水合物分解诱发地形垂向变化的可视化物理模型与方法与流程

本发明涉及海洋地质的技术领域，特别是指一种水合物分解诱发地形垂向变化的可视化物理模型及其建立方法。

背景技术：

海底天然气水合物分解产生甲烷气体和水，形成超压，可以在海床内部形成流体迁移通道，进而在海床表面形成海床隆起(如泥火山、海底丘状体等)与海床塌陷(如海底麻坑等)等地形垂向变化，甚至可以导致海底滑坡等地质灾害。物理模型试验是探究天然气水合物分解形成流体迁移与海床面变形机制的重要研究手段。对含有天然气水合物层的地质模型进行物理模型试验研究采集试验过程中的孔隙压力、海床表面变形等试验数据，可以揭示天然气水合物的分解所诱发流体迁移与海床面垂向变形的过程与机制。

现有技术中含有天然气水合物的沉积物的样品主要通过原位生成法和混合压制法制备而成，这些原位生成法和混合压制法均是在高压和低温条件下完成的。例如：中国专利cn104949870a公开了一种含甲烷水合物的岩心样品压制方法，并给出了该压制方法包括首先确定实际物理模型基本特征，进行沉积物复配，沉积物预处理，水合物与沉积物低温搅拌混合，人工岩心压制，最后进行岩心脱模。这种含甲烷水合物的岩心样品压制过程需要高压条件，压力达到mpa级别，而且还需要低温条件，温度为-30℃，并且在特殊的带有液压系统的设备中压制而成。重要的是，这种方法压制而成的含甲烷水合物的岩心样品无法透视，天然气水合物分解形成的流体运移通道不可见；现代数字图像技术也只局限于测量样品的宏观或边界变形，不能实现对样品内部变形的可视化；利用x-射线、γ-射线、计算机层析扫描(cat扫描)以及磁共振成像技术(mri)虽然可以用来测量样品内部的连续变形，但是，其昂贵的费用限制了这些技术的广泛应用。

技术实现要素：

本发明提出一种水合物分解诱发地形垂向变化的可视化物理模型与方法，解决了现有技术中含有天然气水合物的海底沉积物物理模型试验只能在高压、低温和特殊设备中完成并且其内的流体运移通道不可见的问题。

本发明的一种水合物分解诱发地形垂向变化的可视化物理模型，其技术方案是这样实现的：包括透明海洋软黏土层和天然气水合物层，所述天然气水合物层位于所述透明海洋软黏土层的内部，所述透明海洋软黏土层包括下伏层和上覆层，所述下伏层位于所述天然气水合物层的底部，所述上覆层位于所述天然气水合物层的顶部；所述透明海洋软黏土层是由硅酸锂镁和蒸馏水按照重量比为3.5～6.5:100经过混合搅拌制备而成，所述天然气水合物层是由三氯一氟甲烷和蒸馏水按照体积比为1:2～1:4在常压下制备而成的。

在海底高压低温环境下，天然气水合物储层保持稳定；当温压条件改变，天然气水合物出现分解时，产生大量气体与水，孔压升高，海底沉积物的强度降低，从而导致海洋地质灾害。本发明采用透明海洋软黏土模拟海底沉积物中的软黏土层，采用天然气水合物替代材料模拟海底沉积物中的天然气水合物，透明海洋软黏土透明度高，可视化程度高，天然气水合物替代材料在常压下随着温度的升高可以分解出气体和水。该可视化物理模型可以在常压下模拟天然气水合物分解过程，直接观察天然气水合物分解在地层内部形成的流体运移路径和裂纹扩展等试验现象，实现了模型试验的可视化，得到了一种水合物分解诱发地形垂向变化的可视化物理模型，简化了物理模型试验的条件，并且可以采集实验过程中的海床表面地形变化，地层内部温度压力数据，为海洋地质灾害防控提供科学理论指导，性价比高，便于推广。

作为一种优选的实施方案，所述可视化物理模型在常压下在8℃以下保持形状不变。该可视化物理模型在低温下性质保持稳定，方便进行各类物理模型试验准备工作；随着周围温度的升高，其内部的天然气水合物层才会分解出气体和水，从而模拟天然海底沉积物内天然气水合物的分解过程。当然，本发明可以通过外部加热的方式，例如：采用加热设备或水浴加热方式，以提高天然气水合物的分解速度，从而提高试验效率。

