CN105823645B - 板块构造物理模拟实验装置及其实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种板块构造物理模拟实验装置及其实验方法，装置包括实验砂箱、可双向运动的摩擦皮带、驱动皮带的驱动装置、以及顶部倾角可调的底座。本发明根据板块运动方式，选择同向或反向电机和减速器驱动底摩擦皮带，调整俯冲或碰撞板块倾角和俯冲板块插入厚度，将实验材料铺设在一定边界条件的底摩擦皮带上，计算机驱动底摩擦皮带按照指定速率和方向运动，使得材料模型发生离散、俯冲或碰撞等板块构造运动。

Description

板块构造物理模拟实验装置及其实验方法

技术领域

本发明涉及地质构造模拟实验装置领域，具体是一种板块构造物理模拟实验装置及其实验方法。

背景技术

板块构造学说认为岩石圈是由多个刚性板块构成，岩石圈板块之下为软流圈，地幔对流使得软流圈成为运送大陆或大洋板块的传送带，板块做大规模水平运动造成板块的生长和消亡，板块在洋中脊分离、扩大，在俯冲带俯冲、消失，形成了丰富多彩的地质构造和地貌形态。板块构造理论对各种地质现象做出了较合理的回答，通过几十年的迅速发展，成为统领地质学各学科的基本理论。随着板块理论的发展与完善，人们认识到该理论存在的不足就是难以验证。

构造物理模拟是研究板块构造变形过程的实验手段之一，根据模拟实验相似性原理，可以在实验室内利用较短的时间和较小的模型，模拟大尺度、长时间的板块构造运动，已经取得了很好的效果和较多的科研成果，为板块构造理论的发展做出了突出贡献。目前国内外大多实验室仅能模拟单一的离散、俯冲或碰撞等构造事件（中国地质科学院地质研究所模拟实验室、南京大学模拟实验室、中国石油大学模拟实验室；德国波茨坦大学模拟实验室；日本京都大学模拟实验室、中石化勘探研究院模拟实验室等）。如何根据研究人员的需求，设计出一种多功能板块构造模拟实验装置，对于深入研究板块运动的机制和板块构造理论的完善具有重要的意义。

发明内容

本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种板块构造物理模拟实验装置及其实验方法，装置结构简洁，通过改变主要实验参数，可以研究不同类型的板块构造变形过程。

本发明提供的块构造物理模拟实验装置包括顶部倾角可调的底座，底座顶部设有摩擦皮带和罩住摩擦皮带的实验砂箱，其中，所述的摩擦皮带连接有驱动装置，摩擦皮带在驱动装置控制下可在实验砂箱内进行双向运动；所述的实验砂箱为由活动板和透明的侧板组成的中空箱体，活动板连接在固定墙体上可沿固定墙体上下滑动，活动板底部与摩擦皮带之间的空隙处设置有材料挡板。

其中，摩擦皮带受到两个独立的驱动装置控制，两个驱动装置之间设置有T形挡砂板。

进一步改进，所述的驱动装置包括由定滑轮、带减速器的电机、环形皮带组成的传送带。

进一步改进，所述的底座包括通过可升降支柱连接的上底板、中底板和下底板，其中带减速器的电机固定在中底板上，定滑轮固定在上底板上，环形皮带绕过带减速器的电机和定滑轮形成传送带。

进一步改进，所述的侧板为钢化玻璃边墙。

本发明还提供了一种利用板块构造物理模拟实验装置进行板块单侧俯冲构造模拟的方法，其特征在于包括以下步骤：

1）根据实验模型底部摩擦系数大小，选择相应摩擦力的摩擦皮带安装在驱动装置的环形皮带上，将实验材料铺设在摩擦皮带上，卸掉材料挡板，利用带减速器的电机驱动环形皮带（通过计算机驱动摩擦皮带按照指定速率和方向运动），从而带动摩擦皮带和实验材料运动，向左或右遇到活动板阻挡，同时通过活动板与摩擦皮带之间的间隙向实验砂箱中插入与间隙大小相同的俯冲板块，此时通过透明的侧板观察实验材料构造的变形；

