（机械设计及理论专业论文）构造物理模拟实验装置关键技术研究.pdf

构造物理模拟实验装置关键技术研究 任旭虎( 机械设计及理论) 指导老师：綦耀光教授 捅要 构造物理模拟实验是研究地质构造的一种有效方法，是帮助地质学家研究构造变形 过程和形成机制的重要手段。构造物理模拟的实质是根据相似性原理，在砂箱等实验环 境内，通过模拟构造形成过程，研究地质构造的成因和演化机理，对地质构造的成因进 行定性和定量分析。本课题的目的是在综合国内外同类设备优缺点的基础上，对构造物 理模拟的关键技术进行研究，并研制满足相似理论的实验装置。 构造物理模拟实验装置是一套机电一体化实验系统；论文在对主要地质构造现象与 成因分析的基础上，从动力学和运动学的角度，总结了地质体形成的受力与变形规律， 提出了实验装置加载单元应该具有的基本功能；按照相似性理论，运用模块化设计方法， 完成了加载系统、实验台体、底摩擦仪等部分的概念设计，确定了装置的功能和基本参 数，给出了系统的总体方案和各分功能模块的结构设计。设计的实验模型底部分段与隆 起加载模块，可实现非均质和分段变形地质体的构造变形模拟，该模块的深度方向动力 加载功能，实现了刺穿、窟窿等构造现象的模拟；设计的底部摩擦仪模块，可完成大洋 板块俯冲构造和无限长运动的走滑物理模拟；可调向、变位置式加载小车模块，实现了 对实验模型的多点多方向加载，与底部加载单元联合使用，可模拟地质体三维受力状态； 伺服驱动的运动、力加载单元，可实现位移、速度的精确控制，使实验由定性向半定量、 定量化发展；这些结构设计的创新，极大地扩展了地质工作者的实验模拟领域。 根据实验装置机械加载单元实现的功能，论文重点介绍了实验装置电气控制系统的 总体方案设计，论述了控制系统的关键技术，以整个系统为对象，优化组合，开发了基 于可编程序控制器的分布式运动控制系统，电气系统采用“分散控制、集中管理”结构， 既与实验装置模块化的体系相适应，又保证了系统的稳定性及可靠性，实现了易操作、 便维护、易扩展、便升级的目的。 为了获得实验过程中地质体顶面变形的完整数字记录信息，实现模拟过程的反演， 论文首次将光学三维轮廓术测量技术引入构造物理模拟测量，为解决实验砂箱边界阴 影、实验体顶面变形复杂等问题，对滤波、质量图、相位展开、标定等环节进行了改进 创新；针对傅里叶变换轮廓术测量复杂顶面形状时，出现频率混叠的问题，使用了多种 滤波方法对变形光栅图进行处理，实验表明采用汉宁滤波6 1 4 , 波多分辨率特性提取有效 分量，抑制了频谱混叠，提高了测量精度和测量范围；针对传统相位展开算法出现的拉 线现象，提出了基于背景梯度相位导数偏差质量图、结合边缘检测信息的两种相位展 开新算法，克服了相位展开中的误差传递问题，有效地恢复了实验体顶面三维信息；文 中还提出了一种具有较高标定精度和效率的新三维轮廓术系统标定方法基于b p 和 r b f 网络结合的两段式相位测量轮廓术标定技术，提高了测量精度；通过上述研究，基 本实现了地质体顶面变形信息的数字记录，为实验反演奠定了基础。 在进行构造物理模拟实验剖面变形测量、记录时，本文以砂箱侧面获取的剖面图像 为研究对象，建立了一种小波域与空域相结合的二维图像预处理技术，取得了较好的图 像处理效果；以数字图像处理为工具，运用灰度变换、图像滤波、二值图像处理、目标 获取、地质类型判断等技术，编制了地质构造类型的定量判断软件，可进行地质体类型 初步识别。数字图像处理与识别技术的应用，对提升实验效率有重要意义。 本文研制的设备通过一年多的运行实践表明，能按照相似理论实现拉张、挤压、剪 切、拱升及组合受力条件下的构造模拟；装置采用的交流伺服和控制系统，有效地保障 了实验的重复性和可靠性；采集设备和算法先进，可对实验过程进行数字记录、处理和 反演分析。该装置为构造物理模拟定量分析提供了有益的探索。 关键词：构造物理，模拟实验，模块化，底部摩擦仪，分段加载，面形测量，质量图 t h er e s e a r c ho ht h ek e yt e c h n o l o g yo ft h et e c t o p h y s i c s s i m u l a t i n ge x p e r i m e n ta p p a r a t u s r e nx u h u ( m e c h a n i s md e s i g na n dt h e o r y ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rq iy a o g u a n g a b s t r a c t a sa ne f f e c t i v er e s e a r c hm e t h o do fg e o l o g i c a ls t r u c t u r e ，t h et e c t o p h y s i c ss i m u l a t i n g e x p e r i m e n tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nr e s e a r c h i n gt h ep r o g r e s