作为一种优选的实施方案，所述可视化物理模型上覆沉积层的表面喷设涂料层，所述可视化物理模型的上方设有多个激光位移计，所述可视化物理模型的内部设有温度传感器和压力传感器。在可视化物理模型上覆沉积层的表面通过喷涂的方式形成一层涂料层，可有效反射来自可视化物理模型上方的激光位移计光学信号；随着可视化物理模型内部天然气水合物层的分解，导致该可视化物理模型垂向位移发生变化，这种位移变化通过激光位移计发射光信号反射到控制中心如计算机，从而通过激光位移计采集试验过程中海床表面地形变化，同时可以观察海床内部的流体运移路径和裂纹扩展等试验现象。

作为一种优选的实施方案，所述硅酸锂镁的粒径大小为20～30nm，密度为0.9～1.1g/cm³，折射率为1.3～1.8。本发明可视化物理模型在透明软黏土的制备过程中使用的是蒸馏水，蒸馏水不含电解质等多种杂质，制备过程中不发生反应影响透明度，故而所得的透明软黏土透明度高，其透明度远远超过自来水制备的透明软黏土；根据被替代的天然软黏土的类型，调整硅酸锂镁与蒸馏水的质量比，从而得到不同强度的天然软黏土；软黏土强度较高时，硅酸锂镁的用量多；软黏土强度较低时，硅酸锂镁的用量少。

本发明的一种水合物分解诱发地形垂向变化的可视化物理模型的建立方法，其技术方案是这样实现的：包括以下步骤：a、天然气水合物替代材料的制备1)取三氯一氟甲烷，置于-18～4℃下，冷藏处理，备用；2)取蒸馏水，分别置于2～4℃下，冷藏处理，备用；3)将步骤1)所得的三氯一氟甲烷加入到步骤2)所得的蒸馏水中，搅拌，使其混合均匀，得混合物；4)将步骤3)所得的混合物在-18～4℃下，继续搅拌，搅拌时间为8～20min，至开始形成固体水合物，得天然气水合物替代材料；b、透明海洋软黏土的制备5)取硅酸锂镁和蒸馏水，硅酸锂镁与蒸馏水的重量比为3.5～6.5:100，将硅酸锂镁缓慢加入蒸馏水中，硅酸锂镁加入蒸馏水的过程中，蒸馏水一直处于搅拌状态；继续搅拌，搅拌速度为800～1200r/min，搅拌5～20min，得透明海洋软黏土；c、下伏层的制备6)按照步骤5)的方法制备透明海洋软黏土，置于物理模型试验装置中，静置，固结，得透明海洋软黏土，即形成下伏层；d、上覆层的制备7)按照步骤5)的方法制备透明海洋软黏土，置于上覆层软黏土制备装置中，静置，固结，得透明海洋软黏土；上覆层软黏土制备装置包括一端具有开口端的底座，所述底座的内部套接连接有用于容纳透明海洋软黏土的成型套筒，所述成型套筒的两端均设有开口端，所述成型套筒连接有可将透明海洋软黏土推出的推板；e、可视化物理模型的建立8)将步骤4)所得的天然气水合物替代材料放入步骤6)所得的下伏层的顶部，并使其位于中间位置，形成天然气水合物层；9)去掉步骤7)中上覆层软黏土制备装置的底座，采用推板将步骤7)所得的透明海洋软黏土缓慢地向下推送至步骤8)所得水合物层的顶部，得可视化物理模型。

本发明分别制备了天然气水合物的替代材料和海洋软黏土的透明替代材料，并将两者有机结合在一起，形成一种与天然海底结构相似的可视化物理模型；这种可视化物理模型中的天然气水合物层是在常压下，经过有效控制温度制备而成的，无需高压操作，制备方法简单，条件温和，对设备没有特殊的要求，成本低；这种可视化物理模型中的上覆层事先在上覆层软黏土制备装置中静置固结，上覆层为一个有机的整体，避免引入气泡，保证了透明度。本发明制备的可视化物理模型通常置于冰箱中保存，本发明制备的透明海洋软黏土在静置固结过程中以及固结完成保存时，需将润湿的薄纱布覆在其表面上，并用保鲜膜密封，防止所得到的透明海洋软黏土干裂。本发明的可视化物理模型受到环境温度的影响，其温度会自然逐渐上升，最终与室温相同，温度上升过程中，天然气水合物层会逐步分解成为气体与水，在超孔隙压力作用下发生运移，形成运移通道，也可通过人为方式，加速其分解过程，缩短试验所需时间，如使用热吹风机加热物理模型试验装置的外壁或者采用水浴加热的方式。为便于观察该可视化物理模型的内部流体运移通道，物理模型试验装置使用强度较高的透明材料制作，如无色有机玻璃(亚克力)。

