CN1538359A - 一种多功能三维构造模拟试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及构造模拟实验技术领域，特别是用于地质研究的一种多功能三维构造模拟实验装置。本发明的实验装置可在不同驱动力作用下沿X、Y、Z三个方向随机缩短或伸长，实现实际地质构造演化中的各种不同类型的驱动力作用下的构造变形；可以通过附件测定实验模型在各种不同类型力系作用下产生的水平位移和垂直位移值，测定施加到模型的构造应力值，实现了开展量化构造物理模拟实验。本发明将构造模拟实验装置由二维拓展为三维，将单一功能的驱动力作用推进为多功能复合力系驱动，率先设计出扭力左行扭力和右行扭力和底部拉张驱动系统，产生多种复杂力系，达到一机多用、一机多能的作用，提高工作效率几十倍以上。
Description
技术领域
本发明涉及构造模拟实验技术领域，特别是用于地质研究的一种多功能三维构造模拟实验装置。
背景技术
地球作为太阳系的独立行星，它形成于46亿年前。按国际地质联合会地层委员会最新颁布的国际地层表(Jurgen Remane，2000，Explanatorynote to the international stratigraphic chart)计算地球构造演化史要追溯到36亿年前以来，漫长的地质年代中，在不同时期的构造运动中地球表层(地壳)形成了一系列不同类型的构造形迹，这些构造形迹不仅与人类栖息的地球表面江河、湖泊、海洋、平原、山脉的分布密切相关，同时，与人类赖以生存的矿产资源和能源的分布有着紧密联系，因此，在地学研究领域中，构造形迹的形成和演化倍受关注。但是，历经几十、几百、几千Ma、甚至上亿年发展历史的各种构造形迹的形成和演化过程已不复存在，现在所直接或间接观察到的构造形迹的演化结果的力学和物理学机制人们并不知晓或只是一种猜想或不完全知晓。发明一种先进的、多功能的、定量化的构造物理模拟实验装置无论从社会经济价值还是从科学研究的作用和意义来讲都是相当重要的。
构造物理模拟实验技术在世界上已有100余年的发展历史，在我国自1933年李四光教授开张“山”、“歹”和“多”字型构造形迹模拟实验至今也有70年发展过程，但是，至今国内外仍没有标准化的构造模拟实验装置生产，原因在于研究者和使用者没有能力设计出满足不同地质背景条件下不同类型构造形迹形成和演化过程苛刻的力和地质背景的复杂转换，物理机械设计者因没有深入的地质专业知识，所以也很难设计出充分体现不同构造背景的多功能的构造物理模拟实验装置。难点在于构造模拟实验装置的设计处于多学科交叉位置。
1、国内背景
构造物理模拟实验技术在世界上已有100余年的发展历史，在我国自1933年李四光教授开张“山”、“歹”和“多”字型构造形迹模拟实验至今也有70年发展过程，但是，至今国内外仍没有标准化的构造模拟实验装置生产，原因在于研究者和使用者没有能力设计出满足不同地质背景条件下不同类型构造形迹形成和演化过程苛刻的力和地质背景的复杂转换，物理机械设计者因没有深入的地质专业知识，所以也很难设计出充分体现不同构造背景的多功能的构造物理模拟实验装置。难点在于构造模拟实验装置的设计处于多学科交叉位置。
在国内，从1933年以来，李四光教授、张文佑教授、以及马宗晋教授等开展了与岩石圈演化和地震成因机制有关的构造模拟实验；1992年陆克政教授设计了大型液压构造模拟实验装置，但是，由于体积过大、耗材过多且不易控制，至今许多环节仍有待改进；1988年至今许志琴教授使用了挤压型等实验装置。
2、国际背景
在国际上许多设计者设计出了不同作用的构造模拟实验装置，但是，这些实验装置的作用是单一的，局限在二维剖面或平面范畴内，而且，定量化的研究程度较低，工作效率受到制约和限制，不能开展多期次复合构造驱动力的构造物理模拟实验。
1967年H.Ramberg(University of Uppsala，Sweden)使用了离心式的垂直加力实验装置；1975、1976、1977、1978、1979、1982年H.Ramberg(University of Uppsala，Sweden)再此使用了离心式的垂直加力实验装置；