2）调节砂箱底部的倾角（通过调节底座可升降支柱的高低，使得底座顶部的倾角发生改变，从而使得砂箱底部的倾角随之改变）和活动板与摩擦皮带之间的间距（即选择不同厚度的俯冲模块），重复步骤1），进行板块单侧俯冲构造模拟。

本发明还提供了一种利用板块构造物理模拟实验装置进行板块碰撞构造模拟的方法，其特征在于包括以下步骤：

1）根据实验模型底部摩擦系数大小，选择两块相应摩擦力的摩擦皮带分别安装在两个驱动装置的环形皮带上，两个摩擦皮带之间装上T形挡砂板，根据实验要求将实验材料分别铺设在两块摩擦皮带上，两个驱动装置异向驱动摩擦皮带，使实验材料向实验砂箱中间运动，两个底摩擦皮带上的实验材料在模型的中间部位相遇，发生碰撞产生构造变形，此时通过透明的侧板观察实验材料构造的变形；

2）调节砂箱底部的倾角（通过调节底座可升降支柱的高低，使得底座顶部的倾角发生改变，从而使得砂箱底部的倾角随之改变）和活动板与摩擦皮带之间的间距（即选择不同厚度的俯冲模块），重复步骤1），进行板块碰撞构造模拟。

本发明还提供了一种利用板块构造物理模拟实验装置进行板块离散及两侧俯冲构造（板块向海沟下方俯冲构造）模拟的方法，其特征在于包括以下步骤：

1）根据实验模型底部摩擦系数大小，选择两块相应摩擦力的摩擦皮带分别安装在两个驱动装置的环形皮带上，两个摩擦皮带之间装上T形挡砂板，根据实验要求将实验材料分别铺设在两块摩擦皮带上，卸掉材料挡板，两个驱动装置异向驱动摩擦皮带，使两个底摩擦皮带上的实验材料分别向实验砂箱两侧运动，向左和右分别遇到活动板阻挡，同时通过实验砂箱两侧活动板与摩擦皮带之间的间隙向实验砂箱左或右底部插入与间隙宽度相同的俯冲板块，两个底摩擦皮带上的实验材料分别与砂箱左和右侧固定墙发生碰撞，产生板块俯冲变形构造，此时通过透明的侧板观察实验材料构造的变形；

2）调节砂箱底部的倾角（通过调节底座可升降支柱的高低，使得底座顶部的倾角发生改变，从而使得砂箱底部的倾角随之改变）和活动板与摩擦皮带之间的间距（即选择不同厚度的俯冲模块），重复步骤1），进行板块离散及两侧俯冲构造（板块向海沟下方俯冲构造）模拟。

本发明有益效果在于：

根据板块构造模型的实验要求，可模拟两个的板块之间的相互作用，也可在同一个模型中实现两个以上板块之间相互运动，从而比较真实地再现岩石圈尺度板块构造的复杂运动方式，满足实验者需求。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明增加T形挡砂板结构示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种利用板块构造物理模拟实验装置，其结构如图1所示，包括顶部倾角可调的底座，底座上方设有摩擦皮带5和罩住摩擦皮带5的实验砂箱，其中，所述的摩擦皮带5连接有驱动装置，摩擦皮带5在驱动装置控制下可在实验砂箱内进行双向运动；所述的实验砂箱为由活动板2和透明的侧板1组成的中空箱体，活动板2连接在固定墙体3上可沿固定墙体3上下滑动，活动板2底部与摩擦皮带5之间的空隙处设置有材料挡板4。

所述的摩擦皮带5受到两个独立的驱动装置控制，两个驱动装置之间设置有T形挡砂板13（如图2所示）。

所述的驱动装置包括由定滑轮6、带减速器的电机7、环形皮带8组成的传送带。

所述的底座包括通过可升降支柱10连接的上底板9、中底板11和下底板12，其中带减速器的电机7固定在中底板11上，定滑轮6固定在上底板9上，环形皮带8绕过带减速器的电机7和定滑轮6形成传送带。