作为一种优选的实施方案，所述步骤7)中，成型套筒的底部开口端设有透明防水薄膜，所述透明防水薄膜通过固定带与所述成型套筒的外部可拆卸式连接，所述步骤9)中去掉底座的同时还将透明防水薄膜拆卸下来。成型套筒的底部采用防水透明薄膜包裹，固定带可以是橡皮筋，采用橡皮筋扎实，以防止静置固结过程中漏水，扎口位置距底部的高度应该略大于底座的高度，如底座高度为1.5cm，扎口位置距底部的高度可以为2cm，防水透明材料可以选用保鲜膜、油纸等材料。

如果上覆层的制备方法不当，将会导致上覆层的内部产生大量气泡，从而影响可视化物理模型的透明度，进而影响物理模型试验的可视化效果；本发明采用由底座、成型套筒和推板组成的上覆层软黏土制备装置，该成型套筒的尺寸与物理试验模型试验装置的尺寸吻合，在底座和成型套筒中透明海洋软黏土得到了充分固化成型，使上覆层形成一个有机整体，避免了其内气泡的产生，大大提高了上覆层的透明度。

作为一种优选的实施方案，所述静置的温度为1～4℃，静置的时间为24～48h。搅拌完毕之后，将硅酸锂镁和蒸馏水的混合物倒入相应的容器中，例如：物理模型试验装置和上覆层软黏土制备装置，在室内静置固结，可形成软黏土透明替代材料，若内含少量气泡，在静置约24～48小时后可固结消散；若混合物中含有较大体积的气泡，可用针头细长的注射器吸出；通常情况下在室温或低温下静置。

作为一种优选的实施方案，所述硅酸锂镁加入蒸馏水的过程中的搅拌速度为500～1000r/min。硅酸锂镁加入蒸馏水的过程中需要不断地对蒸馏水进行搅拌，加入到蒸馏水之后的硅酸锂镁快速分散，搅拌均匀，同时，此时的搅拌速度不宜过大，防止硅酸锂镁在添加过程中被过大的搅拌速度带出，造成物料的浪费和所得透明软黏土粘度的变化；待硅酸锂镁完全加入蒸馏水之后，再提高搅拌速度，此时的搅拌速度以硅酸锂镁和蒸馏水的混合物既不溢出，并且其内部也不产生气泡为宜。

作为一种优选的实施方案，所述硅酸锂镁向蒸馏水中的添加速度为5～15g/s。硅酸锂镁在整理水中的添加速度不宜过快，而且，需要边搅拌边添加，快速倒入或者完全倒入硅酸锂镁之后，再搅拌，会导致搅拌不均匀，最终降低透明度。

作为一种优选的实施方案，所述步骤3)和所述步骤4)中的搅拌速度均为500～1000r/min，所述步骤3)中的搅拌时间为1～5min。本发明采用搅拌的方法使液态三氯一氟甲烷和蒸馏水充分混合，防止分层，这种高速搅拌，充分保证了两种物质混合的均匀性，严格避免了分层现象的产生。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用透明海洋软黏土模拟海底沉积物中的软黏土层，采用天然气水合物替代材料模拟海底沉积物中的天然气水合物，透明海洋软黏土透明度高，可视化程度高，得到了一种可视化物理模型；该可视化物理模型中的天然气水合物层在常压下可完成制备，随着温度的升高可以分解出气体和水；该可视化物理模型可以模拟天然气水合物分解过程，结构可视，内部的流体运移通道可见，可以直接观察海底沉积物内部的流体运移路径和裂纹扩展等试验现象，实现了模型试验的可视化；并可以采集试验过程中海床内部温度压力变化及海底表面变形，得到了一种水合物分解诱发地形垂向变化的可视化物理模型，简化了物理模型试验的条件，为海洋地质灾害防控提供科学理论指导，性价比高，便于推广；本发明在常压下完成了水合物制备与海底沉积物的可视化，无需高压，制备方法简单，条件温和，对设备没有特殊的要求，成本低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的可视化物理模型进行物理模型试验时的立体结构示意图；

