板塊構(gòu)造物理模擬實驗裝置及其實驗方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種板塊構(gòu)造物理模擬實驗裝置及其實驗方法，裝置包括實驗砂箱、可雙向運動的摩擦皮帶、驅(qū)動皮帶的驅(qū)動裝置、以及頂部傾角可調(diào)的底座。本發(fā)明根據(jù)板塊運動方式，選擇同向或反向電機和減速器驅(qū)動底摩擦皮帶，調(diào)整俯沖或碰撞板塊傾角和俯沖板塊插入厚度，將實驗材料鋪設(shè)在一定邊界條件的底摩擦皮帶上，計算機驅(qū)動底摩擦皮帶按照指定速率和方向運動，使得材料模型發(fā)生離散、俯沖或碰撞等板塊構(gòu)造運動。
【專利說明】
板塊構(gòu)造物理模擬實驗裝置及其實驗方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及地質(zhì)構(gòu)造模擬實驗裝置領(lǐng)域，具體是一種板塊構(gòu)造物理模擬實驗裝置及其實驗方法。
【背景技術(shù)】
[0002]板塊構(gòu)造學(xué)說認為巖石圈是由多個剛性板塊構(gòu)成，巖石圈板塊之下為軟流圈，地幔對流使得軟流圈成為運送大陸或大洋板塊的傳送帶，板塊做大規(guī)模水平運動造成板塊的生長和消亡，板塊在洋中脊分離、擴大，在俯沖帶俯沖、消失，形成了豐富多彩的地質(zhì)構(gòu)造和地貌形態(tài)。板塊構(gòu)造理論對各種地質(zhì)現(xiàn)象做出了較合理的回答，通過幾十年的迅速發(fā)展，成為統(tǒng)領(lǐng)地質(zhì)學(xué)各學(xué)科的基本理論。隨著板塊理論的發(fā)展與完善，人們認識到該理論存在的不足就是難以驗證。
[0003]構(gòu)造物理模擬是研究板塊構(gòu)造變形過程的實驗手段之一，根據(jù)模擬實驗相似性原理，可以在實驗室內(nèi)利用較短的時間和較小的模型，模擬大尺度、長時間的板塊構(gòu)造運動，已經(jīng)取得了很好的效果和較多的科研成果，為板塊構(gòu)造理論的發(fā)展做出了突出貢獻。目前國內(nèi)外大多實驗室僅能模擬單一的離散、俯沖或碰撞等構(gòu)造事件(中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所模擬實驗室、南京大學(xué)模擬實驗室、中國石油大學(xué)模擬實驗室;德國波茨坦大學(xué)模擬實驗室；日本京都大學(xué)模擬實驗室、中石化勘探研究院模擬實驗室等)。如何根據(jù)研究人員的需求，設(shè)計出一種多功能板塊構(gòu)造模擬實驗裝置，對于深入研究板塊運動的機制和板塊構(gòu)造理論的完善具有重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)的問題，提供了一種板塊構(gòu)造物理模擬實驗裝置及其實驗方法，裝置結(jié)構(gòu)簡潔，通過改變主要實驗參數(shù)，可以研究不同類型的板塊構(gòu)造變形過程。
[0005]本發(fā)明提供的塊構(gòu)造物理模擬實驗裝置包括頂部傾角可調(diào)的底座，底座頂部設(shè)有摩擦皮帶和罩住摩擦皮帶的實驗砂箱，其中，所述的摩擦皮帶連接有驅(qū)動裝置，摩擦皮帶在驅(qū)動裝置控制下可在實驗砂箱內(nèi)進行雙向運動;所述的實驗砂箱為由活動板和透明的側(cè)板組成的中空箱體，活動板連接在固定墻體上可沿固定墻體上下滑動，活動板底部與摩擦皮帶之間的空隙處設(shè)置有材料擋板。
[0006]其中，摩擦皮帶受到兩個獨立的驅(qū)動裝置控制，兩個驅(qū)動裝置之間設(shè)置有T形擋砂板。
[0007]進一步改進，所述的驅(qū)動裝置包括由定滑輪、帶減速器的電機、環(huán)形皮帶組成的傳送帶。
