[发明专利]岩石圈构造变形物理模拟实验装置及实验方法

说明书

本发明公开了一种岩石圈构造变形物理模拟实验装置及实验方法，实验装置包括鼓式离心机密封舱、鼓式离心机驱动动力舱、构造变形装置控制系统和运动控制系统；离心机悬臂两端悬挂了吊篮，吊篮内放置构造变形实验箱，构造变形控制系统精确控制实验箱内的实验材料变形，可模拟各种岩石圈尺度的构造变形过程；实验装置还包括实时监控相机和高速图像采集装置。离心机运作时，吊篮底部的离心力可达2500g，实现了超重力环境的岩石圈构造变形物理模拟实验，实验材料可用松散的石英砂，模拟实验更加方便；本实验装置造价低廉，实验空间大，承重高，实验材料变形控制精度高，同时可连续实时监测数据和记录构造变形图像。

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：