岩石圈构造变形物理模拟实验装置及实验方法

技术领域

本发明涉及一种物理模拟实验装置及实验方法，尤其是岩石圈构造变形的物理模拟实验的实验装置及方法。

背景技术

构造变形物理模拟实验是一种能够在实验室条件下对大尺度地质构造变形进行模拟研究的方法，具有广泛的适用性。在离心机营造的超重力环境中进行物理模拟实验于上个世纪中期得到了较大发展，近几十年来，国外学者利用离心机开展的超重力构造物理模拟实验，已在岩石圈裂谷拉张、洋中脊扩张机理、褶皱–冲断构造、走滑拉分构造、膏盐及岩浆底辟构造等研究领域方面取得了重要的进展。

产生超重力环境的离心机技术，一般可分为大型长臂离心机和小型鼓式离心机两种类型。

目前国内外的鼓式离心机采用转盘旋转结构，构造物理模拟实验箱尺寸较小，只能做到数厘米至十多厘米，难以精细地模拟实际地质构造现象；构造实验箱原始布置时只能固定于离心机转盘，限制了实验材料只能使用粘性材料，不能使用松散的实验材料；构造物理模拟实验箱无动力驱动设备，不能精确控制变形速率，在运行加速度大于300g的情况下，不能精确控制实验材料的变形。因此现有的鼓式离心机不能满足构造物理模拟的需要。

目前国内外转臂式的土工离心机最大加速度均小于600g，只能在300g以下控制实验舱内的动力驱动装置；在运行加速度大于300g的情况下，不能控制实验舱的动力驱动设备，不能精确控制实验材料的变形；离心机大功率的电力消耗，无法满足构造物理模拟实验的长时间运行成本控制；结构复杂、造价极其高昂。因此现有的转臂式的土工离心机不能满足构造物理模拟的需要。

发明内容

发明目的：本发明旨在提供一种控制精度高、可实时监测图像的超重力环境下岩石圈构造变形实验装置，以及利用该装置的实验方法。

技术方案：本发明所述的岩石圈构造变形物理模拟实验装置包括鼓式离心机密封舱和构造变形装置控制系统；鼓式离心机密封舱包括旋转臂，旋转臂两端悬挂安装吊篮及吊篮实验舱，吊篮及吊篮实验舱内安装构造变形实验箱；构造变形实验箱内设有动力驱动控制装置，构造变形装置控制系统与动力驱动控制装置连接。

离心机密封舱还包括离心机舱体、舱盖和主旋转轴；主旋转轴穿过离心机舱体，接口处安装密封轴，主旋转轴在离心机舱体内的一端套有滑环装置，另一端安装有离心机仪器舱。

滑环装置中设有用于为设备供电的电力滑环，用于实时传输检测数据的弱电滑环、用于实时传输光纤应变数据的光纤滑环以及用于传输液体的液体滑环。

两个旋转臂的中间位置安装用于实时采集构造变形顶部图像的实验实时监控相机；所述离心机舱体的舱壁上安装有可实时采集构造变形侧面图像的高速图像采集装置。

本发明的实验装置还包括鼓式离心机驱动动力舱，包括驱动舱舱体、驱动舱舱门和舱体支撑；驱动舱舱体内部安装驱动电机、真空电机和水冷电机；驱动电机上部安装旋转刹车制动，且与主旋转轴连接。

构造变形装置控制系统包括实验箱控制柜和实验箱控制台；所述实验箱控制柜还连接液体容器。

本发明的实验装置还包括运动控制系统，运动控制系统包括离心机控制柜和离心机控制台。

本发明所述的岩石圈构造变形物理模拟实验方法包括如下步骤：

(a)在构造变形实验箱内放置实验材料，在所述旋转臂一端安装吊篮及吊篮实验舱，另一端安装相同重量的实验舱或配重；

(b)开启相关设备；

(c)检测相关参数，记录构造变形实验箱顶面及侧面变形图像；

(d)构造变形实验结束，取出构造变形实验箱。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：1、实验箱悬挂于鼓式离心机悬臂上，实现了2500g超重力环境的岩石圈构造变形物理模拟实验；2、岩石圈构造变形的速率可控，控制精度可达0.01mm/s；3、实验空间大，其尺寸大于400mm×400mm×300mm；5、图像采集设备安装在旋转臂及舱体，可实时采集构造变形的顶部和侧面图像，避免离心力而损坏设备；6、实验装置结构简单，节约成本。

附图说明

图1为本发明的实验装置的侧视图；

图2为本发明的实验装置的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

本发明的实验装置适用于10-2500g离心力超重环境开展岩石圈构造变形物理模拟实验，特别适用于300-2500g离心力超重环境的岩石圈构造变形物理模拟实验环境。如图1和图2所示，本发明的实验装置包括鼓式离心机密封舱、鼓式离心机驱动动力舱、鼓式离心机的运动控制系统和构造变形装置控制系统。

所述鼓式离心机密封舱包括离心机舱体1、舱盖3、旋转臂4和主旋转轴5；两个旋转臂4的中间位置安装两个沿主旋转轴5对称的实验实时监控相机26，可实时采集吊篮内构造变形实验箱10顶部构造变形数据；旋转臂4两端通过吊篮悬挂装置28分别悬挂安装吊篮及吊篮实验舱9，吊篮及吊篮实验舱9内安装有构造变形实验箱10，实验箱内设有动力驱动控制装置。