[0008]進一步改進，所述的底座包括通過可升降支柱連接的上底板、中底板和下底板，其中帶減速器的電機固定在中底板上，定滑輪固定在上底板上，環(huán)形皮帶繞過帶減速器的電機和定滑輪形成傳送帶。
[0009]進一步改進，所述的側(cè)板為鋼化玻璃邊墻。
[0010]本發(fā)明還提供了一種利用板塊構(gòu)造物理模擬實驗裝置進行板塊單側(cè)俯沖構(gòu)造模擬的方法，其特征在于包括以下步驟:
1)根據(jù)實驗?zāi)Ｐ偷撞磕Σ料禂?shù)大小，選擇相應(yīng)摩擦力的摩擦皮帶安裝在驅(qū)動裝置的環(huán)形皮帶上，將實驗材料鋪設(shè)在摩擦皮帶上，卸掉材料擋板，利用帶減速器的電機驅(qū)動環(huán)形皮帶(通過計算機驅(qū)動摩擦皮帶按照指定速率和方向運動)，從而帶動摩擦皮帶和實驗材料運動，向左或右遇到活動板阻擋，同時通過活動板與摩擦皮帶之間的間隙向?qū)嶒炆跋渲胁迦肱c間隙大小相同的俯沖板塊，此時通過透明的側(cè)板觀察實驗材料構(gòu)造的變形；
2)調(diào)節(jié)砂箱底部的傾角(通過調(diào)節(jié)底座可升降支柱的高低，使得底座頂部的傾角發(fā)生改變，從而使得砂箱底部的傾角隨之改變)和活動板與摩擦皮帶之間的間距(即選擇不同厚度的俯沖模塊)，重復(fù)步驟I)，進行板塊單側(cè)俯沖構(gòu)造模擬。
[0011]本發(fā)明還提供了一種利用板塊構(gòu)造物理模擬實驗裝置進行板塊碰撞構(gòu)造模擬的方法，其特征在于包括以下步驟:
1)根據(jù)實驗?zāi)Ｐ偷撞磕Σ料禂?shù)大小，選擇兩塊相應(yīng)摩擦力的摩擦皮帶分別安裝在兩個驅(qū)動裝置的環(huán)形皮帶上，兩個摩擦皮帶之間裝上T形擋砂板，根據(jù)實驗要求將實驗材料分別鋪設(shè)在兩塊摩擦皮帶上，兩個驅(qū)動裝置異向驅(qū)動摩擦皮帶，使實驗材料向?qū)嶒炆跋渲虚g運動，兩個底摩擦皮帶上的實驗材料在模型的中間部位相遇，發(fā)生碰撞產(chǎn)生構(gòu)造變形，此時通過透明的側(cè)板觀察實驗材料構(gòu)造的變形；
2)調(diào)節(jié)砂箱底部的傾角(通過調(diào)節(jié)底座可升降支柱的高低，使得底座頂部的傾角發(fā)生改變，從而使得砂箱底部的傾角隨之改變)和活動板與摩擦皮帶之間的間距(即選擇不同厚度的俯沖模塊)，重復(fù)步驟I )，進行板塊碰撞構(gòu)造模擬。
[0012]本發(fā)明還提供了一種利用板塊構(gòu)造物理模擬實驗裝置進行板塊離散及兩側(cè)俯沖構(gòu)造(板塊向海溝下方俯沖構(gòu)造)模擬的方法，其特征在于包括以下步驟:
1)根據(jù)實驗?zāi)Ｐ偷撞磕Σ料禂?shù)大小，選擇兩塊相應(yīng)摩擦力的摩擦皮帶分別安裝在兩個驅(qū)動裝置的環(huán)形皮帶上，兩個摩擦皮帶之間裝上T形擋砂板，根據(jù)實驗要求將實驗材料分別鋪設(shè)在兩塊摩擦皮帶上，卸掉材料擋板，兩個驅(qū)動裝置異向驅(qū)動摩擦皮帶，使兩個底摩擦皮帶上的實驗材料分別向?qū)嶒炆跋鋬蓚?cè)運動，向左和右分別遇到活動板阻擋，同時通過實驗砂箱兩側(cè)活動板與摩擦皮帶之間的間隙向?qū)嶒炆跋渥蠡蛴业撞坎迦肱c間隙寬度相同的俯沖板塊，兩個底摩擦皮帶上的實驗材料分別與砂箱左和右側(cè)固定墻發(fā)生碰撞，產(chǎn)生板塊俯沖變形構(gòu)造，此時通過透明的側(cè)板觀察實驗材料構(gòu)造的變形；
2)調(diào)節(jié)砂箱底部的傾角(通過調(diào)節(jié)底座可升降支柱的高低，使得底座頂部的傾角發(fā)生改變，從而使得砂箱底部的傾角隨之改變)和活動板與摩擦皮帶之間的間距(即選擇不同厚度的俯沖模塊)，重復(fù)步驟I)，進行板塊離散及兩側(cè)俯沖構(gòu)造(板塊向海溝下方俯沖構(gòu)造)模擬。
