脆性布丁构造中的破坏模式转变：内聚力、围压与层厚效应的离散元模拟研究

本研究通过离散元建模(DEM)探讨了脆性布丁构造的几何形态转变机制，揭示了层厚、材料内聚力和围压对破坏模式的关键控制作用。研究发现薄层在高围压下形成拉伸型布丁，而厚层则发育共轭剪切带，证实了布丁几何形态可作为岩石变形历史的有效指标。该成果为解释希腊纳克索斯地区天然布丁构造序列提供了力学依据，推动了构造地质学定量分析的发展。

　　

在地球漫长的地质演化过程中，岩石层在应力作用下的变形行为一直是构造地质学的核心课题。布丁构造(boudinage)作为岩石层在伸展环境下形成的周期性构造，其形态特征如同被拉断的香肠，记录了地质历史中重要的变形信息。然而，长期以来地质学家面临一个关键难题：为何相同岩层在不同环境下会形成从块状撕裂型(torn)到拉伸型(drawn)等差异显著的布丁几何形态？这个问题的解答对重建岩石变形时的温压条件和力学性质具有重要意义。

为破解这一谜题，Steffen Abe团队在《Journal of Structural Geology》发表的研究中，创新性地采用三维离散元方法(DEM)模拟了脆性-弹性层在粘性基质中的变形过程。通过系统改变层厚(10-30模型单位)、材料内聚力(50-150 MPa)和围压(1-100 MPa)等参数，建立了56组数值模型，首次揭示了布丁形态转变与破坏模式的内在关联。研究发现薄层(<10单位)在高围压下趋向形成拉伸型布丁，而厚层(30单位)则发育共轭剪切带，这种差异源于剪切带厚度与层厚的比例关系。该成果不仅验证了块体旋转可在共轴变形中发生，更建立了通过布丁几何反演古应力场的定量标准。

关键技术方法包括：1)采用ESyS-Particle并行离散元软件模拟三维颗粒系统；2)基于脆性梁模型(brittle beam model)构建层间粘结破坏准则；3)通过伺服控制边界实现平面应变条件；4)开发应力网格算法量化模型内部应力状态；5)结合希腊纳克索斯野外露头进行实证分析。

【2. 方法】研究团队设计了"薄层"与"厚层"两组模型体系，通过三轴试验校准材料参数。脆性层采用可断裂的粘结相互作用，其强度参数通过Mohr-Coulomb准则确定。应力计算采用基于Cauchy应力定义的体积平均法，网格分辨率优化为3倍最大颗粒半径。

【3. 结果】模拟结果显示明显的破坏模式转变：薄层模型(10单位)在低围压(<10 MPa)下形成典型撕裂型布丁，其断裂面与层理呈高角度(>45°)；当围压升至50 MPa时，转变为拉伸型布丁。厚层模型(30单位)则在高围压(>50 MPa)下发育共轭剪切带，初始倾角52-56°，符合材料内摩擦角(φ≈25°)的理论预测。应力分析表明，剪切破坏发生时平均应力距破坏包络线约1个标准差，而拉伸破坏则需要更局部的应力集中。

【4. 讨论】该研究突破性地提出剪切带厚度(4-5模型单位)与层厚的比例控制破坏模式选择。当层厚不足剪切带宽度的2倍时，几何约束阻止剪切带发育，迫使材料选择拉伸破坏。研究将共轴变形中形成的共轭剪切构造定义为"对称剪切带布丁"，填补了传统分类方案的空白。应用于纳克索斯 amphibolite-marble 序列时，模型指示晚期变形发生在<30 MPa压力环境(约3km深度)，与矿物组合反映的绿片岩相条件高度吻合。

【5. 结论】这项研究建立了脆性布丁构造的力学分类新标准：1)高围压/低强度区产生拉伸型布丁，伴随颗粒流变；2)过渡区形成宽剪切带控制的颈缩构造；3)低围压/高强度区发育纯张性断裂。该成果不仅完善了布丁构造的成因理论，更创新性地将DEM模拟与野外实证相结合，为定量解析岩石变形历史提供了新范式。研究揭示的"对称剪切带布丁"概念，有效解释了纳克索斯地区同一布丁序列中并存多期变形结构的现象，对造山带折返过程的应力演化研究具有重要启示。