本次实验自行设计并组建了一套模拟斜坡背景下重力驱动的软沉积物滑塌变形的室内模拟实验装置( 图 1)。在实验装置中, 设计有沉积箱1、上盖板2、下底板3、密封条4、紧固螺丝5、石膏斜坡6、电子倾角计7、弓形底座8、左手动绞盘9、右手动绞盘10、双槽定滑轮11、左单槽定滑轮12、右单槽定滑轮13、第1绳索14、第2绳索15、多角度调节支架16。具体的装置安装如 图1, 把沉积箱1的下部与密封条4和下底板3用固紧螺丝5密封好, 保证沉积箱1不漏水, 把石膏斜坡6放入沉积箱1内, 将沉积箱1整体放置在弓形底座8之上, 并将第1绳索14通过左单槽定滑轮12和双槽定滑轮11与沉积箱1右侧和左手动绞盘9连接, 同样, 将第2绳索15通过右单槽定滑轮13和双槽定滑轮11与沉积箱1左侧和右手动绞盘10连接, 将电子倾角计9固定沉积箱1外侧底部中央, 通过多角度调节支架16调节沉积箱水平。

图1

Fig.1

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	图1 软沉积物滑塌变形模拟实验装置Fig.1 Experimental device for simulation of soft￣sediment slump deformation 1— 沉积箱, 2— 上盖板, 3— 下底板, 4— 密封条, 5— 紧固螺丝, 6— 石膏斜坡, 7— 电子倾角计, 8— 弓形底座, 9— 左手动绞盘, 10— 右手动绞盘, 11— 双槽定滑轮, 12— 左单槽定滑轮, 13— 右 单槽定滑轮, 14— 第一绳索, 15— 第二绳索, 16— 多角度调节支架

经过多次实验总结出实验装置具有以下优点:

1)设计的沉积箱既可密封又可打开, 方便实验多次进行, 并可以将实验模型从沉积箱中取出, 进行切片处理, 从而观察沉积物的内部结构, 实现模型构建, 具有较强的可操作性和可观察性。

2)可以通过由手动绞盘、绳索以及弓形底座组成的多角度调节支架来改变沉积箱的角度, 根据实验需要可设置不同的地层倾角, 通过电子倾角计可以精确读出角度的数值, 具有较强的可调节性。

无论何种触发机制引发的软沉积物滑塌变形, 通常都发生在有一定地貌起伏的古地理环境中, 总是由相对浅水的高地貌环境滑向相对深水的低地貌环境, 例如河流入湖或者入海的斜坡之上(袁效奇等, 2014), 因此在沉积箱中预先放置一个坡度为10° 的楔形石膏斜坡作为底形, 这也是为沉积物能够向下滑动提供一个空间(因为本实验主要是探究软沉积物滑塌变形的形成机理, 所以底形坡度大小的设置并不会影响实验结果)。自然界的古斜坡会因为地震、河流进积等原因导致坡度的变化, 实验中采用人工转动沉积箱改变地层角度, 从而模拟自然界中地形坡度的改变。为了考察变形机制, 实验中设计了一个较简化的3层地层模型, 采用市场购置的粒径为0.3, mm的工业石英砂和采自蔡甸区汉江江滩现代沉积的河道砂以及蔡甸区知音湖现代沉积的泥, 采集回来后进行清洗晾干, 并进行粒度分析, 选择粒径在0.18~0.15, mm之间的河道砂作为实验材料备用, 具体实验材料参数见 表1。实验中, 将这些材料放置在石膏斜坡上, 从下至上依次为泥、河道砂、石英砂( 图 2), 这3种材料具有不同的黏滞系数, 所以在滑动过程中会产生不同的速度。

表1

Table1

表1(Table1)

表1 软沉积物滑塌变形实验材料参数统计 Table1 Statistics of experimental material parameters of soft￣sediment slump deformation 材料 粒径/mm 来源 黏滞系数 工业石英砂 0.30 市场购置 河道砂 0.18~0.15 汉江 泥 < 0.03 知音湖

表1 软沉积物滑塌变形实验材料参数统计 Table1 Statistics of experimental material parameters of soft￣sediment slump deformation

图2

Fig.2

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	图2 软沉积物滑塌变形实验模型设计Fig.2 Experimental model design of soft￣sediment slump deformation

