一种对挤压域复杂构造定量模拟的实验装置及使用方法

本发明涉及构造地质学中物理模拟，尤其涉及一种对挤压域复杂构造定量模拟的实验装置及使用方法。

背景技术：

1、作为挤压域极为典型的构造要素，逆冲断层的形成不仅能造成地表显著地抬升与下沉的差异变形，而且作为地壳构造应力释放的载体可引发地震等地质灾害。在逆冲断层构造演化的背景下，常伴随火山侵入、喷发或膏盐侵入等地质作用，此类侵入或侵出作用会进一步改变构造变形及其应力分布状态，其与挤压作用协同形成复杂的挤压域构造，从而对地质环境安全及地下流体矿产分布均产生重大影响，成为挤压域构造研究不可忽视的重要因素。

2、目前，国内外学者已针对逆冲断层开展了大量基础研究，其中通过砂箱物理模拟实验探究挤压域构造变形是一种极其可靠研究手段；在现有技术中已公开的相关实验及装置专利中，涉及准确预设逆冲断层发育位置的装置（申请号为cn2025101063129,）、揭示基于发震断层类型的脉冲地震动特征的装置（申请号为cn201910789508.7）、阐述断层上、下盘演化差异下的断层图形曲线峰值所校正的断层断距处理相关方法及装置（申请号为cn201910745686x）、演示基底隆起相关挤压应力状态的构造变形装置（申请号为cn2013204255922）。对于岩浆侵入与喷出对地层改造的相关实验装置中，包括岩土放置与施压单元的岩浆侵入装置（申请号为cn 2021210426133）、含有动力供给装置及温压装置的岩浆侵入与喷发装置（申请号为cn 2023112349991）、模拟在刚性板之下岩浆侵入的装置（申请号为cn 2024111366354）。

3、在实际地质环境中，逆冲断层由于所受挤压力时空差异而呈现复杂的挤压构造变形；一方面，板块之间的挤压作用往往并非来自单一方向，而是存在多方位复合挤压或者不同演化时间以不同方位挤压力相互叠加的现象，现有模拟实验技术虽能还原部分逆冲特征，但无法精准模拟多方位挤压场景；另一方面，地层在不同深度的受力状态存在明显差异，且同一深度的地层在不同演化时间段所受挤压力的大小、运动速率均会发生动态变化；现有相关物理模拟研究尚未关注这一复杂问题。在挤压背景下，常伴随火山上拱或侵入的地质过程，尽管也考虑了逆冲与岩浆侵入的关系，然而其无法实现岩浆上拱作用下的区域构造变形与岩浆侵入作用下的局部变形协同，导致其相关构造作用研究存在明显的局限性。在现有模拟挤压域构造变形过程的技术中，均没有考虑上述复杂挤压构造作用与岩浆构造作用这两个关键要素，从而难以实现对挤压域构造变形准确表征的相关实验技术的突破。

技术实现思路

1、针对现有背景技术的不足，本发明的目的在于提供一种结构简单、使用方便的用于对挤压域复杂构造定量模拟的实验装置及使用方法，旨在于解决挤压域不同方位挤压力的叠加、可控的差异性纵向挤压及岩浆上拱与侵入的定量表征实验技术问题。

2、为实现上述，本发明的技术方案为：一种对挤压域复杂构造定量模拟的实验装置，包括支撑架、实验平台和实验模拟箱，支撑架安装在实验平台底部，还包括左侧横向施加挤压力的动力系统、右侧横向施加挤压力的动力系统和纵向施加挤压力的动力系统，所述实验模拟箱安装在实验平台上，左侧横向施加挤压力的动力系统和右侧横向施加挤压力的动力系统分别设置在实验模拟箱的两侧，模拟地层横向挤压变形；纵向施加挤压力的动力系统设置在实验模拟箱底部，模拟地层纵向挤压变形。

3、进一步的，所述实验模拟箱包括箱底板、箱前玻璃侧板、箱后玻璃侧板、箱左侧板和箱右侧板，箱前玻璃侧板通过前卡槽连接在箱底板上，箱后玻璃侧板通过后卡槽连接在箱底板上，箱左侧板与箱右侧板分别置于箱底板之上且被限制于箱前玻璃侧板与箱后玻璃侧板之间，组成一个顶部开口的实验模拟箱，箱底板的底部固定于实验平台上，左侧横向施加挤压力的动力系统与箱左侧板连接，右侧横向施加挤压力的动力系统与箱右侧板连接。

4、进一步的，所述箱左侧板与箱右侧板结构相同，均包括独立侧板一、独立侧板二、独立侧板三、独立侧板四、橡胶垫和链式折叠板，独立侧板一、独立侧板二、独立侧板三、独立侧板四之间通过橡胶垫的凸槽相互连接，橡胶垫的另一侧设有链式折叠板；所述链式折叠板是由多个窄条薄板组成，各窄条薄板之间通过销轴铰接在一起。

