一种多类底辟构造超重力物理模拟实验装置及实验方法

本发明属于地质构造领域的一种模拟试验装置及方法，尤其涉及了一种多类底辟构造超重力物理模拟实验装置及实验方法。

背景技术：

1、地球岩石圈中的底辟构造系地下较深处密度较小的高塑性岩石(如岩盐、石膏、黏土等)在差异重力作用下向上拱起，刺穿上覆岩层而形成的一种构造，是一类重要的石油地质构造，对油气资源、岩盐矿产的勘探具有重要的意义，对研究源于地球深部的岩浆活动也具有重要价值。例如，前人研究已经揭示我国南海、美国墨西哥湾区域的油气藏的分布与底辟构造的发育密切相关。岩石圈中单个底辟构造的发育过程的持续时间一般处于百万年至千万年时间区间，单个底辟构造的主轴剖面衍生规模多处于千米量级以上，底辟构造所涉及的地层的粘度一般大于1×1015pa.s。故通过地质调查的途径研究底辟构造，虽然是必要的，但需要在大量人力物力配套支持下才能有效实施；通过物理模拟实验模拟研究底辟构造的发育过程与变形规律，可便捷、整体性地模拟研究底辟构造，是研究底辟构造一种重要的途径。虽然，已有一些常重力条件(1g环境)下实施的底辟构造模拟试验研究，探索获得了一些相关规律；但是鉴于岩石圈中底辟构造上述长变形时间、大尺度空间规模、超高材料粘度等特征，这些常重力试验中，底辟试验模型与地球岩石圈中的底辟构造的相似性关系很少获得合理考虑与设置。底辟构造构造由于地质动力机制的差异分为不同类别，其中常见有主动底辟与再活化底辟构造，主动底辟是因相对于围岩低密度的底辟核层差异厚度导致底辟核层受差异应力作用主动上侵形成的底辟构造；再活化底辟构造是因上覆围岩受区域伸展作用形成薄弱带，从而导致底辟核层沿着薄弱带上侵形成底辟构造。底辟构造根据底辟核顶部的空间形态可分为穹隆状与脊状两大类别；且地球上已发现的公里级尺度的底辟多呈现底辟群而非单个底辟的状态呈现。

2、根据ramberg(1967)对地质构造模拟试验相似关系的推导，可知当模拟试验工况中惯性力可忽略时，在建立试验相似关系时，可根据特定研究对象的性质自行设置相似比。超重力物理模拟实验可以在保证试验模型与底辟构造地质原型之间的相似性关系前提下，开展空间尺寸缩尺、时间缩尺的底辟构造模拟实验研究，这样所获得的模拟试验规律能反应岩石圈内底辟(群)构造发育过程中的真实特征。故超重力模拟实验研究在地质构造模拟实验研究中十分重要，且前景广阔。

3、国内尚未见有在超重力环境下开展的底辟构造研究案例。国外超重力条件下开展的底辟构造模拟实验研究均在短旋转半径的鼓式离心机、不低于700g的高g值试验环境中开展的，且试验模型为横向长度一般不超过15cm的小模型，模型初始底部一般为会导致超重力环境下产生横向差异重力场的平面台。这样的超重力实验中形成的底辟构造现象实际在模拟过程中，会受到显著的切向差异超重力场、实验材料以较大变形速率变形、模型边界效应的干扰，导致显著试验误差。另外，现有底辟构造超重力实验中对主动底辟构造的模拟，都是在1g环境制作实验模型时，在底辟核层顶面制作向上凸起，这样在超重力加载过程中，上覆实验材料层在底辟核层凸起处存在扰动应力，进而促使底辟变形的发生；但是这样在超重力实验从1g升值加载至设计目标g值过程中，试验模型容易发生变形，而这部分变形并不符合超重力实验设定的相似关系，也会造成显著的试验误差。前人底辟构造超重力实验中，这些不同因素所导致的综合实验误差，会导致所模拟的模型变形过程与地质原型的变形过程之间存在显著的不相似，严重影响试验分析结果的有效性。另外，尚未见有可控的底辟群构造物理模拟实验装置。

4、为了在前人底辟构造超重力实验研究基础上，进一步完善底辟构造超重力模拟实验的有效性，结合发明人前期在浙江大学zju400大型臂式离心机上的初步底辟构造实验与相关数值模拟研究，为了克服上述底辟构造超重力实验研究中的实验误差，本发明提出一种适用于大型离心机的底辟(群)构造超重力模拟实验装置。