1976年S.K.Ghosh and H.Ramberg(University of Uppsala，Sweden)使用了一种垂直加力的实验装置；1978年John G.Dennis等(CailforniaState University，USA)使用了一种纵向加力的实验装置；
1980年Haakon Fossen等(Statoil，Norway)使用了侧向拉伸实验装置；
1985年Djordje Grujic等(ETH，Switzerland)使用了右行剪切变形实验装置；
1985年Genene Mulugeta(University of Uppsala，Sweden)离心机式垂直加力实验装置；1987年A.Koopman等(Rijswijk，Netherlands)螺旋式双向拉伸实验装置；
1988年P.G.Ellis(University of London，UK)使用了一种双向拉伸实验装置；1988年Bruno Vendeville等(University of Rennes，France)使用了水平拉伸实验装置；
1990年K.R.McClay(University of London，UK)使用了一种二维拉伸实验装置；
1993年Alexander I.Shemenda(台湾国立中央大学)单向轴挤压实验装置；1993年H.Koyi等(University of Texas，USA)单向拉伸实验装置；
1995年Masahiro Ishikawa等(Tohoku University，Japan)使用了单向拉伸实验装置；1995年N.K.Johns等(University of Texas，USA)使用了一种底部驱动实验装置；1995年Hemin Koyi(Uppsala University，Sweden)使用了一种侧向挤压的实验装置；
1996年Marc-Andre Gutscher等(Universityu Kiel，Germany)使用了一种底面滑移实验装置；1996年T.W.Kidan等(Imperial College.London，UK)使用了一种垂直压缩的实验装置；
1997年T.Mauduit等(Campus de Bennes，France)使用了斜拉张实验装置；1998年Bret Rahe等((Southwest research Institute，TX，USA)使用了非同轴拉伸实验装置；
1998年Basil Tikoff等(University of Minnesota，USA)使用了一种可产生拉张位移的实验装置；1998年Peter Zweigel(University of Tubingen，Germany)使用了侧向挤压实验装置；
1999年Myra Keep(University of Western Australia，Australia)使用了活塞式单向挤压实验装置；
2000年Martha Oliver Withjack等(Mobil Technology Company，Texas，USA)二维矩形框架垂直差异受力的实验装置；2001年TingguangSong等(Curtin University of Technology，Western Australia)使用了一种双向拉伸实验装置；
2002、2003年K.R.McClay(University of London，UK)使用了一种二维拉伸和右行扭力的实验装置。
在以往的构造模拟实验中所使用的二维构造模拟实验装置只能开展简单驱动力作用下的二维构造模拟实验，图1显示出二维构造模拟实验装置图，该装置只能沿X方向产生水平挤压，不能开展复杂力系作用下的各种不同类型构造形迹形成和演化的物理模拟实验。
构造物理模拟实验技术对于与国民经济快速发展密切相关的矿产资源的勘探与开发具有特别重要的意义，同时，在地学研究领域战局不可替代位置，但是，要在实验室模拟漫长地质年代(几十、几百个百万年)产生的不同类型构造形迹的形成和演化过程，追踪它们中间所夹带和存储的各种矿产资源分布特征，譬如：石油和天然气等，发明一种多功能三维构造模拟实验装置是一至关重要亟待攻破解决的核心问题。地质体的构造演化是一三维立体，复杂的构造变形是随X、Y和Z轴的变化而变化的，而且，构造力系的作用是分为挤压、拉张、扭力剪切等多种类型，已有的构造物理模拟实验装置不能开展复杂力系作用下的三维构造物理模拟实验。