5、进一步的，所述左侧横向施加挤压力的动力系统与右侧横向施加挤压力的动力系统结构相同，均包括伺服电机一、伺服电机二、伺服电机三、伺服电机四、滑动侧向液压杆一、滑动侧向液压杆二、滑动侧向液压杆三、滑动侧向液压杆四，滑动支撑柱一、滑动支撑柱二、弧形滑轨一、弧形滑轨二和u型限位支架；滑动侧向液压杆一、滑动侧向液压杆二贯穿安装在滑动支撑柱一上，滑动侧向液压杆一、滑动侧向液压杆二的一端分别与伺服电机一、伺服电机二连接，滑动侧向液压杆一、滑动侧向液压杆二的另一端分别连接u型限位支架；滑动侧向液压杆三、滑动侧向液压杆四贯穿安装在滑动支撑柱二上，滑动侧向液压杆三、滑动侧向液压杆四的一端分别与伺服电机三、伺服电机四连接，滑动侧向液压杆三、滑动侧向液压杆四的另一端分别连接u型限位支架连接；滑动支撑柱一、滑动支撑柱二通过卡槽分别滑动连接弧形滑轨一、弧形滑轨二上，并通过固定销来固定滑动支撑柱一、滑动支撑柱二分别在滑动连接弧形滑轨一、弧形滑轨二上的位置。

6、进一步的，所述左侧横向施加挤压力的动力系统与右侧横向施加挤压力的动力系统还包括伺服电机五、伺服电机六、伺服电机七、伺服电机八、固定横向液压杆一、固定横向液压杆二、固定横向液压杆三、固定横向液压杆四、固定支撑柱一、固定支撑柱二和万向球头阻尼器，固定横向液压杆一、固定横向液压杆二贯穿安装在固定支撑柱一上，固定横向液压杆一、固定横向液压杆二的一端分别与伺服电机五、伺服电机六连接，固定横向液压杆一、固定横向液压杆二的另一端分别与万向球头阻尼器连接；固定横向液压杆三、固定横向液压杆四贯穿连接在固定支撑柱二上，固定横向液压杆三、固定横向液压杆四的一端分别与伺服电机七、伺服电机八连接，固定横向液压杆三、固定横向液压杆四的另一端分别与万向球头阻尼器连接；万向球头阻尼器连接通过钢件固定器直接固定在实验平台上。

7、进一步的，所述滑动侧向液压杆一、滑动侧向液压杆二、滑动侧向液压杆三、滑动侧向液压杆四前方通过u型限位支架分别与独立侧板一、独立侧板四相连接；固定横向液压杆一、固定横向液压杆二、固定横向液压杆三、固定横向液压杆四前方通过万向球头阻尼器与独立侧板二、独立侧板三相连接。

8、进一步的，所述纵向施加挤压力的动力系统包括设置在实验模拟箱底部的左侧纵向挤压力动力系统、中间纵向挤压力动力系统和右侧纵向挤压力动力系统，左侧纵向挤压力动力系统、中间纵向挤压力动力系统和右侧纵向挤压力动力系统结构相同均包括主弧形板和分层设在主弧形板下方左右两侧的左侧向弧形板一、右侧向弧形板一、左侧向弧形板二、右侧向弧形板二、左侧向弧形板三、右侧向弧形板三；主弧形板与左侧向弧形板一、右侧向弧形板一通过滑轨限位滑块相连接，在左侧向弧形板一外侧壁上设有嵌入式左滑轨一、左滑轨二，主弧形板内侧壁上设有限位滑块，通过限位滑块与左滑轨一相连接，可使主弧形板之下的左侧向弧形板一沿着左滑轨一、左滑轨二滑出；左侧向弧形板一、左侧向弧形板二、左侧向弧形板三之间与右侧向弧形板一、右侧向弧形板二、右侧向弧形板三之间也采用相同的滑轨限位滑块连接结构，使得各侧向弧形板依次滑出。

9、进一步的，所述主弧形板与各侧向弧形板的前、后处分别设有一块后横向封堵板、前横向封堵板，后横向封堵板、前横向封堵板上均设有半内置式轨迹，后横向封堵板、前横向封堵板上的半内置式轨迹与主弧形板、左侧向弧形板一、右侧向弧形板一、左侧向弧形板二、右侧向弧形板二、左侧向弧形板三、右侧向弧形板三的边界相连接。

10、进一步的，所述纵向施加挤压力的动力系统还包括压缩流体泵，压缩流体泵通过箱底板上的孔与主弧形板所形成的空间相通；主弧形板中线上设有圆形定压单向阀一、圆形定压单向阀二、圆形定压单向阀三，主弧形板上设有长度小于主弧形板的左长条定压单向流槽和右长条定压单向流槽。

