CN103869046B - 天然气水合物分解引起的海底滑坡模拟及观测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种天然气水合物分解引起的海底滑坡模拟及观测系统，包括：机械支架、加热分解单元以及变形测量单元；其中，机械支架用于为所述加热分解单元提供平台与支撑，为所述变形测量单元提供观测区域；加热分解单元，用于对被测的水合物材料进行加热使其分解，并反馈分解量信息给所述变形测量单元；变形测量单元，用于采集所述机械支架中的变形信号，根据该变形信号观测所述加热分解单元对被测的试件加热分解后引起的变形过程，并按时间顺序获取该试件剖面的数字散斑图像，生成该试件的变形信息并存储。本发明以解决了实验室物理模拟实验中无法对水合物相似材料样品的分解量及分解区精确控制、样品坡度角可控、滑坡变形定量化描述等问题。
Description
技术领域
本发明涉及海底滑坡模拟及观测领域，尤其是一种天然气水合物分解引起的海底滑坡模拟及观测系统。
背景技术
天然气水合物被普遍认为将是21世纪最具潜力的新型洁净能源，我国广阔的管辖海域、专属经济区及冻土地区有着巨大的水合物资源前景。海底天然气水合物分解是诱发部分海底滑坡的一个关键因素，其作用机理是因为水合物分解导致海底岩石强度降低。从而当地震波、风暴波或人为扰动发生时在海底水合物稳定带内引起海底滑坡或泥石流。
从研究方法看，目前国内外在评价与水合物相关的海底灾害效应及稳定性这方面的研究以讨论影响因素和定性研究为主，而发生机制及模型定量研究比较少见。物理模型实验是定量化研究中最为直观和有效的方法。物理模型实验是采用实验的方法，通过各种物理量测量手段对研究模型进行变形模拟分析，模型在实验过程中的变形及其他参数的变化真实，不受人工干扰，能够真实地反映地质体的受力情况。与水合物相关的物理实验设备主要有两种类型：1）研究含水合物沉积物的物理性质的仪器设备，如反应釜、小样品三轴压缩加载机、激光拉曼光谱(LRS，LaserRamanSpectroscopy)、孔隙度测量仪等仪器，这些仪器设备主要测定含天然气水合物的沉积物层的某种工程特性（如温度、孔隙度、光学、力学等性质），不能实现针对天然气水合物分解可能引发的地质灾害机制进行合理的评价和分析。2）模拟滑坡现象的离心机：其原理是将原型缩小制成模型，放在高速度场中旋转，侧重于对岩土力学参数的研究，其实验条件限制了精确的变形测量，由于离心机的高速旋转环境，目前这样的离心机中还没有专门的促使水合物分解装置，用于天然气水合物分解引起海底滑坡灾害的物理模拟中。
在实验研究领域，为模拟这种由水合物分解诱发的海底灾害演变过程，常依据相似律准则，在实验室条件下通过对地质相似材料的动力加载及对水合物相似材料的加热分解来模拟和研究上述变形过程。
但是，现有技术中，对于相似材料模拟研究实验仍有如下关键问题亟待解决：
1）要在实验中实现对滑坡模型的相似材料模型控制和水合物相似材料的加热分解，并要实现水合物相似材料的分解量及分解区控制；
2）实现水合物储藏层的深度及坡度精确可控；
3）要实现对水合物分解引起滑坡的变形过程进行定量观测，实时采集信息。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种天然气水合物分解引起的海底滑坡模拟及观测系统，以解决实验室物理模拟实验中无法对水合物相似材料样品的分解量及分解区精确控制、样品坡度角可控、滑坡变形定量化描述等问题。
为了解决上述问题，本发明提供了一种天然气水合物分解引起的海底滑坡模拟及观测系统，其特征在于，包括：机械支架、加热分解单元以及变形测量单元；其中，
所述机械支架，与所述加热分解单元和变形测量单元相耦接，用于为所述加热分解单元提供平台与支撑，并为所述变形测量单元提供观测区域；
所述加热分解单元，与所述机械支架和变形测量单元相耦接，用于对被测的水合物材料进行加热使其分解，并反馈分解量信息给所述变形测量单元；
所述变形测量单元，与所述机械支架和加热分解单元相耦接，用于采集所述机械支架中的变形信号，根据该变形信号观测所述加热分解单元对被测的试件加热分解后引起的变形过程，并按时间顺序获取该试件剖面的数字散斑图像，生成该试件的变形信息并存储。
优选地，所述机械支架，包括：基本框架、加热平台、加热平台升降架以及观测窗；其中，
所述加热平台与所述加热平台升降架通过转轴相连接，所述加热平台和所述加热平台升降架固定于所述基本框架顶面，所述观测窗位于所述基本框架的一个面上。