sa n df o r m i n gm e c h a n i s mo f t e c t o n i cd e f o r m a t i o n b yu s eo ft h es i m i l a r i t yp r i n c i p l e ，t h et e c t o p h y s i c ss i m u l a t i o ni sr e a l i z e d u n d e rc e r t a i ns i m u l a t i o ne x p e r i m e n tc o n d i t i o n ss u c ha ss a n db o xe r e i nt h i sp r o c e s s ，t h e q u a l i t a t i v ea n dq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so n t h ef o r m i n gc a u s eo fg e o l o g i c a ls t r u c t u r ei sc a r r i e do u t b ys i m u l a t i n gt h ef o r m i n gp r o g r e s so fg e o l o g i c a ls t r u c t u r ea n dr e s e a r c h i n gt h eo r i g i na n d e v o l v i n gp r o c e s s ，a n dc a r r yo u to nt e c t o n i cs t r u c t u r e o nb a s i so fi n t e g r a t i n gt h em e r i t sa n d d r a w b a c k so ft h ev i c a r i o u sa p p a r a t u si nh o m ea n da b r o a d ，t h i st h e s i si sa i m e da tr e s e a r c h i n g t h ek e yt e c h n o l o g i e so ft e c t o p h y s i c ss i m u l a t i o na n dd e v e l o p i n ge x p e r i m e n ta p p a r a t u s c o n f o r m i n g 、枋t l ls i m i l a r i t yp r i n c i p l e t h et e c t o p h y s i c ss i m u l a t i n ge x p e r i m e n ta p p a r a t u si sa ni n t e g r a t e de l e c t r o m e c h a n i c a l s y s t e mu s e df o rg e o l o g i cm o d e l i n ge x p e r i m e n t o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h em a i ng e o l o g i c a l s t r u c t u r ep h e n o m e n o na n do r i g i n ，t h i st h e s i ss u m m a r i z e st h es t r e s s i n ga n dd i s t o r t i n gr u l eo f g e o l o g i cb o d yf r o ma s p e c to fd y n a m i c sa n dk i n e s i o l o g y , a n db r i n g su pt h er e q u i s i t eb a s i c f u n c t i o n so fm e c h a n i c sl o a d i n gu n i to ft h ee x p e r i m e n ta p p a r a t u s i na d d i t i o n ，t h ec o n c e p t d e s i g no fa p p a r a t u sl o a d i n gs y s t e m ，e x p e r i m e n td e s ka n db o t t o mf r i c t i o nt e s t e ri sc a r r i e do u t ， t h eb a s i cf u n c t i o n sa n dp a r a m e t e r so fa p p a r a t u sa r ec o n f i r m e da c c o r d i n gt ot h es i m i l a r i t y p r i n c i p l e s ，a n dt h eo v e r a l