11、本发明还涉及对挤压域复杂构造定量模拟的实验装的使用方法置，基于所述的一种对挤压域复杂构造定量模拟的实验装，所述使用方法包括横向施加挤压力和纵向施加挤压力，通过对实验模型施加不同方向、不同速率、不同位置的挤压应力，模拟挤压域复杂的构造演化过程；通过纵向施加挤压力的动力系统模拟岩浆上拱及侵入所造成的压域及局部构造变形，实现对挤压域复杂构造变形的定量模拟；

12、所述横向施加挤压力的方法为：

13、a）首先基于模拟相似比例调整箱前玻璃侧板与箱后玻璃侧板之间的距离，确定实验模型的宽度；其次调整箱左侧板与箱右侧板之间的距离来确定实验模型的长度；然后再根据所模拟地层的厚度确定相似实验材料的厚度，在箱左侧板与箱右侧板内侧放入链式折叠板后，将实验材料装填进入到实验模拟箱中，从而形成一个缩比例的地质实验模型；

14、b）在进行模拟构造变形过程时，箱左侧板与箱右侧板分别通过左侧横向施加挤压力的动力系统、右侧横向施加挤压力的动力系统施加应力，模拟挤压域中地层所受到的挤压应力；在模型两侧分别安装左侧横向施加挤压力的动力系统、右侧横向施加挤压力的动力系统，既可以模拟对冲变形，也可以模拟单侧逆冲变形，或者模拟两者交替变形的复杂演化过程；

15、c）箱左侧板与箱右侧板均由独立侧板一、独立侧板二、独立侧板三、独立侧板四所组成，箱左侧板、箱右侧板可以作为一个整体的拼接板同时间、同速率对地层模型挤压，也可以作为一个整体的拼接板实施上、下部分不同速率对地层模型挤压，模拟地壳在不同深度上挤压力的规律性变化；各独立侧板之间可实现不同速率与不同方向的挤压，模拟挤压域沉积盆地在地质演化过程中分区差异构造变形；

16、所述纵向施加挤压力的方法为：

17、1）先将左侧向弧形板一、右侧向弧形板一、左侧向弧形板二、右侧向弧形板二、左侧向弧形板三、右侧向弧形板三全部收缩到主弧形板之下，并将主弧形板与各侧向弧形板放置到箱底板上，并使其长轴方向与主挤压方向相垂直；将主弧形板与各侧向弧形板的前、后用后横向封堵板、前横向封堵板封住，使得主弧形板、各侧向弧形板、前横向封堵板、后横向封堵板、箱底板形成一个封闭的空间；再将实验材料装填进入到实验模拟箱中并进行构造变形；

18、2）根据岩浆上拱及侵入所确定的时空及其对应的地层隆升幅度，开始向纵向施加挤压力的动力系统装置中进行相似流体注入，随后主弧形板两侧的各侧向弧形板开始依次滑出，各侧向弧形板前、后两侧同步按照后横向封堵板、前横向封堵板中的轨迹逐渐滑动，直至全部的侧向弧形板滑出，从而实现区域性的岩浆上拱的构造变形；

19、3）继续进行相似流体充注，左长条定压单向流槽、右长条定压单向流槽及圆形定压单向阀一、圆形定压单向阀二、圆形定压单向阀三相继打开，流体进入实验材料中，造成地层局部变形；如果模拟岩浆线性侵入时，预先将主弧形板上的圆形定压单向阀关闭，如果模拟岩浆点式侵入，则预先将长条定压单向流槽预先关闭。

20、采用本发明技术方案的优点为：

21、1. 采用本发明的一种对挤压域复杂构造定量模拟的实验装置，基于模拟相似比例通过调整箱前玻璃侧板与箱后玻璃侧板之间的距离来确定实验模型的宽度，调整箱左侧板与箱右侧板之间的距离来确定实验模型的长度，根据所模拟地层的厚度确定相似实验材料的厚度，在箱左、右侧分别置入由橡胶垫连接独立侧板所组成的左、右侧板及链式折叠板，在箱底板上安装纵向施加挤压力的动力系统，将实验材料装填进入到实验模拟箱中，通过连接箱左侧板与箱右侧板的横向施加挤压力的动力系统对实验模拟箱中的实验模型施压挤压力，通过箱左侧板与箱右侧板中的各独立侧板差异活动及每个独立侧板垂向差异活动，实现不同时期、不同速率、不同方向的挤压；通过底部的纵向施加挤压力的动力系统模拟岩浆上拱及侵入，实现挤压域复杂挤压构造作用与深层岩浆构造作用的协同演化，更加真实地逼近挤压域构造演化，从而实现对构造模拟结果的精细定量表征。

22、2. 本发明箱左侧板及箱右侧板分别由四块独立侧板所拼接而成，各独立侧板之间差异活动可实现分区构造变形，每个独立侧板垂向差异活动可模拟不同速率与不同方向下的挤压；通过底部的纵向施加挤压力的动力系统模拟岩浆上拱及侵入，实现挤压域复杂构造变形与深层流体侵入构造变形的协同演化，更加真实地逼近挤压域复杂的构造变形。