一种模拟母岩风化的实验装置
阅读说明：本技术 一种模拟母岩风化的实验装置 (Experimental device for simulating mother rock weathering ) 是由 高亮 郭成彬 杜晓峰 王冠民 王清斌 庞小军 冯冲 代黎明 李文欣 杜阳阳 殷梓 于 2021-07-29 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种模拟母岩风化的实验装置。该装置包括：温度控制模块、降水模拟模块、风力控制模块、生物风化模块和上位机,使其具有相对综合、简单、经济等优点。并且,通过采用温度控制模块模拟母岩风化实验过程中的气温变化,采用降水模拟模块模拟母岩风化实验过程中的降水变化,采用风力控制模块模拟母岩风化实验过程中的风力变化,采用生物风化模块模拟母岩风化实验过程中生物生长所分泌的酸类物质对母岩区的破坏作用,采用上位机用于生成控制信号,以分别控制温度控制模块、降水模拟模块、风力控制模块、降水模拟模块和生物风化模块,能够充分考虑母岩区的温度、风力、降水、生物、构造等因素影响,使剥蚀模拟结果更加精细、更具指导意义。(The invention relates to an experimental device for simulating mother rock weathering. The device includes: the device comprises a temperature control module, a precipitation simulation module, a wind power control module, a biological weathering module and an upper computer, so that the device has the advantages of being relatively comprehensive, simple, economical and the like. And the temperature control module is adopted to simulate the temperature change in the mother rock weathering experiment process, the precipitation simulation module is adopted to simulate the precipitation change in the mother rock weathering experiment process, the wind control module is adopted to simulate the wind power change in the mother rock weathering experiment process, the biological weathering module is adopted to simulate the destructive effect of acid substances secreted by the biological growth in the mother rock weathering experiment process on the mother rock area, and the upper computer is used for generating control signals to respectively control the temperature control module, the precipitation simulation module, the wind power control module, the precipitation simulation module and the biological weathering module.)
技术领域
本发明涉及实验装置领域，特别是涉及一种模拟母岩风化的实验装置。
背景技术
对于母岩风化的研究，是地质学以及石油地质领域的一个比较成熟的研究领域。现有技术中对风化作用的研究，更多的集中在野外地质考察方面，或者取样实验室进行分析化验方面。对于模拟实验，现有技术中更多的是野外小区的现场观察，以及一些室内的相对单一的模拟，研究对象仅局限于土壤、黄土、文物，实验装置设置比较单一，模拟内容主要侧重于降水形成的地面径流对沉积物的剥蚀方面。
综上，现有技术中对于岩石方面的室内风化模拟实验，缺少一种相对综合、简单、经济的实验模拟装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种相对综合、简单、经济的模拟母岩风化的实验装置。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种模拟母岩风化的实验装置，包括：温度控制模块、降水模拟模块、风力控制模块、生物风化模块和上位机；
所述温度控制模块、所述降水模拟模块、所述风力控制模块、所述降水模拟模块和所述生物风化模块均与所述上位机连接；
