在体积压平应变场中，倾斜单层的同步屈曲颈缩和平板状卷曲现象：模拟建模的结果

《Journal of Structural Geology》：Coeval buckling-necking and tablet boudinage of oblique single layers in bulk flattening strain fields: Results from analogue modelling

本研究通过缩比模拟实验，系统考察了初始层与缩短轴夹角θZ(i)（0°-90°）对平板应变下层状岩石变形结构的影响。结果表明：当θ≤45°时，层内发育共时的褶皱和韧性节理；当θ45°时，以平板状节理为主。层厚变化与初始倾角呈负相关，实验还揭示了层旋转速率与变形结构类型的内在联系。通过CT三维成像技术，首次在模拟体系中实现了共时褶皱与节理的立体结构解析，为理解自然盐岩等平板应变体制下的层状岩石变形机制提供了实验依据。

　　### 通过实验研究单层初始方向对褶皱和岩脉发育的影响

在地质学领域，褶皱和岩脉是常见于自然分层岩石中的变形结构，它们广泛分布于各种地质构造环境、结构层次以及空间尺度中。这些结构不仅是岩石变形的直观表现，还为研究岩石的流变特性以及变形演化提供了重要线索。本研究通过一系列缩尺模拟实验，系统地探讨了单层岩石初始方向如何影响在整体扁平化应变条件下褶皱和岩脉的形成与演化。实验中，单层与缩短轴之间的初始夹角（记作θ_Z(i)）被按11.25°的间隔从0°到90°进行系统调整。随着θ_Z(i)的增加，层厚逐渐减少，而形成的结构则从同步褶皱和岩脉逐渐转变为以岩脉为主的“片状岩脉”。

在实验过程中，当θ_Z(i)小于45°时，褶皱和岩脉可能以同步方式形成，此时岩脉的颈部方向通常与褶皱轴垂直。然而，当θ_Z(i)大于45°时，岩脉成为主导结构，而褶皱则较少出现。实验还揭示了在某些情况下，岩脉可能由早期的“挤压与膨胀”结构通过张性断裂逐渐演化而来。值得注意的是，随着应变的增加，这些岩脉的尺寸和长宽比显著减小，反映了应变硬化现象，这种现象在自然岩石中也较为常见。实验所观察到的结构与自然界中盐岩及其他整体扁平化应变环境下的岩脉形态高度相似，表明实验模拟具有良好的代表性。

### 实验方法与材料

为了模拟岩石的变形行为，本研究选择了塑性材料作为岩石的类比物。塑性材料因其应变率软化特性，即随着应变率的增加，其有效粘度降低，成为理想的实验材料。塑性材料的流变行为已在相关文献中进行了详细描述（见Zulauf和Zulauf, 2004）。

在实验中，使用了两种塑性材料，分别代表“刚性层”和“软弱基质”。其中，刚性层的粘度为4.0×10^9 Pa·s，应力指数为6，而软弱基质的粘度为2.2×10^8 Pa·s，应力指数为4。这些材料的粘度比为18，对应于一个特定的应变率（? = 1.9×10^?5 s^?1）。这一选择与自然岩石中常见的通过位错蠕变机制变形的粗粒岩石的流变参数相符，尽管有时也会出现更高的应力指数（如n = 8）。

实验共进行了九次，每次的初始层倾斜角θ_Z(i)不同，分别从0°到90°，以11.25°为间隔。所有模型均采用标准立方体岩类样品，边长为15 cm，以确保实验条件的可比性。实验过程中，模型被施加整体扁平化应变，使其在Z方向达到?50%的有限应变，同时在X和Y方向产生约+41%的有限应变。通过这种设置，研究者能够系统地观察不同初始角度对层内变形结构的影响。

为了准确捕捉变形结构的三维几何特征，所有样品均采用计算机断层扫描（CT）进行分析。CT技术能够清晰地显示层与基质之间的密度差异，从而揭示内部结构的细节。通过CT图像，研究者可以测量包括层厚变化、褶皱波长、褶皱幅度、褶皱肢间角、岩脉数量、岩脉宽度和颈部宽度等关键参数。此外，还使用了ImageJ/FiJi、MeshLab和Smooth等图像分析软件，以及Python和CorelDRAW?等工具进行更详细的几何参数分析。玫瑰图则用于表示岩脉和颈部的分布方向，进一步量化其空间特征。