但构造模拟实验装置的设计还在发展中，构造模拟实验装置的设计无论在国内还是在国际都是一亟待解决的疑难问题，为了满足国民经济快速发展和科学研究的需要，必须研究一种新型的三维构造模拟实验装置。
发明内容
本发明装置的目的，就是提供一种多功能的、三维的、新型的、先进的、量化的构造模拟试验装置，可以开展不同驱动力作用下的各种复杂构造形迹形成和演化的三维构造物理模拟实验。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种多功能三维构造模拟试验装置，其可在不同驱动力作用下沿X、Y、Z三个方向随机缩短或伸长，实现实际地质构造演化中的各种不同类型的驱动力作用下的构造变形。
所述的三维构造模拟试验装置，其各种不同类型的驱动力，包括：
(1)地质构造运动中的挤压力；
(2)地质构造运动中的左行扭力作用；
(3)地质构造运动中的右行扭力；
(4)地质构造运动中的拉张力；
(5)地质构造运动中的地幔上涌驱动力；
(6)地质构造运动中的垂直压力；
(7)地质构造运动中的多期或复合驱动力。
所述的三维构造模拟试验装置，其可以通过附件测定实验模型在各种不同类型力系作用下产生的水平位移和垂直位移值，测定施加到模型的构造应力值，实现开展量化构造物理模拟实验的目的。
所述的三维构造模拟试验装置，其实验装置以模型容器(A)为中心，在它的两侧安装有挤压或拉张力传动轴(B)，分为左传动轴(B-1)和右传动轴(B-2)；在容器(A)的底部安装有底部拉张驱动力传动轴(G)，分为底部拉张左传动轴(G-1)和右传动轴(G-2)；在容器(A)内的前后安装有扭力驱动模块(C)和(E)，模块沿前后滑动杆(D)和(F)水平运动；模型容器(A)的底部是一可拆卸的活动底板(H)，在活动底板(H)安装有塑体流体注入孔(H-1)，活动底板(H)上刻有“V”型槽；在模型容器(A)的四角安装有实验模型变形监测计(K)；实验装置安装在水平的专用工作台(M)上。
所述的三维构造模拟试验装置，其活动底板(H)可置换为底部升温系统(I)的加温部件。
所述的三维构造模拟试验装置，其底部升温系统(I)，其实验温度的监控是由温度控制仪实现的，底部升温温度在室温～200连续可调，可任意的设定指定实验温度，并恒温在指定温度范围内。
所述的三维构造模拟试验装置，其温度控制仪为WMZK-01型温度控制仪。
所述的三维构造模拟试验装置，其变形监测计(K)，可上下调节，且水平位置可移动，以对可变动的实验模型变形进行监测。
本发明将构造模拟实验装置由二维拓展为三维，将单一功能的驱动力作用推进为多功能复合力系驱动，率先设计出扭力左行扭力和右行扭力和底部拉张驱动系统，本发明装置可以产生多种复杂力系，达到一机多用、一机多能的作用，提高工作效率几十倍以上。
创新发明出底部升温系统，将手动螺旋杆操作设计为不同转速比的直流电机带动的机械化传动，将监测实验过程的控温、测温和测量变形的多种测量技术首次应用于本发明实验装置设计中，将构造物理模拟实验装置拓展为半自动、机械化、趋于定量的新型实验装置。
同时，五十余种不同力学性质、不同配方比的新型实验材料被首次使用在本发明的实验装置中，其中包括30余种染色的天然石英砂和天然粘土，这些经专门技术制作的实验材料与实际地质体中的砂岩层、砂-泥岩层、泥岩层等不同类型的岩层的岩性具有较好的相似性，还包括20余种半塑性、塑性流体实验材料，这些实验材料与地球深部不同物性的介质具有相当好的相似性。
创新发明的三维构造物理模拟实验装置经历了大约20余年的艰苦探索和不懈的努力，是将物理学、力学、机械设计技术与构造地质学紧密相结合而问世的。发明本实验装置的高级专业人员早期受教于著名的构造地质学家张文佑院士、经瑞士苏黎世高等理工学院地质研究所培养、从事构造物理模拟实验研究已达近25年，积累了广泛的构造物理模拟实验经验，创新发明的三维构造物理模拟实验装置是多年从事构造物理模拟实验的结晶，花费了大量的人力、物力，投入了数以万计的反复研制的费用。利用本发明装置作出的十余项科学研究成果经国内著名专家组成的评审组审定达到国际先进和国内领先水平。创新发明的三维构造物理模拟实验装置可以实施复杂构造演化史中不同力系作用下各种不同类型构造形迹形成和演化的构造物理模拟实验，是一先进的、高效率的、多功能的、趋于量化的三维构造模拟试验装置为国内首创设计，填补了我国在这一研究领域中的内空白。