优选地，所述加热平台，包括：不锈钢板、隔热层、加热槽以及出线孔；其中，
所述隔热层将所述不锈钢板隔离为六个所述加热槽，每个所述加热槽之间均有所述隔热层进行隔离；在所述加热槽中设有出线孔。
优选地，所述加热平台升降架，包括：连接板、软连接绳以及升降轮；其中，
所述连接板通过转轴与所述加热平台固定连接，所述升降轮固定在所述固定框架的顶面，所述软连接绳位于所述连接板与升降轮之间，通过摇动所述升降轮使所述软连接绳带动所述连接板升降改变所述加热平台的坡度。
优选地，所述加热分解单元，包括：加热板、温度控制器以及温度传感器；其中，
所述加热板，与所述温度控制器和温度传感器相连接，用于接收温度控制器的指示信息，根据该指示信息进行加热和验证；
所述温度控制器，与所述温度传感器和加热板相连接，用于生成所述指示信息发送至所述加热板，并根据所述温度传感器发送的温度数据调节所述加热板的加热状态，实时记录所述温度传感器的所述温度数据；
所述温度传感器，嵌入设置于所述加热板中，用于记录所述加热板的加热状态并生成所述温度数据发送到所述温度控制器中。
优选地，所述变形测量单元，包括：CCD相机和数字散斑测量分析模块；其中，
所述CCD相机用于在所述加热平台上对被测的试件进行加热分解时，按时间顺序通过所述观测窗获取该试件剖面的数字散斑图像生成该试件的变形信息，并将该变形信息发送到所述数字散斑测量分析模块内保存成一个完整数据文件进行存储。
优选地，所述基本框架，由可承受1MPa的水压的防水密封的不锈钢材料制成。
优选地，所述观测窗，采用钢化玻璃材料。
优选地，所述加热平台的坡度变化范围为0～30度。
优选地，所述加热板的加热范围为0～130度。
与现有技术相比，本发明所述的天然气水合物分解引起的海底滑坡模拟及观测系统具有如下特点：
1）本发明实现了一种小型的天然气水合物分解引起的海底滑坡模拟及观测系统，可方便实现水合物地质相似材料的分区分解、精确控制分解量和相似材料的坡度变化，并实现全场变形的定量准确测量，为研究水合物分解诱发海底滑坡的复杂变形过程提供了一种方便而功能强大的实验系统。
2）本发明采用了加热板嵌入到加热平台的加热槽中，实现了水合物相似材料分区加热及相邻区域的隔热，使得分区加热准确化、简易化和低能耗。
3）本发明实现了加热平台的坡度调整功能，这便于结合实际的不同水合物埋深坡角进行模拟实验，实验操作更简易和快捷，实验结果更接近于真实情况，便于实验结合实际进行对比分析。
4）本发明引入一种基于变形过程的数字散斑图像相关方法变形测量方案，可完成滑坡失稳复杂变形的全场定量测量。
附图说明
此处所述明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的天然气水合物分解引起的海底滑坡模拟及观测系统的结构框图；
图2为本发明实施例所述机械支架1的具体结构图；
图3为本发明实施例所述加热平台12和加热平台升降架13的具体结构图；
图4为本发明实施例所述加热分解单元2的具体结构图。
具体实施方式
如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接受的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本发明的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
以下结合附图对本发明作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。
如图1所示，为本发明所述天然气水合物分解引起的海底滑坡模拟及观测系统的结构框图，包括：机械支架1、加热分解单元2和变形测量单元3；其中，
所述机械支架1，与所述加热分解单元2和变形测量单元3相耦接，用于为所述加热分解单元2提供平台与支撑，并为所述变形测量单元3提供观测区域。
所述加热分解单元2，与所述机械支架1和变形测量单元3相耦接，目的是对被测的水合物材料进行加热操作使其分解，并反馈分解量信息给所述变形测量单元3。所述加热分解单元2使得分解后引起地质体的变形，进而使用所述变形测量单元3进行观测。
所述变形测量单元3，与所述机械支架1和加热分解单元2相耦接，用于接收所述机械支架1中的变形信号，根据该变形信号观测所述加热分解单元2对被测的试件加热分解后引起的变形过程，并按时间顺序获取该试件剖面的数字散斑图像，生成该试件的变形信息并存储。
具体地，如图2所示，所述机械支架1主要包括：基本框架11、加热平台12、加热平台升降架13以及观测窗14，其中，
