复杂板块汇聚背景下盆地差异构造变形模拟装置及方法与流程

本发明属于盆地构造变形与演化研究基础领域，具体涉及一种复杂板块汇聚背景下盆地差异构造变形及其动力学演化机制的模拟实验装置及方法。

背景技术：

1、板块汇聚俯冲背景下，构造变形强烈，并伴随有强烈的断裂发育与岩浆活动。由于基底差异、先存断裂、构造背景等的不同，进而造成盆地发育具有十分明显的时空差异。所以，全球发育有数千个沉积盆地，但每个盆地的构造演化、沉积体系、油气规律等均有着较大差异。

2、构造物理模拟实验是研究自然界地质构造形成机理与演化过程的模拟实验，是研究构造变形几何学、运动学与动力学的有效方法。如授权公告号为cn105823645b的发明专利公开一种板块构造物理模拟实验装置及其实验方法，使用摩擦皮带、驱动皮带、倾角调节器等，以实现板块离散、俯冲、碰撞等板块构造运动；此外，授权公告号为cn115294848a的发明专利公开一种板块俯冲变形的影响因素物理模拟装置及模拟分析方法，使用不同角度的固定挡板来控制碰撞角度，借助升降马达来调节板块的俯冲角度，最终实现板块碰撞状态的设置。可见，现有技术主要集中于砂箱中挤压、拉伸、走滑以及高温液体注入形成岩浆侵入等地质现象的物理模拟，而对于板块汇聚碰撞背景下，由于板块持续发生旋转造成的不同构造位置的构造变形差异关注较少，尤其是在不同地块上发育的不同盆地间的构造变形差异的模拟工作较少，同时也未针对性设计不规则的板块边界以模拟盆地间或构造单元间受力特征的差别。

3、现有技术中虽然针对板块构造物理模拟实验做了大量工作，但是均未考虑板块旋转这一重要因素对于板块碰撞、俯冲等的影响，现有板块构造物理模拟实验装置无法模拟出随板块旋转而导致的俯冲边界或碰撞边界的动态变化，进而无法揭示随之导致的不同盆地或同一盆地不同构造单元的构造发育差异。比如，在太平洋板块与菲律宾海板块的汇聚、俯冲以及旋转影响下(图5)，导致的东亚活动大陆边缘沉积盆地发育的时空差异研究(wuet al.,2016；liu et al.,2023)。

4、综上所述，亟需设计一种复杂板块汇聚背景下盆地时空差异演化研究的构造物理模拟装置，以更加贴合实际的模拟板块汇聚边界几何学形态、板块动态旋转方向与速度等复杂构造背景下盆地发育的时空差异，深入探究盆地发育时空差异的深部动力学机制，这对于研究东亚陆缘太平洋板块俯冲、印-澳板块差异俯冲控制下的不同盆地构造发育具有重要的意义。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术中无法模拟出随板块旋转而导致的俯冲边界或碰撞边界的动态变化存在的缺陷，提出一种复杂板块汇聚背景下盆地差异构造变形模拟装置及方法，实现在某一板块持续俯冲过程中，板块旋转角度、板块边界形态、板块漂移速度等多种因素的综合影响下，重塑盆地的形成演化过程及在不同盆地间、同一盆地不同构造单元间造成的构造变形差异。

2、本发明是采用以下的技术方案实现的：一种复杂板块汇聚背景下盆地差异构造变形模拟装置，包括并排设置的旋转实验平台和固定实验平台，旋转实验平台用以实现被碰撞板块地层模拟及地层碰撞作用下的影像记录，固定实验平台用以模拟主动碰撞板块以不同漂移速度向被碰撞板块运动的过程，以及不同主动碰撞板块向被碰撞板块汇聚碰撞的先后顺序；

3、旋转实验平台上设置有砂箱、旋转驱动装置以及影像记录系统，砂箱内铺设有用于模拟被碰撞板块地层的材料，旋转驱动装置用以驱动砂箱旋转；固定实验平台上设置有碰撞边界改变系统和传动系统，碰撞边界改变系统包括多个不规则形状的施力挡板，通过传动系统驱动对应的施力挡板向砂箱施加碰撞作用力，以模拟主动碰撞板块沿某一方向的漂移。

4、进一步的，所述砂箱包括嵌设在旋转实验平台底座内的可旋转圆形底板，以及设置在可旋转圆形底板上的固定挡板，固定挡板用以为模拟地层提供固定边界，砂箱内铺设多个紧邻的不同砂体以模拟不同盆地地层发育的差异性，相邻砂体之间通过软薄塑料片隔开。