文中设计2组实验, 共计6轮实验( 表 2), 第1组实验考察不同厚度的河道砂层对变形的影响(Run1至Run4), 第2组实验考察不同厚度泥层对变形的影响(Run5和Run6), 在每组实验中通过控制变量法来探究某一单一因素对软沉积物变形的影响, 进行多次实验, 对比观察实验现象和实验结果, 从而总结出实验规律及变形机理。

表2

Table2

表2(Table2)

表2 软沉积物滑塌变形实验参数统计 Table2 Statistics of experimental parameters of soft￣sediment slump deformation 轮次 顶层材料 顶层 厚度 /cm 中间层 材料 中间层 厚度 /cm 底层 材料 底层 厚度 /cm Run1 工业石英砂 4 河道砂 3 泥 4 Run2 工业石英砂 4 河道砂 4 泥 4 Run3 工业石英砂 4 河道砂 5 泥 4 Run4 工业石英砂 4 河道砂 7 泥 4 Run5 工业石英砂 4 河道砂 5 泥 6 Run6 工业石英砂 4 河道砂 5 泥 7

表2 软沉积物滑塌变形实验参数统计 Table2 Statistics of experimental parameters of soft￣sediment slump deformation

每一轮的实验都大致经历以下的实验过程: 实验开始之前, 通过左、右手动绞盘调节沉积箱至-10° (与石膏斜坡倾向相反), 使得沉积箱内为水平状态。并在沉积箱前面和后面架设摄像机, 记录实验过程。往沉积箱中倒入实验前按照泥和水体积比1︰4配置的泥水混合物, 静置使之缓慢沉淀, 直到上覆水变的完全清澈; 之后通过标准筛依次缓慢加入河道砂和石英砂(目的是防止泥层受到扰动), 形成一个3层结构的模拟地层。因为实验是在一个密闭的盒子里, 所以沉积箱中放置的楔形石膏斜坡的目的是提供给材料向坡下流动的空间。缓慢通过手动绞盘改变沉积箱的角度, 观察沉积箱中沉积物的变形。记录每一期变形发生的角度和时间。实验结束后, 关闭摄像机, 将沉积箱中的水慢慢排尽, 静置待实验产物成型后进行切片, 观察其内部结构以及后期的建模。

第1组实验Run1至Run4中, 顶层石英砂层和底层泥层的厚度不变, 中间河道砂层的厚度逐渐增大, 其余实验条件保持不变。对比实验现象发现, Run1中开始变形的角度是6.5° , Run2中开始变形的角度是6.8° , Run3中开始变形的角度是7.3° , Run4中开始变形的角度是9.2° , 可以看出顶层材料和底层厚度相同的情况下, 随着河道砂层的厚度增大, 模拟地层开始变形的角度也越来越大。

第2组实验Run5和Run6中, 顶层石英砂层和中间层河道砂层的厚度不变, 底层泥层的厚度逐渐增大, 其余实验条件保持不变。对比这两轮实验发现, 沉积物开始发生变形的角度几乎没有差异, 但随着泥层厚度增大, 形成的变形规模也增大( 图 3), 并且在最后切片中发现, 底层的泥被砂层撕裂导致侵入的距离也随着泥层厚度增大而增大。

图3

Fig.3

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	图3 软沉积物滑塌变形实验中不同厚度的泥层对变形的影响Fig.3 Effect of mud layers with different thickness on deformation in the experiment of soft￣sediment slump deformation A— Run6实验现象, B— Run5实验现象

对比观察2组实验, 过程显示, 随着沉积箱的角度变大, 即箱中模拟地层的倾角不断变大, 砂层总是比泥层先滑动, 因为砂的黏滞系数比泥小, 而一堆拥有正常黏度差异的层状沉积物沿着趋向于斜坡的方向流动, 黏度系数差异使得两种材料之间形成流速差异, 具有较小黏度的材料先滑动。

观察实验过程发现每组实验都经历相似的变形阶段( 图 4-a至4-g), 并且经过多轮实验总结出滑塌变形的演化模式

图4

Fig.4

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	图4 软沉积物滑塌变形演变过程Fig.4 Process of soft￣sediment slump deformation a— g为某一轮实验过程影像资料截图, A— G为变形演化模式图; 图A— G倾角计度数依次为: 10.0° 、2.7° 、1.5° 、5.5° 、8.5° 、17.8° 、20.3°

