砂箱歷史沿革

最早追溯至19世紀初，物理模擬方法有了重大的突破，首先有學者發展出利 用物理模型重現造山帶的演化過程(Paulcke, 1912; Gorceix, 1924; Koyi, 1997;

Ranalli, 2001)。Hall (1815)以蘇格蘭東海岸的褶皺，利用厚布條設計一個模擬褶 皺的研究儀器，儀器中有垂直圍壓以及水平收縮的彎曲結果；之後又利用活塞裝 置，運用黏土壓縮用來觀察黏土被壓縮變形的過程。利用上述的實驗結果，可以 成功的說明自然界褶皺形成過程。對於這些先前創舉研究方法，到了19世紀後期，

Cadell (1888)利用脆性的材料:色砂，進行造山帶的模擬 (圖4.1)，現今的研究利 用砂子進行模擬自然界構造的模型統稱為“砂箱” (Hubbert, 1951) 。

圖4.1 Cadell (1888)利用脆性材料進行造山帶的模擬。

本研究所使用的實驗儀器為二維砂箱模型，進行各項構造實驗的模擬，主 discontinuity)(Malavieille, 1984)或者又稱奇異點(Singulatity)(Willett et al., 1993)。

關於模型分類利用後阻體是否移動，分為下列兩種分別是:隱沒式模型(圖4.2)和 縮進式模型(圖4.3)，兩者儀器的差別在於；隱沒式模型中，實驗中後阻體固定不 動，由底拖帶拉動砂體碰觸後阻體下方，此運動方式主要是模擬板塊隱沒時的情 形；縮進式的模型，實驗中後阻體會移動去碰撞實驗的砂體，此運動方式用來模 擬造山碰撞帶(Davis et al., 1983；Ballard et al., 1987；Mulugeta, 1988)。

由上述兩個不同的模型來說明，將兩者模型的速度場用橫剖面以及上俯視圖 呈現(圖4.4)，可以發現砂體前緣的圓弧幾何差異，其圓弧生長方向主要受到力的 控制，因此從隱沒模型，受到底拖帶向左移動，造成邊緣的最大應力方向向左，

使砂體呈現向左的圓弧；相反的，縮進模型砂體前緣的圓弧，主要受到後阻體向 右移動，邊緣最大應力呈現向右，砂體呈現向右的圓弧(Schreurs et al., 2006)。兩 者模型的差異在於邊界條件差別，但大致上的斷層幾何沒有太大的差別，但前者 質量中心呈現穩定狀態，而後者因為斷層所造成的增積體會形成有著穩定的狀態，

但會產生易移動底脫斜坡(décollement slope)，因此後者的邊界狀態較不穩定 (Dahlen and Barr, 1989)。

圖4.2 隱沒式砂箱儀器。由馬達拉動底部的底拖帶，碰觸到固定不動的剛性 後阻體經由交界的速度不連續點，砂體前緣發展形成增積楔形體，圖 中調整彈簧可調整實驗傾角的角度。α 為增積體表面坡度；β 為底脫 面傾角。(修改自 Davis et al., 1983)。

  圖 4.3 縮進式砂箱儀器。藉由螺旋千斤頂(screw-jack)向前緣運動，在前緣開 始碰撞砂體，與底部碰觸到可移動式板塊，經由從速度不連續點(V.D)，

開始向前緣發展增積楔形體。(修改自 Ballard et al., 1987; Mulugeta, 1988)。

圖 4.4 隱沒模型及縮進模型的橫剖面圖(上)、速度場上方透視圖(下)速 度場。兩者模型邊界最大應力不同造成有不同表面地形機制不 同，隱沒模型隆起方向向左，縮進模型隆起方向向右。(修改自 Schreurs et al., 2006)。