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。

資料處理(Data processing)

實驗過程中，相機連續性拍攝影像，當實驗結束後，利用XnView影像軟體裁切影像，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的了解整個模擬的過程，且可留存以利後續研究使用。

PIV分析

PIV為一種流場量測技術，利用兩個連續觀測影像的對比分析，針對像素粒子追蹤，並計算粒子的位移量，進而得到分析範圍內的位移場。此技術廣泛應用在流場監測上（White, et al., 2001），有些研究將其應用在航照或衛星影像來了解山崩的空間隨時間的演化(Dominguez et al., 2003; Tseng et al., 2007)，用於砂箱實驗上，則可提供高解析度的位移監測(Adam, et al., 2002; Adam et al., 2005; Hoth, et al., 2007)，對於岩層破裂前後其瞬變行為的觀察，可以提供動力學的機制分析。
本研究利用PIV技術，將砂箱實驗影像給予固定的質點位移搜尋範圍，搜尋並分析實驗過程中砂體內部的變形，可得到搜尋範圍中平均的位移值，並利用整體位移的向量場分布，推求2維平面的剪應變量化結果，以上的分析結果有助於在相同的控制變因下，探討不同的參數對於增積岩體造成的影響效應，並且可以使用影像表示，便於觀察微小位移量以及局部的變形行為。

PIV

PIV資料處理流程

根據所拍攝到的連續影像，使用的PIV分析軟體，所能處理的格式應為灰階影像的TIF檔格式，首先利用影像軟體(XnView)批次轉換所有影像，接著將照片讀取進入軟體內，並利用PIV Mask將影像進行遮罩處理以及設定所需要進行的分析範圍，影像分析只需要針對特定範圍分析，此做法的優點除了更可以清楚表現出重點分析範圍的重點，以及加速電腦的運算。
為了求取兩張影像的關聯度，本研究採取PIV軟體中裡面傅立葉交叉演算法分析(FFT-cross-correlation analysis)計算相關係數，此分析方法較快速，但判斷視窗大小需一致，接著進行峰值檢測，最後將影像互相對比以求相片中各個像素(pixel)的位移，若實驗中分析不到最大的峰值，則會重新利用內插法進行檢驗，將網格由大至小計算過一次，細化網格數據，並將向量平滑化，再次進行交叉相關分析。
在資料進行分析中，影像會分成大小一致的多格判斷視窗(Interrogation window)單位為L×L pixel。每張圖片的判斷視窗，可用來調整影像中流場的密度)，因此指定適當的判斷視窗，有助於分析結果中向量呈現。經由越細部判斷視窗所分析的結果，越能代表影像中流場向量的特徵，但太過於小的判斷視窗也可能會造成部分的向量失真，因此針對判斷視窗的選擇，依據過去的會議中，擬定各國模擬實驗室皆盡量使用32∙32 pixel，主要目的是要多數的分析資料，可以直接進行明顯的對比以及資料可利用性(Susanne Buiter et al.,2008)。