5、相似技术(产品)简述：

6、中国专利cn109166441a公开了一种用于超重力环境下的底辟物理模拟实验装置及实验方法，实验装置包括实验箱和底辟动力装置，实验箱由长推板、移动板及实验箱底板组成，其中移动板包括移动固定板和与其连接的移动伸缩板，实验箱内放置实验材料；在底辟动力装置的作用下，长推板前后移动,移动伸缩板作伸缩运动，用以挤压变形实验箱内的实验材料。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的底辟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构造物理模拟实验。该装置只能主动控制单个穹隆状底辟构造的超重力物理模拟过程，且不能消除超重力实验过程中沿着旋转切向差异超重力引起的实验误差，难保证实验结果的可重复性。

7、中国专利cn111238948a公开了一种三维底辟装置，包括底板，用来承载立墙和伸缩推板，所述底板与所述立墙和伸缩推板形成只上端开口的密封式箱体结构；立墙,数量为两个，垂直设在所述底板y轴方向的两侧，所述立墙在y轴方向相对底板运动对内部的实验体进行y轴方向的挤压或拉伸；伸缩推板,数量为两个，垂直设在所述底板x轴方向的两侧且可与所述立墙的内侧始终处于接触且密封状态,所述伸缩推板在x轴方向相对底板运动并对内部的实验体进行x轴方向的挤压或拉伸。本发明模拟一种砂土不仅受到水平x方向和y方向的挤压/拉伸力、底部还会有胶质物注入的状态，模拟结果更加精准,保证实验的准确性和有效性。该装置只能主动控制单个穹隆状底辟构造的超重力物理模拟过程，且不能消除超重力实验过程中沿着旋转切向的差异超重力引起的实验误差；底部注入的胶质物质的粘度一般小于1×104pa.s，故实验材料的选择范围也比较有限。

8、中国专利cn110794474a公开了一种岩浆底辟与伸展作用叠合的模拟装置及分析方法。所述岩浆底辟与伸展作用叠合的模拟分析方法通过将介质容器内填充的介质侵入装填有多层砂子的砂箱中，再启动第一发动机和第二发动机拉伸砂箱，对砂体进行切割，得到第一切片；先启动第一发动机和第二发动机拉伸装填有多层砂子的砂箱，再将介质容器内填充的介质侵入到砂箱中，对砂体进行切割，得到第二切片；根据第一切片和第二切片，得到多个典型构造变形样式。该装置只能用于1g常重力环境中的单个穹隆状底辟构造研究，且所开展的底辟模拟实验，难以保证与地球上的底辟构造的地质过程相似。

技术实现思路

1、为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种多类底辟构造超重力物理模拟实验装置及实验方法。本发明属于一种适用于大型臂式离心机超重力环境中模拟主动底辟(群)构造、再活化底辟(群)构造的超重力模拟实验装置及实验方法。

2、本发明所采用的技术方案如下：

3、一、一种多类底辟构造超重力物理模拟实验装置：

4、装置包括基座板、基座、试验区底板、试验区壳体、底辟核材料注入系统和驱动系统；试验区底板位于基座板的上方，试验区底板和基座板之间通过基座固定连接，上端开口的试验区壳体放置在试验区底板上，底辟核材料注入系统设置在基座的中部，且底辟核材料注入系统的底端固定连接在基座板上，驱动系统放置在基座板上，且驱动系统和底辟核材料注入系统之间连接。

5、所述的试验区壳体包括四块侧壁壁板、试验区曲面台和刚性隔档；四块侧壁壁板依次首尾相连围成一个两端开口、四周封闭的矩形框架，试验区曲面台位于矩形框架底端的中部，使得矩形框架和试验区曲面台围成上端开口的试验腔室，将矩形框架中沿着装置长边方向设置的侧壁壁板作为纵向侧壁，矩形框架中沿着装置短边方向设置的侧壁壁板作为横向侧壁，两块刚性隔档沿着装置长边方向平行间隔排布地设置在试验腔室内，刚性隔档的底部和侧边分别与试验区曲面台和纵向侧壁连接，两块刚性隔档将试验腔室均分为三个子试验区，两块可拆卸的刚性隔档将试验区曲面台均匀划分为三个试验平台单元；

6、侧壁壁板的底部固定连接在试验区底板的外周，试验区曲面台放置在试验区底板上表面的中部，试验区曲面台中部开设有沿装置长边方向间隔设置的四个材料注入口，其中三个材料注入口分别开设在三个试验平台单元的中部，另外一个材料注入口开设在一个刚性隔档和试验区曲面台连接位置处，试验区底板中部开设有沿装置长边方向间隔设置的四个通孔，试验区曲面台中的材料注入口和试验区底板中的通孔的数量和排布位置分布相同且对齐，底辟核材料注入系统的顶端设置在试验区底板开设的通孔处。