lp r o j e c td e s i g na sw e l la st h es t r u c t u r ed e s i g no fe v e r ys u b s y s t e mi s a c c o m p l i s h e d i nt h i st h e s i s ，t h es e g m e n t i n ga n db u m p i n g f u n c t i o no ft h ee x p e r i m e n t a lm o d e l b a s e m e n tc a nr e a l i z et h et e c t o n i cd e f o r m a t i o ns i m u l a t i o no ft h ea n i s o t r o p i cg e o l o g i cb o d ya s w e l la st h es e g m e n t i n ga n dd i s t o r t i n gg e o l o g i cb o d y t h ev e r t i c a ld y n a m i cl o a d i n gf u n c t i o no f t h i sm o d e lc a nr e a l i z et h es i m u l a t i o no fs t r u c t u r ep h e n o m e n o n e ss u c ha ss a l td i a p e rs t r u c t u r e ， d i a p e rs t r u c t u r e ；h o l l o ws t r u c t u r ee t c t h es l i d i n gp h y s i c a ls i m u l a t i o no ft h eo c e a n i cp l a t e u n d e r r i d i n gt e c t o n i cm o v e m e n ta sw e l la st h ei n f i n i t el e n g t hm o t i o nc a nb er e a l i z e db yt h e b o t t o mf r i c t i o nt e s t i n gm o d e l t h ed i r e c t i o n a d j u s t a b l ea n dp o s i t i o n c h a n g e a b l el o a d i n gc a r t c a nr e a l i s et h ef u n c t i o no fm u l t i a s p e c ta n dm u l t i p o i n tl o a d i n g ，w h i c hi su s e dj o i n t l yw i t ht h e b o t t o ml o a d i n gu n i tt os i m u l a t et h e3 - d i m e n s i o n a ls t r a i n e dc o n d i t i o n s t h es e l n o d r i v i n g m o t i o na n ds t r e s sl o a d i n gu n i tc a nr e a l i z et h ep r e c i s e c o n t r o lo fd i s p l a c e m e n ta sw e l la ss p e e d ， w h i c hl e a d st h ee x p e r i m e n tt os e m i q u a n t i t a t i v el e v e la n dq u a n t i t a t i v el e v e lf r o mq u a l l t a t l v e l e v e l t h ei n n o v a t i o no ft h es t r u c t u r ed e s i g ne x t e n d st h ee x p e r i m e n t a ls i m u l a t i n gf i e l do f g e o l o g i s tl a r g e l y a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o nr e a l i z e db ye x p e r i m e n ta p p a r a t u sm e c h a n i c a ll o a d i n gu n i t ，t h e t h e s i sc 删o u tt h eo v e r a l ld e s i g np l a no ft h ee l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e mi nd e t a i l ，i n c l u d