主旋转轴5穿过离心机舱体1，在接口处安装用于密封的旋转密封轴27，主旋转轴5在离心机舱体1内的一端套有滑环装置13，主旋转轴5在离心机舱体1外的一端安装有离心机仪器舱14。在离心机密封舱的舱壁上还安装有高速图像采集装置11，可实时采集吊篮内构造变形实验箱10侧面构造变形数据。

所述鼓式离心机驱动动力舱包括驱动动力舱体2，驱动舱舱门24和舱体支撑17；驱动动力舱体2内部安装有驱动电机6，驱动电机6上部安装旋转刹车制动12，并且与离心机密封舱内的主旋转轴5相连，用于控制离心机的制动；驱动电机6的左右两侧分别安装真空电机7和水冷电机8；真空电机7上设有真空管22，真空管22与离心机舱体1相连，用于将离心机密封舱内抽成真空。

本发明的实验装置还包括必要的减震装置、密封配件、驱动传感设备和连接管路等。

滑环装置13包括电力滑环、弱电滑环、光纤滑环和液体滑环，通过滑环装置13可为鼓式离心机密封舱接入0-220V电压，弱电信号，光纤信号和液体管线15，用于提供电力和检测数据。离心机旋转臂4表面安装线槽固定装置23，用于固定连接到吊篮及吊篮实验舱9内的管路。

鼓式离心机的运动控制系统包括离心机控制柜18和离心机控制台19；离心机控制柜18通过控制管线25与离心机驱动电机6连接；所述离心机控制台19用于控制离心机控制柜18。

鼓式离心机的构造变形装置控制系统包括实验箱控制柜20和实验箱控制台21；实验箱控制柜20连接液体容器16，用于盛装各种输入到实验箱中的液体，通过液体管线15将液体输入或输出到10中；实验箱控制柜20通过控制管线25与构造变形实验箱10中的动力驱动控制装置连接，用于给构造变形实验箱10提供精确的动力控制，带动构造变形实验箱内部材料变形，包括电机和液压两种动力驱动；实验箱控制台21用于控制实验箱控制柜20。

鼓式离心机运行时，吊篮及吊篮实验舱9因离心作用平行悬挂于旋转臂4上，旋转臂4在吊篮及吊篮实验舱9底部产生的离心力可达2500g；吊篮及吊篮实验舱9内的构造变形实验箱10内装有的实验材料一般为松散的石英砂，在构造变形装置控制系统的驱动下，模拟自然界中岩石圈尺度的挤压、拉张、走滑、底辟等构造变形过程，动力驱动的精度为0.01mm/s。这使得岩石圈构造变形物理模拟实验更加方便，相比传统的转盘式鼓式离心机在同等尺度实验模型内部应力增大十倍以上，使模拟实验更加接近于自然界状况；相比传统的长臂离心机结构简单，节约成本。

鼓式离心机密封舱的内空间尺寸大于400mm×400mm×300mm，在离心力为2500g时，鼓式离心机密封舱的承载重量可达60kg，在离心力为1000g时，鼓式离心机密封舱的承载重量可达100kg。

鼓式离心机运行时，通过滑环装置13接入的弱电信号可实时传输吊篮及吊篮实验舱9内的各种检查设备的检测数据，包括温度、压力、应力、应变、内窥图像等，光纤连接可实时传输吊篮及吊篮实验舱9内的光纤应变数据；液体连接管可向实验舱内输入或输出各种液体，输入或输出速率及压力均精确可控。

实验方法：

(1)在构造变形实验箱10内放置实验材料，对构造变形实验箱10称重，记录重量单位为g；将构造变形实验箱10放入鼓式离心机内的吊篮及吊篮实验舱9内，通过线槽固定装置23上的管线连接构造变形实验箱10与外部实验箱控制柜20、实验箱控制台21和液体容器16，固定好相关管线。

构造变形实验箱10有两种安装状态：1、单构造变形实验箱实验，只需在其中一个吊篮及吊篮实验舱9内放入构造变形实验箱10，在另一端的一个吊篮及吊篮实验舱9内放入与构造变形实验箱10等量的配重。2、双构造变形实验箱实验，两个吊篮及吊篮实验舱9内均放置实验箱，需保证在两个构造变形实验箱10的重量相等。

(2)关闭舱盖3，按要求开启所有控制电力，设置真空电机7参数并开启真空电机7，当离心机舱体1内的真空值达到设定值时，开启水冷电机8，设置离心机运行相关预设参数，开启离心机驱动电机6，离心机驱动电机6带动离心机密封舱体1内的离心机旋转臂4转动，并达到预设的最大离心加速度。

(3)开启构造变形实验动力驱动并同时开始记录构造变形实验检测数据；开启高速图像采集装置11记录构造变形实验箱侧面变形图像；开启实验实时监控相机26记录构造变形实验箱顶面变形图像。

(4)构造变形实验结束时，停止自动实验箱控制台21和离心机控制台19，停止水冷电机8和真空电机7，对离心机密封舱体1泄压，开启舱盖3，取出构造变形实验箱10，完成实验。