7、所述的底辟核材料注入系统包括第一同步轮、轴承、固定环、丝杠；丝杠可上下移动地连接在第一同步轮的中心孔内，固定环位于轴承的上方，固定环和轴承均套设在丝杠外侧壁上，固定环和轴承通过系统固定架连接在基座板上，第一同步轮的下方设有平面轴承，平面轴承固定连接在基座板上；

8、所述的底辟核材料注入系统采用圆孔式材料注入系统或条孔式注入系统；所述的圆孔式材料注入系统还包括活塞连接栓、圆孔活塞和圆孔活塞密封圈，圆孔活塞位于丝杠的上方，圆孔活塞和丝杠之间通过活塞连接栓固定连接，圆孔活塞密封圈密封连接在圆孔活塞的顶端；所述的条孔式注入系统还包括条孔活塞和条孔活塞密封圈，条孔活塞的底端和丝杠的顶端之间固定连接，条孔活塞密封圈密封连接在条孔活塞的顶端。

9、所述的驱动系统包括伺服电机、减速机和电机支撑座；减速机的内部设有第二同步轮，减速机通过电机支撑座固定在基座板上，伺服电机安装在减速机的顶部且伺服电机的输出轴和减速机中的第二同步轮同轴连接，第二同步轮和第一同步轮之间通过同步带连接，使得第二同步轮带动第一同步轮旋转。

10、所述的材料注入口采用圆孔式材料注入口或条孔式材料注入口，所述四个材料注入口中包括三个圆孔式材料注入口和一个条孔式材料注入口，其中两个圆孔式材料注入口和一个条孔式材料注入口分别开设在三个试验平台单元的中部，第三个圆孔式材料注入口开设在上述两个圆孔式材料注入口连接线的中点位置处；

11、试验区底板中部开设的通孔为圆孔式材料腔或条孔式材料腔，圆孔式材料注入系统顶端的圆孔活塞可上下移动地设置在圆孔式材料腔中，条孔式注入系统顶端的条孔活塞可上下移动地设置在条孔式材料腔中。

12、所述纵向侧壁的内侧壁开设有沿装置长边方向间隔设置的两条隔档侧壁卡槽，各条隔档侧壁卡槽均沿着上下方向设置，试验区曲面台顶部开设有沿装置长边方向间隔设置的两条隔档底部卡槽，各条隔档底部卡槽均沿着装置的短边方向设置，纵向侧壁中的隔档侧壁卡槽和试验区曲面台中的隔档底部卡槽的数量和排布位置分布相同且对齐，刚性隔档的底部嵌入在隔档底部卡槽中，刚性隔档的两侧边分别嵌入在两块纵向侧壁的隔档侧壁卡槽中。

13、所述的刚性隔档主要由若干个沿着上下方向紧密设置的刚性条形成，各个刚性条均沿着装置的短边方向设置，刚性隔档中最下方的刚性条嵌入在隔档底部卡槽中，刚性条的两侧边分别嵌入在两块纵向侧壁的隔档侧壁卡槽中。

14、二、一种多类底辟构造超重力物理模拟实验方法，包括以下步骤：

15、步骤1、首先，选取底辟核模拟材料，并确定底辟核模拟材料的用量、粘度与密度；在1g常重力环境中，将各个选定的底辟核模拟材料分别注入到各个底辟核材料注入系统的材料腔中，并将材料腔中的底辟核模拟材料充分排气压实；

16、步骤2、制备模拟试验模型

17、取若干种围岩层模拟材料，各种模拟材料按照底辟核模拟材料、围岩层模拟材料的顺序分层依顺序装入子试验区1中，排气、分层压密后制成初始的模拟试验模型；

18、步骤3、将装有模拟试验模型的装置吊装至离心机的实验平台上，启动离心机并加载至目标g值，在稳定目标g值的超重力环境中实时监测模拟试验模型的变形情况，当装置运行至预设的试验状态或试验时间后关闭离心机停止实验，取下模拟试验模型，根据模拟试验模型的变形时间获得实际地质变形时间t0：

19、

20、其中，tm表示超重力模拟试验模型的变形时间，μr表示模拟试验模型与实际地质体的粘度之比，ρr表示模拟试验模型与实际地质体的密度之比，lr表示模拟试验模型与实际地质体的几何尺寸之比，αr表示模拟试验模型与实际地质体的加速度之比。