i n gt h e k e vt e c h n o l o g i e so ft h es y s t e m t h e d i s t r i b u t e dm o t i o nc o n t r o ls y s t e m b a s e do n p r o g r 锄m a b l ec o n t r o l l e ri sd e v e l o p e do n t h ep r i n c i p l eo fo p t i m i z a t i o na n dc o m b i n a t i o n t h e e l e c t r i c a ls y s t e ma d o p t sd i s p e r s e dc o n t r o la sw e l l a sc o n c e n t r a t e dm a n a g e m e n t ，w h i c hn o t o n l ya d a p t sw i t he x p e r i m e n ta p p a r a t u sm o d u l a r i z e ds y s t e m b u ta s s u r et h er e l i a b i l i t ya n d s t a b i l i t yo fs y s t e m t h ed e s i g na c h i e v e st h ea i mo fe a s yo p e r a t i o n ，c o n v e n i e n tm a i n t e n 卸e ， e a s ye x p a n s i o na n de a s yu p d a t e t oo b t a i nt h ew h o l ed a t ar e c o r d i n gi n f o r m a t i o no ft o pd i s t o r t i o no fg e o l o g i c a lb o d yi n t h ee x p e r i m e n t a lp r o g r e s sa n dr e a l i z et h ei n v e r s i o no fs i m u l a t i o n ，t h et e c h n o l o g yo fo p t l c a l t h r e e d i m e n s i o n a l ( 3 d ) p r o f i l o m e t r yi su s e df o rg e o l o g i c a ls i m u l a t i n gm e a s u r e m e n tb y t h i s t h e s i s i na l l u s i o nt ot h ec o m p l e xf e a t u r e ss u c ha ss a n db o xb o r d e rs h a d o w a n dt o ps l d e d e f o n t l a t i o n0 ft h ee x p e r i m e n tb o d y , t h et h e s i se a r l yo u tm o d i f i c a t i o na n di n n o v a t i o n f o r f i l t e m g ，q 吼1 i 哆f i g u r e ，p h a s ee x p a n s i o na sw e l l a ss c a l i n g a sf o rt h ef r e q u e n c ya 1 1 雒i n g a p p e a r e di nm e a s u r i n gt h es h a p eo fc o m p l e xo b j e c t i v e sb yf o u r i e rt r a n s f o r mp r o f i l o m e 略a d i v e r s i t yo ff l i t e m gm e t h o d sa r eu s e dt ot r e a tt h ed i s t o r t i o nr a s t e rf i g u r e t h ee x p e r i m e m s h o w st h a tt 1 1 eh 咖i n gf i l t e r i n ga n d w a v e l e tm u l t i r e s o l u t i o nf e a t u r ei sw e l lu s e dt oe x 仃a c tt h e e 腩c t i v ec o n s t i t u e n t ，t h ef r e q u e n c ya l i a s i n gi si n h i b i t e d ，a n dt h em e a s u r i n gp r e c l s l o na n d s c a l ei se n h a n c e d a sf o rt h