所述加热平台12与所述加热平台升降架13通过转轴相连接，所述加热平台12和所述加热平台升降架13固定于所述基本框架11顶面，所述观测窗14位于所述基本框架11的一个面上。
更为具体地，如图3所示，所述加热平台12包括：不锈钢板121、隔热层122、加热槽123以及出线孔124，其中，
所述隔热层122将所述不锈钢板121隔离为六个所述加热槽123，每个所述加热槽123之间均有所述隔热层122，这就使得各加热区互不影响和干涉，实现分区加热，在所述加热槽123中设有出线孔124，方便供电线、信号线等出线。
所述基本框架11由可承受1MPa的水压的不锈钢材料制成，用于防水密封。
所述加热平台升降架13包括：连接板131、软连接绳132以及升降轮133，其中，
所述连接板131通过转轴与所述加热平台12固定连接，所述升降轮133固定在所述基本框架11的顶面，所述软连接绳132位于所述连接板131与升降轮133之间，通过摇动所述升降轮133使得所述软连接绳132带动所述连接板131升降，进一步改变所述加热平台12的坡度，实现所述加热平台13上被测试件的坡度角改变，所述升降轮133的高度变化标志着角度的变化量。在本发明中，所述加热平台的坡度变化范围为0～30度。
对于所述加热分解单元2而言，其具体结构如图4所示，其中，所述加热分解单元2包括：6块加热板21、6个温度控制器22以及6组温度传感器23，当然，所述加热板21、温度控制器22以及温度传感器23的数量将根据实际应用中的需要进行调整，并不构成对本发明的限定。每组所述温度传感器23包含分布在所述加热板21不同位置的3个传感器，使用其平均值作为反馈信号进行温度控制，控制和测量更精确。
所述加热板21，嵌入到所述加热平台12的加热槽123中并进行防水密封，与所述温度控制器22和温度传感器23相连接，用于接收所述温度控制器22的指示信息，根据该指示信息进行加热和验证。
所述温度控制器22，与所述温度传感器23和加热板21相连接，用于生成所述指示信息发送至所述加热板21，并根据所述温度传感器23发送的温度数据，进一步调节所述加热板21的加热状态，实时记录所述温度传感器23的所述温度数据。
所述温度传感器23，嵌入到所述加热板21中，用于记录加热板21的加热状态并生成所述温度数据发送到所述温度控制器22中。在实际应用中，所述温度控制器22可控制所述加热板21的加热范围为0～130度，每个所述加热板21均可以独立工作，实现分区加热功能。
在本发明中，所述变形测量单元3（图中未示出）包括CCD（Charge-coupledDevice，电荷耦合元件）相机和数字散斑测量分析模块；其中，
所述CCD相机用于在所述加热平台12上对被测的试件进行加热分解时，按时间顺序通过所述观测窗14获取该试件剖面的数字散斑图像生成该试件的变形信息，并将该变形信息发送到所述数字散斑测量分析模块内保存成一个完整数据文件进行存储。
所述CCD相机可使用普通单反相机，可根据具体情况选用合适的相机，由于本领域技术人员清楚变形测量单元3的基本结构，将不多做叙述，属于本领域技术人员公知常识。
本发明上述实施例能够实现分区加热并精确控制加热量大小，实时改变被测试件的坡度，对整个过程进行变形观测和数据反馈，并且能够保证数据的高分辨率和准确性。
根据所述天然气水合物分解引起的海底滑坡模拟及观测系统，对开展水合物分解引起海底滑坡实验的具体操作步骤如下：
（1）根据实际水合物相似材料的坡度调节加热平台12的坡度，通过摇动升降轮133使得软连接绳132带动连接板131升降，进一步改变加热平台12的坡度。
（2）将水合物样品放置于加热平台12之上，并按照实验模型在水合物之上放置上覆沉积物相似材料，使用合适的层间粘合剂进行粘合，对上覆沉积物喷涂散斑便于进行变形测量。
（3）对机械支架1进行注水施加水压，保持实验模拟的水下真实环境。
（4）调节CCD相机，能获得观测窗中需要观测区域的清晰图像，并进行连续图像采集观测。
（5）启动加热分解单元2，将6个温度控制器根据实验需要设定某一温度值进行加热，6个加热区可以根据实验需要开启或者关闭，以实现分区加热。
（6）实时连续图像采集，记录水合物相似材料分解到滑坡失稳过程的变形信息，同时记录加热分解单元中的温度变化信息。
（7）跟据所记录变形信息和温度信息进行水合物分解诱发海底滑坡的演化过程和发生机制分析。
与现有技术相比，本发明所述的天然气水合物分解引起的海底滑坡模拟及观测系统具有如下特点：