21、本发明装置中的刚性隔档可将试验腔室分成三个子试验区，各个子试验区的底部中心位置配置有一个材料注入口，也可根据试验需要，灵活安装或拆除刚性隔档，配合试验区底部四个材料注入口的灵活使用，可实现不同底辟构造或底辟群构造的超重力模拟试验。底辟核材料注入系统共计四套，各注入系统之间均可通过伺服在线高精度量化控制独立运作。基于这些结构设计，本发明可在1g-200g的超重力环境中，开展多尺度模型的穹隆状底辟构造、脊状底辟构造的超重力实验模拟研究，开展单个底辟构造与底辟群构造的模拟研究，也便于检验底辟构造超重力模拟试验结果的可重复性，较现有超重力环境中的底辟物理模拟实验装置能显著降低实验误差。

22、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而发明了一种多类底辟构造超重力物理模拟实验装置，这套装置在实施底辟构造超重力模拟试验时，可开展穹窿状底辟与脊状底辟构造模拟，可开展单个底辟构造与底辟群构造的超重力模拟，可开展多种尺度的实验模型、多组工况上机同步独立试验，无需预置凸起用于启动底辟构造变形，可充分避免由于超重力实验设备实验g值从1g加载至目标g值超重力状态过程产生的实验累计变形误差，且本装置可充分避免超重力实验环境中沿着模型箱旋转方向的切向差异超重力产生的实验误差。

23、本发明是基于对底辟构造超重力模拟研究的多种实验工况需求与大型臂式离心机实验操作约束条件的综合考虑发明设计的，主要包含三个可合并拆分的试验区、四套可独立控制运行的底辟核材料注入系统。考虑到高g值导致试验模型材料易产生高变形速率，使得模型材料流变属性的变化，从而弱化超重力模拟实验过程的相似性；而国内现有大型臂式离心机(如浙江大学的zju400型号臂式离心机)有效的载荷长时段持续运转超重力g值一般不高于200g，故本底辟构造超重力实验装置可适用的最高超重力g值为200g。

24、对于单个底辟构造变形过程的模拟，三个子试验区平行于纵向侧壁的中线应与离心机实验平台的中线重合，在刚性隔档区分开的各子试验区各分布有一个底辟核材料注入口，基于对所模拟的底辟构造地质原型中各岩层几何参数、力学参数、流变学参数、及变形时间参量的分析，根据地质构造模拟试验相似关系设计超重力模拟试验，遴选适宜的超重力模拟试验相似材料，向需要各试验区注入系统的材料腔中按照试验设计填充实验材料，再制作超重力模拟试验模型，上离心机开展超重力模拟试验加载，在系统达到稳定g值加载后按照试验设计注入实验材料，触发底辟构造变形。在试验模型变形过程中，可通过三维光学扫描系统从试验区顶部监控测试各试验区模型顶部的变形特征，也可通过其他透视三维扫描技术(如声学、电学探测技术)在超重力模拟试验加载过程中对试验模型的三维变形过程进行监测扫描。超重力实验加载结束后，可对试验模型实施切片观测、ct三维扫描等观测分析。

25、本发明的有益效果为：

26、1、本发明能在一次超重力加载试验过程中，同时开展三组独立的底辟构造超重力模拟试验，这样有助于检验超重力实验结果的可重复性，这是前人底辟构造超重力实验未研究过的。

27、2、本发明能运用注入系统在设计稳定g值加载状态下小剂量低速可控地注入底辟核材料促成主动底辟构造的启动与变形，可避免类似前人在1g环境下预置底辟核层凸起在超重力g值升值过程中产生的不相似变形，也能大幅度降低由于实验模型底部高速注入操作导致的实验误差。

28、3、本发明能同步模拟穹窿状底辟构造、脊状底辟构造，也能通过合并相邻试验区模拟底辟群构造。

29、4、本发明的试验区可模拟的实验模型在可充分保证超重力环境中安全可控地实验操作的同时，切向尺寸显著大于前人底辟构造超重力实验模型，这样有利于显著减弱底辟构造超重力实验结果所受到的模型边界效应。

30、5、本发明试验区底部为刚性曲面台，可保证在臂式离心机超重力加载环境下，沿着旋转方切向产生均匀的超重力场。

31、6、本发明装置在超重力模拟试验加载过程中，实施的底辟核材料小剂量低速注入操作是通过伺服在线量化控制的，并能实时监测相应的注入速率及压力数值，有利于对试验相关参量的量化分析研究。

32、这些优势均有利于显著提高底辟构造超重力物理模拟实验结果与地质原型的相似性，也就意味着能显著增强底辟构造超重力模拟试验结果的有效性。另外，本发明试验区底部也可换成平面台，用于在1g常重力环境中开展低粘度材料的流塑性底辟构造变形模拟试验研究。