所述的侧板1为钢化玻璃边墙。

本发明还提供了一种利用板块构造物理模拟实验装置进行板块单侧俯冲构造模拟的方法，其特征在于包括以下步骤：

1）根据实验模型底部摩擦系数大小，选择相应摩擦力的摩擦皮带5安装在驱动装置的环形皮带8上，将实验材料铺设在摩擦皮带5上，卸掉材料挡板4，利用带减速器的电机7驱动环形皮带8（通过计算机驱动摩擦皮带按照指定速率和方向运动），从而带动摩擦皮带5和实验材料运动，向左或右遇到活动板2阻挡，同时通过活动板2与摩擦皮带5之间的间隙向实验砂箱中插入与间隙大小相同的俯冲板块，此时通过透明的侧板观察实验材料构造的变形；

2）调节砂箱底部的倾角（通过调节底座可升降支柱10的高低，使得底座顶部的倾角发生改变，从而使得砂箱底部的倾角随之改变）和活动板2与摩擦皮带5之间的间距（即选择不同厚度的俯冲模块），重复步骤1），进行板块单侧俯冲构造模拟。

本发明还提供了一种利用板块构造物理模拟实验装置进行板块碰撞构造模拟的方法，其特征在于包括以下步骤：

1）根据实验模型底部摩擦系数大小，选择两块相应摩擦力的摩擦皮带5分别安装在两个驱动装置的环形皮带8上，两个摩擦皮带5之间装上T形挡砂板13，根据实验要求将实验材料分别铺设在两块摩擦皮带5上，两个驱动装置异向驱动摩擦皮带5，使实验材料向实验砂箱中间运动，两个底摩擦皮带5上的实验材料在模型的中间部位相遇，发生碰撞产生构造变形，此时通过透明的侧板观察实验材料构造的变形；

2）调节砂箱底部的倾角（通过调节底座可升降支柱10的高低，使得底座顶部的倾角发生改变，从而使得砂箱底部的倾角随之改变）和活动板2与摩擦皮带5之间的间距（即选择不同厚度的俯冲模块），重复步骤1），进行板块碰撞构造模拟。

本发明还提供了一种利用板块构造物理模拟实验装置进行板块离散及两侧俯冲构造（板块向海沟下方俯冲构造）模拟的方法，其特征在于包括以下步骤：

1根据实验模型底部摩擦系数大小，选择两块相应摩擦力的摩擦皮带5分别安装在两个驱动装置的环形皮带8上，两个摩擦皮带5之间装上T形挡砂板13，根据实验要求将实验材料分别铺设在两块摩擦皮带5上，卸掉材料挡板4，两个驱动装置异向驱动摩擦皮带5，使两个底摩擦皮带上的实验材料分别向实验砂箱两侧运动，向左和右分别遇到活动板2阻挡，同时通过实验砂箱两侧活动板2与摩擦皮带5之间的间隙向实验砂箱左或右底部插入与间隙宽度相同的俯冲板块，两个底摩擦皮带上的实验材料分别与砂箱左和右侧固定墙发生碰撞，产生板块俯冲变形构造，此时通过透明的侧板观察实验材料构造的变形；

2）调节砂箱底部的倾角（通过调节底座可升降支柱10的高低，使得底座顶部的倾角发生改变，从而使得砂箱底部的倾角随之改变）和活动板2与摩擦皮带5之间的间距（即选择不同厚度的俯冲模块），重复步骤1），进行板块离散及两侧俯冲构造（板块向海沟下方俯冲构造）模拟。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种板块构造物理模拟实验装置，其特征在于：包括顶部倾角可调的底座，底座顶部设有摩擦皮带(5)和罩住摩擦皮带(5)的实验砂箱，其中，所述的摩擦皮带(5)为两块，两块所述的摩擦皮带(5)分别连接有一驱动装置，两块所述的摩擦皮带(5)分别在相应的所述驱动装置的控制下在所述实验砂箱内进行双向运动；所述的实验砂箱为由活动板(2)和透明的侧板(1)组成的中空箱体，活动板(2)连接在固定墙体(3)上可沿固定墙体(3)上下滑动，活动板(2)底部与摩擦皮带(5)之间的空隙处设置有材料挡板(4)；所述的摩擦皮带(5)受到两个独立的驱动装置控制，两个驱动装置之间设置有T形挡砂板(13)；所述的底座包括通过可升降支柱(10)连接的上底板(9)、中底板(11)和下底板(12)；所述可升降支柱(10)设置在所述底座的两端；所述摩擦皮带(5)远离T形挡砂 板(13)的两端通过所述活动板(2)的下方伸出所述实验砂箱。

