通过现场数据和模拟沙盒建模相结合的办法探索出了一条凸槽结的运动史

摘要

Kinematic histories of fold-thrust belts are typically based on careful examinations of high-grade metamorphic rocks within a salient. We provide a novel method of understanding fold-thrust belts by examining salient-recess junctions. We analyze the oft-ignored upper crustal rocks using a combined approach of detailed fault analysis with experimental sandbox modeling.

摘要

Within fold-thrust belts, the junctions between salients and recesses may hold critical clues to the overall kinematic history. The deformation history within these junctions is best preserved in areas where thrust sheets extend from a salient through an adjacent recess. We examine one such junction within the Sevier fold-thrust belt (western United States) along the Leamington transverse zone, northern Utah. Deformation within this junction took place by faulting and cataclastic flow. Here, we describe a protocol that examines these fault patterns to better understand the kinematic history of the field area. Fault data is supplemented by analog sandbox experiments. This study suggests that, in detail, deformation within the overlying thrust sheet may not directly reflect the underlying basement structure. We demonstrate that this combined field-experimental approach is easy, accessible, and may provide more details to the deformation preserved in the crust than other more expensive methods, such as computer modeling. In addition, the sandbox model may help to explain why and how these details formed. This method can be applied throughout fold-thrust belts, where upper-crustal rocks are well preserved. In addition, it can be modified to study any part of the upper crust that has been deformed via elastico-frictional mechanisms. Finally, this combined approach may provide more details as to how fold-thrust belts maintain critical-taper and serve as potential targets for natural resource exploration.

引言

褶皱冲断带是由salients（或段），其中在毗邻salients推力纸张由凹槽或横向区^1,2,3脱钩的。从突出到凹陷的过渡可能会明显复杂，涉及到结构的多方面的套件，可以存放重要线索褶皱冲断带的发展。在本文中，我们仔细检查一个凸槽交界处，使用多尺度的现场数据和沙箱模型的组合，以更好地了解变形如何容纳褶皱冲断带之内。

中央犹他州段和利明横向区域的交界处是理想的天然实验室用于研究凸凹接合部有几个原因（ 图1）。首先，将段内露出的岩石继续，不中断，进入横向区^4。所以，变形图案可以连续跟踪和穿过结比较。小号的Econd，岩石基本上是单矿物，所以在故障模式的变化是不是单元内的非均质性的结果，而是反映了总体折叠和研究区域⁴内推压。第三，elastico-摩擦机制，如碎裂流，辅助变形整个场区，允许的尺度故障模式⁴直接比较。最后，总的输送方向保持沿着段和横向区域的长度连续的;因此，在缩短方向的变化不影响保留变形图案^4。所有这些因素最小化的可能已影响到沿区段和横向区域中的变形的变量数。作为结果，我们推测，保留结构形成，主要是因为在底层基底几何学⁵的变化。

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图1.索引图的例子。美国西部的塞维尔褶皱冲断带，呈现出大salients，段凹陷和横向的区域。由图2中方框区域（从伊斯马特·和Toeneboehn ⁷修改）表示。 请点击这里查看更大的版本这个数字。

折叠和中央犹他州段和横利明顿区域内逆冲，发生在深度<15公里处， 即 elastico-摩擦制度，其中主要的变形发生由露头尺度范围内（<1米）断层和碎裂流^4,6 。由于推力板的运输和折叠发生主要是由elastico-摩擦的机制，我们预测了详细的故障分析可提供进一步洞察利明顿的横向区域，次的运动历史 Ë底层地下室几何。为了检验这一假设，我们已收集并分析中央犹他州段的北部分内和整个利明横向区（ 图2）中的岩石保存故障模式。

图2.宏观尺度地形图的实施例。在图1中方框区域的上色浮雕地形图。4区域是由白色实线分开。元古宙球童峡谷石英岩（PCC）之间的床上用品的接触，相互元古代石英岩（PCM）和寒武纪Tintic石英岩（CT）所示。虚线显示山脉在此区域内的趋势。站点位置显示有编号的黑色方块。一阶线理都用实灰线（从伊斯马特·和Toeneboehn ⁷修改）。ftp_upload / 54318 / 54318fig2large.jpg"目标="_空白">点击此处查看该图的放大版本。