图2为本发明所用上覆层软黏土制备装置的分解结构示意图；

图3为图2中所示底座的放大结构示意图；

图4为图2中所示成型套筒的放大结构示意图；

图5为图2中所示推土板的放大结构示意图；

图6为本发明的可视化物理模型的剖视结构示意图；

图7为本发明的可视化物理模型的外观照片图；

图8为本发明的可视化物理模型在物理模型实验过程中的照片图；

图9为本发明所用物理模型试验装置的立体结构示意图；

图10为图1中支架的放大结构示意图；

图11为可视化物理模型进行物理模型试验时内部温度随时间变化趋势图；

图12为可视化物理模型进行物理模型试验时内部孔压随时间变化趋势图；

图13为可视化物理模型进行物理模型试验时表层位移随时间变化趋势图；

图中：100-底座；200-成型套筒；300-推板；4-下伏层；5-天然气水合物层；6-上覆层；

900-操作台；101-可视化物理模型；111-激光位移计；112-支架；113-大筒；114-小筒；115-照相机；

1-支撑座；2-支撑竖杆；3-套板；10-中间座；11-第一支撑腿；12-第二支撑腿；13-第三支撑腿；14-第一支撑横杆；15-第二支撑横杆；16-第三支撑横杆；21-紧固旋钮；31-空心管；32-安装板；

a-远；b-中；c-近。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅附图6，本发明的一种得到了一种水合物分解诱发地形垂向变化的可视化物理模型101，包括透明海洋软黏土层和天然气水合物层5，所述天然气水合物层5位于所述透明海洋软黏土层的内部，所述透明海洋软黏土层包括下伏层4和上覆层6，所述下伏层4位于所述天然气水合物层5的底部，所述上覆层6位于所述天然气水合物层5的顶部；所述透明海洋软黏土层是由硅酸锂镁和蒸馏水按照质量比为3.5～6.5:100经过混合搅拌制备而成，所述天然气水合物层5是由三氯一氟甲烷和蒸馏水按照体积比为1:2～1:4在常压下制备而成的。

具体地，所述可视化物理模型101在常压下在8℃以下保持形状不变。

进一步地，所述可视化物理模型101的上覆层6表面设有涂料层，所述可视化物理模型101的上方设有多个激光位移计111，所述可视化物理模型101的内部设有温度传感器和压力传感器。

优选地，所述硅酸锂镁的粒径大小为20～30nm，密度为0.9～1.1g/cm³，折射率为1.3～1.8。

本发明的一种水合物分解诱发地形垂向变化的可视化物理模型的建立方法，其包括以下步骤：

a、天然气水合物替代材料的制备

1)取三氯一氟甲烷，置于-18～4℃下，冷藏处理，备用；

2)取蒸馏水，分别置于2～4℃下，冷藏处理，备用；

3)将步骤1)所得的三氯一氟甲烷加入到步骤2)所得的蒸馏水中，搅拌，使其混合均匀，得混合物；

4)将步骤3)所得的混合物在-18～4℃下，继续搅拌，搅拌时间为8～20min，至开始形成固体水合物，得天然气水合物替代材料；

b、透明海洋软黏土的制备

5)取硅酸锂镁和蒸馏水，硅酸锂镁与蒸馏水的重量比为3.5～6.5:100，将硅酸锂镁缓慢加入蒸馏水中，硅酸锂镁加入蒸馏水的过程中，蒸馏水一直处于搅拌状态；继续搅拌，搅拌速度为800～1200r/min，搅拌5～20min，得透明海洋软黏土；

c、下伏层4的制备

6)按照步骤5)的方法制备透明海洋软黏土，置于物理模型试验装置中，参阅附图1，静置，固结，得透明海洋软黏土，即形成下伏层4；

d、上覆层6的制备

7)按照步骤5)的方法制备透明海洋软黏土混合物，置于上覆层软黏土制备装置中，静置，固结，得透明海洋软黏土；

参阅附图2、附图3、附图4和附图5，上覆层软黏土制备装置包括一端具有开口端的底座100，所述底座100的内部套接连接有用于容纳透明海洋软黏土的成型套筒200，所述成型套筒200的两端均设有开口端，所述成型套筒200连接有可将透明海洋软黏土推出的推板300；

e、可视化物理模型101的建立

8)将步骤4)所得的天然气水合物替代材料放入步骤6)所得的下伏层4的顶部，形成天然气水合物层5；

9)去掉步骤7)中上覆层软黏土制备装置的底座100，采用推板300将步骤7)所得的透明海洋软黏土缓慢地向下推送至步骤8)所得的中间层的顶部，得可视化物理模型101。

优选地，所述步骤7)中，成型套筒200的底部开口端设有透明防水薄膜，所述透明防水薄膜通过固定带与所述成型套筒200的外部可拆卸式连接，所述步骤9)中去掉底座100的同时还将透明防水薄膜拆卸下来。