所述温度控制模块用于模拟母岩风化实验过程中的气温变化；所述降水模拟模块用于模拟母岩风化实验过程中的降水变化；所述风力控制模块用于模拟母岩风化实验过程中的风力变化；所述生物风化模块用于模拟母岩风化实验过程中生物生长所分泌的酸类物质对母岩区的破坏作用；所述上位机用于生成控制信号，以分别控制所述温度控制模块、所述降水模拟模块、所述风力控制模块、所述降水模拟模块和所述生物风化模块。
优选地，所述温度控制模块包括：多个加热条；
每一所述加热条均包括加热单元和温度托盘；
所述加热单元滑动设置在所述温度托盘上。
优选地，所述加热单元包括加热托盘、电阻、轮子和凸起；
所述电阻、所述凸起和所述轮子均设置在所述加热托盘上；所述加热托盘通过所述凸起与所述温度托盘卡接；所述加热托盘通过所述轮子在所述温度托盘上滑动。
优选地，所述降水模拟模块包括：多个雨滴模拟单元；
每一所述雨滴模拟单元包括雨滴托盘和雨滴控制转盘；
所述雨滴托盘上设置有圆孔；所述预控位置处设置所述雨滴控制转盘；所述雨滴控制转盘上设置有半径不同的多个雨滴圆孔；
所述雨滴控制转盘与所述上位机连接；所述雨滴控制转盘通过旋转使得不同半径的雨滴圆孔与所述圆孔对应，进而模拟母岩风化实验过程中的降水变化。
优选地，所述风力控制模块包括：多个风力单元；
每一所述风力单元上均设置有风力托盘和风力强度转盘；
所述风力托盘上设置有风口；所述风口位置设置所述风力强度转盘；所述风力强度转盘上设置有多个不同半径的风力圆孔；
所述风力强度转盘与所述上位机连接；所述风力强度转盘通过旋转使得不同半径的风力圆孔与所述风口对应，进而模拟母岩风化实验过程中的风力变化。
优选地，还包括实验箱；
所述温度控制模块、所述降水模拟模块、所述风力控制模块、所述降水模拟模块和所述生物风化模块均设置在所述实验箱上。
优选地，所述实验箱两端内侧壁上均设置有用于模拟母岩风化实验过程中受力变化的运动壁。
优选地，所述运动壁包括：金属板、传力柱和液压动力器；
所述传力柱设置在所述金属板上；所述传力柱与所述液压动力器连接；所述液压动力器与所述上位机连接；
所述上位机控制所述液压动力器推动所述传力柱；所述传力柱推动所述金属板以模拟母岩风化实验过程中的受力变化。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的模拟母岩风化的实验装置，包括：温度控制模块、降水模拟模块、风力控制模块、生物风化模块和上位机，使其具有相对综合、简单、经济等优点。并且，通过采用温度控制模块模拟母岩风化实验过程中的气温变化，采用降水模拟模块模拟母岩风化实验过程中的降水变化，采用风力控制模块模拟母岩风化实验过程中的风力变化，采用生物风化模块模拟母岩风化实验过程中生物生长所分泌的酸类物质对母岩区的破坏作用，采用上位机用于生成控制信号，以分别控制温度控制模块、降水模拟模块、风力控制模块、降水模拟模块和生物风化模块，能够充分考虑母岩区的温度、风力、降水、生物、构造等因素影响，使剥蚀模拟结果更加精细、更具指导意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的温度控制模块的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的降水模拟模块的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的风力控制模块的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的模拟母岩风化的实验装置的初始结构图；
图5为本发明实施例提供的包含有运动壁的模拟母岩风化的实验装置结构图；
图6为本发明实施例提供的模拟母岩风化的实验装置的总体结构图；
图7为本发明实施例提供的温度控制模块、降水模拟模块的拼接示意图；
图8为本发明实施例提供的运动壁和实验箱的拼接示意图；
图9为本发明实施例提供的基于各类型母岩在不同地质背景下的剥蚀研究的实验原理图；
图10为本发明实施例提供的生物风化模块模拟生物生长过程中所分泌的酸类物质对母岩区的破坏作用流程图。
符号说明：
1温度控制模块，11温度托盘，12加热托盘，13电阻，14轮子，15凸起，16凹槽，2降水模拟模块，21雨滴托盘，22雨滴控制转盘，23圆孔，24雨滴圆孔，25入水口，3风力控制模块，31风力托盘，32风力强度转盘，33风口，34风力圆孔，4实验箱，5母岩实验试样，6传力柱，7金属板。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种相对综合、简单、经济的模拟母岩风化的实验装置。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供的模拟母岩风化的实验装置，包括：温度控制模块1、降水模拟模块2、风力控制模块3、生物风化模块和上位机。其中，生物风化模块和上位机图中未示出。上位机可以替换为任意具有植入软件功能的控制器或控制平台。
温度控制模块1、降水模拟模块2、风力控制模块3、降水模拟模块2和生物风化模块均与上位机连接。
温度控制模块1用于模拟母岩风化实验过程中的气温变化。降水模拟模块2用于模拟母岩风化实验过程中的降水变化。风力控制模块3用于模拟母岩风化实验过程中的风力变化。生物风化模块用于模拟母岩风化实验过程中生物生长所分泌的酸类物质对母岩区的破坏作用。上位机用于生成控制信号，以分别控制温度控制模块1、降水模拟模块2、风力控制模块3、降水模拟模块2和生物风化模块。
