模擬洋流系統的一個實驗裝置

2. 實驗方案設計

一、 實驗內容

考慮不同庫水升降條件下,「浸泡—風干」循環作用對岩石試樣實驗, 對每一期試樣進行單軸或三軸實驗, 得出在不同水位升降條件下對岩體力學參數的影響規律, 及在不同「浸泡—風干」循環期次作用下力學參數劣化規律。

二、 試驗岩樣

試驗所用砂岩取自三峽庫區秭歸沙鎮溪鎮白水河滑坡, 為侏羅繫上沙溪廟組砂岩。在同一個岩層開出較大片的岩塊, 並在現場切割成小塊運回試驗室鑽心取樣。 根據《工程岩體試驗方法標准》(GB/T50266—99)、 《水利水電工程岩石試驗規程》(SL264—2001)以及國際岩石力學學會推薦標准, 同時滿足RMT-150C岩石力學試驗系統三軸試驗岩樣規格要求, 經過細心切磨製成尺寸為Φ50mm×100mm圓柱形試件。 試樣的精度嚴格滿足規范要求: 高度、 直徑偏差≤±0.3mm, 試件兩端面不平整度≤±0.05mm(圖5-1)。

岩石礦物鑒定結果為絹雲母中粒石英砂岩(圖5-2), 孔隙式鈣質膠結結構, 基質具微細鱗片變晶結構的中粒砂狀結構。 岩石由石英、 長石、 岩屑、 雲母等組成。 碎屑組分有燧石岩屑, 次角-次圓狀, 粒徑0.3mm, 佔10%; 石英碎屑, 次角-次圓狀, 均勻分布,粒徑0.3～0.5mm, 佔80%; 基質組分為絹雲母, 佔10%。

圖5-9 有壓岩石溶解儀的結構圖

圖5-10 水壓力室俯視圖

圖5-11 控制箱

YRK-1岩石溶解試驗儀為本試驗開發的一種模擬庫水壓及庫水升降條件下岩石溶解試驗儀, 下面將對該儀器進行詳細的介紹。

(1)一種模擬庫水壓力條件的儀器的研製

本實驗儀器為一種模擬庫水壓力狀態下水-岩作用的實驗裝置, 模擬蓄水後庫岸岩(土)體所受水壓力環境, 通過考慮不同水壓力及水位升降條件下的岩石-水作用的浸泡實驗, 研究庫水條件下的水-岩作用及力學損傷特徵。 為了達到上述目的, 本儀器製作由岩石溶解室(壓力室), 動、 靜水模擬控制系統, 壓力控制系統, 壓力感測帶等組成。

水壓力室: 主要由底座、 圓柱形水壓力室和蓋板組成, 底板與蓋板之間分布有八根加固螺栓, 通過密封墊圈將圓柱形水壓力室固定在底座和蓋板之間。水壓力室採用不銹鋼和有機玻璃製作, 以便承受較大壓力。

壓力控制系統: 由內部壓力傳導系統和外部壓力控制系統組成。在水壓力室底部安裝一個壓力感測帶與外部壓力控制系統相接, 該壓力感測帶與外部壓力控制系統相連; 外部壓力控制系統由供壓裝置和高精度壓力表以及壓力傳導管道組成, 通過高精度壓力表將15MP壓力轉變為0～1.4MP(量程范圍)的壓力傳遞到壓力感測帶(穩壓狀態), 通過壓力感測帶將壓力傳遞給水, 進而控制水壓力室中的水壓, 滿足實驗要求達到的壓力狀態。

動、 靜水模擬控制系統: 該系統由穩壓電源、 直流電機、 葉輪組成。 直流電機安裝在水壓力室的底板下部, 通過轉軸與水壓力室內部的葉輪相連。 可以模擬在動水狀態下岩石的溶解特徵, 也可以模擬在靜水狀態下岩石的溶解特徵; 同時, 通過控制直流電機轉速進一步模擬在不同動水狀態下岩石的溶解特徵。 與壓力控制系統組合可以進一步模擬在水庫庫水壓力狀態下(具有一定的流速情況下)的水-岩作用。 同時在水壓力室下部設置水樣採集口, 通過水樣分析研究岩石溶解特徵。

(2)岩石溶解儀操作步驟

a. 壓力室放置試樣。 首先將制備好的岩樣放入水壓力室內, 分層直立或橫卧擺放;蓋上蓋板並將加固螺栓擰緊, 固定好。

b. 壓力室充水。 通過進水管向水壓力室內注水, 注水期間將放氣螺絲打開, 將水壓力室內空氣排除, 直至水漫出注水管後, 封閉進水管, 擰緊放氣螺絲。

c. 控制壓力室水壓力。 連接外部壓力控制系統與內部壓力控制系統, 確認連接完成後, 將總控箱中的氣源壓力調節閥全部放開(擰至最松位置), 放氣閥放到「開」的位置。 緩慢旋轉氣源壓力調節閥, 按照實驗要求調節壓力, 並通過外部壓力系統通過壓力傳到裝置將壓力傳遞給水, 保證水-岩作用是在一定庫水條件下進行。

d. 取出試樣。 完成一個實驗周期之後(實驗流程要求), 獲取試樣之前, 首先關閉總氣源(氮氣瓶), 按照試驗流程調節閥慢慢將氣源壓力減小, 打開放氣閥以及放氣螺絲,使殘余氣體放出。 開放水樣採集口, 獲取足夠水樣供分析。 取出岩樣做相應分析。

