1.一种模拟不同构造类型复合底辟作用的实验装置,包括平面台骨架系统、实验模拟系统、驱动系统、实验辅助系统和控制系统,其特征在于:所述平面台骨架系统包括实验台承重支架(2)、实验台面板(20)和台面倾斜支撑架(19),三者组合构成一个长方形体;实验台面板(20)的一端与实验台承重支架(2)相连,连接方式为半固定,即实验台面板(20)的非连接端可相对所述承重支架(2)旋转,实验台面板(20)的另一端直接放置于所述实验台承重支架之上,实验台面板(20)未与实验台承重支架(2)相连接的一侧可在平台倾斜液压缸(3)作用下发生抬升或下降;台面倾斜支撑架(19)用于在台面抬升发生倾斜后支撑台面倾斜端,减小平台倾斜液压缸(3)所受负荷;
所述实验模拟系统包括砂箱侧板约束架(4)、砂箱侧板(15)、砂箱侧板连接杆(5)、侧板宽度调节螺丝(11)、底辟模块、角度尺(18)以及刮板装置(25);
其中,砂箱侧板约束架(4)为直角卡扣固定器,砂箱侧板约束架(4)位于砂箱侧板(15)一侧与砂箱侧板(15)固定连接为一个整体;砂箱侧板连接杆(5)的一侧有一个尺寸和侧板宽度调节螺丝(11)相吻合的螺丝孔,砂箱侧板连接杆(5)中央有一个宽度和侧板宽度调节螺丝(11)直径相吻合的空隙用于穿过侧板宽度调节螺丝(11),通过侧板宽度调节螺丝(11)与砂箱侧板连接杆(5)的连接实现对砂箱侧板(15)的固定和间距调节;砂箱侧板约束架(4)通过侧板宽度调节螺丝(11)连接至砂箱侧板连接杆(5),砂箱侧板约束架(4)、砂箱侧板(15)、砂箱侧板连接杆(5)通过侧板宽度调节螺丝(11)连接为一个整体,通过变更调节螺丝(11)所在砂箱侧板连接杆(5)上的位置,实现砂箱侧板(15)间距调节;
角度尺(18)安装于平台倾斜液压缸(3)之上的实验台面板(20)侧边上,用于指示平台倾斜角度;
所述底辟模块包括流体底辟单元和机械底辟单元;
所述流体底辟单元包括流体底辟模型(12)、流体底辟盖板(13)、流体底辟装置(21)和流体导管(26);流体底辟盖板(13)边缘设有毛条,以实现当换上流体底辟模型后实验台面板(20)无缝隙不漏砂;流体底辟装置(21)包括带有活塞的注射器和步进电机驱动单元,步进电机驱动单元推动所述活塞使得流体底辟装置(21)内的流体能够通过流体导管(26)向模拟地层注入;
所述机械底辟单元包括机械底辟升降平台(16)、机械底辟模型(17)和齿轮传动组(27);机械底辟升降平台(16)和齿轮传动组(27)构成机械底辟单元的驱动单元,通过带动升降平台上升、下降控制机械底辟模型(17)向模拟地层隆升或下降;流体底辟盖板(13)与机械底辟升降平台(16)尺寸相匹配;
刮板装置(25)包括扶正板和手摇式升降滑台;所述扶正板上布有加强筋,用于夹住刮砂板,避免倾斜;所述手摇式升降滑台用于连续调整刮砂板高度,以调整刮砂厚度;所述刮板装置安装于带滚轮的支架上;
所述驱动系统包括位于实验台面板(20)两侧的推板机构、流体底辟装置(21)的步进电机驱动单元、机械底辟升降平台(16)和平台倾斜液压缸(3);所述两侧的推板机构包括砂箱推板扶正杆(6)、推板运动机构扶正架(7)、推板运动机构丝杠(8)、推板运动机构步进电机(9)、砂箱推板(10)以及砂箱推板支撑板(14);所述推板机构用来模拟地层受挤压、拉伸以及走滑作用;砂箱推板扶正杆(6)将推板运动机构扶正架(7)和砂箱推板支撑板(14)相连,然后再与砂箱推板(10)相连;推板运动机构丝杠(8)透过推板运动机构电机(9)与砂箱推板扶正杆(6)平行,连接推板运动机构扶正架(7)和砂箱推板支撑板(14),然后再与砂箱推板(10)相连,以使得推板运动机构电机(9)运转时,丝杠传递驱动力让砂箱推板(10)垂直于侧板并贴合实验台板进行运动;
所述流体底辟装置(21)的步进电机驱动单元用于给流体注入提供动力;所述机械底辟升降平台(16)用于给机械底辟模型(17)提供上拱动力;所述平台倾斜液压缸(3)用于驱动实验平台在平台骨架不出现位移的前提下,实现平台倾斜;
机械底辟升降台(16)和流体底辟装置(21)的步进电机驱动单元构成形式相同,包括两块聚甲醛板、4根无牙螺杆、2根丝杠和一个步进电机; 4根无牙螺杆与2根丝杠固定于其中一块聚甲醛板上,另一块聚甲醛板分别按照与螺杆和丝杆的尺寸相契合的大小钻4个内侧平滑的孔洞和2个内侧契合该丝杆螺纹的孔洞,再将该已钻孔的聚甲醛板穿过已固定于聚甲醛板上的无牙螺杆和丝杠的另一侧,作为活动板;
