水下岩石绝热应力变化的温度响应系数测试系统与方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种水下岩石绝热应力变化的溫度响应系数测试系统和方法，属于岩 石热-弹性参数测试技术领域。
【背景技术】
[0002] 地球内部及浅层的各种运动（如地慢对流、板块运动、火山喷发、地震等），通常会 引起应力巧化。而粮据固体物质的热弹性理论：
[0003]
W
[0004] 可知应力变化必定会导致地球内部溫度变化。
[0005] 式（1川日是为热力学溫度，（PCp)是固体物质的体积比热容，a是线膨胀系数，A O是 体应力变化量）。不同类型的岩石，其应力变化的溫度响应并不一致。因此，系统地测试各种 常见岩石的绝热应力-响应系数，运不仅有助于深入了解地球内部溫度变化机制、同时也可 为构造活动带的应力、溫度监测及防震减灾工作提供可靠的理论依据。
[0006] 现有的岩石绝热应力变化的溫度响应测试方法，是将溫度传感器贴在岩石样品表 面，并与空气直接接触，处于开放系统，而且受应力加载台的限制，无法实现瞬间加、卸载。 因此，无法真正实现绝热状态下的应力加、卸载，导致其测试结果很大程度上受到岩石样品 与空气热交换的严重影响。
[0007] 而深海海水的压力非常巨大，是一个天然的"高压累"；同时1~3个小时的时间尺 度内，深海海水的溫度波动非常小，是一个非常良好的恒溫环境。
【发明内容】
[000引为克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种水下岩石绝热应力变化 的溫度响应系数（adiabatic stress derivative of temperature)测试系统，其通过瞬间 打开第二耐压罐的排泄阀，对岩石样品进行快速加、卸载。在快速加载(或卸载）后的10~ 20s，外界溫度变化还未影响到岩石样品中屯、，从而实现了绝热增压(或减压），通过实时监 测耐压罐围压(Confining pressure)和岩石样品中屯、溫度变化，即可获得岩石绝热应力变 化的溫度响应系数（A T/A 0)，即绝热过程中的单位应力变化所引起的溫度变化量。
[0009] 为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
[0010] -种水下岩石绝热应力变化的溫度响应系数测试系统，其包括=个放置在海水中 的耐压罐，其中，第一耐压罐中安装有数据采集单元，第二耐压罐的第一空腔内安装有岩石 样品，第=耐压罐中设置有一第二空腔，所述第一空腔和第二空腔内分别充满有海水和空 气，所述岩石样品的中屯、W及外表面分别安装第一溫度传感器和第二溫度传感器，所述第 一空腔的海水中安装有第=溫度传感器和压力传感器，所述第一溫度传感器、第二溫度传 感器、第=溫度传感器和压力传感器的输出端均与数据采集单元的输入端相连接;所述第 二耐压罐上安装有与第一空腔相连通的第一排泄阀，所述第二耐压罐和第=耐压罐之间还 安装有连通第一空腔和第二空腔的第二排泄阀。
[0011] 所述岩石样品的外表面设置有用于对岩石样品进行封装的橡胶套。
[0012] 本发明的另一目的在于提供一种水下岩石绝热应力变化的溫度响应系数测试方 法，其通过瞬间打开第二耐压罐的排泄阀，对岩石样品进行快速加、卸载。在快速加载(或卸 载)后的10~20s，外界溫度变化还未影响到岩石样品中屯、，从而实现了绝热增压(或减压）， 通过实时监测耐压罐围压和岩石样品中屯、溫度变化，即可获得岩石绝热应力变化的溫度响 应系数，即绝热过程中的单位应力变化所引起的溫度变化量。
[0013] 为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
[0014] -种水下岩石绝热应力变化的溫度响应系数测试方法，其包括W下步骤：
[0015] 步骤1、将第一溫度传感器和第二溫度传感器分别安置在制备好的圆柱状岩石样 品的中屯、和表面，并用橡胶套将岩石样品进行水密封装，形成岩石样品组件；
[0016] 步骤2、将上述封装好的岩石样品组件、第=溫度传感器W及压力传感器，放入第 二耐压罐充满海水的第一空腔中；
[0017] 步骤3、通过水密电缆将第一溫度传感器、第二溫度传感器、第=溫度传感器和压 力传感器电性连接到第一耐压罐中的数据采集单元上，同时在第二耐压罐上设置第一排泄 阀和第二排泄阀，所述第一排泄阀与第一空腔相连通，所述第二排泄阀的两端分别与第一 空腔和第=耐压罐的第二空腔相连通，依此形成整套溫度响应系数测试系统;开启数据采 集单元的溫度和压力采集模块，开始溫度和围压监测；