2.根据权利要求1所述的板块构造物理模拟实验装置，其特征在于：所述的驱动装置包括由定滑轮(6)、带减速器的电机(7)、环形皮带(8)组成的传送带。

3.根据权利要求2所述的板块构造物理模拟实验装置，其特征在于：其中带减速器的电机(7)固定在中底板(11)上，定滑轮(6)固定在上底板(9)上，环形皮带(8)绕过带减速器的电机(7)和定滑轮(6)形成传送带。

4.根据权利要求1所述的板块构造物理模拟实验装置，其特征在于：所述的侧板(1)为钢化玻璃边墙。

5.一种利用板块构造物理模拟实验装置进行板块单侧俯冲构造模拟的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)根据实验模型底部摩擦系数大小，选择相应摩擦力的摩擦皮带(5)安装在驱动装置的环形皮带(8)上，将实验材料铺设在摩擦皮带(5)上，卸掉材料挡板(4)，利用带减速器的电机(7)驱动环形皮带(8)，从而带动摩擦皮带(5)和实验材料运动，向左或右遇到活动板(2)阻挡，同时通过活动板(2)与摩擦皮带(5)之间的间隙向实验砂箱左或右底部插入与间隙宽度相同的俯冲板块，此时通过透明的侧板观察实验材料构造的变形；

2)调节砂箱底部的倾角和活动板(2)与摩擦皮带(5)之间的间距，重复步骤1)，进行板块单侧俯冲构造模拟。

6.一种利用板块构造物理模拟实验装置进行板块碰撞构造模拟的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)根据实验模型底部摩擦系数大小，选择两块相应摩擦力的摩擦皮带(5)分别安装在两个驱动装置的环形皮带(8)上，两个摩擦皮带(5)之间装上T形挡砂板(13)，根据实验要求将实验材料分别铺设在两块摩擦皮带(5)上，两个驱动装置异向驱动摩擦皮带(5)，使实验材料向实验砂箱中间运动，两个底摩擦皮带(5)上的实验材料在模型的中间部位相遇，发生碰撞产生构造变形，此时通过透明的侧板观察实验材料构造的变形；

2)调节砂箱底部的倾角和活动板(2)与摩擦皮带(5)之间的间距，重复步骤1)，进行板块碰撞构造模拟。

7.一种利用板块构造物理模拟实验装置进行板块离散及两侧俯冲构造模拟的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)根据实验模型底部摩擦系数大小，选择两块相应摩擦力的摩擦皮带(5)分别安装在两个驱动装置的环形皮带(8)上，两个摩擦皮带(5)之间装上T形挡砂板(13)，根据实验要求将实验材料分别铺设在两块摩擦皮带(5)上，卸掉材料挡板(4)，两个驱动装置异向驱动摩擦皮带(5)，使两个底摩擦皮带上的实验材料分别向实验砂箱两侧运动，向左和右分别遇到活动板(2)阻挡，同时通过实验砂箱两侧活动板(2)与摩擦皮带(5)之间的间隙向实验砂箱左或右底部插入与间隙宽度相同的俯冲板块，两个底摩擦皮带上的实验材料分别与砂箱左和右侧固定墙发生碰撞，产生板块俯冲变形构造，此时通过透明的侧板观察实验材料构造的变形；

2)调节砂箱底部的倾角和活动板(2)与摩擦皮带(5)之间的间距，重复步骤1)，进行板块向海沟下方俯冲构造模拟。