CN111028646A - 用于伸展环境的构造转换带物理模拟实验装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于伸展环境的构造转换带物理模拟实验装置和方法，该用于伸展环境的构造转换带物理模拟实验装置包括动力装置，实验箱和摄像机，该实验箱底部先铺置塑料薄膜或橡胶皮，以传递伸展应力，再在塑料薄膜或橡胶皮上铺设实验材料，该实验箱和该动力装置相对竖直放置，该动力装置置于该实验箱两侧，该动力装置在实验过程中进行水平移动，以模拟不同水平方向上的应力变化，该摄像机位于该实验箱的上方，记录实验过程。该用于伸展环境的构造转换带物理模拟实验装置和方法对构造转换带物理模拟实验过程的研究，能够为研究人员提供一种新的地质构造物理模拟装置和方法。

Description

用于伸展环境的构造转换带物理模拟实验装置和方法

技术领域

本发明涉及物理实验技术领域，特别是涉及到一种用于伸展环境的构造转换带物理模拟实验装置和方法。

背景技术

物理模拟实验是在实验室条件下，基于地质学的基本理论，利用相似性原理建立地质模型，模拟再现地质构造的变形过程，分析变形特征及力学机制，探讨其成因机制的一种物理实验方法，具有重要的实践意义。

物理模拟实验应用于地质构造变形研究至今已有近两百年的历史，其发展大致分为两个阶段。

(1)20世纪前，物理模拟实验开始发展，此阶段时间跨度长，发展缓慢，人们对岩石性质了解尚少，未建立成熟的相似理论和实验相似条件，采用的模拟材料单一。1815年霍尔(J.Hall)用叠层厚布作为岩层，最早采用物理模拟实验再现了褶皱的形成演化，成为物理模拟实验的先驱。1849年与1858年诺曼尼(C.F.Navmann)先后利用物理模拟实验研究了岩石破裂变形机制，首次使用原岩作为物理模拟实验材料。1894年，由威利世(B.Willis)进行的阿巴拉契亚山脉构造成因机制的物理模拟实验中，在材料选取上取得了重要突破，建立了多方面相似性机制，并研制出世界上第一台正规的构造物理模拟实验装置，同时期，冲断构造物理模拟实验也得到了实现。

(2)20世纪早期，物理模拟实验开始面向褶皱断层等构造现象进行定性模拟。1920年，W.J.Mead在常温下用石蜡再现了褶皱的形成过程。我国的物理模拟实验也开始于这一时期，上世纪20～30年代，李四光利用相似材料，对中国一系列“山”字型、“多”字型和“歹”字型冲断构造体系进行了物理模拟；50～60年代，国内外先后开展了一系列造山带和盆地构造研究；70年代以来，模拟对象趋于多样化，逐渐拓展到了造山带、俯冲带及盆地形成演化机制等前沿研究中，应用领域也在不断拓展。单家增等(1999)使用自主研制的GJ-1型物理模拟实验装置完成了陆—陆碰撞造山带的构造演化模拟，揭示了碰撞造山带形成是岩石圈或地壳增减厚度的重要因素之一，并展示了多个构造单元的形成过程。李涤等(2014)对国内外冲断构造与正反转构造的物理模拟实验研究进展进行了详细论述。万元博等(2016)在研究褶皱冲断带演化过程中，利用沙箱物理模拟实验模拟了其中的两类典型冲起构造，揭示了前陆褶皱冲断带冲起构造发育类别主要受控于楔形体扩展变形序列。孙志信(2007)完成了国内首例火成岩侵入的演化模拟，揭示了岩浆侵入过程中岩浆通道和地层应力的变化，实验结果为此后岩浆岩类构造物理模拟实验提供了重要依据。

近年来，随着物理模拟实验技术的发展，除了构造研究外，物理模拟实验还在工程地质、环境地质及石油地质勘探领域得到广泛运用。王颖(2004)以桩西潜山为例，探讨了物理模拟实验在地质构造演化研究中的意义。贾红义等(2013)、李理等(2017)通过物理模拟实验，再现了渤海湾盆地惠民凹陷临北地区帚状以及双帚状构造的形成过程，探讨了断裂活动对油气成藏的控制及成藏模式等。