附图说明
图1已有的二维构造模拟实验装置图；
图2本发明多功能三维构造模拟实验装置侧视立体图；
图3本发明多功能三维构造模拟实验装置挤压力系和拉张力系等产生的俯视图；
图4本发明多功能三维构造模拟实验装置右行扭力和左行扭力系右行剪切力和左行剪切力产生的俯视图；
图5本发明多功能三维构造模拟实验装置底部升温的俯视图；
图6利用本发明的多功能三维构造物理模拟实验装置获得的三维逆冲造山实验模型；
图7利用本发明的多功能三维构造物理模拟实验装置获得的三维褶皱实验模型；
图8利用本发明的实验装置获得的拉张力和地幔上涌力联合作用下产生的正断层系形成的实验结果；
图9利用本发明的实验装置获得的右行剪切断裂体系动力学成因机制的实验结果。
具体实施方式
参见图2、图3、图4和图5，本实用新型由：实验模型容器(500×400×300mm)A；挤压或拉张力传动轴B，分为左传动轴B-1和右传动轴B-2；扭力驱动前部运动模块C；扭力驱动前部滑动杆D；扭力驱动后部运动模块E；扭力后部滑动杆F；底部拉张驱动力传动轴G，分为底部拉张左传动轴G-1和右传动轴G-2；可拆卸的实验装置活动底板H，在底板上安装有直径为20mm的塑性流体圆形注入孔H-1；底部升温系统I，由绝缘隐蔽式的加温部分和WMZK-01型设定温度控制附件(图中未显示出)组成；实验装置底部条形支架J，由左、中和右三部分组成；上下位置可变动的实验模型变形监测计K，共有四个，分别位于实验模型容器的四个端角；动力部分由V-8型涡轮减速箱和可控制转速的直流电机组成；以及可调整水平的工作台M组成。
其结构是以模型容器A为中心，在它的两侧安装有挤压或拉张力传动轴B，分为左传动轴B-1和右传动轴B-2(见图2、4)。在容器A的底部安装有底部拉张驱动力传动轴G，分为底部拉张左传动轴G-1和右传动轴G-2(见图4)。在实验容器A内的前后安装有扭力驱动模块C和E，模块沿前后滑动杆D和F运动(见图3)。模型容器A的底部是一可拆卸的活动底板H，在活动底板安装有直径为20mm的塑体流体注入孔H-1，为了增大模型底部的摩擦阻力，活动底板上刻有“V”型槽(见图4)。根据特殊实验要求活动底板H可置换为底部升温系统I的加温部件，(见图5)，实验温度可由室温升至200，实验温度的监控是由WMZK-01型温度控制仪实现的，底部升温温度在室温～200连续可调，可任意的设定指定实验温度，并恒温在指定温度范围内。在模型容器A的四角安装有实验模型变形监测计K，该监测计K上下可调节幅度高达250mm，而且，水平位置是可移动的(见图2、3、4和5)。实验装置被安装在可调整水平的专用工作台M上。本发明装置的动力部分为由V-8型涡轮减速箱和可控制转速的直流电机组成，传动轴的运动是通过连接到直流电机带动的涡轮减速箱的活塞式对接轴实现的。
本发明装置的功能如下：
一、该实验装置可以开展各种不同类型构造形迹的三维立体空间模拟实验。
实验样品空间维度为：500×400×300mm，实验模型在不同驱动力作用下可沿X、Y、Z三个方向随机缩短或伸长，实现类似于实际地质构造演化中的各种不同类型的驱动力作用下的构造变形，同时，该实验样品空间维度的设计500×400×300mm是经过多年来开展上千次构造物理模拟实验所积累的经验和前瞻把握而确定的，即可满足在各种不同类型驱动力作用下开展复杂构造演化的苛刻的实验要求，还可充分节省实验材料、降低实验成本。
二、该装置具可以产生类似于实际地质构造运动中的七大力系驱动作用：
1、产生与地质构造运动中相类似的挤压力作用，通过B-1和B-2传动轴顺时针旋转带动的模型容器平行框架面的相向运动产生见图2；
2、产生与地质构造运动中相类似的左行扭力作用，通过运动模块C和E沿滑动杆D和F向右和向左的运动产生见图4；
3、产生与地质构造运动中相类似的右行扭力作用，通过运动模块C和E沿滑动杆D和F向左和向右的运动产生见图4；
4、产生与地质构造运动中相类似的拉张力作用，通过G-1和G-2传动轴带动的底部橡胶带的伸长产生；
5、产生与地质构造运动中相类似的地幔上涌驱动力作用，通过活动底板中的圆孔H-1注入塑性流体产生垂直向上隆起力和侧向伸张力见图3；
