[发明专利]用于超重力环境的伸展构造物理模拟实验装置及实验方法

说明书

本发明公开了一种用于超重力环境的伸展构造物理模拟实验装置及实验方法，实验装置包括实验箱和动力装置，实验箱包括位于前后两侧的移动侧板和位于左右两侧的固定侧板，其中，移动侧板与底板连接，底板底部通过底板滑块设于底板导轨上，且该底板与动力装置相连；在动力装置的作用下，底板通过底板滑块在底板导轨上移动并带动移动侧板沿固定侧板前后移动。本发明的实验装置在常重力条件下，完成对深层构造物理模拟实验箱内的实验材料的布置；在离心力条件下，对构造物理模拟实验箱两侧的动力装置进行自动控制，使得构造物理模拟实验箱完成深层伸展构造物理模拟实验，为研究人员提供即时地质构造演化过程模型。

技术领域

本发明涉及一种实验装置及实验方法，尤其涉及一种用于超重力环境下的伸展构造物理模拟实验装置及实验方法。

背景技术

地质构造的物理模拟已有二百多年的研究历史。这一领域的研究直到上个世纪30年代相似性理论的建立(Hubbert,1937才得到实质性的发展，并最终成为地质构造变形规律、形成过程和成因机制研究的最主要手段。长期以来，人们利用常重力构造物理模拟装置对地质构造过程开展有过全面研究，极大地推进了构造地质学的研究与认识水平。

构造变形物理模拟方法在国内外构造地质学研究领域取得了显著成效，国内外一些著名大学和研究所纷纷建立了各自的相关实验室，例如，美国斯坦福大学、赖斯大学、英国伦敦大学、瑞士伯尔尼大学等。在国内，南京大学、中国地质大学(北京)、成都理工大学、中国石油大学(北京)等高校相继建立了构造物理模拟实验室，主要用于模拟构造变形物理模拟的实验研究。然而，大多数构造物理模拟实验是在正常重力条件下的砂箱实验中完成的。常重力构造物理模拟实验在涉及岩石流动变形(如地幔柱上涌、软流圈对流、下地壳流动和岩浆及膏盐地层底辟)等问题的深层构造过程物理模拟方面存在很大的局限，常重力构造物理模拟实验可以模拟逼真的构造变形形态，但实验缺少了构造变形的应力影响因素。

对于涉及重力的地学问题，离心机具有不可替代的作用。使用离心机，可以实现正常重力几百倍、甚至1000倍以上的超重力环境，因此能把实际地质体缩小成一个地质模型，在实验室里对它进行研究。对于地壳中的岩石，重力是控制其破坏和变形的主要因素，使用离心机进行有关的物理模拟实验是必然选择。瑞典Uppsala大学Ramberg实验室率先开展了基于离心机超重力环境的物理模拟研究(Ramberg,1967，随后加拿大皇后大学和意大利佛罗伦萨大学等构造模拟实验室也相继开展了这方面工作，国外学者也发表了相应的研究成果(HarrisKoyi(2003,JSG)、Acocella(2008,EPSL)、NobleDixon(2011,JSG)、CortiDooley(2015,Tectonophysics)、DietlKoyi(2011,JSG)等。

开展离心机超重力环境下的模拟实验是解决常重力构造物理模拟实验存在问题的有效途径，然而由于长臂大型离心机结构复杂造价高昂，离心机超重力场环境的物理模拟绝大多数采用造价较低、尺寸较小的鼓式离心机。尽管这些鼓式离心机地质构造模拟装置的最高重力加速度可达1000g以上，但实验模型的尺寸极小(最大十多厘米，难以精细模拟实际地质构造现象，并且由于实验舱空间狭小，无法像常重力实验装置那样配备施力部件和实时观测仪器，难以精密控制变形速率和同步记录变形全过程。目前，针对离心机环境下地质构造的模拟实验研究的实例还非常少，绝大多数离心机模拟实验主要应用于岩土工程结构的应力变形特性和渗透特性的研究。如中国水利水电科学研究院土木工程实验室拥有大型土工离心模型试验机，离心机环境下应用于构造模拟实验的相关设备目前则几乎没有。

发明内容

发明目的：本发明的第一目的是为研究人员提供超重力环境地质构造演变过程模型的伸展构造物理模拟实验装置；本发明的第二目的是提供利用该实验装置的实验方法。