(3)岩石溶解試驗儀的特點

該儀器製作的優點是: 結構簡單、 易操作、安全可靠, 可以模擬庫區岩體所處不同水壓力環境, 根據需要保持或調節水壓力狀態模擬庫水位升降; 設置動、 靜水模擬控制系統, 以模擬庫水擾動; 設置取水管道, 以便分析離子濃度的變化。

該儀器可以模擬在庫水升降條件及水壓力狀態下岩石所處的水環境, 為研究庫水條件下水-岩作用機理及力學特性而提供一套室內實驗平台。

3. 水合物熱物理參數的實驗測定

自然界中水合物有99%是甲烷水合物，直接研究甲烷水合物的熱物理參數有重要的實際意義。然而，這一工作長期以來困難重重，一方面是由於實驗室合成甲烷水合物過程中存在「鎧甲」效應(即外部的水合物生成後會形成一層厚厚的「殼」，導致生成不夠徹底，生成的水合物中夾雜大量的氣體、水和冰粒，並且合成過程非常緩慢);另一方面是實驗技術和測試方法的局限性。青島海洋地質研究所水合物實驗室研製出一套沉積物中水合物分解過程中的熱物理特性模擬實驗裝置，包括一個可編程式控制制變溫實驗箱一台，高壓模擬實驗裝置一套，研製了高壓熱-TDR探針，購置了TDR儀和數據採集器，製作了高壓和溫度監測系統，並研製了計算機控制與數據採集系統一套。該實驗裝置的技術核心在於熱-TDR探針的設計製作。TDR技術和熱脈沖技術具有相對獨立的探頭，我們將二者有機結合，可以實現同時同地測量介質含水量、溫度、容積熱容量、熱導率、熱擴散系數等多項參數。不但避免了介質時空變異性的影響，還可以實現連續定位測定。

實驗裝置

如圖75.13所示，模擬實驗系統硬體部分包括可編程步入式變頻高低溫箱一台、高壓模擬實驗裝置一套(包括其核心技術———耐高壓熱-TDR探針)、數據採集系統，軟體部分我們自行設計編寫了計算機控制與數據採集系統。

圖75.13 實驗裝置簡圖

高壓模擬實驗設備主體部分是增壓系統、兩個高壓釜體及插入反應體系中的熱-TDR探針。氣高壓氣瓶頂端有兩個壓力控制閥門，用於控制氣瓶輸出壓力和釜體輸入壓力。閥門連接兩個壓力指示表，可以直接讀出兩處壓力值，便於控制加壓幅度。

高壓釜體包含一個反應釜體和一個為攪拌釜體。兩個高壓釜體容積均為200cm³，最大工作壓力30MPa。高壓反應釜外層用不銹鋼製作，採用自緊法螺紋密封，為保證螺紋密封效果，在連接部分採用兩個O型密封圈進行密封。整個反應釜也是專門設計定做，通過測試，其密封效果可以保證實驗順利完成。攪拌釜體內裝有聚四氟磁棒，下部是磁力攪拌器。反應釜體內部裝有內筒(內筒用聚碸材料切割製成，聚碸具有力學性能優異，剛性大、耐磨、耐高壓、熱穩定性好等特點，適合在低溫高壓條件下作為水合物的反應容器材料)。容積為70cm³。熱-TDR探針插入內筒所盛的反應物中發射熱脈沖和測定反應體系溫度、含水量等參數。壓力表直接連接在氣體管路上，便於採集數據和人工監控。

實驗技術與方法

將沉積物裝入模擬裝置，採用逐漸升壓的辦法，測量壓力對熱物理參數的影響。當模擬裝置內的壓力達到預定的壓力條件時，停止加壓。室溫下模擬裝置放置一定的時間後，若壓力沒有發生變化即可開展水合物生成模擬實驗(壓力恆定48h)。啟動監測裝置，監測模擬裝置內，溫度、壓力和TDR波形的變化。隨著水合物逐漸生成，TDR波形逐漸發生變化，反射系數逐漸增加，相對距離縮短。