es t a y i n gp h e n o m e n o na p p e a r e di nt r a d i t i o n a lp h a s eu n w r a p p m g a l g 面t ，t h et h e s i sb r i n gu pt w on e wa l g o r i t h m si n c l u d i n gq u a l i t yf i g u r e b a s e do nt h e d e v i a t i o nb e t w e e nt h eb a c k g r o u n dg r a d i e n ta n dp h a s e d e r i v a t i v e ，a sw e l la st h ee d g ed e t e c t i o n a i g o r i t h m t h en e wm e t h o da v o i d st h e e r r o rp r o p a g a t i o no ft h ep h a s eu n m 印p l n g ，a n d e f f e c t i v e l yr e c o v e r st h et o ps i d e3 - d i m e n t i o n a li n f o r m a t i o no ft h ee x p e r i m e n tb o d y i n t h l s t h e s i s ，an e w3 - d i m e n t i o n a lp r o f i l o m e t r ys y s t e ms c a l i n gm e t h o dw h i c hh a s r e l a t i v e l yh l g h s c a l i n gp r e c i s i o na n de f f i c i e n c y i s b r o u g h tu p ，i e t h e t w os t a g ep h a s em e a s u r e m e n t p r o f i l o m e t r yc a l i b r a t i o nt e c h n i q u eb a s e do nt h ec o m b i n e o fb pa n dr b fn e t w o r k a c c o r d i n g t ot h er e s e a r c hm e n t i o n e da b o v e ，t h ed a t ar e c o r d i n go ft h et o pd i s t o r t i o ni n f o r m a t l o n o f g e o l o g i c a lb o d yi sr e a l i z e d ，w h i c hl a y sa b a s i sf o re x p e r i m e n t a li n v e r s i o n 1 nt h em e a s u r e m e n t a n dr e c o r d i n go fs e c t i o nf i g u r e i nt e c t o p h y s i c ss i m u l a t i n g e x p e r i m e n t ，t h es e c t i o nf i g u r eo f t h es a n db o xp r o f i l ei st a k e na sa ne x a m p l et ob u l l du p an e w 2 - d i m e n s i o n a lp l o tp r e t r e a t m e n tm e t h o do fw a v e l e ts p a c ec o m b i n e dw i t ha i r s p a c e ，w h i c hh a s ag o o de f f e c t i nt h i st h e s i s ，t h ed i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gi su s e dt oc o m p i l eq u a n t i t a t i v e a n a l y s i ss o f t w a r ef o rg e o l o g i c a l s t r u c t u r et y p e ，w h i c hi su s e df o ri n i t i a li d e n t i f i c a t i o no f g e o l o g yb o d yt y p e t h e s et e c h n o l o g i e si n c l u d eg r e yl e v e lt r a n s f o r m a t i o n ，i m a g ef i l t e r i n g ， b i n a r yi m a g et