[0018] 步骤4、快速加载:利用水下机器人，将整套溫度响应系数测试系统携带至海水预 定深度，待整套溫度响应系数测试系统溫度达到平衡后，此时平衡后第一溫度传感器采集 的溫度记为第一溫度，压力传感器采集的围压记为第一围压，再利用水下机器人的机械手 或水下电机快速打开第一排泄阀，使得第二耐压罐内的围压瞬间升高至海水压力，此时压 力传感器采集的围压记为第二围压，第一溫度传感器采集的溫度记为第二溫度；
[0019] 步骤5、快速卸载:待整套溫度响应系数测试系统的溫度再次达到平衡后，此时平 衡后第一溫度传感器采集的溫度记为第=溫度，利用机械手先关闭第一排泄阀，再快速打 开第二排泄阀，使得第二耐压罐内的围压瞬间降低，此时压力传感器采集的围压记为第= 围压，第一溫度传感器采集的记为第四溫度；
[0020] 步骤6、根据步骤4获取的第一溫度和第二溫度、第一围压和第二围压，即可获得快 速加载时的溫度差A Tl和围压差A 01，依此计算水下岩石因快速加载而导致绝热应力变化 的溫度响应系数A Tl/A Oi;根据步骤4和步骤5获取的第=溫度和第四溫度、第二围压和第 =围压，即可获得快速卸载时的溫度差A T2和围压差A 02,依此计算水下岩石因快速卸载而 导致绝热应力变化的溫度响应系数A Ts/ A 02。
[0021] =个溫度传感器采集的溫度均达到稳定时，则整套溫度响应系数测试系统溫度达 到平衡。
[0022] 所述第二溫度、第四溫度、第二围压、第=围压采集的时间为相应的排泄阀打开后 的10~20s内。
[0023] 溫度差A Tl等于第二溫度减去第一溫度，围压差A Oi等于第二围压减去第一围压； 溫度差A T2等于第四溫度减去第=溫度，围压差A 02等于第=围压减去第二围压。
[0024] 本发明专利所提供的测试方法与系统，是在圆柱状岩石样品中屯、及表面分别安置 一个溫度传感器，然后用橡胶套封装后在放在充满海水的耐压罐中，利用水下机器人 化nderwater Vehicle)将测试系统携带至深海预定深度，通过水下机器人快速打开排泄阀 来实现岩石样品的瞬间加载(或卸载）。其主要优势如下：
[0025] 1)深海海水的压力非常巨大，是一个天然的"高压累"，因此本测试系统中无需加 载台或者加压累；
[0026] 2)1~3个小时的时间尺度内，深海海水的溫度波动非常小，因此是一个非常良好 的恒溫环境，且在快速打开排泄阀后的10~20s内，耐压罐内海水的溫度变化，还没有影响 到岩石样品中屯、，从而真正实现了岩石样品的绝热增压(或减压）。通过实时监测并记录耐 压罐围压(Confining pressure)和岩石样品溫度变化，即可获得岩石绝热应力变化的溫度 响应系数（AT/A曰）。
【附图说明】
[0027] 图1为本发明水下岩石绝热应力变化的溫度响应测试系统的结构示意图；
[0028] 图2为龙口山断裂带砂岩快速加载过程中的溫度响应曲线；
[0029] 图3是龙口山断裂带砂岩快速卸载过程中的溫度响应曲线。
[0030] 其中，1、第一耐压罐；11、数据采集单元;2、第二耐压罐;21、第一排泄阀；22、第二 排泄阀；23、水密电缆;3、第=耐压罐;31、空腔;4、岩石样品；5、橡胶套;61、溫度传感器;61、 第二溫度传感器;63、第=溫度传感器;7、压力传感器;8、水下机器人;9、海水;10、海底。
【具体实施方式】
[0031] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明的内容做进一步详细说明。
[00创实施例
[0033] 请参照图1所示，本发明是一种水下岩石绝热应力变化的溫度响应测试系统，主要 包括:包括=个耐压罐，分别是第一耐压罐1、第二耐压罐2和第=耐压罐3。第一耐压罐1内 置数据采集单元11;第二耐压罐2内置圆柱状岩石样品组件(圆柱状岩石样品组件包括圆柱 状岩石样品4W及其中屯、及外表面分别安置第一溫度传感器61和第二溫度传感器62,然后 用橡胶套5封装后在放在设置有第一空腔(初始状态充满海水)的第二耐压罐2中），同时在 第二耐压罐2的第一空腔(岩石样品4外部）中还安置了第=溫度传感器63和压力传感器7， 用于监测第二耐压罐2内溫度和围压；第=耐压罐3内置有第二空腔31(初始状态充满空 气）。第一耐压罐1和第二耐压罐2之间，由水密电缆23将=个溫