彈塑性褶皺曲滑模式之數值研究

褶皺係指地殼變動過程中,板塊相互碰撞造成地層呈現彎曲形態之地質構造。前人研究已提出不同地層材料組合中單層褶皺之理論解,並以數值模擬方法加以驗證與比對,惟其中地層交界假設為無界面情況,且材料並未考慮塑性行為之影響,對於真實地層材料與其界面行為之了解恐尚有遺漏,如使褶皺軸部出現孔洞之曲滑作用(flexural slip)與尖頂褶皺(chevron fold)之塑性鉸,以及岩層發生塑性時機與單層褶皺理論解間之關係,故本研究立於前人建構之基礎,進而探討層間界面性質與覆岩圍壓對彈塑性褶皺行為之影響。 本研究採用數值模擬分析方式針對欲了解之影響因子進行探討,以理論解與分析結果相互比對作為影響趨勢之判定。研究中藉數值軟體ABAQUS為模擬工具,以均佈力方式賦予地層深度之覆岩圍壓;以摩擦性質簡化地層界面膠結之複雜行為;以位移控制邊界仿效地層受擠壓之過程,並先以彈性材料進行分析,由單純材料特性下之褶皺行為,釐清塑性材料對褶皺調適方式與形貌之差異影響。 彈性褶皺之模擬結果中,岩層發生挫屈時產生之褶皺波長均與理論解相近,表示摩擦界面與覆岩圍壓對岩層挫屈行為影響並不顯著,但於其後繼續擠壓形成單頻與雙頻波形褶皺之過程,褶皺軸部會因曲滑行為之調整而產生孔洞,而其層間摩擦界面性質束制岩層與介質發生相對滑移,並改變褶皺調整變形之行為;覆岩圍壓則會抑制雙頻波形褶皺中高頻波形之特徵,以及孔洞出現之程度。 彈塑性褶皺之模擬結果中,層間摩擦界面對岩層挫屈行為亦無太大影響;但覆岩圍壓對於彈塑性材料發生塑性之時機將決定岩層挫屈後之行為,當岩層先產生塑性而後挫屈,可能將無法形成褶皺,意即岩層挫屈時會於某弱面處產生斷裂;而當岩層挫屈後產生塑性,所形成之褶皺將因塑性產生位置及程度造成變形與調整行為之差異。故由研究結果可推斷,隨岩層發生塑性時機之延後,將依序觀察到斷層、覆瓦狀構造、單頻波形褶皺及雙頻波形褶皺之形成。

作者:湯翰昕