其中，为了简化装置结构，提高选择性能，上述采用的温度控制模块1包括：多个加热条。
如图1所示，每一加热条均包括加热单元和温度托盘11。加热单元滑动设置在温度托盘11上，以模拟太阳的轨迹。
加热单元包括加热托盘12、电阻13、轮子14和凸起15。
电阻13、凸起15和轮子14均设置在加热托盘12上。加热托盘12通过凸起15卡接在温度托盘11的凹槽16中。加热托盘12通过轮子14在温度托盘11上滑动，轮子14位于加热托盘12的背面。其中，电阻13对应位置处还设置有散热口。温度托盘11内部有内置的电线、信号线，电线及信号线与电阻13相连。
通过类似的电热毯的原理，加热单元在通电后，会迅速发热，并将热量辐射至试验装置内部。
在采用温度控制模块1进行温度变化模拟过程中，通过收集本区、类比邻区的气候信息，模拟一天、一年的气温变化(为了加快实验进度，设定实验时间的一天为显示中4小时)。实验过程中，考虑物源区向阳侧、背阳侧的差异。考虑自然界中太阳东升西落对古物源区的影响。
如图2所示，本发明采用的降水模拟模块2包括：多个雨滴模拟单元。
每一雨滴模拟单元包括雨滴托盘21和雨滴控制转盘22。
雨滴托盘21上设置有圆孔23。预控位置处设置雨滴控制转盘22。雨滴控制转盘22上设置有半径不同的多个雨滴圆孔24。
雨滴控制转盘22与上位机连接。雨滴控制转盘22通过旋转使得不同半径的雨滴圆孔24与圆孔23对应，进而模拟母岩风化实验过程中的降水变化。
在实际应用过程中，在降水模拟模块2上还设置有入水口25，入水口25通过软件(植入在上位机中)控制水的流速，可以模拟降水的烈度。雨滴托盘21的正面有圆孔23，背面有雨滴控制转盘22，雨滴控制转盘22上设置有不同半径的雨滴圆孔24。，水流通过圆孔23流入下部空间，雨滴控制转盘22通过旋转，可以使不同的雨滴圆孔24与圆孔23对应，控制雨滴大小。其中，雨滴托盘21的形状无限定，主要起到载体的作用，有一定厚度即可。
如图3所示，本发明上述采用的风力控制模块3包括：多个风力单元。
每一风力单元上均设置有风力托盘31和风力强度转盘32。
风力托盘31上设置有风口33。风口33位置设置风力强度转盘32。风力强度转盘32上设置有多个不同半径的风力圆孔34。
风力强度转盘32与上位机连接。风力强度转盘32通过旋转使得不同半径的风力圆孔34与风口33对应，以形成风通道，进而模拟母岩风化实验过程中的风力变化。
在采用风力控制模块3进行风力变化模拟过程中，主要收集本区、类比邻区的气候信息，通过鼓风机控制风力大小，通过进风口33开闭控制风的方向，模拟不同的自然风从装置底部的进风口33进入模拟装置，模拟古物源区风力情况，在模拟过程中，考虑风级及季节的影响。
基于上述提供的降水模拟模块2和风力控制模块3的具体结构，也可以采用手动方式控制雨滴控制转盘22和风力强度转盘32进行旋转。
生物风化模块模拟生物生长过程中所分泌的酸类物质对母岩区的破坏作用时，需要根据前人研究成果，收集研究区植物主要种类、数量及产生的有机酸类型及浓度，通过实验室配置不同浓度的酸，将酸滴入母岩实现模拟目的。考虑生物受气候的影响，酸类浓度设定参考野外背光、向光、湿润、干燥等几个区块生物密度进行估算。生物的代谢产物中包含大量的有机酸和无机酸。无机酸主要有H2SO4、HCl等，有机酸主要有柠檬酸、草酸、葡萄糖酸、甲酸、乙酸、醋酸、乳酸、琥珀酸、丙酮酸等。其具体模拟过程如图10所示。
将温度控制模块1、降水模拟模块2、风力控制模块3、降水模拟模块2和生物风化模块均设置在实验箱4上，得到的模拟母岩风化的实验装置的初始结构如图4所示。
进一步，为了对母岩风化过程中的受力进行模拟，本发明在实验箱4两端内侧壁上均设置有用于模拟母岩风化实验过程中受力变化的运动壁。
如图5所示，运动壁包括：金属板7、传力柱6和液压动力器。
传力柱6设置在金属板7上。传力柱6与液压动力器连接。液压动力器与上位机连接。
上位机控制液压动力器推动传力柱6。传力柱6推动金属板7以模拟母岩风化实验过程中的受力变化。其中，传力柱6为金属柱子。
金属柱子主要起到传递压力的作用，由外界施加压力给金属柱子，将液压动力转换为水平方向的压力，以保持四个方向均可受力。采用多根金属柱子，可以模拟一个方向的不同强度的构造力。多块金属板7将不同的力传递到母岩实验试样5，使母岩实验试样5受力发生形变。运动壁压缩模拟完成构造模拟之后，再伸展，使运动壁紧靠实验箱4两侧的箱壁。模拟完成后的岩石停留在原处。在该具体实施方式采用的母岩实验试样5野外取心或者实验室构造模拟得到。例如，实验中常用的材料有干燥石英砂、微玻璃珠、硅胶、凡士林、粘土等。石英砂可选用不用颜色，以代表不同地层，但不限于此。
综上结构描述，得到的模拟母岩风化的实验装置的总体结构如图6所示。其中，在具体应用过程中，温度控制模块1、降水模拟模块2、风力控制模块3、生物风化模块可以相互拼接，具体拼接方式如图7所示。这样需要用到降雨控制、温度控制模块1的时候，可以进行拼接切换，排除了两者之间的相互干扰。运动壁与实验箱4的拼接方式如图8所示。
基于各类型母岩在不同地质背景下的剥蚀研究的实验原理，如图9所示，该实验装置依托于正在升级的沉积原理模拟重点实验室，对不同地质背景下母岩的风化剥蚀情况及机理展开模拟与研究。该实验装置，充分考虑母岩区的温度、风力、降水、生物、构造等因素影响，使剥蚀模拟结果更加精细、更具指导意义。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。