### 实验结果与分析

在θ_Z(i) = 0°的实验中，层与Z轴平行，垂直于XY平面。这种情况下，层经历了显著的增厚，达到了约43%的厚度增加。褶皱和岩脉在层内同时发育，褶皱轴大多与Z轴垂直，且褶皱结构多为紧密且对称。然而，岩脉发育较弱，仅形成少量的岩脉和颈部，且其宽度较小。

当θ_Z(i) = 11.25°时，层与Z轴形成一定角度，导致层在变形过程中发生旋转。最终，层的倾斜角达到约21°，而被动层的倾斜角约为29°。此时，层的增厚幅度略有下降，约为39%。褶皱和岩脉仍然同时发育，但褶皱数量较前一次实验减少，而岩脉数量增加。值得注意的是，褶皱的波长和幅度都比前一次实验有所增加，而岩脉的宽度则有所扩大。

随着θ_Z(i)的进一步增加，实验结果显示，当θ_Z(i) = 22.50°时，层的增厚程度明显下降，约为26%。此时，层的旋转角度进一步增加，达到约42°，接近被动平面的旋转角度（约50°）。在这一阶段，褶皱和岩脉的形成呈现三个明显的阶段：D1代表早期的褶皱发育，D2表示岩脉对褶皱的叠加破坏，而D3则是后期的褶皱对岩脉的再叠加。这种三阶段的变形演化表明，在特定的初始角度下，褶皱和岩脉可以共存，并在变形过程中相互影响。

当θ_Z(i) = 33.75°时，层的倾斜角进一步增加，最终达到约57°，略低于被动平面的旋转角（约62°）。此时，层的增厚幅度约为23%。岩脉主要集中在层的中心区域，而褶皱则在边缘出现。褶皱的波长和幅度均达到最大值，分别为12.7±1.7 mm和1.8±0.4 mm。岩脉的宽度也有所增加，但颈部仍然较窄。这一阶段的岩脉呈现出不规则的形态，并且在层的边缘区域，由于张性断裂的影响，岩脉的分布更加分散。

当θ_Z(i) = 56.25°时，层的倾斜角达到约72°，而被动层的倾斜角为77°。此时，层的增厚程度约为22%。岩脉的形态变得更加不规则，且在层的中心区域密集分布。颈部呈现出明显的径向分布模式，从中心向外逐渐消失。这种结构特征在玫瑰图中得到了进一步验证，显示出明显的各向异性。同时，岩脉的数量显著增加，达到约8个，而颈部的数量则相对较少。

当θ_Z(i) = 67.50°时，层的倾斜角增加至约80°，接近被动平面的旋转角（约82°）。此时，层的增厚程度约为21%。岩脉在层的中心区域形成，并在边缘出现较大的未完全分离的岩脉。这些岩脉被1至4条非贯穿性的颈部所分割。这一阶段的岩脉数量较前一次实验略有减少，但总体上仍呈现显著的各向异性。通过CT图像和玫瑰图的分析，可以观察到岩脉和颈部在不同方向上的分布特征。

当θ_Z(i) = 78.75°时，层的倾斜角进一步增加，最终达到约83°，接近被动平面的旋转角（约86°）。此时，层的增厚程度约为18%。岩脉的数量显著增加，达到约6个，并在层的边缘区域形成较大的未完全分离的岩脉。这些岩脉呈现出不同的形态，并且在中心区域分布密集，而在边缘区域则较为分散。这一阶段的岩脉和颈部的各向异性进一步减弱，但仍可观察到一定的方向性。

当θ_Z(i) = 90°时，层与Z轴垂直，此时层的倾斜角几乎不变，仅经历轻微的增厚（约6%）。岩脉的发育最为显著，达到约8个，并在层的边缘区域形成较大的未完全分离的岩脉。此时，岩脉和颈部的分布呈现出明显的径向特征，且其尺寸达到最小值。这一结果表明，当层与Z轴垂直时，岩脉的发育最为强烈，而褶皱则几乎不出现。