沙箱进行了实验来比较，和补充，故障数据。阿推块沙箱模型，额叶和倾斜坡道，被用来帮助我们保留在结构的分析，和周围的横向利明顿区（ 图^3），7。这种方法的目标是四倍:1）确定尺度故障模式是一致的，2）确定所述沙箱模型支持并解释现场数据，3）确定如果沙箱模型提供在不属于结构的更多细节在现场观察到的，和4）评价该组合场实验方法是否是有用和容易复制。

图3的推块M实施例奥德尔。照片空沙箱模式。南部斜坡额叶（SFR），斜斜坡（OR），北斜前方（NFR），以及四个区域（1-4）被标记（由伊斯马特·和Toeneboehn ⁷修改）。 请点击此处查看大图这个数字。

研究方案

1.大尺度现场数据收集

1. 开展野外工作之前，使用航拍照片/地形图，以确定在宏观尺度（ 图2）山（由现代脊饰定义），横带，断层和其他线理的总体趋势。
   1. 这样的模式可以直接比较使用类似比例尺地形图和航空照片。使用1:24,000比例尺的地图和照片。
2. 在该领域中使用的地图（天线和/或地形）标签，并突出宏观尺度的特征。在空中拍摄的照片，用锋利的变化枝叶，以确定宏观的特点，因为叶子的图案反映了潜在的基石。在地形图，使用地形急剧变化，如陡峭的悬崖，狭长的山谷，并在排水模式的快速变化来确定宏观功能。
3. 证实了这些地图的图案，以发现宏观特征性质，而在现场。确保字段映射相应的调整。
4. 细分沿横向宏观区场区。

2.现场尺度的数据收集

1. 每个横向区域的约束范围内进行现场分析。
2. 确定整个场区中尺度断层同质的规模。通过测量所有故障大超过3厘米沿垂直横断面并平行于整体宏观结构做到这一点。在该故障模式重演沿横切点定义同质化的规模。
   注:3 cm的选择作为最小截止因为故障超过3厘米较小可能难以测量。
3. 选择使用定义的同质化的规模在整个场区代表性的景点。
   1. 确保每个站点包含同质的规模内〜3个相互垂直的岩石暴露，以量化所述三维故障工作的几何形状。
   2. 确保新的网站进行选择，其中，故障模式发生显着变化（ 图2）。
   3. 选择地点远（〜同质一个单位）从主要寝具接触，以避免可能已套印从整体缩短方向产生故障本地缩短和伸长的方向。
4. 使用网格来跟踪所有故障的数据收集期间^4。
   1. 确保该网格的尺寸是在中尺度断层同质的规模。例如，如果故障是在立方米规模均匀，用一米见方的网格。
5. 构造网格为一个可折叠木正方形 - 这允许在现场容易运输。
   1. 使用4等于1个木材的宽钢带。建议的任何类型的硬质木材的，因为它是最持久的野外工作。
   2. 钻1/4"孔接近结束（〜½＆ ＃34;从木条的端部）。用4个2 1/4"长，3/16"大小的螺丝在每个角落组装。使用钢蝶形螺母的最简单的溃散。
   3. 用绳子平分电网 - 这有助于在每个站点跟踪各种故障。钻孔，等距，沿途经过的孔格'周边，螺纹和领带字符串。例如，对于一米见方的网格，划分网格与连接到电网（ 图4）的两端串10cm见方。

图4.尺度露头的例子。床上用品的亮点是白色虚线。在本文所讨论的具体故障集突出了轻薄，坚实的白线。米²的网格显示（从伊斯马特·和Toeneboehn ⁷修改）。D / 54318 / 54318fig4large.jpg"目标="_空白">点击此处查看该图的放大版本。