r e a t m e n t ，g o a la c q u i s i t i o na n dg e o l o g i c a lt y p ej u d g ee t c t h ea p p l i c a t i o no f d i g i t a li m a g e t r e a t m e n ta n di d e n t i f i c a t i o ni ss i g n i f i c a n tf o re n h a n c et h ee x p e r i m e n te f f i c i e n c y t h ep r a c t i c a lo p e r a t i o no ft h ea p p a r a t u sd e v e l o p e db yt h i st h e s i ss h o w st h a t ，t h i s a p p a r a t u sc a nr e c o v e rt h es t r u c t u r es i m u l a t i o n su n d e rd i f f e r e n t s t r e s sc o n d i t i o n ss u c ha s p u l l a p a r t ，e x t r u s i o n ，s h e a ra n da r c hl i f ta n dt h es t r u c t u r es i m u l a t i o nu n d e rc o m b i n e ds t r e s s i n g c o n d i t i o n sa u t h e n t i c a l l y t h ea p p a r a t u sa d o p t sa cs e r v o ，w h i c hs e c u r et h er e p e a t a b i l i t ya n d r e l i a b i l i t yo ft h ee x p e r i m e n t a d v a n c e dr e q u i s i t i o na p p a r a t u sa n da l g o r i t h m sa r e u s e dt o r e c o r d t r e a ta n da n a l y z et h ee x p e r i m e n td a t a p o s i t i v er e s e a r c hi sm a d ef o rt h et e c t o n i c d e f o r m a t i o nq u a n t i t a t i v ea n a l y s i sa n dj u d g m e n t k e yw o r d s ：t e c t o p h y s i c s ，s i m u l a t i n ge x p e r i m e n t , m o d u l i z a t i o n ，b o t t o mf r i c t i o nt e s t e r , s t e pl o a d i n g ，f a c et y p em e a s u r e m e n t ，q u a l i t yf i g u r e v 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： = i 讹镜 日期：7 砂谬年石月日日期：7 功年6 月日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名： 指导教师签名： 1 新凸茂 日期：碱月i 同 日期：年月 日 构造物理模拟实验装置关键技术研究 创新点摘要 1 本文研制的设备适应了现代盆地构造演化研究的进展，能较为真实的实现拉张、 挤压、剪切、拱升及组合应力条件下的构造模拟。设计的实验模型底部分段与隆起加载 模块，可实现非均质地质体和分段变形地质体的构造变形模拟，该模块的深度方向动力 加载功能，实现t * u 穿、窟窿等构造现象的模拟( 见第2 章，第6 章) 2 设计的底部摩擦仪模块，可完成大洋板块俯冲构造和无限长运动的走滑物理模 拟：可调向、变位置式加载小车模块，实现了对实验模型的多方向多点加载，与底部加 载单元联合使用，可模拟地质体三维受力状态；伺服驱动的运动、力加载单元，可实现 位移、速度的精确控制，使实验由定性向半定量、定量化发展；这些结构设计的创新， 极大地扩展了地质家的实验模拟领域。( 见第2 章) 3 论文首次将光学三维轮廓术测量技术引入地质构造物理模拟测量中，为解决实 验砂箱边界阴影、实验体顶面变形复杂等问题，对滤波、质量图、标定等环节进行了改 进创新。针对三维面形测量系统中传统相位展开算法出现的拉线现象，提出了两种基于 改进质量图( 背景梯度相位导数偏差质量图、结合边缘检测信息的质量图) 的相位展 开新算法，克服了相位展开中的误差传递问题，文中还提出了一种具有较高标定精度和 效率的三维面形系统标定方法基于b p 和r b f 网络结合的两段式相位测量轮廓术系统 标定技术。