用于超重力环境的走滑构造物理模拟实验装置及实验方法与流程

本发明涉及一种实验装置及实验方法，尤其涉及一种用于超重力环境下的走滑构造物理模拟实验装置及实验方法。

背景技术：

地质构造的物理模拟已有二百多年的研究历史。这一领域的研究直到上个世纪30年代相似性理论的建立(hubbert,1937才得到实质性的发展，并最终成为地质构造变形规律、形成过程和成因机制研究的最主要手段。长期以来，人们利用常重力构造物理模拟装置对地质构造过程开展有过全面研究，极大地推进了构造地质学的研究与认识水平。

构造变形物理模拟方法在国内外构造地质学研究领域取得了显著成效，国内外一些著名大学和研究所纷纷建立了各自的相关实验室，例如，美国斯坦福大学、赖斯大学、英国伦敦大学、瑞士伯尔尼大学等。在国内，南京大学、中国地质大学(北京)、成都理工大学、中国石油大学(北京)等高校相继建立了构造物理模拟实验室，主要用于模拟构造变形物理模拟的实验研究。然而，大多数构造物理模拟实验是在正常重力条件下的砂箱实验中完成的。常重力构造物理模拟实验在涉及岩石流动变形(如地幔柱上涌、软流圈对流、下地壳流动和岩浆及膏盐地层底辟)等问题的深层构造过程物理模拟方面存在很大的局限，常重力构造物理模拟实验可以模拟逼真的构造变形形态，但实验缺少了构造变形的应力影响因素。

对于涉及重力的地学问题，离心机具有不可替代的作用。使用离心机，可以实现正常重力几百倍、甚至1000倍以上的超重力环境，因此能把实际地质体缩小成一个地质模型，在实验室里对它进行研究。对于地壳中的岩石，重力是控制其破坏和变形的主要因素，使用离心机进行有关的物理模拟实验是必然选择。瑞典uppsala大学ramberg实验室率先开展了基于离心机超重力环境的物理模拟研究(ramberg,1967，随后加拿大皇后大学和意大利佛罗伦萨大学等构造模拟实验室也相继开展了这方面工作，国外学者也发表了相应的研究成果(harris&koyi(2003,jsg)、acocella(2008,epsl)、noble&dixon(2011,jsg)、corti&dooley(2015,tectonophysics)、dietl&koyi(2011,jsg)等。

开展离心机超重力环境下的模拟实验是解决常重力构造物理模拟实验存在问题的有效途径，然而由于长臂大型离心机结构复杂造价高昂，离心机超重力场环境的物理模拟绝大多数采用造价较低、尺寸较小的鼓式离心机。尽管这些鼓式离心机地质构造模拟装置的最高重力加速度可达1000g以上，但实验模型的尺寸极小(最大十多厘米，难以精细模拟实际地质构造现象，并且由于实验舱空间狭小，无法像常重力实验装置那样配备施力部件和实时观测仪器，难以精密控制变形速率和同步记录变形全过程。目前，针对离心机环境下地质构造的模拟实验研究的实例还非常少，绝大多数离心机模拟实验主要应用于岩土工程结构的应力变形特性和渗透特性的研究。如中国水利水电科学研究院土木工程实验室拥有大型土工离心模型试验机，离心机环境下应用于构造模拟实验的相关设备目前则几乎没有。

技术实现要素：

发明目的：本发明的第一目的是为研究人员提供超重力环境地质构造演变过程模型的走滑构造物理模拟实验装置；本发明的第二目的是提供利用该实验装置的实验方法。

技术方案：本发明用于超重力环境的走滑构造物理模拟实验装置，包括位于实验舱内用以布置实验材料的实验箱和动力装置，所述实验箱包括位于前后两侧的实验箱固定挡板和位于该实验箱固定挡板之间的两块实验箱底板，每块实验箱底板两侧各设移动挡板和移动驱动板，两侧的移动挡板和移动驱动板错位布置，所述实验箱底板底部通过实验箱底板滑块安装于实验箱底板导轨上；在动力装置的作用下，每块实验箱底板分别带动各自连接的动力驱动板和移动挡板运动，实验箱内的实验材料得以错位变形。

本发明还包括位于移动挡板和移动驱动板顶部的活动支撑架，所述实验箱固定挡板顶部设有重量支撑滑轨，所述活动支撑架两侧通过重量支撑滑块在重量支撑滑轨内滑动。

优选的所述动力装置包括与移动驱动板连接的液压缸，该液压缸通过液压缸固定底座安装于实验舱底板上。

位于所述实验箱外侧的移动挡板和移动驱动板之间设有用于防止移动时实验舱材料泄漏的实验箱移动中心挡板。

进一步地，所述实验舱顶部安装三维扫描仪，该三维扫描仪通过三维扫描仪支架安装于实验舱的顶部。

所述实验舱设于离心机的离心机吊篮内，所述离心机上还设有运动控制设备，该运动控制设备通过有线或无线方式与离心机外的电脑连接，同时该运动控制设备通过导电线和信号线连接吊篮内的实验装置。