6. 使每个网格内的故障套详细的草图。
7. 基于网格草图和故障的交叉关系，确定在每个站点⁴最小的故障集。
   1. 通过在每个站点标识偏移故障模式做到这一点。最年轻的故​​障套印和偏移旧故障。
8. 在每一个试验点，记录方向，间距，长度，厚度，和形态特征（ 例如，愈合，静脉填充，开，角砾填充）对于每个各网格内的最年轻的故障。
9. 除以网站岩性单位之间（ 见图2）。

3.微尺度信息的收集

1. 在每个站点为薄层分析面向收集岩石样本。
   1. 确保岩石样品是足够大切三个互相垂直的标准尺寸（26毫米×46毫米）薄款芯片（ 即，比成人拳头稍大）。
2. 切薄部芯片（使用标准的岩石锯）可比来自每个站点的网格方向，从而使微尺度和中尺度的图案可以直接比较。
3. 准备标准厚度（0.03 MM）薄第^8。
4. 使用标准光学显微镜与连接的摄像头，采取显微照片分析薄切片。
5. 对于每一个薄截面，记录形态特征，如铁氧化物的量，和变异，并通过使用体视学方法平均粒径， 即 ，史派克特和弦分析（ 表^1）9。
   1. 通过各薄截面^-4,9-测量的宽度和/或沿4-6随机取向的断面选择形态学特征数做到这一点。从所有的样带，计算的平均值（ 表1）。

单元	床厚度（μm）	床上用品面料	晶粒尺寸（μm）	X / Z弗莱株（的平均RF）	X / Y弗莱株（的平均RF）	过度生长量	氧化铁量	杂质含量	其他特性
CT	1000	突出，厚，薄层状	大道:1.59×10 -4 （范围:3.6×10 -6〜3.31×10 -4）	1.15	1.12	适中，半- 连接在小补丁	适中，半连接的小补丁	在小补丁适中，半连接方解石	岭前，白色至灰褐色，粉红色，棕褐色风化至红褐色
PCm中	570-750	突出，发达的分级和交错层理	大道:1.48×10 -4 （范围:1.15×10 -4至2×10 -4）	1.22	1.19	主要和连接良好的	适度且连接	轻微的方解石和连接不佳	大规模露头，紫红褐色，风化紫黑色

表1.微观形貌的例子，元古宙互助（PCM）和Eocambrian Tintic（CT）石英岩单位的说明。 X / Z弗莱菌株在平行于输送平面的垂直剖面测量，而X / Y弗莱菌株是我在垂直于传送平面（从伊斯马特·和Toeneboehn ⁷修改）的垂直截面asured。 请点击此处查看/ Microsoft Excel格式下载此表。

6. 使用标准化弗莱分析^10,11测量应变。确保应变由三个相互垂直的薄切片，以确定在每个站点三维应变测量。
   1. 抓住每一个薄截面的显微照片做到这一点。确保该显微照片含有至少50颗粒与固体晶界， 即，不亚晶界。
   2. 定义为了测定油炸应变晶粒的轮廓。无论是手动定义的轮廓，通过跟踪从印刷显微照片的轮廓到描图纸，或数字，通过上传该照片到一个图像分析软件程序（ 例如，即时通讯年龄Pro Plus中），可自动定义杂粮"的界限。
   3. 上传晶界形象进入规范化弗莱应变方案^12。

4.绘图尺度故障数据

1. 分析平等区域网络故障数据。例如，使用Stereonet（免费从RW Allmendinger）。
   1. 上绘制等面积网故障集'磁极然后轮廓用1％区域的轮廓（ 图5）这些极点 ​​。
   2. 确定从这些极浓度最常见的故障集。这些情节设置故障一样大，圆（ 图5）。

图5.等面积地块的例子从两个站点故障套等面积地块-现场41是2区和现场5是从区域1台故障是plotted作为轮廓磁极（1％区域的轮廓）。从极浓度测定并绘制大圆平均故障集。最大缩短方向，从共轭结合物故障集确定的，被绘制为黑点。故障极轮廓根据在每个站点百分比贡献着色。有助于> 20％的波兰人浓度红色，15-19之间％的橙色，10-14％是黄色的，5-9％是绿色和<5％的蓝色。红色故障极的轮廓被标记为LPS（层平行缩短），LE（下肢延长）和HE（铰链延伸）（从伊斯马特·和Toeneboehn ⁷修改）。 请点击此处查看该图的放大版本。