[0013]本發(fā)明有益效果在于:
根據(jù)板塊構(gòu)造模型的實驗要求，可模擬兩個的板塊之間的相互作用，也可在同一個模型中實現(xiàn)兩個以上板塊之間相互運動，從而比較真實地再現(xiàn)巖石圈尺度板塊構(gòu)造的復(fù)雜運動方式，滿足實驗者需求。
【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖2為本發(fā)明增加T形擋砂板結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0016]本發(fā)明提供了一種利用板塊構(gòu)造物理模擬實驗裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括頂部傾角可調(diào)的底座，底座上方設(shè)有摩擦皮帶5和罩住摩擦皮帶5的實驗砂箱，其中，所述的摩擦皮帶5連接有驅(qū)動裝置，摩擦皮帶5在驅(qū)動裝置控制下可在實驗砂箱內(nèi)進行雙向運動;所述的實驗砂箱為由活動板2和透明的側(cè)板I組成的中空箱體，活動板2連接在固定墻體3上可沿固定墻體3上下滑動，活動板2底部與摩擦皮帶5之間的空隙處設(shè)置有材料擋板4。
[0017]所述的摩擦皮帶5受到兩個獨立的驅(qū)動裝置控制，兩個驅(qū)動裝置之間設(shè)置有T形擋砂板13(如圖2所示)。
[0018]所述的驅(qū)動裝置包括由定滑輪6、帶減速器的電機7、環(huán)形皮帶8組成的傳送帶。
[0019]所述的底座包括通過可升降支柱10連接的上底板9、中底板11和下底板12，其中帶減速器的電機7固定在中底板11上，定滑輪6固定在上底板9上，環(huán)形皮帶8繞過帶減速器的電機7和定滑輪6形成傳送帶。
[0020]所述的側(cè)板I為鋼化玻璃邊墻。
[0021]本發(fā)明還提供了一種利用板塊構(gòu)造物理模擬實驗裝置進行板塊單側(cè)俯沖構(gòu)造模擬的方法，其特征在于包括以下步驟:
1)根據(jù)實驗?zāi)Ｐ偷撞磕Σ料禂?shù)大小，選擇相應(yīng)摩擦力的摩擦皮帶5安裝在驅(qū)動裝置的環(huán)形皮帶8上，將實驗材料鋪設(shè)在摩擦皮帶5上，卸掉材料擋板4，利用帶減速器的電機7驅(qū)動環(huán)形皮帶8(通過計算機驅(qū)動摩擦皮帶按照指定速率和方向運動)，從而帶動摩擦皮帶5和實驗材料運動，向左或右遇到活動板2阻擋，同時通過活動板2與摩擦皮帶5之間的間隙向?qū)嶒炆跋渲胁迦肱c間隙大小相同的俯沖板塊，此時通過透明的側(cè)板觀察實驗材料構(gòu)造的變形；
2)調(diào)節(jié)砂箱底部的傾角(通過調(diào)節(jié)底座可升降支柱10的高低，使得底座頂部的傾角發(fā)生改變，從而使得砂箱底部的傾角隨之改變)和活動板2與摩擦皮帶5之間的間距(即選擇不同厚度的俯沖模塊)，重復(fù)步驟I )，進行板塊單側(cè)俯沖構(gòu)造模擬。
[0022]本發(fā)明還提供了一種利用板塊構(gòu)造物理模擬實驗裝置進行板塊碰撞構(gòu)造模擬的方法，其特征在于包括以下步驟:
1)根據(jù)實驗?zāi)Ｐ偷撞磕Σ料禂?shù)大小，選擇兩塊相應(yīng)摩擦力的摩擦皮帶5分別安裝在兩個驅(qū)動裝置的環(huán)形皮帶8上，兩個摩擦皮帶5之間裝上T形擋砂板13，根據(jù)實驗要求將實驗材料分別鋪設(shè)在兩塊摩擦皮帶5上，兩個驅(qū)動裝置異向驅(qū)動摩擦皮帶5，使實驗材料向?qū)嶒炆跋渲虚g運動，兩個底摩擦皮帶5上的實驗材料在模型的中間部位相遇，發(fā)生碰撞產(chǎn)生構(gòu)造變形，此時通過透明的側(cè)板觀察實驗材料構(gòu)造的變形；