1）本发明实现了一种小型的天然气水合物分解引起的海底滑坡模拟及观测系统，可方便实现水合物地质相似材料的分区分解、精确控制分解量和相似材料的坡度变化，并实现全场变形的定量准确测量，为研究水合物分解诱发海底滑坡的复杂变形过程提供了一种方便而功能强大的实验系统。
2）本发明采用了加热板嵌入到加热平台的加热槽中，实现了水合物相似材料分区加热及相邻区域的隔热，使得分区加热准确化、简易化和低能耗。
3）本发明实现了加热平台的坡度调整功能，这便于结合实际的不同水合物埋深坡角进行模拟实验，实验操作更简易和快捷，实验结果更接近于真实情况，便于实验结合实际进行对比分析。
4）本发明引入一种基于变形过程的数字散斑图像相关方法变形测量方案，可完成滑坡失稳复杂变形的全场定量测量。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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权利要求范围之内。
Claims (9)
1.一种天然气水合物分解引起的海底滑坡模拟及观测系统，其特征在于，包括：机械支架、加热分解单元以及变形测量单元；其中，
所述机械支架，与所述加热分解单元和变形测量单元相耦接，用于为所述加热分解单元提供平台与支撑，并为所述变形测量单元提供观测区域；
所述加热分解单元，与所述机械支架和变形测量单元相耦接，用于对被测的水合物材料进行加热使其分解，并反馈分解量信息给所述变形测量单元；
所述变形测量单元，与所述机械支架和加热分解单元相耦接，用于采集所述机械支架中的变形信号，根据该变形信号观测所述加热分解单元对被测的试件加热分解后引起的变形过程，并按时间顺序获取该试件剖面的数字散斑图像，生成该试件的变形信息并存储；
其中，所述机械支架，包括：基本框架、加热平台、加热平台升降架以及观测窗；其中，
所述加热平台与所述加热平台升降架通过转轴相连接，所述加热平台和所述加热平台升降架固定于所述基本框架顶面，所述观测窗位于所述基本框架的一个面上。
2.如权利要求1所述的天然气水合物分解引起的海底滑坡模拟及观测系统，其特征在于，所述加热平台，包括：不锈钢板、隔热层、加热槽以及出线孔；其中，
所述隔热层将所述不锈钢板隔离为六个所述加热槽，每个所述加热槽之间均有所述隔热层进行隔离；在所述加热槽中设有出线孔。
3.如权利要求1所述的天然气水合物分解引起的海底滑坡模拟及观测系统，其特征在于，所述加热平台升降架，包括：连接板、软连接绳以及升降轮；其中，
所述连接板通过转轴与所述加热平台固定连接，所述升降轮固定在基本框架的顶面，所述软连接绳位于所述连接板与升降轮之间，通过摇动所述升降轮使所述软连接绳带动所述连接板升降改变所述加热平台的坡度。
4.如权利要求1所述的天然气水合物分解引起的海底滑坡模拟及观测系统，其特征在于，所述加热分解单元，包括：加热板、温度控制器以及温度传感器；其中，
所述加热板，与所述温度控制器和温度传感器相连接，用于接收温度控制器的指示信息，根据该指示信息进行加热和验证；
所述温度控制器，与所述温度传感器和加热板相连接，用于生成所述指示信息发送至所述加热板，并根据所述温度传感器发送的温度数据调节所述加热板的加热状态，实时记录所述温度传感器的所述温度数据；
所述温度传感器，嵌入设置于所述加热板中，用于记录所述加热板的加热状态并生成所述温度数据发送到所述温度控制器中。
5.如权利要求1所述的天然气水合物分解引起的海底滑坡模拟及观测系统，其特征在于，所述变形测量单元，包括：CCD相机和数字散斑测量分析模块；其中，
所述CCD相机与数字散斑测量分析模块相连接，该CCD相机用于在所述加热平台上对被测的试件进行加热分解时，按时间顺序通过所述观测窗获取该试件剖面的数字散斑图像生成该试件的变形信息，并将该变形信息发送到所述数字散斑测量分析模块内保存成一个完整数据文件进行存储。
6.如权利要求1所述的天然气水合物分解引起的海底滑坡模拟及观测系统，其特征在于，所述基本框架，由可承受1MPa的水压的防水密封的不锈钢材料制成。
7.如权利要求1所述的天然气水合物分解引起的海底滑坡模拟及观测系统，其特征在于，所述观测窗，采用钢化玻璃材料。
8.如权利要求3所述的天然气水合物分解引起的海底滑坡模拟及观测系统，其特征在于，所述加热平台的坡度变化范围为0～30度。
9.如权利要求4所述的天然气水合物分解引起的海底滑坡模拟及观测系统，其特征在于，所述加热板的加热范围为0～130度。
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