所述运动控制设备为动力控制柜，该动力控制柜通过有线或无线方式与离心机外的电脑连接，同时该动力控制柜通过导电滑环连接离心机外旋转中心的液压站和液压控制柜，液压站和液压控制柜分别与离心机转臂上的液压线路和导电线及信号线连接，液压线路和导电线及信号线通过滑环与实验舱连接。

本发明用于超重力环境的走滑构造物理模拟实验装置的实验方法，包括如下步骤：

(1)在离心机运转前、常重力环境下，在实验箱内铺设实验材料并安装到离心机吊篮内的实验舱中，连接好有关线路；

(2)预设离心机的转速或直接设定重力值，启动离心机待其运转达到设定重力值时，动力装置带动实验箱底板连接的的动力驱动板和移动挡板运动，实验箱内的实验材料得以错位变形；

(3)记录实验箱内材料的变形数据；

(4)构造变形结束，离心机停止运动，取出实验箱进行研究。

有益效果：与现有技术相比，本发明的实验装置在常重力条件下，完成对深层构造物理模拟实验箱内的实验材料的布置；在离心力条件下，对构造物理模拟实验箱两侧的动力装置进行自动控制，使得构造物理模拟实验箱完成深层走滑构造物理模拟实验，实验箱内的走滑构造变形物理模拟实验过程研究，为研究人员提供即时地质构造演化过程模型。

附图说明

图1为本发明走滑构造物理模拟实验装置的俯视图；

图2为本发明走滑构造物理模拟实验装置的a向侧视图；

图3为本发明走滑构造物理模拟实验舱的b向侧视图；

图4为离心机超重力环境下本发明走滑构造物理模拟实验装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

基于长臂大型离心机的构造物理模拟实验不仅可在超重力环境下凸显岩石的流动变形效应，可模拟大尺度深层构造演化过程，可为涉及岩石圈尺度的深层构造过程模拟提供最为有效的研究手段，可望成为解决地球科学重大基础理论问题的重要创新研究手段。但是，在离心机环境下实现动力驱动实验箱本身就是困难的，在160g以下的超重力环境，可以用电机驱动实验，但160-300g的超重力环境，电机不能正常工作，申请人尝试用液压缸驱动。

在离心机环境下进行大尺寸构造物理模拟实验需要很多创新的设计，因为实验箱的各个部件都承受了自身几百倍的重力影响，活动的板会因大摩擦力而变形损坏，因为离心机吊篮的承重有限制，不能无限加厚运动板的厚度(增加重量)，本发明不仅解决了这个问题，还可以实现深层走滑构造的实验模拟。

如图1-3所示，本发明的实验装置包括位于实验舱3内的实验箱和与之连接的动力装置；其中，实验箱包括位于前后两侧的实验箱固定挡板19和位于该实验箱固定挡板19之间的两块实验箱底板21，每块实验箱底板21两侧各设移动挡板25和移动驱动板24，两侧的移动挡板25和移动驱动板24错位布置，即一块实验箱底板21的左右两侧分别为移动挡板25和移动驱动板24，另一块实验箱底板21的左右两侧分别为移动驱动板24和移动挡板25；实验箱底板21底部通过实验箱底板滑块20安装于实验箱底板导轨14上，实验箱内布设实验材料；活动支撑架16位于移动挡板25和移动驱动板24顶部，实验箱固定挡板19顶部设有重量支撑滑轨17，活动支撑架16两侧通过重量支撑滑块18在重量支撑滑轨17内滑动。实验箱移动中心挡板15垂直固定安装在实验箱外侧的移动挡板25和移动驱动板24之间，用于防止移动时实验舱材料泄漏。动力装置包括与移动驱动板24连接的液压缸12，该液压缸通过液压缸固定底座13安装于实验舱3底板上。在动力装置的作用下，每块实验箱底板21分别带动各自连接的动力驱动板24和移动挡板25运动，实验箱内的实验材料得以错位变形。实验舱3顶部安装三维扫描仪22，该三维扫描仪22通过三维扫描仪支架23安装于实验舱3的顶部。

如图4所示，实验舱3设于离心机1的离心机吊篮2内，所述离心机1上还设有运动控制设备，该运动控制设备通过有线或无线方式与离心机1外的电脑8连接，同时该运动控制设备通过导电线和信号线9连接吊篮内的实验装置。

具体实施中，运动控制设备为动力控制柜4，该动力控制柜4通过有线或无线方式与离心机1外的电脑8连接，同时该动力控制柜4通过导电滑环6连接离心机1外旋转中心的液压站5和液压控制柜7，液压站5和液压控制柜7分别与离心机1转臂上的液压线路10和导电线及信号线9连接，液压线路10和导电线及信号线9通过滑环11与实验舱3内的多个液压缸12连接，实验舱3在离心机运转到一定重力加速度后开始工作。

实验方法：

(1)在离心机1运转前、常重力环境下，在实验箱内铺设实验材料并安装到离心机吊篮(2)内的实验舱3中，连接好有关线路；

(2)预设离心机1的转速或直接设定重力值，启动离心机1待其运转达到设定重力值时，液压缸12带动实验箱底板21连接的的动力驱动板24和移动挡板25运动，实验箱内的实验材料得以错位变形；

(3)三维扫描仪22记录实验箱内材料的变形数据；

(4)构造变形结束，离心机1停止运动，取出实验箱，进行切片研究。