转换带是指存在于两条侧列断层之间为实现位移量、缩短量和变形量守恒，并起到调节作用的一类复杂的构造及构造组合。在伸展构造发育地区，由于两条或多条相互靠近的断裂构造所受伸展应力的差异，导致伸展量的差异，从而使得两条或多条断裂构造之间产生转换带。伸展转换带的作用，在理论上，由于伸展转换带是保持区域应变守恒而产生的调节体系，对其研究有助于转换带理论及成盆机制研究。在实践中，构造转换带多发育在断层连接部位，或者两条断层相互趋近的位置，在沉积盆地，能够控制沉积和圈闭的形成，是油气有利的勘探区。对其进行发育演化的物理模拟具有重要的意义。

构造物理模拟技术用于转换带的成因和发育演化整体上相对使用较少，尚未有伸展转换带物理模拟的专利，影响了进一步了解认识构造转换带的发育与演化。为此我们发明了一种新的用于伸展环境的构造转换带物理模拟实验装置和方法，解决了以上技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以完成对构造转换带的定量构造物理模拟实验的用于伸展环境的构造转换带物理模拟实验装置和方法。

本发明的目的可通过如下技术措施来实现：用于伸展环境的构造转换带物理模拟实验装置，该用于伸展环境的构造转换带物理模拟实验装置包括动力装置，实验箱和摄像机，该实验箱底部先铺置塑料薄膜或橡胶皮，以传递伸展应力，再在塑料薄膜或橡胶皮上铺设实验材料，该实验箱和该动力装置相对竖直放置，该动力装置置于该实验箱两侧，该动力装置在实验进行中进行水平移动，以模拟不同水平方向上的应力变化，该摄像机位于该实验箱的上方，记录实验过程。

本发明的目的还可通过如下技术措施来实现：

该用于伸展环境的构造转换带物理模拟实验装置还包括电缸，该电缸连接于该动力装置，为该动力装置提供动力。

该用于伸展环境的构造转换带物理模拟实验装置还包括刻线，该刻线位于塑料薄膜或橡胶皮上，以模拟该地区的多条先存断裂。

该实验箱由位于左右两侧的固定板和位于前后两侧的活动板组成，该活动板连接于该动力装置，该动力装置推动和拉伸该活动板，缓慢的拉伸和推动，向塑料薄膜或橡胶皮上均匀的传递伸展和挤压作用力，该固定板底部固定于该实验箱的底座上，该实验箱的大小由该固定板和该活动板控制。

该实验箱还包括活动滑轨，该固定板顶部沿长度方向安装有该活动滑轨，该摄像机安装在该活动滑轨上。

该摄像机记录该动力装置的伸展速率和伸展距离，记录实验材料的变形过程，以及伸展转换带的产生、发育和演化。

本发明的目的也可通过如下技术措施来实现：用于伸展环境的构造转换带物理模拟实验方法，该用于伸展环境的构造转换带物理模拟实验方法采用了用于伸展环境的构造转换带物理模拟实验装置，包括：步骤1，在实验箱底部铺置塑料薄膜或橡胶皮，以传递伸展应力；步骤2，将实验材料铺设到实验箱内；步骤3，预设动力装置的伸展速率和伸展距离；步骤4，启动动力装置，实验箱的活动板开始移动，摄像机记录实验材料的变形过程，以及伸展转换带的产生、发育和演化；步骤5，当实验箱的活动板运动的距离达到预先设定的值时，活动板自动停止运动。

本发明的目的还可通过如下技术措施来实现：

在步骤1中，若研究区域中有先存断裂存在，在塑料薄膜或橡胶皮上预置断裂。

在步骤2中，按照相似比例系数计算实验材料厚度，将实验材料铺设到实验箱内，平整铺在塑料薄膜或橡胶皮上，打开动力装置。

该用于伸展环境的构造转换带物理模拟实验方法还包括，在步骤3之后，启动摄像机，记录动力装置的伸展速率和伸展距离。

在步骤4中，实验箱合适位置事先放好比例尺，启动动力装置，活动板开始移动，实验箱内实验材料开始变形，在伸展不均衡处，会出现转换带，摄像机记录实验材料的变形过程，以及伸展转换带的产生、发育和演化。

该用于伸展环境的构造转换带物理模拟实验方法还包括，在步骤5之后，关闭动力装置，取出照相摄像机中记录的数据进行实验研究；整理实验材料，关闭电源。

本发明中的用于伸展环境的构造转换带物理模拟实验装置和方法方法，实验所用装置主要包括实验箱和动力装置，所述实验箱由位于前后两侧的固定板和位于左右两侧的活动板组成，固定板和活动板竖直布置，实验箱内放置实验材料，在动力装置的作用下活动板的一侧或两侧壁沿固定板移动，由于所设置实验材料的不同或预置有先存断层，通过拉伸实验箱内的实验材料产生伸展变形和伸展转换带。本发明的实验方法在伸展环境下，完成对构造转换带的发育演化进行构造物理模拟实验；在物理模拟实验装置上，对构造物理模拟实验箱的动力装置进行自动控制，使得构造物理模拟实验箱完成对构造转换带的定量构造物理模拟实验。对构造转换带物理模拟实验过程的研究，能够为研究人员提供一种新的地质构造物理模拟装置和方法。