在固定的聚甲醛板上朝向活动板这一侧紧贴板面安有3个轴心同线、大小相等且相互咬合的齿轮构成齿轮传动组(27),齿轮传动组(27)中间位置的齿轮连接步进电机,两侧齿轮分别连接穿过活动板的2根丝杆,以使得该步进电机运转时,通过齿轮带动丝杆转动,进而带动活动板运动;步进电机的正反转对应活动板的上升与下降;机械底辟升降台(16)和流体底辟装置(21)的步进电机驱动单元分别由独立的控制器控制;
所述实验辅助系统包括照明装置(22)和拍照装置(23);
所述控制系统包括计算机测控模块(24),机械底辟升降台(16)和流体底辟装置(21)的步进电机驱动单元、平台倾斜液压缸(3)、照明装置(22)和拍照装置(23)分别连接在计算机测控模块(24)上,通过计算机上位界面实时操控驱动单元的运动方向、运动速率和位移大小以及平台倾斜角度大小、照明时间、拍照频率和拍照时间。
2.一种模拟不同构造类型复合底辟作用的实验方法,包括如下步骤:第一步,根据实际盆地尺寸,按照1厘米表示1‑10公里的比例尺寸缩小,得到实验模型尺寸;根据盆地地层脆韧性特征选择模拟实验材料,即:脆性地层选择松散干燥光滑的石英砂来模拟,粒径范围180um‑150um;脆‑韧性地层选择玻璃珠模拟,粒径范围180um‑150um;韧性地层选择硅胶模拟,粘度60000pa·s;在实验装置中的流体底辟装置中,加满硅胶,粘度
50000pa·s,作为底辟流体;
第二步,根据实际盆地断裂平面图、地形等高线立体特征图以及剖面构造样式图确定要模拟的构造类型;所述构造类型包括伸展变形、挤压变形以及重力滑动变形;作好后期叠加底辟变形的准备,所述底辟变形包括机械底辟和流体底辟;
第三步,按照第二步中确定要模拟的构造类型的不同,进行不同的后期叠加底辟变形的操作;即,
如果在第二步中确定要模拟的构造类型为伸展变形,则按照如下步骤进行后期复合底辟变形,即:首先通过砂箱推板链接可伸缩胶皮,在胶皮中心处打孔,然后穿过胶皮孔洞链接流体底辟样式模型,再根据地层厚度,按照第一步中准备的实验材料铺设砂体地层于模型中,驱动推板运动机构电机进行拉伸,再驱动流体底辟注入装置实现底辟变形,如果进行机械底辟变形,则驱动机械底辟装置实现底辟变形;
如果在第二步中确定要模拟的构造类型为挤压变形,则按照如下步骤进行后期复合底辟变形,即:根据地层厚度,按照第一步中准备的实验材料铺设砂体地层于模型中,通过推动砂箱推板挤压砂体,使实验砂体变形;变形结束后,驱动流体底辟注入装置实现流体底辟变形,如果进行机械底辟变形,则驱动机械底辟装置实现底辟变形;
如果在第二步中确定要模拟的构造类型为重力滑动变形,则按照如下步骤进行后期复合底辟变形,即:根据地层厚度,按照第一步中准备的实验材料铺设砂体地层于模型中,驱动台面倾斜液压缸抬升实验台到一定角度,发生重力滑动;变形结束后,驱动流体底辟注入装置实现流体底辟变形,如果进行机械底辟变形,则驱动机械底辟装置实现底辟变形;
第四步,用计算机向实验装置中的计算机测控模块发出指令,控制推板前进或后退和调整台面倾斜高度、机械底辟速度或流体底辟速度以及设定实验运行时间,并通过计算机软件实现定量化记录;
在所述实验过程中,用吸尘器吸走实验砂体以模拟剥蚀作用过程,添加砂体以模拟沉积作用过程;在实验进行过程中间隔一定时间拍照记录得到实验阶段平面照片并铺设实验标志层;
在所述实验过程中,启动3D扫描仪,对实验结果进行扫描,得到xyz.dat数据,运用surfer软件处理,得到地形等高线,获取扫描数字化立体成像图;再运用相机,垂直于实验砂体拍摄,得到实验平面结果图;
第五步,对实验砂体用喷壶喷洒饱和明胶水溶液,所述明胶水溶液需要将明胶溶解到水中直至饱和;直到模型浸透,静止1‑2小时后,用锋利的切割刀,每间隔1cm‑2cm间距切割实验砂体,并观察内部剖面现象,对每一个剖面拍照记录,得到实验剖面照片;
第六步:拷贝经由第四步所获得的实验阶段平面照片、扫描数字化立体成像图、实验平面结果图以及经由第五步所获得的实验剖面照片;将实验阶段平面照片、扫描数字化立体成像图、实验平面结果图以及实验剖面照片,与盆地断裂平面图、地形等高线立体特征图以及剖面构造样式图进行对比,如果具有一致相似特征,表示实验模拟过程已体现盆地叠加演化过程。