2. 确定的共轭故障集， 即具有二面角，范围从40°到75°大圆对（ 图^5）13 。
3. 定义的共轭结合物断裂集的急性二等分线-这个定位的最大缩短方向（ 图^{5）4,14,15。}
4. 进一步细分等面积净故障极的浓度，根据每个站点的百分比贡献。按颜色编码的极点浓度，以便于可视化分析做到这一点。比如，突出杆浓度，有助于整体两极该站点红色> 20％。颜色的那些15-19％橙，10-14％的黄色，5-9％的绿色和<5％的蓝色（ 图5， 表2）之间作出贡献。

现场	寝具	缩短	具有最高故障极	故障套（S）
	（浸，浸方向）	方向（多个）	浓度（S）	（浸，浸方向）
		（暴跌，走势）	（暴跌，走势）
41	83，268	79，115	22，064	68，244
			60，345	30，265
			73，276	17，096
五	63，265	67，130	08，343	82，263
			36，247	54，067

表2.尺度故障数据的实例图，只显示了24个站点的2，记录如下:beddin克取向，缩短方向（s）时，最高故障极点浓度（S）和其相应的故障集（多个）的取向（从伊斯马特基和Toeneboehn ⁷修改）。

5. 根据不同的故障类型（ 例如，铰链延伸）（ 图5）标注极的浓度。
6. 标签上的尺度的照片的不同故障类型，为了容易视觉分析（ 图4）。
7. 绘制的不同故障类型，为了容易视觉分析（ 图6）。沿着和整个宏观整体结构图表显示，故障数据做到这一点。

图6.实施例曲线图故障种群分布图形表示最大故障集的百分比和类型（ 图5中以红色突出显示）为每个站点。就在青石板的Ct内的网站都在这里显示（从伊斯马特·和Toeneboehn ⁷修改）。 请点击此处查看该图的放大版本。

5，建设推块沙箱模型

1. 使用¾英寸MDF（中密度纤维板），以减少从木材纹理，粗刨表面，或其它缺陷从木材引起的潜在的表面不均匀性（ 图3）。
2. 施加基本涂饰漆以密封MDF板的表面，并防止环氧树脂（下文描述）从渗透模型的表面（ 图3）。
3. 规模及定向沙箱模型对场区。例如，在这项研究中，模型中的框的长度来表示EW趋势线，并且框表示的NS趋势线的宽度建模。缩放沙箱模型中，把4厘米EQU人1公里（ 图3）。
4. 构造，以避免潜在的边界条件和/或从模型边缘效应的方块比实地研究面积。
   1. 别构造逆止，为了让沙传递没有不切实际边界（ 图3）。
5. 建立一个推块相当于沙箱的宽度。这将防止砂从通过推块的侧面。
   1. 使用¾英寸密度板推块。
6. 附加推块到曲柄驱动螺纹金属棒（ 图7）。
   1. 使用4-6英寸直径的圆形曲柄带有手柄 - 一个圆形的曲柄使少紧张随之而来的手腕和手。
   2. 使用一个直径为镀锌螺纹杆（优选顶点螺纹），该至少¾英寸。如果该栏太薄，则可能无法承受砂的重量。
   3. 可以保证T他螺纹杆的长度从沙箱到斜坡的结束的开始延伸。

图7.示例沙盘模型图。沙箱模型图，说明作为规划和剖面图。南部的正面斜坡（SFR），斜斜坡（OR）和北部斜坡额（NFR）标记。绘制在坡道细箭头说明风沙运动的潜在方向。 图3给出了一个空沙箱模型（从伊斯马特·和Toeneboehn ⁷修改）的照片。 请点击此处查看该图的放大版本。