2)調(diào)節(jié)砂箱底部的傾角(通過調(diào)節(jié)底座可升降支柱10的高低，使得底座頂部的傾角發(fā)生改變，從而使得砂箱底部的傾角隨之改變)和活動板2與摩擦皮帶5之間的間距(即選擇不同厚度的俯沖模塊)，重復(fù)步驟I )，進行板塊碰撞構(gòu)造模擬。
[0023]本發(fā)明還提供了一種利用板塊構(gòu)造物理模擬實驗裝置進行板塊離散及兩側(cè)俯沖構(gòu)造(板塊向海溝下方俯沖構(gòu)造)模擬的方法，其特征在于包括以下步驟:
I根據(jù)實驗?zāi)Ｐ偷撞磕Σ料禂?shù)大小，選擇兩塊相應(yīng)摩擦力的摩擦皮帶5分別安裝在兩個驅(qū)動裝置的環(huán)形皮帶8上，兩個摩擦皮帶5之間裝上T形擋砂板13，根據(jù)實驗要求將實驗材料分別鋪設(shè)在兩塊摩擦皮帶5上，卸掉材料擋板4，兩個驅(qū)動裝置異向驅(qū)動摩擦皮帶5，使兩個底摩擦皮帶上的實驗材料分別向?qū)嶒炆跋鋬蓚?cè)運動，向左和右分別遇到活動板2阻擋，同時通過實驗砂箱兩側(cè)活動板2與摩擦皮帶5之間的間隙向?qū)嶒炆跋渥蠡蛴业撞坎迦肱c間隙寬度相同的俯沖板塊，兩個底摩擦皮帶上的實驗材料分別與砂箱左和右側(cè)固定墻發(fā)生碰撞，產(chǎn)生板塊俯沖變形構(gòu)造，此時通過透明的側(cè)板觀察實驗材料構(gòu)造的變形；
2)調(diào)節(jié)砂箱底部的傾角(通過調(diào)節(jié)底座可升降支柱10的高低，使得底座頂部的傾角發(fā)生改變，從而使得砂箱底部的傾角隨之改變)和活動板2與摩擦皮帶5之間的間距(即選擇不同厚度的俯沖模塊)，重復(fù)步驟I)，進行板塊離散及兩側(cè)俯沖構(gòu)造(板塊向海溝下方俯沖構(gòu)造)模擬。
[0024]本發(fā)明具體應(yīng)用途徑很多，以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干改進，這些改進也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
【主權(quán)項】
1.一種板塊構(gòu)造物理模擬實驗裝置，其特征在于:包括頂部傾角可調(diào)的底座，底座頂部設(shè)有摩擦皮帶(5)和罩住摩擦皮帶(5)的實驗砂箱，其中，所述的摩擦皮帶(5)連接有驅(qū)動裝置，摩擦皮帶(5)在驅(qū)動裝置控制下可在實驗砂箱內(nèi)進行雙向運動;所述的實驗砂箱為由活動板(2)和透明的側(cè)板(I)組成的中空箱體，活動板(2)連接在固定墻體(3)上可沿固定墻體(3)上下滑動，活動板(2)底部與摩擦皮帶(5)之間的空隙處設(shè)置有材料擋板(4)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的板塊構(gòu)造物理模擬實驗裝置，其特征在于:所述的摩擦皮帶(5)受到兩個獨立的驅(qū)動裝置控制，兩個驅(qū)動裝置之間設(shè)置有T形擋砂板(13)。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的板塊構(gòu)造物理模擬實驗裝置，其特征在于:所述的驅(qū)動裝置包括由定滑輪(6 )、帶減速器的電機(7 )、環(huán)形皮帶(8 )組成的傳送帶。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的板塊構(gòu)造物理模擬實驗裝置，其特征在于:所述的底座包括通過可升降支柱(10)連接的上底板(9)和下底板(12)。