香肠构造线应变折射流变计物理模拟实验材料流变参数（27℃，1×10⁵Pa）

注：能干层材料流变参数不影响实验效果，故在此省略

图4-22　不同基质中发育断裂香肠构造的两组实验结果

M₁、M₂均为实验能干层材料；J₁、J₂均为实验基质材料

实验采用了垂直层面受力的加载方式。在相同的基质条件下（J₁，J₂互层），能干层（M¹，M²）分别在垂向压缩作用下发生断裂，其总长度（L₀→L₁）和线应变量随着基质的流动变形而增大。由于相邻两种基质流变性质（ηi）的差异（见表4-11），最终发育的断裂香肠构造通过线应变所反映的基质应变量（ε_i）也存在着差异。

表4-12列出了两组实验中由断裂香肠构造反映的基质应变的测量结果，通过基质应变比与黏度比的对比可知：在温度、载荷和加载时间相同的条件下，香肠构造反映的基质应变量与基质的黏度具有近似反比的规律，这从实验的角度验证了香肠构造线应变折射流变计的原理。在野外工作中，只要能够确定不同基质中香肠构造形成环境近似相同，就可以运用断裂香肠构造线应变折射流变计定量地对比岩石流变性质。

表4-12　香肠构造线应变折射流变计物理模拟实验结果

二、初步应用

对湖北大冶铁山地区香肠构造的研究表明：对应于具有不同流变性质的基质，岩性相同的石香肠构造显示的基质应变大小明显不同。这一现象不仅出现在不同地点，在同一露头和标本上也有表现（表4-13）。

表4-13　铁山某露头上两种基质发育同种断裂香肠构造的有限应变测量

注：实测长度为基质层现实长度，原长为通过断裂石香肠构造恢复的基质层原始长度

本区石香肠体的岩性多为墨绿色或褐黄色角岩，基质层多为青灰色大理岩和白色大理岩。青灰色大理岩结晶颗粒较细（粒度范围为0.02～0.06mm），含有较多泥质杂质；白色大理岩结晶颗粒较粗（粒度范围为0.05～0.50mm），质地纯净。野外可见到这两种基质中均发育断裂石香肠构造。那么在形成时温压条件相似时，可应用香肠构造线应变折射流变计来估测这两种基质的黏度比。

如表4-13所示，在同一露头上，白色大理岩基质中断裂石香肠构造计算的应变值ε_M为2.17，而在青灰色大理岩基质中通过断裂石香肠构造计算的应变值ε_L为0.98。两种不同黏度的基质的黏度比计算式为：

结果表明：在石香肠构造形成时的温压条件下，青灰色大理岩基质的黏度是白色大理岩基质的2.20倍左右，白色大理岩的流动性明显强于青灰色大理岩。这与我们在野外观察到的现象一致，露头上可见白色大理岩呈脉状穿插到青灰色大理岩中，也显示了白色大理岩基质较强的流动性。这一现象可作为断裂香肠构造线应变折射流变计的一个定性实例验证。

三、在矩形断裂香肠构造中的推广

1.在发育于相同基质的不同层断裂矩形香肠体中的推广

发育在相同基质岩石内的矩形香肠体，在垂直岩层方向挤压应力作用下发生的缓慢流动变形可视为牛顿的。单个矩形香肠体发育的模式符合纯剪切模式，垂直层面方向发生减薄、平行层面（a轴）方向伸展变长。因作用于每个石香肠体上的剪力及其持续时间均相同，故类似于线应变折射流变计，不同层石香肠体的黏度与应变之间存在着反比关系：

2.在基质视应变比与矩形香肠体黏度比关系中的推广

我们实地观察了湖北大冶铁山地区的麻雀脑铁道、麻雀脑山顶干水池壁、尖山等地香肠构造，并测定了当地矩形断裂香肠的基质视应变。虽然测量复杂地区变形复杂的石香肠基质视应变时，需要注意复杂构造运动对香肠变形的影响。但由于铁山发育的石香肠比较简单，后期改造对其影响小，故所得测量数据可信度较高，表4-14为获得的矩形香肠体基质视应变数据。

表4-14　大冶铁山矩形断裂香肠体所测得的基质视应变相关参数

根据表4-14计算出（ε_Ai＋1）/（ε_A1＋1）与ε_Ai/ε_A1（表4-15）。对表4-15数据处理拟合，得出（ε_Ai＋1）/（ε_A1＋1）与ε_Ai/ε_A1之间存在如图4-23所示的线性关系。

表4-15　不同香肠体层所测得的基质层视应变比表

图4-23　（ε_Ai＋1）/（ε_A1＋1）与ε_Ai/ε_A1的关系图
y＝（ε_Ai＋1）/（ε_A1＋1），x＝ε_Ai/ε_A1

投图结果表明在我们测量的取值范围R¹内，（ε_Ai＋1）/（ε_A1＋1）和ε_Ai/ε_A1之间有关系：

故认为在岩石可实现的取值范围R²内，（ε_L1＋1）/（ε_Li＋1）与ε_L1/ε_Li也存在以下线性关系：

式中：a和b及式（4-38）的斜率和截距都是统计规律数据，且a为正数。

由式（3-10），知（ε_L1＋1）/（ε_Li＋1）与（ε_Ai＋1）/（ε_A1＋1）之间为等价关系，联立式（4-38）和式（4-39），推导有：

式中：k和c由式（4-38）和式（4-39）的斜率和截距计算获得，且k为正数。

联立式（4-37）和式（4-40），可得不同层香肠体之间的黏度比与对应的基质视应变比的线性关系式：

式中：ηLⁱ/ηL¹为香肠体层L_i与香肠体层L1之间的黏度比。当取值ηLⁱ＝ηL¹时，可以求得k＋c＝1；当取值ηLi＝η基质时，ε_Ai＝0，可以求得c＝。由以上论述可见，当得知基质与能干层的黏度比时，可求得各能干层应变比以及基质视应变比。

四、小结

本节提出断裂香肠构造线应变折射流变计，并通过物理模拟实验加以验证，且运用它测定铁山地区不同流变性质大理岩黏度比，获得了良好的效果。另外，还进一步推广了线应变折射流变计在矩形断裂香肠构造中的运用，推导出不同香肠层之间的黏度比与相应应变比值成反比关系，与相应的基质视应变比值成线性正相关关系。断裂香肠构造线应变折射流变计是对剪应变折射流变计（本章第十一节）的扩充与推广。