具体地，所述静置的温度为1～4℃，静置的时间为24～48h。

进一步地，所述硅酸锂镁加入蒸馏水的过程中的搅拌速度为500～1000r/min。

再次优选地，所述硅酸锂镁向蒸馏水中的添加速度为5～15g/s。

更具体地，所述步骤3)和所述步骤4)中的搅拌速度均为500～1000r/min，所述步骤3)中的搅拌时间为1～5min。

实施例一

本发明的一种水合物分解诱发地形垂向变化的可视化物理模型的建立方法，其包括以下步骤：

a、天然气水合物替代材料的制备

1)取三氯一氟甲烷，置于-18℃下，冷藏处理，备用；

2)取蒸馏水，分别置于2℃下，冷藏处理，备用；

3)将步骤1)所得的三氯一氟甲烷加入到步骤2)所得的蒸馏水中，搅拌，使其混合均匀，得混合物；

4)将步骤3)所得的混合物在-18℃下，继续搅拌，搅拌时间为8min，至开始形成固体水合物，得天然气水合物替代材料；

b、透明海洋软黏土的制备

5)取硅酸锂镁和蒸馏水，硅酸锂镁与蒸馏水的质量比为3.5:100，将硅酸锂镁缓慢加入蒸馏水中，硅酸锂镁加入蒸馏水的过程中，蒸馏水一直处于搅拌状态；继续搅拌，搅拌速度为800r/min，搅拌20min，得透明海洋软黏土；

c、下伏层4的制备

6)按照步骤5)的方法制备透明海洋软黏土混合物，置于物理模型试验装置中，静置，固结，得透明海洋软黏土，并形成下伏层4；

参阅附图9，本发明的物理模型试验装置使用强度较高的透明材料制作，如无色有机玻璃(亚克力)，包括外筒即大筒113和内筒即小筒114，透明海洋软黏土混合物放置于大筒113内，然后，放上小筒114，在小筒114的周向上也填充透明海洋软黏土混合物，静置，固结，形成下伏层4。

d、上覆层6的制备

7)按照步骤5)的方法制备透明海洋软黏土，置于上覆层软黏土制备装置中，静置，固结，得透明海洋软黏土；

参阅附图2、附图3和附图4，本发明的上覆层软黏土制备装置包括一端具有开口端的底座100，底座100的内部套接连接有用于容纳透明海洋软黏土的成型套筒200，成型套筒200的两端均设有开口端，成型套筒200连接有可将透明海洋软黏土推出的推板300；

e、可视化物理模型101的建立

8)取走上覆层软黏土制备装置中的小筒114，将步骤4)所得的天然气水合物替代材料放入步骤6)所得的下伏层4的顶部，即小筒114的位置，形成天然气水合物层5；

9)去掉步骤7)中上覆层软黏土制备装置的底座100，采用推板300将步骤7)所得的透明海洋软黏土缓慢地向下推送至步骤8)所得的天然气水合物层5的顶部，得可视化物理模型101。

实施例二

本发明的一种水合物分解诱发地形垂向变化的可视化物理模型的建立方法，其包括以下步骤：

a、天然气水合物替代材料的制备

1)取三氯一氟甲烷，置于4℃下，冷藏处理，备用；

2)取蒸馏水，分别置于4℃下，冷藏处理，备用；

3)将步骤1)所得的三氯一氟甲烷加入到步骤2)所得的蒸馏水中，搅拌，使其混合均匀，得混合物；

4)将步骤3)所得的混合物在4℃下，继续搅拌，搅拌时间为20min，至开始形成固体水合物，得天然气水合物替代材料；

b、透明海洋软黏土的制备

5)取硅酸锂镁和蒸馏水，硅酸锂镁的粒径大小为25nm，密度为1.0g/cm³，折射率为1.8，硅酸锂镁与蒸馏水的质量比为5:100，将硅酸锂镁缓慢加入蒸馏水中，硅酸锂镁向蒸馏水中的添加速度为15g/s，硅酸锂镁加入蒸馏水的过程中，蒸馏水一直处于搅拌状态，搅拌速度为500r/min；继续搅拌，搅拌速度为500r/min，搅拌1min，得透明海洋软黏土混合物；

c、下伏层4的制备

6)按照步骤5)的方法制备透明海洋软黏土，置于物理模型试验装置中，物理模型试验装置同实施例一，在4℃下，静置24h，固结，得透明海洋软黏土，并形成下覆层4和中覆层5；

