[發(fā)明專利]室內(nèi)模擬震后斷層滲流愈合過程的多物理量測量系統(tǒng)

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010569709.9
• 申請日: 2020-06-20
• 公開（公告）號: CN111579462A
• 公開（公告）日: 2020-08-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 齊文博;段慶寶;郭彥雙
• 申請（專利權(quán)）人: 中國地震局地質(zhì)研究所
• 主分類號: G01N15/08
• 分類號: G01N15/08;G01N33/24
• 代理公司: 北京怡豐知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11293
• 代理人: 遲軍

本發(fā)明提供室內(nèi)模擬震后斷層滲流愈合過程的多物理量測量系統(tǒng)，其包括：混合電源系統(tǒng)；多物理量前置放大器，其將模擬量小信號轉(zhuǎn)換為模擬量大信號；多通道模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器前端差分調(diào)理電路，其將模擬信號轉(zhuǎn)換為雙端差分信號，濾除信號中的共摸噪聲；多通道模擬數(shù)字同步轉(zhuǎn)換電路，其包括多通道模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器以同步采集多物理量；中央控制器邏輯電路，其包括現(xiàn)場可編程邏輯門陣列芯片以實(shí)現(xiàn)數(shù)字邏輯控制；以及USB傳輸電路，其可以實(shí)現(xiàn)用戶計算機(jī)與中央控制器邏輯電路之間的數(shù)據(jù)傳輸。本發(fā)明提供的測量系統(tǒng)采用可調(diào)同步采樣率，其調(diào)整范圍為0.56秒/采樣點(diǎn)至約半小時/采樣點(diǎn)以便勝任不同巖石蠕變速度時的滲流愈合實(shí)驗(yàn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及多物理量測量系統(tǒng)，特別涉及室內(nèi)模擬震后斷層滲流愈合過程的多物理量測量系統(tǒng)。

背景技術(shù)

地震斷層活動導(dǎo)致斷層帶巖石破碎并產(chǎn)生大量裂隙。震后與間震期內(nèi)，壓實(shí)蠕變及流體與巖石間的相互作用使斷層帶逐漸愈合，斷層強(qiáng)度逐漸恢復(fù)。隨著斷層的愈合。斷層帶中的流體壓力也會隨之演化。斷層帶流體壓力的變化具有重要的動力學(xué)意義。近年來,無論是野外斷層觀測, 還是實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的研究均證實(shí)了震后斷層的愈合過程及其與地震周期的聯(lián)系。主要表現(xiàn)為如下兩個相互制約的過程：一是壓實(shí)、溶解沉淀、膠結(jié)及水巖反應(yīng)等物理化學(xué)作用使斷層逐漸愈合、強(qiáng)度逐漸恢復(fù)；二是隨著裂隙愈合，斷層帶的滲透性逐漸降低，高壓流體逐漸積累并導(dǎo)致有效壓力降低，當(dāng)差應(yīng)力和流體壓力達(dá)到一定臨界值時斷層發(fā)生失穩(wěn)兩者共同作用導(dǎo)致地震的周期性復(fù)發(fā)，因此,研究震后斷層帶的愈合過程，對判斷斷層強(qiáng)度恢復(fù)，約束地震周期及其復(fù)發(fā)具有重要意義。

控制斷層愈合過程的重要因素之一是壓實(shí)蠕變。尤其是松散的斷層泥及角礫巖等，在震后階段會經(jīng)歷明顯的壓實(shí)作用。評估壓實(shí)蠕變對愈合作用的關(guān)鍵數(shù)據(jù)是樣品變形量、流體壓力、環(huán)境溫度等參數(shù)。控制斷層愈合過程的另一個重要因素之一是溫度，溫度越高、差應(yīng)力越大、斷層愈合速度越。控制斷層愈合過程的另一個重要因素之一是時間，由于天然條件下的地震斷層愈合過程十分緩慢，為幾年至幾十年不等，且天然斷層跨度非常大(幾公里到幾十公里)，對地震斷層愈合過程的觀測十分不利。樣品在發(fā)生壓實(shí)蠕變時的變形量非常微小且變化過程非常緩慢，因此表征斷層愈合過程及速度的各種物理量變化趨勢呈現(xiàn)壓實(shí)蠕變，這就需要測量系統(tǒng)具備超低采樣率能力和超長時間觀測能力以避免斷層愈合過程長時間實(shí)驗(yàn)時產(chǎn)生過大的數(shù)據(jù)量并保證觀測記錄數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

具體觀測時，斷層滲透率及巖石變形量可用高精度位移測量來實(shí)現(xiàn)，同時需要考慮位移測量受高溫高壓條件的影響；溫度對斷層愈合速度的影響觀測須用高精度溫度傳感器來實(shí)現(xiàn)；斷層內(nèi)的孔隙壓及差應(yīng)力觀測可通過高精度線性流體壓力傳感器來獲得。這三種物理量在蠕變條件下的連續(xù)實(shí)時觀測需要在時間標(biāo)尺上進(jìn)行統(tǒng)一，即測量系統(tǒng)不能存在觀測時鐘上的微小誤差。綜上所述，室內(nèi)模擬震后斷層滲流愈合過程時就需要一套多物理量在采樣時鐘尺度上時間對齊的高精度連續(xù)實(shí)時檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可在超低采樣率下采集斷層滲流愈合過程中緩慢變形即蠕變情況下的各種表征物理量(位移、流體壓力、溫度等)。

目前，國內(nèi)市場上的位移測量設(shè)備有很多，主要分為三種：激光干涉測量位移系統(tǒng)、位移傳感器測量系統(tǒng)和CCD相機(jī)測量位移應(yīng)變系統(tǒng)。前者產(chǎn)品相當(dāng)成熟，如皮米精度激光干涉儀IDS3010，其雖然精度很高可達(dá)皮米級別，但是依賴于激光干涉技術(shù)，需要被測試件無遮擋，對于有遮擋的圍壓和孔隙壓加載系統(tǒng)的室內(nèi)模擬的斷層震后愈合過程并不適合。基于位移傳感器的位移測量系統(tǒng)在市場上主要為LVDT測位儀，如哈爾濱溶智納芯科技有限公司生產(chǎn)的MDS系列LVDT測位儀，其檢測重復(fù)性僅為0.15微米，非線性達(dá)到了0.5微米，且只能工作在低溫(45℃) 條件下，只有一個檢測通道，也不適用于室內(nèi)模擬的斷層震后愈合研究的長時間實(shí)驗(yàn)。CCD相機(jī)測量位移應(yīng)變系統(tǒng)和激光干涉測量位移系統(tǒng)應(yīng)用場合一樣需要被測試件無遮擋，同樣不適用于本實(shí)驗(yàn)研究，最重要的一點(diǎn)是上述這三種位移測量系統(tǒng)都只能采集常溫常壓下的位移物理量，對高溫高壓條件下斷層震后愈合過程中的各種物理量包括位移、溫度、壓力等物理量參數(shù)缺乏對應(yīng)的檢測能力。

綜上所述，確有必要提供一種室內(nèi)模擬震后斷層滲流愈合過程的多物理量測量系統(tǒng)。