實驗材料性質分析

本研究中，實驗材料為澳洲的風成砂，由SIBELCO提供樣品，此公司出廠 之實驗砂的化學分析結果，主要成份為石英，其比例佔99.75% (表4.3.1)，關於石 英砂顆粒分析，採用ASTM (American Society for Testing and Materials) 規範進行 分析，從分析結果看出通過+ 50 mesh 殘餘百分比為0.07%，+ 60 mesh殘餘百分 比為1.64%，顯示樣本顆粒大小相當均勻且一致性，由測量結果觀察所使用的實 驗材料為均勻的顆粒(表4.3.2、表4.3.3)。本實驗使用石英砂，委託瑞士Bern, Institute of Geological Sciences，進行多項力學實驗更規範出實驗材料測定的標準，

因此更可了解所有材質測定出的物理意義，進而去探討顆粒與黏性物質在模擬真 實環境下脆性和韌性的變形情形，主要試驗包括:環剪試驗(ring shear) : 此試驗的 環境設定條件正常荷重為< 2150 Pa ，剪力速率為 3mm /min，溫度為 23-25℃，

濕度為30-40%、單軸壓密試驗(uniaxal compression)、粒徑分析等(表4.3.4)。

(Klinkmuller et al., 2008)。本研究底拖帶相關特性說明一覽於表4.3.6。

Mair et al.(2002)研究反傾斷層(antitrade fault)中的斷層泥，從研究結果發現斷 層內的剪應變發生機制主要受到圓形顆粒滾動以及角礫狀顆粒滑動的影響，藉由 這兩種顆粒受到應力作用相比之下，角礫狀顆粒造成剪應力較大。因此材質中顆 粒大小及淘選度似乎是控制摩擦力關鍵(Mair et al., 2002)。

Klinkmuller et al. (2008)從實驗測試結果中發現以下的特點:本實驗室用來模 擬的澳洲風成砂，粒徑一致、淘選度好細顆粒材質，利用不同的正向應力作用在 砂體下，觀察砂體的強度變化，觀察到當正向應力增加時，會有明顯滯滑(stick-slip) 現象(圖4.7)，因此實驗結果認為固體的體積模數滯滑現象足以影響作用力鍊斷裂 及顆粒圓度也會使顆粒具有較一致的顆粒曲線分佈。

圖4.7 實驗用澳洲風成砂之摩擦試驗結果。Klinkmuller et al. (2008)針對從 台灣送至瑞士檢測，關於本實驗的砂體進行分析。不同顏色砂體表 示不同的剪應力下砂體強度變化，隨著剪應力增加，有較明顯的滯 滑(stick-slip)現象。

關材料粒徑及球度分析利用台灣大學地質科學系，場發射掃描式電子顯微鏡 (Field Emission scanning electron microscope, FE-SEM)，觀察實驗材料石英砂及實 心玻璃珠等的物理性質。由電子顯微鏡進行直接進行觀察，檢測視窗範圍內十顆 石英砂的平均粒徑為182 μm，球度屬於次角型至次圓形，玻璃珠平均粒徑為100 μm，球度屬於圓形(圖4.8)。本研究中利用物質專有特性來模擬自然界，本實驗 選用的澳洲風成石英砂物理性質由於顆粒較小、球度較圓，實驗中用來模擬沉積 物。實心的玻璃珠，玻璃珠的球度由SEM拍攝出觀察玻璃珠的球度幾乎接近1 (圖 4.8B)。

圖4.8 FE-SEM 拍攝實驗乾石英砂及實心玻璃珠顯微鏡照片。(A)(C)乾石英 砂平均粒徑182μm，其球度統計結果屬於次角形至圓形；(B)(D)實心 玻璃璃珠平均粒徑約100μm，球度接近 1。

表4.3.1 石英砂之化學分析結果(SIBELCO 檢測)。

Sieve analysis (SEM)

Grain size Category Sorting

Category 4 hours Mean(μm) 1=fine，2=medium，

3=coarse

1=good 2=bad

Taiwan 182 1 1

Taiwan (color) 183

Grain shape Aspect ratio (%)

Angular (%)

Sub angular (%)

rounded (%)

Taiwan 1.441 33.3 59.1 7.5

Taiwan (color) 1.441 33.3 59.1 7.5

表4.3.5 環剪試驗及直接剪力實驗結果 (Klinkmuller 檢測)。

430-2150Pa Taiwan Internal Peak Density

(g/cm)

4.4

4.4.3 實驗過程 PIV(Particle Image Velocimetry)分析準確度以及描繪砂體間的運動軌跡 ，標記顆 粒的運動路徑的記號，以方便了解顆粒受到擠壓變形的運動情形，且清楚幫助分 像軟體裁切影像，並利用Windows movie maker 軟體將影像串連起來，即成為動 畫影像檔，此做法有利於實驗的觀察，並可以更清楚藉由影片播放，直接了解整 個模擬的過程，且可留存以利後續研究使用。

4.4.4 表面侵蝕作用

根據Davis et al. (1983)提出單側增積楔形體發展受到臨界錐形角度(α+β)控 制，而雙向楔形體發展的表面坡度定義為 α 及 α’，受到聚合作用時雙向增積楔 形體垂直發展，達到兩個表面坡度時，會發生表面侵蝕作用，隨著持續的聚合作 用，表面坡度隨著抬升作用會維持自我相似的增加。從前人及本研究實驗觀察，

當聚合約50 公分時，增積楔形體的表面坡度會發展到一個臨界值，此時實驗將 步進馬達暫停，將產生的表面坡度畫在空白投影片上(圖 4.9)，將高於表面坡度 的砂體利用保麗龍刮刀以及吸塵器移除。

當表面侵蝕結束後，於表面灑上一層與最上層砂層顏色不同的石英砂，用來 模擬自然界中的間接性的沉積作用，當侵蝕的動作結束後，重新拍攝侵蝕後的結 果，以利製作影片時觀察的連續地形變化。

圖4.9 砂箱侵蝕實驗示意圖。聚合約 50 公分，增積楔形體達到固定的表面坡度，

進行表面侵蝕實驗，利用固定的表面坡度進行侵蝕作用。