d、上覆层6的制备

7)按照步骤5)的方法制备透明海洋软黏土，置于上覆层软黏土制备装置中，在4℃下，静置24h，固结，得透明海洋软黏土；

上覆层软黏土制备装置包括一端具有开口端的底座100，底座100的内部套接连接有用于容纳透明海洋软黏土的成型套筒200，成型套筒200的两端均设有开口端，成型套筒200连接有可将透明海洋软黏土推出的推板300，成型套筒200的底部开口端设有透明防水薄膜，透明防水薄膜通过固定带与成型套筒200的外部可拆卸式连接；

e、可视化物理模型101的建立

8)将步骤4)所得的天然气水合物替代材料放入步骤6)所得的下伏层4的顶部，形成天然气水合物层5；

9)去掉步骤7)中上覆层软黏土制备装置的底座100和透明防水薄膜，采用推板300将步骤7)所得的透明海洋软黏土缓慢地向下推送至步骤8)所得的天然气水合物层5的顶部，得可视化物理模型101。

实施例三

本发明的一种水合物分解诱发地形垂向变化的可视化物理模型的建立方法，其包括以下步骤：

a、天然气水合物替代材料的制备

1)取三氯一氟甲烷，置于0℃下，冷藏处理，备用；

2)取蒸馏水，分别置于3℃下，冷藏处理，备用；

3)将步骤1)所得的三氯一氟甲烷加入到步骤2)所得的蒸馏水中，搅拌，使其混合均匀，得混合物；

4)将步骤3)所得的混合物在0℃下，继续搅拌，搅拌时间为10min，至开始形成固体水合物，得天然气水合物替代材料；

b、透明海洋软黏土混合物的制备

5)取硅酸锂镁和蒸馏水，硅酸锂镁的粒径大小为25nm，密度为1.0g/cm³，折射率为1.8，硅酸锂镁与蒸馏水的重量比为6.5:100，将硅酸锂镁缓慢加入蒸馏水中，硅酸锂镁向蒸馏水中的添加速度为5g/s，硅酸锂镁加入蒸馏水的过程中，蒸馏水一直处于搅拌状态，搅拌速度为1000r/min；继续搅拌，搅拌速度为1000r/min，搅拌5min，得透明海洋软黏土混合物；

c、下伏层4的制备

6)按照步骤5)的方法制备透明海洋软黏土混合物，置于物理模型试验装置中，物理模型试验装置同实施例一，在1℃下，静置48h，固结，得透明海洋软黏土，并形成下伏层4；

d、上覆层6的制备

7)按照步骤5)的方法制备透明海洋软黏土，置于上覆层软黏土制备装置中，在1℃下，静置48h，固结，得透明海洋软黏土；

上覆层软黏土制备装置包括一端具有开口端的底座100，底座100具有五个面，顶部开口，底座100的内部套接连接有用于容纳透明海洋软黏土的成型套筒200，成型套筒200的两端均设有开口端，成型套筒200呈四棱柱型设置，具有四个面，顶部和底部均为开口，成型套筒200连接有可将透明海洋软黏土推出的推板300，推板300包括一平板和一推杆；底座100和成型套筒200套接连接从而用于盛装透明海洋软黏土混合物，以进行静置和固结，推板300的作用是将成型后的透明海洋软黏土推出成型套筒200，从而使其组装在中间层的顶部。

为了便于观察透明海洋软黏土的制备情况，成型套筒200与底座100使用强度较高的透明材料制作，如无色有机玻璃(亚克力)；成型套筒200长度和宽度的尺寸大小分别与物理模型试验装置的长度和宽度大小相等，成型套筒200的高度尺寸不得低于物理模型试验所需上覆层6的厚度。成型套筒200和底座100套接配合，以保证成型套筒200恰好卡在底座100上，两者之间没有空隙，底座100高度通常为1～2cm；推板300中平板的长度和宽度通常与成型套筒200的长度和宽度相等。

首先，将成型套筒200的底部采用防水透明薄膜包裹，采用橡皮筋扎实，以防止静置固结过程中漏水，扎口位置距成型套筒200的底部的距离应该略大于底座100高度，将底座100水平放置，将扎好防水透明薄膜的成型套筒200放于底座100上，按照步骤5)的方法制备透明海洋软黏土混合物，停止搅拌后，将透明海洋软黏土混合物直接倒入套接在底座100上的成型套筒200的内部，至高度为d处，d应大于所需的上覆层6的厚度，静置固结48h，形成所需的透明海洋软黏土，静置固结过程中以及固结完成保存时，需将润湿的薄纱布覆在透明海洋软黏土表面，并用保鲜膜密封，防止透明软黏土干裂。