7. 钻一个细长孔，具有垂直长轴，在frontstop的中心。这种细长形状将允许推块（在tached到螺纹杆）向上移动，并通过斜道，如果需要的话（ 图8）。
   1. 确保长孔的长度等于最高斜坡的高度。
   2. 固定有金属框架的长孔。附加金属框架与螺帽和螺栓（ 图8）的frontstop。
   3. 通过安装到frontstop（ 图8）的匹配螺距和直径螺母螺纹杆。

图8.螺纹钢筋连接。螺纹杆的特写视图，并安装到frontstop匹配的螺母。 请点击此处查看该图的放大版本。

8. 构造的倾斜斜坡，由正面斜结合在两侧。构建出斜松沿底座的顶面和埋头紧固件上粘槽口关节。
   1. 在可比的方向切斜的是，在现场预测。
   2. 展开的距离的各种坡道之间，相比的是，在现场观察到的，使得，在砂形成结构是更加明显。
9. 沙细砂砾砂纸去除表面的非均质性和应用聚氨酯面漆保护软木材表面。
10. 覆盖坡道和沙箱的基地，画家用胶带保护木材免受审判之间的​​环氧树脂。确保磁带是光滑和从脊或护翼自由。

6.运行推块沙箱模型

1. 使用典型的玩沙。这种类型的砂的相对均质的，具有0.5毫米的平均粒径。
2. 染料和砂的干燥一半。
   1. 填写一个5加仑桶四分之一˚F与ULL打砂，并添加黑色食用色素，同时混合均匀的深绿色直至达到。因为需要使染色砂的颜色明显地从染色的砂独特使用尽可能多的染料。
   2. 允许砂在室温下，这可能需要几天的时间，或在烘箱中（高达500℃），这可能仅需要几个小时干燥。不要把热砂在沙箱中。确保该砂已经在使用前冷却至室温。
3. 躺在沙滩上交替有色和无色（TAN）沙层。测试填砂的各种厚度。在这种设置中，制作最清晰，最可重复的结果3.5厘米厚的一填砂，交替0.6厘米厚色和棕褐色层（ 图7）。
4. 轻轻按下一塑料网，在^2（1.3 cm ^2）的平方0.5组成到未变形沙子的顶部，以产生格压痕（ 图9）。

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图9.沙箱模型未变形砂为例，在沙箱模型未变形的沙子部分平面图。注意栅缩进和正方形横销。南部斜坡额叶（SFR），斜斜坡（OR），北斜前方（NFR），以及四个区域（1-4）被标记（由伊斯马特·和Toeneboehn ⁷修改）。 请点击此处查看大图这个数字。

5. 插入正方形横销2英寸（约5厘米），在整个非变形砂（ 图9）。
6. 与曲柄驱动的推块推沙子。在此设置中，移动砂60厘米， 即 ，缩短为60厘米（ 图10）。
   1. 移动至推块足够慢，使得在沙变化可以仔细记录编辑。在该推块被移动的速度（ 即 ，应变速率）不影响结果。
   2. 通过观察方格的形状变化（ 图10）跟踪的变形。
   3. 通过观察销（ 图10）的运动轨道运输和垂直旋转的量。
   4. 文件的所有这些变化有照相机的安装在沙箱附近，从而使整个测试区是图片字段内。确保拍摄静态照片架以及视频。

图10.变形砂层的例子，从沙箱模型落脚点变形平面图。选择标有蓝点显示右旋偏移交叉针。折叠交叉针突出了黄线。逆冲断层都突出了轻薄，血乳酸CK线。四个区域（1-4）被标记（由伊斯马特·和Toeneboehn ⁷修改）。 请点击此处查看该图的放大版本。

7. 具有不同的沙子和总缩短量实验。
   1. 重复，直到满意为止， 也就是说 ，直到形成在沙箱结构模仿那些在自然界中保存下来，在可比的缩短量。

7.从Sandbox收集样品

1. 从沙中删除所有交叉针一次沙盘结果模仿那些在自然界中保存。
2. 通过分离和epoxying变形砂的部分（ 图11）收集来自测试区的样品。
   1. 通过构建两个预先切割的金属片分隔隔离沙变形（ 图9）的部分执行此操作。
   2. 确保底部边缘分压器被切割以匹配斜坡的角度。
   3. 为了保护分频器由环氧树脂试验间，覆盖画家带分频器（ 图11）。
   4. 确保在分频器及以后的坡道延伸。在这项研究中，使用矩形分频器，测得的长45厘米和9厘米宽（ 图11）。
   5. 确保分频器比变形填砂（ 图11）的最厚部分高。
   6. 确保该除法器的一端是封闭的，为了控制环氧树脂的流动。不关闭分配器的另一端，以最小化任何潜在的干扰对填砂（ 图11）。