6、产生与地质构造运动中相类似的垂直压力作用，通过模型容器上覆的曲面型向下垂直压缩产生；
7、创造了开展地质构造运动史研究中至关重要的多期或复合驱动力作用的实验条件，可对同一实验模型施加多期或复合驱动力作用，比如：早期压缩力作用叠加晚期拉张力作用，早期拉张力作用叠加晚期右行走滑力作用等等。实现了对一个实验模型施加复合力系新的实验目标，将多年来单一、简单型的构造模拟实验装置发明为多功能、复杂化的新型实验实验装置。
三、本发明装置具有底部升温功能，将以往的常温实验装置改进为升温构造物理模拟实验装置。
本实验装置配有WMZK-01型温度指示控制仪，可进行自动升温监控，最高实验温度可达200，解决了构造物理模拟实验的加温问题。
四、将以往非标量构造物理模拟实验装置改进为标量化模拟实验装置。
本发明的多功能三维构造模拟实验装置，可以通过附件测定实验模型在各种不同类型力系作用下产生的水平位移和垂直位移值，测定施加到模型的构造应力值，实现开展量化构造物理模拟实验的目的。
本发明装置的操作实验过程和典型实例：
1.挤压驱动力的产生及其实验结果：
挤压或拉张力传动轴B-1和B-2，顺时针旋转导致模型容器产生水平压缩，产生水平挤压力。图6和图7给出了在该实验条件下获得的三维实验结果。
2.拉张驱动力和地幔上涌力的产生及其实验结果：
底部拉张驱动力传动轴G-1和G-2带动的橡胶带侧向扩张，产生拉张力，并叠加由活动底板H上的塑性流体注入孔H-1注入调色的凡士林塑性流体产生地幔上涌力。这是一典型的侧向拉张叠加地幔上涌复合力系作用下构造变形的构造物理模拟实验。图8给出了在该实验条件下获得的正断层系动力学成因机制的构造模拟实验结果。
3.右行扭力驱动力的产生及其实验结果：
扭力驱动前部运动模块C向左运动，扭力驱动后部运动模块E向右运动，导致实验模型受到右行剪应力驱动作用，产生右行走滑构造变形。图9给出了在该实验条件下获得的右行剪切断层系实验结果。
Claims (8)
1、一种多功能三维构造模拟试验装置，其特征在于，可在不同驱动力作用下沿X、Y、Z三个方向随机缩短或伸长，实现实际地质构造演化中的各种不同类型的驱动力作用下的构造变形。
2、如权利要求1所述的三维构造模拟试验装置，其特征在于，所述各种不同类型的驱动力，包括：
(1)地质构造运动中的挤压力；
(2)地质构造运动中的左行扭力作用；
(3)地质构造运动中的右行扭力；
(4)地质构造运动中的拉张力；
(5)地质构造运动中的地幔上涌驱动力；
(6)地质构造运动中的垂直压力；
(7)地质构造运动中的多期或复合驱动力。
3、如权利要求1所述的三维构造模拟试验装置，其特征在于，可以通过附件测定实验模型在各种不同类型力系作用下产生的水平位移和垂直位移值，测定施加到模型的构造应力值，实现开展量化构造物理模拟实验的目的。
4、如权利要求1所述的三维构造模拟试验装置，其特征在于，实验装置以模型容器(A)为中心，在它的两側安装有挤压或拉张力传动轴(B)，分为左传动轴(B-1)和右传动轴(B-2)；在容器(A)的底部安装有底部拉张驱动力传动轴(G)，分为底部拉张左传动轴(G-1)和右传动轴(G-2)；在容器(A)内的前后安装有扭力驱动模块(C)和(E)，模块沿前后滑动杆(D)和(F)水平运动；模型容器(A)的底部是一可拆卸的活动底板(H)，在活动底板(H)安装有塑体流体注入孔(H-1)，活动底板(H)上刻有“V”型槽；在模型容器(A)的四角安装有实验模型变形监测计(K)；实验装置安装在水平的专用工作台(M)上。
5、如权利要求4所述的三维构造模拟试验装置，其特征在于，所述活动底板(H)可置换为底部升温系统(I)的加温部件。
6、如权利要求5所述的三维构造模拟试验装置，其特征在于，所述底部升温系统(I)，其实验温度的监控是由温度控制仪实现的，底部升温温度在室温～200连续可调，可任意的设定指定实验温度，并恒温在指定温度范围内。
7、如权利要求6所述的三维构造模拟试验装置，其特征在于，所述温度控制仪为WMZK-01型温度控制仪。
8、如权利要求4所述的三维构造模拟试验装置，其特征在于，所述变形监测计(K)，可上下调节，且水平位置可移动，以对可变动的实验模型变形进行监测。
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