e、可视化物理模型101的建立

8)将步骤4)所得的天然气水合物替代材料放入步骤6)所得的下伏层4的顶部，形成天然气水合物层5；

9)先缓慢去掉步骤7)中的底座100，后解开橡皮筋，再摘掉底部的防水透明薄膜，由于透明海洋软黏土具有一定的粘性，其仍保持在成型套筒200内，不会掉落；将成型套筒200放在物料模型试验装置的顶部，由于成型套筒200的长、宽和壁厚分别与物理模型试验装置的长、宽和壁厚相等，所以两者可以完全耦合；采用推土板300从成型套筒200的顶部缓慢向下推动透明海洋软黏土，至上覆层6的底部与下覆层4的顶部完全紧密接触；此时，保持推土板300高度不变，将成型套筒200缓慢抬升1～3mm，使该距离恰好可以通过丝锯(如，钢丝锯)，利用丝锯将仍保留在成型套筒200内的透明海洋软黏土分开，可视化物理模型101。缓慢取出推土板300，成型套筒200的底部用防水透明薄膜包裹，用橡皮筋扎实，扎口位置距成型套筒200的底部的距离应该略大于底座100的高度，底座100水平放置，将扎好的成型套筒200放于底座100上，将润湿的薄纱布覆在透明海洋软黏土表面，并用保鲜膜密封，以备下次试验所需。

将实施例一至实施例三所得的可视化物理模型101分别置于附图1所示的操作台900上，进行物理模拟实验，通过电吹风机使其所处的环境温度升高；可视化物理模型101的内部可设置温度传感器和压力传感器，然后，在可视化物理模型101的上覆层6表层上喷漆形成一层涂料层，最后，通过位移传感器支架在可视化物理模型101的上方布设多个激光位移计111，本实验中设置了三个激光位移计111，激光位移计111利用支架112进行支撑和高度调节；操作台900的旁边还设置有照相机115，三个照相机115从不同的角度记录该可视化物理模型101在变化过程中的外部形态；实验过程中，记录可视化物理模型101内部温度的变化情况、孔隙压力变化情况以及可视化物理模型101表层的垂向位移变化情况，并注意观察该可视化物理模型101在变化过程中的流体迁移通道。

参阅附图1和附图10，用于安装激光位移计111的支架112主要由支撑座1、支撑竖杆2和套板3等部分组成，支撑座1设计成可折叠式三脚架结构，包括一个中间座10、三个支撑腿即第一支撑腿11、第二支撑腿12、第三支撑腿13，还有三个支撑横杆即第一支撑横杆14、第二支撑横杆15、第三支撑横杆16。其中，三个支撑腿即第一支撑腿11、第二支撑腿12、第三支撑腿13铰接在中间座10上，且相邻两个支撑腿之间均形成120°的夹角。在中间座10的正中位置开设有一个通孔，支撑竖杆2穿过通孔与中间座10插装固定，且在三个支撑腿即第一支撑横杆14、第二支撑横杆15、第三支撑横杆16撑开到位后，支撑竖杆2能够着地，以配合三个支撑腿即第一支撑腿11、第二支撑腿12、第三支撑腿13起到提高整个架设装置站立稳定性的作用。

支撑竖杆2在支撑座1上竖直向上安装，用于满足激光位移计111的安装高度要求。支撑竖杆2设计成可伸缩式结构，即由多节直径不同套管套装而成，通过将各节套管拉出或缩回，以改变支撑竖杆2的长度，在各节套管彼此邻接的部位安装有紧固旋钮21，使用时，根据激光位移计111的高度要求，将各节套管拉出到合适的长度，然后拧紧各节套管上的紧固旋钮21，以将相邻的两节套管固定，满足物理模型试验需求。

在支撑竖杆2的相应高度上安装套板3，套板3包括空心管31和安装板32，其中，空心管31用于与支撑竖杆2同轴套装且固定，具体可以在空心管31上开设两个螺丝孔，通过在螺丝孔中安装拧紧螺丝，以将空心管31紧固在支撑竖杆2上。由于支撑竖杆2中的每一节套管的直径不同，为了适宜各种安装位置，在架设装置中配置有多个套板3，且不同套板3中的空心管31的内径尺寸各不相同。配置不同空心管31的内径尺寸与各节套管的外径尺寸一一对应适配，在根据激光位移计111的架设高度确定出套板3需要固定在哪一节套管上后，根据该套管的外径大小选择尺寸与之适配的空心管31，继而选定适合的套板3，套装且固定在该节套管上。