( 见第4 章) 4 论文首次将数字图像处理技术应用于构造物理模拟实验剖面测量中，文中建立 了一种小波域与空域相结合的二维图像预处理技术，取得了较好的图像处理效果；以数 字图像处理为工具，编制了地质构造类型的定量判断软件，可进行地质体类型的初步识 别。( 见第5 章) 中国石油人学( 华东) 博l j 论文 第l 章引言 1 1 选题的依据与意义 构造物理模拟实验是研究地质构造的一种有效方法，是帮助地质学家认识构造变形 过程、研究构造形成机制的重要手段。构造物理模拟的实质是利用相似性原理，在按照 地质要求构建的砂箱等模拟实验条件下，进行地质构造变形过程的模拟实验，通过控制 构造变形的因素，反演地质构造的成因和演化过程，模拟地质构造的形成机理，实现对 地质构造的结构和形成过程的定性或定量分析。由于地质体中构造变形是极其复杂的， 它们往往受到地质环境、岩石的物理和力学性质、地球物理场的迁移变化等多种因素的 控制和影响，是典型的多变量四维问题。现存的地质构造变形现象只是地壳经过漫长构 造演化过程的结果或是其中的一幕，其演化过程早已缺失或被后一期构造作用所改造， 对其真实的成因机制和演化过程的研究和认识会遇到很大的困难，因此人们力图用各种 有效的实验手段和技术，在与实际地质背景相似的条件下，模拟某一构造的形成和演化 过程，论证它们的成因机制，实践证明构造物理模拟实验是一种有效的研究方法，同时 构造物理模拟实验在一定程度上也推动了构造地质学科理论的发展 1 - 1 3 。在构造物理模 拟实验中，实验装置起到了一个关键性的作用，它对构造物理模拟实验对象具有限定性， 实验装置的设计和选取限定了构造变形类型和构造变形方式，在对地质体构造变形模拟 时，实验装置的设计和研制显的优为重要。 近二十年来，随着国内外构造理论的发展，人们对地质体变形机制和演化过程的研 究不段深入，由定性认识到半定量、定量分析研究，研究的构造变形体越来越复杂，在 对构造变形体的成因机制和演化过程的研究分析中，常常出现令地质学家们困惑的问 题，这些问题的解决往往要借助于构造物理模拟实验。随着模拟实验对象复杂性加强和 模拟实验方法的日趋广泛应用，对实验装置功能的要求越来越高，但构造模拟实验理论 及其实验设备与近年来构造理论的发展极不适应，尤其是国内构造物理模拟实验装置和 设备已满足不了构造精细研究的需要 2 - 3 , 1 4 - 1 8 。在这种背景下，建设满足更高精度、自动 化程度较高、功能齐全、适用性广、可实现复合构造变形体的构造模拟实验装置，越来 越受到地质工作者的重视。 中石化胜利油田分公司所属济阳坳陷经历了多期地质运动，构造情况十分复杂，经 过4 0 余年的勘探和开发，对济阳坳陷乃至渤海湾盆地的构造发育应力机制有了较为成 熟的理论，但缺乏实验基础研究，尚不能充分验证主要构造的成因和地质现象。为此， 第l 章0 i 苦 中石化胜利油田分公司决定，投入资金，在胜利油田地质院建设构造物理模拟实验室， 加强地质构造模拟实验，对胜利探区及其所研究区域的地质成因进行构造模拟实验，以 其更为精确的探索地质成因和可能的油气构造区，加快找油的步伐，提高勘探的成功率， 加快油田后备储量的形成。该项目是中石化重大实验室建设项目，它的完成，对提升中 石化勘探水平有着重要意义，同时也填补了国内现代构造物理模拟实验装置的空白。 本课题就是为完成上述任务而开展的，其目标是在综合国内外同类设备优缺点的基 础上，根据地质模拟的要求和相似理论，研制自动化程度较高、综合性强的构造物理模 拟实验装置。要完成本课题的研究，首先要了解地质构造的发育机制，根据地质家的要 求，对实验装置的总体功能、实验动力控制系统、总控软件、实验过程记录与分析系统 进行设计研究，解决目前国内已有构造物理实验装置的功能单一、重复性差、数据采集 系统落后等缺点，研制适应现代盆地构造演化研究的进展，能再现拉张、挤压、剪切、 拱升、掀斜等不同地质构造演化条件下的实验装置系统，实现复合构造运动的模拟；实 验装置的控制和动力系统要先进，能够实现自动化运行；运动装置的精度高，可实现实 验的重复性；采集设备先进，可对实验过程进行数字记录，实现对构造变形程度的定量 分析和判断。可见，要完成该实验装置的研制，需要对地质学、机械设计理论、控制理 论、图像处理与反演技术等理论有较全面的研究能力，同时对加工、装置调试也要有一 定的实践经验。 1 2 构造物理模拟实验装置的国内外研究现状 综上所述，构造物理模拟实验装置是根据相似性的基本理论，通过控制运动或力对 实验模型进行变形实验，模拟或反演地质成因的设备。由于构造变形在力学上属于大变 形范畴，传统的安德森模式已不能简单应用，力学方程的建立又十分复杂，并且人们对 长时间、低应变速率的构造变形条件下岩石变形的规律尚不能完全掌握，物理模拟已成 为研究构造演化过程的有效手段，被世界各国广泛应用以解决实际地质问题1 2 1 。 在构造物理模拟技术发展的各个阶段上，构造物理模拟实验装置大体上可分为两 类，一类是离心机模拟实验装置，其特点是能对模型施加大于1 g 以上的重力加速度， 这类装置多采用粘性物质模拟穹隆、褶皱、重力滑动及熔岩侵入等构造现象，另一类是 平台式变形装置，可以进行包括挤压、伸展、剪切等多种形式的构造变形模拟。