Sandbox

砂箱(sandbox)

砂箱實驗可以模擬許多地質特徵。當我們在砂箱內擠壓砂粒，就會形成斷層或褶皺，進而瞭解地層的生成原因。
地質上的實驗，有別於一般傳統實驗室的實驗。地質領域最常遇到的問題是時間與空間，地質上的時間動輒以百萬年為計算單位，而長度以公里為量測單位，要把一條數十公里的地層拿到實驗室來進行實際推擠是無法實現的，若一個實驗要進行數十年也是不可能。因此地質學家設計出砂箱實驗，砂箱實驗將數十公里的地層，尺度縮小到數公尺，甚至到數公分，而原本堅硬地層尺度縮小後，使用物理性質類似的石英砂，地質學家因此解決了比例問題，經由許多的實驗又證明砂箱實驗與岩層破裂的性質類似。當岩石受力到一定的程度之後便會產生破裂，而當作用力持續作用時，破裂面會滑動，此破裂面即是斷層面，我們可以透過砂箱實驗，模擬出斷層的破裂與傾角等地質特徵。
在模擬過程中，最常利用將原色及染色之石英砂分色分層鋪設，再透過各種不同的實驗設計，模擬岩層在各種應力狀態之下之力學行為機制。由於石英砂層在地質砂箱的實驗過程中，其摩擦性質符合庫侖破壞準則(Davis et al., 1983; Malavieille, 1984)，並且具有低內聚力、力學行為不隨時間變化的特性，故其適合用來模擬脆性變形行為，如上部地殼的脆性變形(Malavieille, 1984; Lallemand et al., 1994; Marone, 1998; Schellart, 2000; Adam et al., 2005; Konstantinovskaia and Malavieille, 2005)。

臺大砂箱實驗室現有兩組主要實驗用砂箱，分別描述如下:

二維砂箱(2D Sandbox)

二維長形砂箱，長寬高分別為300 cm × 10 cm × 30 cm。此砂箱可調整兩種不同的驅動發式:
(1) 利用機械馬達拉動底拖帶的方式，模擬板塊運動在滑脫面上的作用，底拖帶的上覆砂層可視為滑脫面上可變形的區域。
(2) 利用機械馬達帶動背推板壓縮，模擬擠壓環境下的造山運動，或是拉張環境下的伸張運動。
所以，利用背推板及底拖帶對砂層的作用，可以模擬板塊聚合邊界受擠壓作用變形的岩體。針對不同的地質作用或邊界，我們可以利用改變模擬儀器本身的設定以符合真實情況，例如底拖帶的性質、砂箱的傾角等；此外，亦可改變鋪砂的方式或砂層的形狀來建立模型，例如弱面、基盤等設定。

三維砂箱(3D Sandbox)

三維砂箱長寬分別為 200 cm x 150 cm

材料(stuff)

材料的種類

石英砂(silica sand)

臺大實驗室實驗主要選用砂為澳洲風成砂。其主要成份為石英佔99.5%(表1)，而粒徑和球度方面，可由ASTM標準篩網通過百分比得知(表2)。

表1 實驗用石英砂之化學組成 (SIBELCO 提供)

化學組成	SiO2	Al2O3	Fe2O3	TiO2	K2O	Na2O	MgO	CaO	雜質
百分比(%)	99.5	0.05	0.02	0.02	0.01	微量	微量	微量	0.15

表2 實驗用石英砂之ASTM通過粒徑分布

ASTM篩網號	篩網孔徑(μm)	通過百分比(%)
60	250	5.0
70	212	16.2
100	150	61.1
140	106	16.9
<140	<106	0.8

實心玻璃珠(glass microbeads)

其粒徑約為100 μm，顆粒形狀為圓形(rounded)的顆粒。
實心玻璃珠適合用來作為滑動面的界質材料

前置作業

研究區域的選擇

1.選擇區域。
2.選擇二維或三維的砂箱。
3.選擇砂箱操作的型式。
4.選擇材料。
5.設計厚度。
6.設計速率。

石英砂染色處理

利用脂溶性油漆當染色的色母，在容器內放將酒精以及預染色母兩者均勻稀釋，之後將預染色的白石英砂倒入容器中攪拌，讓石英砂可充分的均勻染色。色母：酒精：石英砂比例為 1：20：80，藉由此混合比例可達最佳染色效果(張國楨, 1998)。
將染色的石英砂放置在通風陰涼處，自然風乾，待完全乾燥後，再次將石英砂攪拌均勻，避免石英砂結塊。因為溶劑中有添加酒精，酒精的燃點過低，請勿將染好之色砂，直接使用烤箱烘乾，以免產生氣爆的危險，最後將已乾燥的色砂放進收納箱，在收納箱內放上乾燥劑，避免砂子受潮。

速度調整

砂箱模型的速度，是藉由步進馬達、齒輪來控制速度。

相機架設

相機架設的位置通常為俯視或是前視，依據實驗需求，決定相機架設的位置。
相機透過電腦快門線控制，其拍攝間隔依實驗的速度而不同。
通常以 15sec ~ 15min 為間隔拍攝定時照片。

燈光架設

善用燈光照射，減少陰影的產生。
一般而言燈光的位置是由高往下照射。

石英砂鋪成方式

使用霣降法，此做法目的是使石英砂能均勻的平鋪於砂箱內；因霣降高度會影響砂層的相對密度，故鋪砂過程中霣降高度盡量控制在同一高度。
當進行實驗前，必須使用篩網篩過完全乾燥的石英砂，把石英砂中所含的雜質及結塊等去除。

石英砂乾燥

1.自然風乾。
2.日曬。
3.使用電子自動加熱器使其乾燥。
4.將已乾燥的色砂放進收納箱，在收納箱內放上乾燥劑。

實驗操作

二維砂箱(2D Sandbox)

1.實驗採取隱沒式的砂箱模型進行實驗模擬，藉由步進馬達可以控制應變速率。
整個實驗記錄方式，當石英砂依照模擬條件鋪設完成時，將相機固定在腳架上擺放在定點，並在砂紙末端裝上位移記錄器，將步進馬達所拉動的位移顯示於前方的小液晶螢幕，當實驗開始時相機可依據拍攝到的位移清楚了解目前運動階段。並可以依據不同實驗需求，做相機定點拍攝。

2.實驗採取推擠式的砂箱模型進行實驗模擬，藉由步進馬達可以控制應變速率。
整個實驗記錄方式，當石英砂依照模擬條件鋪設完成時，將相機固定在腳架上擺放在定點，並在推擠的板子裝上位移記錄器，將步進馬達所拉動的位移顯示於前方的小液晶螢幕，當實驗開始時相機可依據拍攝到的位移清楚了解目前運動階段。並可以依據不同實驗需求，做相機定點拍攝。

三維砂箱(3D Sandbox)

實驗採取推擠式的砂箱模型進行實驗模擬，藉由步進馬達可以控制應變速率。
整個實驗記錄方式，當石英砂依照模擬條件鋪設完成時，將相機固定在腳架上擺放在定點，當實驗開始時相機可依據拍攝到的位移清楚了解目前運動階段。並可以依據不同實驗需求，做相機定點拍攝。