在空心管31的外壁固定连接有安装板32，安装板32沿垂直于空心管31的轴线方向朝远离空心管31的方向延伸。在安装板32上开设有两道条形装配孔，两道条形装配孔并排平行布设，且均沿安装板32的长度方向延伸。将激光位移计111上的两根固定螺栓对应插入到安装板32上的两道条形装配孔中，然后在两根固定螺栓上分别安装紧固螺母，则激光位移计111固定在安装板32上，从而完成了激光位移计111的安装工作。

参阅附图7和附图8，本发明的方法所得可视化物理模型101外观透明度均表现为透明或较透明，从可视化物理模型101的一侧能看穿到另一侧，可视化程度高。随着温度自然升高，或者通过外部加热设备对其进行加热的过程中，水合物逐渐分解，产生气体和水，导致产生超孔压。随着水合物不断分解，气体发生迁移，在天然气水合物层5形成一层流体。随着水合物继续分解，气体往上覆层6迁移，在上覆层6形成迁移通道，甚至下伏层4也出现了一定的流体迁移通道。在附图8中可以明显地看到天然气水合物层5分解后形成的流体迁移通道，即虚线所示。

图11汇出了实施例一至实施例三所得的可视化物理模型101在进行物理模型试验过程中其内部温度随时间的变化情况，室温基本稳定在15-18℃之间；由于水合物在试验前保存在冰箱中，所以当温度传感器插入到水合物层后温度突降；之后温度继续降低，但是降速变慢，推测可能是由于试验初期水合物分解吸热速率大于外界温度传递速率，或者是水合物在试验初期大量分解；当温度降至8℃时，温度逐渐上升，水合物开始分解，温度逐渐升高，到24℃左右时，水合物完全分解完毕。

图12汇出了实施例一至实施例三所得的可视化物理模型101在进行物理模型试验过程中其内部空隙压力(简称孔压)随时间的变化情况，由图12可以看出，在试验初期的15min内，孔压急剧升高到6.7kpa，这相当于67cm水深对应的压力值，最后当水合物完全分解后，孔压值变为0。从图12中可以看出，孔压是一个累积消散的过程，当水合物分解时，孔压升高；气体通过渗流通道扩散后，孔压降低。

图13汇出了实施例一至实施例三所得的可视化物理模型101在进行物理模型试验过程中其表层位移随时间的变化情况，由图13可以看出，由于三个激光位移计111的测量点距坡脚的距离不同，三个激光位移计111分别测量不同测量点的位移数据，a为远，b为中，c为近，所以测得的位移数据也存在一定的大小关系，但是可以看出三组数据的变化趋势是完全相符的。试验开始后，随着水合物的分解，气体在水合物层不断累积，当气压超过上覆层6的重力和上覆层6四周与模型箱内壁的摩擦力之和时，上覆层6被逐渐抬高，激光位移传感器采集的位移值逐渐增大，最大时接近3cm；曲线中的下降段可能是由于水合物分解产生的气体通过小的渗流通道进行扩散，导致气压降低，上覆层6下沉。从图13中可以看出水合物大量分解应该在试验进行5h后，此时气体快速累积，孔压急剧升高，上覆层6快速被抬高，当上覆层6与模型箱侧壁之间出现缝隙时，气体扩散进入空气中，气压逐渐降低，上覆层6在重力的作用下逐渐下降，最后由于水合物层已经分解消失，新地层的高度比实验前约低1.25mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用透明海洋软黏土模拟海底沉积物中的软黏土层，采用天然气水合物替代材料模拟海底沉积物中的天然气水合物，透明海洋软黏土透明度高，可视化程度高，得到了一种可视化物理模型101；该可视化物理模型101中的天然气水合物层5随着温度的升高可以分解出气体和水，该可视化物理模型101可以真实模拟天然海底沉积物，结构可视，内部的流体运移通道可见，可以直观观察物理模型试验过程中海底沉积物内部的二维或三维位移，直接观察海底沉积物内部的流体运移路径和裂纹扩展等试验现象，直接观察天然气水合物分解过程中整个可视化物理模型101内部连续变形的整个位移场，实现了模型试验的可视化，得到了一种水合物分解诱发地形垂向变化的可视化物理模型101，简化了物理模型试验的条件，为海洋地质灾害防控提供科学理论指导，性价比高，便于推广；本发明在常压下完成了海底沉积物的可视化物理模型101的制备，无需高压，制备方法简单，条件温和，对设备没有特殊的要求，成本低。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。