目前， 离心机技术已被1g 重力加速度条件下，采用松散颗粒物质的模拟实验取代隆3 1 。 构造物理模拟实验最早源于1 8 1 2 年s i rj a m e sh a l l 对褶皱的模拟1 2 - 3 1 ，至今已有近 2 中国白油人学( 华东) 博 二论文 2 0 0 年的历史，目前在伸展、挤压、底辟及走滑构造等方面均取得了许多新进展，特别 是对含油气盆地构造的研究方面取得了十分显著的成效，直观地再现了许多含油气盆地 构造的形成过程，为盆地的动力学环境提供了有益启示，同时对那些数据质量不高或只 有浅层资料的地震剖面解释提供了模式和思路 2 】。 一些国际著名大学的构造模拟实验研究工作得到了石油公司的资助，取得了较好的 成果，如英国伦敦大学、曼彻斯特大学、美国的得克萨斯大学、得克萨斯大学奥斯汀分 校、明尼苏达大学、麻省理工学院、澳大利亚国立大学、加拿大皇后大学、瑞典的u p p s a l a 大学等国际知名大学，在构造物理模拟方面都有重要研究成果问世。近年来，我国在构 造物理模拟领域也有显著的进展，中国科学院地质与地球物理研究所、中国地质大学和 中国石油大学等单位先后建立了构造物理模拟实验室，进行了一系列应用研究，对盆地 的构造演化有重要的启示作用 i - 3 1 。目前，普遍认为对于地层成因的研究，利用砂箱实 验模型是一种有效的研究方法，通过开发不同的砂箱实验系统，可完成不同要求的构造 物理模拟实验研究。为了真实模拟构造发育过程，地质家们期望研制的实验装置功能尽 量完善，满足实验系统的相似性。下面介绍目前国内外典型的构造物理模拟实验装置， 为实验装置的设计打下基础。 1 2 1 英国伦敦大学的实验装置 英国伦敦大学m c c l a y 教授研制的装置主体砂箱尺寸为1 5 0 0 x 3 0 0 x 2 0 0 m m ( 长宽 高) ，砂箱的前后两侧为透明玻璃，两端为两个活动壁，活动壁与驱动螺杆相连，在螺 杆的驱动下，两壁以不同的速度运动，通过底部边界的运动完成实验模型的变形，实现 实验过程中对实验模型的加载和模拟地质成因的目的，系统具备在侧面和上部观察的条 件，利用影像装置记录实验过程和变形结果，该装置是典型的一维应力作用实验装置， 可实现一维应力作用的简单构造变形，完成简单的挤压、拉伸、剪切构造模拟，如对断 裂带、褶皱山系形成机制的模拟1 4 - 5 , 1 9 - 2 2 1 ，最为典型的实验是对正断裂系的几何形态、 发育特征、断层组合关系等方面进行了详细的研究，该装置无法完成多维应力作用下的 复合或叠合构造变形模拟，因此该实验装置动力加载简单，仅能实现一维运动，功能单 一，驱动控制精度低，实验重复性得不到保障，缺乏变形过程和变形结果的定量分析系 统。 1 2 2 中国石油大学的构造物理模拟实验装置 中国石油大学( 北京) 和( 华东) 的构造物理模拟实验室，是国内进行构造物理模 3 拟砂辅尘驰州宄较l l i 取褂成果较多的，n f ，【1 j i l l 世址内较为先越的| f j 迅模拟实骑装 胃- 喙犍什址n 。m c c l a y 教授砂辅实验装h 肚础1 h 圳杉j 越娈形的成i 川帆删，结合构 遗物删幔拟实验胖硷( 相似f t 删沦) _ i f “政进世汁和 1 ) f 制的，jl 宴螗姨霄外肜如图l l 、 l 埘】2 所不口j 。 p i g l 1c h i n au n i v e r s i t y o f p e t r o l e u m ( b e i j i n g ) t e c t o p h y s i c ss i m u l a t i n ge x p e r i m e n t a la p p a r a l u s 叶1 幽石油火学( 北京) 的实验装置山位移驱动系统、模型装配系统和变形过程记录 系统三部分组成位移驱动系统包括2 台水平伸缩驰动机和2 台乖d 升降驱动机，驱动 机与模鬯台采用活式连接，其目的是”t 以根据实骑设汁要求调节实验模型的位移方m 位移驯动系统的机械技术参数如表l 一1 所i 。 表l _ l 侍移驰动系统的机槭技术参数 驱动机名称 驱动i 。作头 驱动述度抱周t m m m i n ) 调速古代l 行轴范c m 水f 仲 】i ；驱动机 0 6 “f l l r 快述，似)无绂两竹l 8 5 m 住川降驱动机 06 - - 6 ( i , + 快速定他) 无级调竹l 3 0 利门j 该实验装置已外展了仲腱构造的削面砂箱、仲展构造的甲面砂宰、挤j k 、走滑 披反转构造的砂箱、半地颦盆地联j 结构的妙辅实验模拟等多方m l 的研究l ，作，取得了 f 硕的成果m 。”报为典世的蛮骑是黄骅镛地新小代构i l , j f j 成的砂辅吱骑研究，通过埘 她骅笳地构造娈形的模拟，给卅了黄骅衙地现今构造格局和形成机制的台p e 地质解释 ”，i 骅坳| i f l 构越发育研究成果褂到了n 4 内外h 仃的戈 i 。 该装胃能完成挤爪、拉”、拱升或降起构造模拟儿f f f lr j ! r h 自i l r lj ：部舭察的条件，运 动述艘分 j 、惯曲档拧制，m c