附图说明

图1为本发明的用于伸展环境的构造转换带物理模拟实验装置的一具体实施例的结构图；

图2为本发明的一具体实施例中实验装置的主视图。

具体实施方式

为使本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合附图所示，作详细说明如下。

如图1和2所示，为本发明的用于伸展环境的构造转换带物理模拟实验装置的结构图。

如图所示，实验装置包括底座，底座的表面上设有实验箱7和动力装置2，实验箱7和动力装置2相对竖直放置，动力装置2置于实验箱7两侧，动力装置2可以在实验前进行水平移动，用来模拟不同水平方向上的应力变化。实验箱7由位于左右两侧的固定板3，以及位于前后两侧的活动板4组成，活动板4由动力装置2连接，动力装置2控制活动板4的前进与后退，固定板3底部固定于实验舱底座上，实验箱7的大小由固定板3和活动板4控制，活动板4可以在实验进行过程中由动力装置2进行调节，固定板3不能在实验过程进行中进行移动，但是可以在实验进行前的准备阶段进行前后和左右的移动，用以控制实验箱7的大小。固定板3顶部沿长度方向安装有活动滑轨5，活动滑轨5上安装有摄像机6，移动活动滑轨5可以控制摄像机6的位置，更好的记录实验过程。

电缸1，用于按照实验设定的速度进行推动和拉伸活动板，缓慢的拉伸和推动，向塑料薄膜或橡胶皮上均匀的传递伸展和挤压作用力。

摄像装置6，位于实验箱的上部，用于记录具体的实验过程，因为一些细微的变化不易在现场实验中直接观察到，可以用该实验装置全程的实验记录，在实验结束后，进行进一步的实验分析。

实验箱7，是整个实验装置的主体部分，用于放置实验所用的实验材料，如石英砂、高岭土等，通过活动板的移动，观察实验箱中实验材料的变形情况。

刻线8，因在东营凹陷地区存在石村断层八面河断层等先存断裂，故应在实验开始之前，在塑料薄膜或橡胶皮上进行刻线，用于模拟该地区的多条先存断裂。

具体实施中，本发明的应用实例适用于伸展条件下构造转换带的物理模拟，其构造背景为伸展环境。

本发明的用于伸展环境的构造转换带物理模拟实验方法包括了以下步骤：

①在动力装置2运转前，先将实验箱7中底部铺置塑料薄膜10，用来传递伸展应力。若研究区域中有先存断裂存在，可以在塑料薄膜上预置断裂。

②按照相似比例系数计算实验材料厚度，将实验材料铺设到实验箱7内，平整铺在塑料薄膜上，主要实验材料为不同粒度的石英砂9，连接好控制用的导电线及信号线，打开实验动力装置2。

③打开计算机，预设动力装置2的伸展速率和伸展距离。如，设定实验的伸展速率为0.07mm/s，设定伸展距离为100mm。

④启动摄像机6，记录动力装置2的伸展速率和伸展距离。

⑤实验箱合适位置事先放好比例尺，启动动力装置2，活动板4开始移动，实验箱7内实验材料开始变形，由于先存断裂、材料不均一性等因素，在伸展不均衡处，会出现转换带。通过摄像机6记录实验材料的变形过程，以及伸展转换带的产生、发育和演化。

⑥当活动板8运动的距离达到预先设定的值时，其自动停止运动。关闭动力装置2，取出照相摄像设备7中记录的数据进行实验研究。

⑦整理实验材料，关闭电源。

本发明是为伸展环境下构造转换带发育演化的构造物理模拟，可以模拟伸展环境下构造转换带的发育演化过程，为研究人员对构造转换带研究提供思路。

在应用本发明的一具体实施例中，包括了以下步骤：

(1)在实验仪器运转前，先将实验箱底部固定塑料薄膜或橡胶皮，有利于在伸展条件下力的传递。如先存断裂在实验模拟时期已经存在，则将先存断裂刻画到塑料薄膜或橡胶皮上。

(2)将实验材料铺设到实验箱中，如石英砂、高岭土等。

(3)接通电源。启动计算机，设定电机的运动速率和运动距离。开启摄像机，进行录像。

(4)实验箱合适位置事先放好比例尺，启动电机，电机带动橡胶皮开始运动，实验箱中的实验材料开始变形，通过录像记录实验材料的变形数据。

(5)当电机的运动速率和运动距离达到预先的设定值时，其停止运动，关闭实验仪器，关闭摄像机，清理实验材料。对记录的变形数据进行实验研究。

Claims (12)