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的板塊構(gòu)造物理模擬實驗裝置，其特征在于:所述的底座包括通過可升降支柱(10)連接的上底板(9)、中底板(11)和下底板(12)，其中帶減速器的電機(7)固定在中底板(11)上，定滑輪(6)固定在上底板(9)上，環(huán)形皮帶(8)繞過帶減速器的電機(7)和定滑輪(6)形成傳送帶。6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的板塊構(gòu)造物理模擬實驗裝置，其特征在于:所述的側(cè)板(I)為鋼化玻璃邊墻。7.一種利用板塊構(gòu)造物理模擬實驗裝置進行板塊單側(cè)俯沖構(gòu)造模擬的方法，其特征在于包括以下步驟: 1)根據(jù)實驗?zāi)Ｐ偷撞磕Σ料禂?shù)大小，選擇相應(yīng)摩擦力的摩擦皮帶(5)安裝在驅(qū)動裝置的環(huán)形皮帶(8)上，將實驗材料鋪設(shè)在摩擦皮帶(5)上，卸掉材料擋板(4)，利用帶減速器的電機(7)驅(qū)動環(huán)形皮帶(8)，從而帶動摩擦皮帶(5)和實驗材料運動，向左或右遇到活動板(2)阻擋，同時通過活動板(2)與摩擦皮帶(5)之間的間隙向?qū)嶒炆跋渥蠡蛴业撞坎迦肱c間隙寬度相同的俯沖板塊，此時通過透明的側(cè)板觀察實驗材料構(gòu)造的變形； 2)調(diào)節(jié)砂箱底部的傾角和活動板(2)與摩擦皮帶(5)之間的間距，重復(fù)步驟I)，進行板塊單側(cè)俯沖構(gòu)造模擬。8.—種利用板塊構(gòu)造物理模擬實驗裝置進行板塊碰撞構(gòu)造模擬的方法，其特征在于包括以下步驟: 1)根據(jù)實驗?zāi)Ｐ偷撞磕Σ料禂?shù)大小，選擇兩塊相應(yīng)摩擦力的摩擦皮帶(5)分別安裝在兩個驅(qū)動裝置的環(huán)形皮帶(8)上，兩個摩擦皮帶(5)之間裝上T形擋砂板(13)，根據(jù)實驗要求將實驗材料分別鋪設(shè)在兩塊摩擦皮帶(5)上，兩個驅(qū)動裝置異向驅(qū)動摩擦皮帶(5)，使實驗材料向?qū)嶒炆跋渲虚g運動，兩個底摩擦皮帶(5)上的實驗材料在模型的中間部位相遇，發(fā)生碰撞產(chǎn)生構(gòu)造變形，此時通過透明的側(cè)板觀察實驗材料構(gòu)造的變形； 2)調(diào)節(jié)砂箱底部的傾角和活動板(2)與摩擦皮帶(5)之間的間距，重復(fù)步驟I)，進行板塊碰撞構(gòu)造1?擬。9.一種利用板塊構(gòu)造物理模擬實驗裝置進行板塊離散及兩側(cè)俯沖構(gòu)造模擬的方法，其特征在于包括以下步驟: I)根據(jù)實驗?zāi)Ｐ偷撞磕Σ料禂?shù)大小，選擇兩塊相應(yīng)摩擦力的摩擦皮帶(5)分別安裝在兩個驅(qū)動裝置的環(huán)形皮帶(8)上，兩個摩擦皮帶(5)之間裝上T形擋砂板(13)，根據(jù)實驗要求將實驗材料分別鋪設(shè)在兩塊摩擦皮帶(5)上，卸掉材料擋板(4)，兩個驅(qū)動裝置異向驅(qū)動摩擦皮帶(5)，使兩個底摩擦皮帶上的實驗材料分別向?qū)嶒炆跋鋬蓚?cè)運動，向左和右分別遇到活動板(2)阻擋，同時通過實驗砂箱兩側(cè)活動板(2)與摩擦皮帶(5)之間的間隙向?qū)嶒炆跋渥蠡蛴业撞坎迦肱c間隙寬度相同的俯沖板塊，兩個底摩擦皮帶上的實驗材料分別與砂箱左和右側(cè)固定墻發(fā)生碰撞，產(chǎn)生板塊俯沖變形構(gòu)造，此時通過透明的側(cè)板觀察實驗材料構(gòu)造的變形； 2)調(diào)節(jié)砂箱底部的傾角和活動板(2)與摩擦皮帶(5)之間的間距，重復(fù)步驟I)，進行板塊向海溝下方俯沖構(gòu)造模擬。
【文檔編號】G01M99/00GK105823645SQ201610215458
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年4月8日
【發(fā)明人】解國愛, 賈東, 吳曉俊
【申請人】南京大學(xué)