### 变形过程中的阶段性演化

为了进一步研究岩脉在不同应变条件下的演化过程，本实验还进行了增量实验，使用初始θ_Z(i) = 78.75°的样品，逐步增加应变至?50%。实验结果显示，随着应变的增加，岩脉的数量显著增加，而其尺寸和长宽比则逐渐减小。在应变达到?20%时，岩脉开始出现，并且在中心区域形成明显的颈部。随着应变继续增加，这些颈部逐渐扩展，并在边缘区域形成更多的岩脉。这一过程表明，岩脉的形成与演化是一个渐进的过程，且受到应变率和粘弹性参数的显著影响。

在应变达到?30%时，岩脉的数量和尺寸均显著增加。此时，岩脉的形态更加不规则，且在中心区域分布密集。颈部的宽度也有所增加，但仍保持在较低水平。这一阶段的实验数据表明，随着应变的增加，岩脉的形成逐渐占据主导地位，而褶皱则逐渐减少。

当应变达到?40%时，岩脉和颈部的分布呈现出明显的各向异性。颈部的宽度和间距均增加，且在中心区域形成较为密集的结构。这一阶段的实验数据进一步支持了岩脉在较高应变条件下的主导地位，而褶皱则几乎不出现。

在最终的应变阶段（?50%），岩脉的数量达到最大值，约为310个，而其尺寸和长宽比均显著减小。此时，岩脉的形态更加不规则，且在中心区域形成密集的结构。这一结果表明，随着应变的持续增加，岩脉的形成和演化达到了其极限，而褶皱则几乎不出现。

### 自然界中的类似结构

在自然界中，褶皱和岩脉结构同样受到整体扁平化应变的影响。例如，在希腊纳克索斯岛的高变质大理石核心中，可以看到片状岩脉与同步褶皱共存的现象。此外，在希腊东部克里特岛的石膏基质中，也可以观察到片状岩脉对石膏层的影响。然而，在大多数自然露头中，由于观测条件的限制，褶皱结构往往不如岩脉结构明显，因此容易被忽视。

此外，在中国中南部的北秦岭造山带，可以看到富长石的酸性脉岩在黑云母片麻岩基质中形成“挤压与膨胀”结构和拉伸岩脉。这些自然实例表明，实验所观察到的变形模式在自然界中同样存在，进一步验证了实验的科学性和适用性。

### 结论

本研究通过系统地调整单层与缩短轴之间的初始夹角，揭示了整体扁平化应变条件下褶皱和岩脉的形成与演化规律。主要结论包括：

1. **初始夹角对层厚和变形结构的影响**：在整体扁平化应变条件下，初始夹角θ_Z(i)对层厚和变形结构具有显著影响。当θ_Z(i)小于45°时，层厚增加，而褶皱和岩脉则同时发育；当θ_Z(i)大于45°时，层厚减少，而岩脉成为主导结构。

2. **层的旋转对变形结构的控制作用**：尽管层的旋转速度较被动平面慢，但其旋转角度对变形结构的形成起着关键作用。旋转角度的增加会显著影响褶皱和岩脉的几何特征。

3. **岩脉的演化模式**：当θ_Z(i)大于45°时，岩脉的形成主要通过张性断裂和颈部扩展，其尺寸和长宽比随应变增加而减小。这种演化模式在自然界中同样存在，表明岩脉在整体扁平化应变条件下具有较高的普遍性。

4. **实验方法的科学性**：通过计算机断层扫描（CT）技术，研究者能够直观地观察和分析变形结构的三维几何特征。CT技术的应用为研究整体扁平化应变条件下的岩石变形提供了有力的工具。

综上所述，本研究不仅揭示了褶皱和岩脉在整体扁平化应变条件下的形成机制，还为理解自然岩石变形提供了重要的理论依据和实验支持。未来的研究可以进一步探讨多层结构在机械分层系统中的行为，以及在施加围压条件下的变形模式。此外，结合数值模拟方法，可以更好地减少边界效应的影响，从而提高实验结果的准确性和适用性。