图11.金属隔板为例。俯视，示出2金属分频器，一个贯通正面斜和上e到倾斜斜坡，在变形沙子。沿着倾斜斜坡金属分频器填充有环氧树脂。注意规模（从伊斯马特·和Toeneboehn ⁷修改）卷尺。 请点击此处查看该图的放大版本。

3. 稳与金属条分隔器（ 图11）。
   1. 通过朝向分配器的顶部预钻孔与¼英寸紧固除法×4英寸机器螺钉做到这一点。鞘分频器的双方之间3/8英寸直径铝管螺丝。在这项研究中，使用对每个分隔的两个金属条（ 图11）。
4. 放置在倾斜坡道一个分隔，并且第二对正面斜斜坡结（ 图11）。
5. 倒在由该金属隔板分离的砂部的顶端温热环氧（图11）。
   1. 继续倒环​​氧树脂，直到它被砂不再被吸收。这确保了砂完全饱和。
6. 拉环氧树脂粘合区出来的金属隔板，一旦环氧树脂是干的。通过拉动分隔出的金属棒做到这一点。
7. 用石头锯，切用环氧树脂领域垂直和平行于坡道的罢工。
8. 突出被褥，折叠，并与在环氧树脂固定样本永久性标记（ 图12）故障。

图12.实施例从沙箱模型从（a）北部正面斜坡和沙箱模型中（b）的斜斜坡环氧树脂粘合的样品。用环氧树脂样品。示出的样品垂直于斜面的趋势切割。图层突出了薄，白线秒。白色实线标注逆断层，虚线白线标出走滑断层（从伊斯马特·和Toeneboehn ⁷修改）。 请点击此处查看该图的放大版本。

9. 比较沙箱样品到外地的数据。
   1. 比较从区域的横截面样品。一定的样品和横截面具有类似取向。

结果

空中拍摄的照片被用于现场区域划分为四个区域（1-4），基于现代山嵴顶的趋势（ 图2）。多尺度故障数据这四个地区进行比较。假定这些趋势变化反映底层基底的几何形状，倾斜的斜坡位于区域2和3中，内，其中山趋势倾斜于塞维尔折叠推力带。在整个四个区域，我们发现，中尺度的故障保护变形织物是渗透和均匀的尺度（ 即，岩石的立方米），并代...

讨论

在塞维尔褶皱冲断带的中部犹他州段，其北界，在利明顿的横向区域作为理想的天然实验室，研究凸槽结（ 图1）。沿着这条交界处，输送方向保持恒定，并且推力片是跨过该结不间断，所以唯一变量是底层地下室几何^5。

这里，我们提出通过组合与推块沙箱模型，它复制场区的大型几何现场收集多尺度故障数据以分析这种类型的凸凹结的方法。沙箱模型?...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
fiberboard	Any	NA
finishing lacquer	Any	NA
epoxy	Epoxy technology	Parts A and B: 301-2 2LB	Best if warmed to 80º - 125º. If warming is not possible, it will cure fine, it will just take 1 week, rather than 1 day.
ramp wood-pine	Any	NA
painters tape	Any	NA
rabbit joints	Any	NA
countersunk fasteners	Any	NA
sand paper	Any	NA
play sand	Any	NA	best if homogenous grain size, ~0.5 mm
food coloring	Any	NA	best to use one color and a dark color
plastic mesh/grid	Any	NA
square cross oins	Any	NA
crank screw	Any	NA
crank handle	Any	NA
sheet metal	Any	NA
dividers bars	Any	NA