5、进一步的，所述砂箱的底部铺设硅胶以模拟塑性地幔的发育，之上交替均匀平整的铺设若干层不同粒径和颜色的石英砂以模拟不同地质时代的地层，并根据需要在地层之间铺设微玻璃珠来模拟滑脱层的存在，或根据需要在砂体中间位置设置倾斜的硬质薄塑料片以模拟盆地内走滑断裂的发育。

6、进一步的，所述传动系统包括驱动马达和推杆，施力挡板设置在推杆的尾端，固定实验平台上设置有一弧形镂空卡槽，驱动马达设置在镂空卡槽内，并可沿镂空卡槽移动。

7、进一步的，所述施力挡板的形状根据研究区内板块碰撞边界的实际几何形态进行设计。

8、进一步的，所述影像记录系统包括分别布设于旋转实验平台的正上方和侧方的高清数码照相机，用于记录板块碰撞过程中一侧板块发生旋转进而导致的不同盆地间或同一盆地不同构造单元间构造变形差异发育的形成过程与特征。

9、本发明另外还提出一种复杂板块汇聚背景下盆地差异构造变形模拟装置的模拟方法，包括以下步骤：

10、基础实验：设置基础实验参数，基础实验参数包括但不限于模拟地层砂层的尺寸、砂层数量、砂层厚度，是否铺设微玻璃珠层，是否设置薄塑料片，施力挡板的形状，旋转实验平台的旋转方向和角度，建立基础实验模型并开展模拟实验，获得基础实验结果；

11、对比实验：采取控制变量法，综合参考地质模型特点与基础实验结果来改变单一变量或多个变量的组合变化，开展多组对比实验以获得与实际情况逐步逼近一致的模拟结果；

12、综合分析：基于研究区实际构造演化过程研究，综合基础实验与对比实验结果分析，梳理研究区内发生差异构造变形的控制因素，形成研究区构造演化的动力学机制认识。

13、进一步的，在进行基础实验时，具体包括以下步骤：

14、(1)铺设被碰撞板块模拟地层：根据研究需要分别铺设多个紧邻的由多个砂层叠置而成的不同砂体以模拟不同盆地地层发育的差异性，相邻砂体之间采用软薄塑料片隔开，并在不同砂层之间铺设微玻璃珠来模拟滑脱层的存在，或者在某一个砂体中间位置设置倾斜的硬质薄塑料片以模拟盆地内走滑断裂的发育；

15、(2)确定并设置板块碰撞边界形状：根据相邻碰撞板块接触边界的实际几何形态，利用碰撞边界改变系统设置相似形状的碰撞挡板或预先加工符合要求的固定挡板，模拟相邻板块汇聚碰撞时，两个板块不同位置处的差异接触关系；

16、(3)设置板块旋转方向、旋转角度及旋转速度：在碰撞过程中，旋转实验平台同时模拟被碰撞板块的旋转；其旋转方向与速度根据主动碰撞板块和被碰撞板块的相对旋转角度来设定；其旋转速度根据旋转板块角度旋转的总量、发生旋转的地质时间、盆地发生碰撞相关构造变形的地质时期进行计算；

17、另外，板块碰撞的汇聚速度与汇聚总量根据卷入汇聚碰撞构造变形背景下的盆地在各地质时期的压缩量计算；

18、(4)通过不断调整基础实验参数来设置实施多组模拟实验，每组实验开展过程中每隔一定时间利用高清摄像机拍摄一次，以记录在持续的汇聚碰撞过程中造成的构造变形的过程。

19、进一步的，完成基础实验后，通过在两个砂体内设置不同的变量组合进行对比实验，以模拟不同盆地或同一盆地不同构造单元地层发育的差异性，并在实验结束后，用石英砂铺平砂体并盖上毛巾浇水浸透若干小时，然后进行切片观察盆地内构造变形特点，分析得出板块汇聚碰撞过程中随着角度的旋转变化与不同盆地或同一盆地不同构造单元间差异构造变形的耦合响应关系。

20、与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

21、本方案设计旋转实验平台，并在其上设置砂箱等实现对被碰撞板块的模拟通过旋转驱动装置控制被碰撞板块顺时针或逆时针持续动态旋转，并可对被碰撞板块旋转角度、旋转方向、汇聚速度等要素进行调节，实现被碰撞板块旋转角度、板块边界形态等复杂构造背景；结合固定实验平台上设计的主动碰撞板块的不同边界系统，在同一板块汇聚背景下，揭示由于板块旋转、板块边界形态等造成的不同盆地或同一盆地不同构造单元间构造差异变形的过程；

22、并且本方案为查明不同盆地间或同一盆地不同构造单元间构造变形时空差异的动力学过程提供技术支持，实现剖析板块旋转、基底性质、先存断裂等因素与某一研究地区构造变形差异间的耦合响应关系，为后续开展盆地差异演化的深部动力学分析与数值模拟工作提供参考。