( 图 4-A至4-G)。一开始地层处于水平状态( 图 4-A)由于砂层先滑动阻碍下层泥的滑动, 从而形成隆起( 图 4-C, 4-D), 使得在核部带有上涌的泥的上覆砂层中形成圆弧纽褶皱( 图 4-E), 随着模拟地层坡度不断增大, 圆弧褶皱逐渐发展成紧密等斜褶皱( 图 4-F)。当大量的沉积物向下滑动过程中, 由于沉积箱尺寸的限制, 沉积物滑动到末端堆积下来, 流速迅速减缓, 导致层间的流速差逐渐增大, 沿断裂面产生小型的断裂, 紧密等斜褶皱被断层面错断, 形成类似无根褶皱和鞘褶皱的变形构造( 图 4-G)。之后, 随着坡度的增大, 第2期变形在第1期变形沿断裂面(滑动面)逆冲到第一期变形之上, 多期砂体相互叠置。

由最终实验结果的一系列切片所得截面可见, 河道砂形成了两条断裂, 河道砂层沿断裂(滑动面)向上逆冲形成叠置的砂体, 类似于小型的褶皱推覆体, 这些断裂(滑动面)将软沉积物滑塌过程中早期形成的复杂的滑塌褶皱破坏, 形成类似于无根褶皱和鞘褶皱的变形构造( 图 5)。由于不同层的材料之间黏滞系数的差异, 流动速率不同, 使得河道砂层的逆冲作用带动了下伏泥层被撕裂, 沿断裂侵入砂层中。此外, 如果沉积箱足够大而且物源充足, 随着模拟地层倾角继续增大, 滑塌体会向前搬运至斜坡坡折, 本文实验由于沉积箱尺寸的限制沉积物搬运距离较短, 形成横向和纵向上相互叠置的成片砂体。

图5

Fig.5

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	图5 一组实验结果的连续截面Fig.5 Serial cross-sections from one experiment of soft￣sediment slump deformation

综合观察和比较多次实验的全过程, 可以发现, 这些实验过程都经历了基本相似的5个阶段, 才最终形成各种软沉积物滑塌变形构造。随着模拟地层角度的不断增大, 依次发生下列过程: (1)砂层先发生滑移, 砂层拉伸变薄, 由于实验限制, 层内变形表现不明显; (2)砂层的滑动速率大于泥层, 砂层将下部的泥层撕裂, 形成小型波状隆起; (3)隆起变大, 发展成圆弧褶皱、紧密等斜褶皱等一系列滑塌褶皱; (4)砂层沿滑动面错断, 破坏早期形成的褶皱, 形成类似于无根褶皱和鞘褶皱的变形构造; (5)地层不再发生变形, 趋于平稳。

沉积物表面的剪切力是影响软沉积物变形的一个潜在原因(Shanmugam et al., 1988; Greb and Archer, 2007)。Owen(1996)表明小的平卧褶皱的形成是由于负载调节过程中产生的剪切力。本文实验采用不同黏滞系数的砂和泥作为实验材料, 不同黏滞系数的连续层流动时会产生速度差, 层与层之间的流变界面就会产生剪切力, 从而产生剪切效应(Dasgupta, 2008)。

图7

Fig.7

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	图7 某一轮实验中不同阶段滑塌变形的形态Fig.7 Slump deformation forms at different stages in one experiment of soft￣sediment slump deformation

在实验中沉积箱由下到上依次铺设泥、天然河道砂和石英砂, 这3种材料的黏滞系数逐渐变小, 即动态流动能力逐渐变大, 在滑动过程中会形成流动速度的差异, 因此模拟地层中的砂层和泥层向下滑动的速度不同。在实验中观察到, 具有较大滑动速度的砂层向下滑动过程中带动泥层, 导致泥层被撕裂, 形成变形。

分别截取某一轮实验中不同的3个阶段的图像( 图 7)对比发现, 随着坡度的增大, 滑塌变形的形态发生了很大的变化, 从圆弧褶皱( 图 7-A)发展成紧密等斜褶皱( 图 7-B), 最后形成类似于无根等斜褶皱和鞘褶皱的变形构造( 图 7-C)。通过对不同阶段的滑塌褶皱形态进行分析( 图 8), 发现随着地形坡度不断增大, 在持续剪切效应的作用下, 滑塌褶皱的形态逐渐被改造, 因此可以得出结论: 连续层状沉积物之间的黏滞系数差异导致了流变界面之间产生剪切效应, 这是产生滑塌褶皱变形的原因。

图8

Fig.8

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	图8 滑塌褶皱的几何形态变化过程示意图Fig.8 Sketch showing different processes of slump fold geometries A-D为发展顺序