1.用于伸展环境的构造转换带物理模拟实验装置，其特征在于，该用于伸展环境的构造转换带物理模拟实验装置包括动力装置，实验箱和摄像机，该实验箱底部先铺置塑料薄膜或橡胶皮，以传递伸展应力，再在塑料薄膜或橡胶皮上铺设实验材料，该实验箱和该动力装置相对竖直放置，该动力装置置于该实验箱两侧，该动力装置在实验过程中进行水平移动，以模拟不同水平方向上的应力变化，该摄像机位于该实验箱的上方，记录实验过程。

2.根据权利要求1所述的用于伸展环境的构造转换带物理模拟实验装置，其特征在于，该用于伸展环境的构造转换带物理模拟实验装置还包括电缸，该电缸连接于该动力装置，为该动力装置提供动力。

3.根据权利要求1所述的用于伸展环境的构造转换带物理模拟实验装置，其特征在于，该用于伸展环境的构造转换带物理模拟实验装置还包括刻线，该刻线位于塑料薄膜或橡胶皮上，以模拟该地区的多条先存断裂。

4.根据权利要求1所述的用于伸展环境的构造转换带物理模拟实验装置，其特征在于，该实验箱由位于左右两侧的固定板和位于前后两侧的活动板组成，该活动板连接于该动力装置，该动力装置推动和拉伸该活动板，缓慢的拉伸和推动，向塑料薄膜或橡胶皮上均匀的传递伸展和挤压作用力，该固定板底部固定于该实验箱的底座上，该实验箱的大小由该固定板和该活动板控制。

5.根据权利要求4所述的用于伸展环境的构造转换带物理模拟实验装置，其特征在于，该实验箱还包括活动滑轨，该固定板顶部沿长度方向安装有该活动滑轨，该摄像机安装在该活动滑轨上。

6.根据权利要求1所述的用于伸展环境的构造转换带物理模拟实验装置，其特征在于，该摄像机记录该动力装置的伸展速率和伸展距离，记录实验材料的变形过程，以及伸展转换带的产生、发育和演化。

7.用于伸展环境的构造转换带物理模拟实验方法，其特征在于，该用于伸展环境的构造转换带物理模拟实验方法采用了权利要求1所述的用于伸展环境的构造转换带物理模拟实验装置，包括：

步骤1，在实验箱底部铺置塑料薄膜或橡胶皮，以传递伸展应力；

步骤2，将实验材料铺设到实验箱内；

步骤3，预设动力装置的伸展速率和伸展距离；

步骤4，启动动力装置，实验箱的活动板开始移动，摄像机记录实验材料的变形过程，以及伸展转换带的产生、发育和演化；

步骤5，当实验箱的活动板运动的距离达到预先设定的值时，活动板自动停止运动。

8.根据权利要求7所述的用于伸展环境的构造转换带物理模拟实验方法，其特征在于，在步骤1中，若研究区域中有先存断裂存在，在塑料薄膜或橡胶皮上预置断裂。

9.根据权利要求7所述的用于伸展环境的构造转换带物理模拟实验方法，其特征在于，在步骤2中，按照相似比例系数计算实验材料厚度，将实验材料铺设到实验箱内，平整铺在塑料薄膜或橡胶皮上，打开动力装置。

10.根据权利要求7所述的用于伸展环境的构造转换带物理模拟实验方法，其特征在于，该用于伸展环境的构造转换带物理模拟实验方法还包括，在步骤3之后，启动摄像机，记录动力装置的伸展速率和伸展距离。

11.根据权利要求7所述的用于伸展环境的构造转换带物理模拟实验方法，其特征在于，在步骤4中，实验箱合适位置事先放好比例尺，启动动力装置，活动板开始移动，实验箱内实验材料开始变形，在伸展不均衡处，会出现转换带，摄像机记录实验材料的变形过程，以及伸展转换带的产生、发育和演化。

12.根据权利要求7所述的用于伸展环境的构造转换带物理模拟实验方法，其特征在于，该用于伸展环境的构造转换带物理模拟实验方法还包括，在步骤5之后，关闭动力装置，取出照相摄像机中记录的数据进行实验研究；整理实验材料，关闭电源。

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