複層岩層褶皺力學機制研究

Abstract

褶皺是一面狀排列的岩層受到應變而產生曲面狀的變形行為，是地表上常見的地質構造。影響褶皺行為的因素有很多，包括應變量、側壓力、岩石材料與岩層厚度、應變速率等。黃國品(2006)假設褶皺由岩層與介質組成，隨深度越深有六種不同的材料組合，為E-E、E-EV、EV-EV、EV-V、V-V、E-V(前者為岩層材料，後者為介質材料；E、EV、V分別表示彈性、黏彈性與黏性材料)。分別推導出單層褶皺的理論解，並以力學分析及數值分析的結果探討應變速率對單層褶皺行為的影響。 複層褶皺則是一組分別由強弱不同岩層與介質所組成的褶皺，在自然界中複層褶皺的組合有無限多種可能，而J.G Ramsay 等人在1987年提出自然界中常見的三種複層褶皺型態，不協調褶皺、協調褶皺、複協調褶皺。探討複層褶皺行為，須針對主要影響因子釐清行為趨勢，並探討形成上述三種複層褶皺之力學機制，而本研究將針對層間介質厚度、岩層材料性質、岩層厚度及應變速率四個影響因子作探討。藉由推導協調褶皺理論解與行為分析，釐清上述四種因子的影響；但協調褶皺有無限多種組合，不易釐清各因子的影響，因此理論推導分為三部分作探討，第一、複層褶皺系統中，固定各岩層的材料性質及厚度，僅考慮岩層間之介質厚度改變的情形，以瞭解介質厚度變化對複層褶皺之影響；第二、岩層所夾介質極薄情形下，固定各岩層沈積厚度，探討沈積不同岩層材料時之複層褶皺行為；第三、仍在極薄介質下，沈積相同岩層材料，探討不同岩層沈積厚度之複層褶皺行為。黃國品(2006)提出之六種褶皺組合中，E-E複層褶皺理論解已由林瑋聖(2009)推導，本研究將完成其餘褶皺組合之理論推導。上述推導之理論解，可由行為分析探討三種情形下的褶皺行為，同時也探討不同岩層、介質組合之複層岩層，在應變速率極快與極慢時之褶皺行為，再以數值分析驗證理論解與行為趨勢。最後基於上述對複層褶皺行為主要影響因素之瞭解，可以數值分析的方式模擬出不協調與複協調褶皺。 協調褶皺分析的結果為，一、介質厚度影響：當複層褶皺中介質厚度若大於岩層一倍波長，各岩層的行為如同單層褶皺，若介質厚度小於一倍波長，則複層褶皺整體的波長會有放大的特性。二、岩層材料變化的影響：極薄介質下，各岩層之材料性質總和(如黏性係數或剪力模數總和)越大，則複層褶皺的波長會越長。三、岩層厚度變化的影響：極薄介質下，各岩層之層厚總合越大，則複層褶皺波長會越長，另外若褶皺系統中存在一特別厚的岩層，則複層褶皺行為會由此最大厚度岩層所主控。四、應變速率影響：複層褶皺受應變速率之影響與單層褶皺相同，V-V及E-E複層褶皺行為與應變速率無關，其他組合則與應變速率有關，E-EV、EV-EV在應變速率快時行為與E-E複層褶皺行為相同;EV-EV、EV-V在應變速率慢時褶皺行為與E-E複層褶皺行為相同，而應變速率快慢之判斷與組合材料之鬆弛時間有關。其中極薄介質下，岩層材料變化與岩層厚度變化之理論解，在各岩層厚度與岩層材料皆相同時，與Biot(1965)推導之複層褶皺波長理論解相同。 另外，由軟硬岩互層所組成的有限厚度硬層，在此硬層中硬岩層與軟介質所佔的比例及硬岩層的層數，皆會影響有限厚度硬層之褶皺行為，此類複層岩層之褶皺行為係介質厚度及岩層厚度共同影響之互制行為。