打開攪拌釜、反應釜進氣閥門(閥門3、4、5)，打開抽真空口(閥門2)，其餘閥門關閉，將系統抽真空。待系統負壓穩定後，關閉抽真空口和抽真空機。打開除高壓閥以外的所有閥門，通入實驗所用的甲烷氣清洗氣路，重復3～4次。然後打開進氣閥門(閥門1、3、4)，其餘閥門關閉，開始向兩個高壓釜內加壓。加至實驗所需壓力(4.0～7.0MPa)後關閉加壓閥門穩定一段時間。打開磁力攪拌器直至攪拌釜內的甲烷氣溶解在SDS溶液中達到飽和。打開攪拌釜和反應釜之間的閥門(閥門5)，使溶解了飽和甲烷氣的SDS溶液流向反應釜，直至反應釜中的鬆散沉積物達到含水量飽和狀態後關閉閥門5。開啟控溫箱開關，將溫度設置為0.5℃。實驗進入水合物合成階段。水合物合成所需時間受多個條件影響，如水合物的「記憶效應」、溫度「過冷度」、表面活性劑的添加等。水合物合成一般需要1、2d時間。水合物生成進度可以通過TDR波形圖明顯看出。

實驗選擇的熱脈沖電源為12V直流電源。通過計算機直接控制熱脈沖發射的時間和時長。由於實驗採用的加熱絲直徑很小，加熱時間過長容易導致加熱絲絕緣層燒化;另外，水合物本身遇熱容易分解。綜合考慮上述各因素影響，加熱時長一般掌握在4～8s內。另外，一個熱脈沖發射過後需要一定的散熱時間，待反應體系溫度完全恢復到脈沖發射前的狀態時再發射下一個脈沖。兩個相鄰的熱脈沖之間發射間隔過短，反應體系內的余溫會干擾實驗結果;間隔過長則費時費電(刁少波等，2008)。

計算

採用了平行熱線法和交叉熱線法測定熱物理特性。

1)交叉熱線法。熱導率計算公式為:

岩石礦物分析第四分冊資源與環境調查分析技術

式中:λ為熱導率;"₂、"₁為兩次熱脈沖的加熱時間;T₂-T₁為溫度的變化;Q為熱源強度。

2)平行熱線法。熱擴散系數α計算公式為:

岩石礦物分析第四分冊資源與環境調查分析技術

式中:t_m為達最高溫度時的時間;t₀為熱脈沖的加熱時間;r為熱電偶距線性熱源的垂直距離。

容積熱容量計算公式為:

岩石礦物分析第四分冊資源與環境調查分析技術

式中:q為單位長度加熱絲在單位時間內釋放的熱量;E_i(-x)為指數積分。

由λ=α·ρ_c計算出熱導率。

4. 水文因素（水、土相互作用模擬實驗）

土地是岩溶生態系統的重要組成部分，它提供植物生長所需的水分、營養元素等物質條件和環境，土地質量對岩溶生態系統有顯著的制約作用。岩溶地區的土地資源相對非岩溶地區來講，具有數量少和分布不集中的特點。再加上岩溶區山高坡陡，水土流失嚴重，以及旱澇災害頻繁，使得岩溶區的土地資源更顯珍貴。合理利用有限的土地資源已成為保護岩溶生態環境、實現可持續發展當務之急。為了解決岩溶區普遍存在的乾旱缺水問題，各地都在研究開發岩溶地下水或者其他類型的水資源，利用岩溶地下水解決農田灌溉雖能滿足作物需水量，但岩溶水是Ca、Mg-型水，且地下水水溫在當地年平均氣溫上下變化，這種水對土壤有什麼影響還不清楚。外源水也是岩溶區比較常見的一種水資源，這種水固形物低，pH值低，使用它灌溉會對土壤有何影響?要先回答這些問題，才能更好地、合理地利用岩溶水和外源水資源。為了探討這個問題我們設計了以下模擬實驗。

3.2.3.1 材料和方法

（1）實驗材料

土壤：石灰土采自桂林岩溶試驗場，成土母岩為泥盆系融縣組灰岩。紅壤取自雲南省石林風景區，成土母岩是峨眉山玄武岩。土壤化學成分見表3-6。

表3-6 實驗用土壤主要化學成分（w_B/%）

人工降水：岩溶水取自桂林朝陽鄉雍家村峰叢窪地中的表層岩溶泉。外源水取自桂林附近堯山上的天賜泉。兩種水水化學分析結果見表3-7。

表3-7 實驗用水的主要離子成分及相關指標（ng·L^-1 ）

石灰岩：採用桂林英山融縣組石灰岩，石灰岩粉碎成1～2cm的顆粒，並清洗備用。

（2）實驗裝置

用直徑為20.5cm的PVC管截取成35cm和65cm高的圓桶，在桶的一端用15cm寬的塑料板將其分成等體積的兩個半圓，再將此端焊接在一塊塑料板上，並確保接縫處緊密而不漏水，同時在塑料板上焊接兩個水龍頭，用來釋放土壤溶液（圖3-21）。

（3）實驗方法

在兩個水龍頭處放上透水石，在圓桶底部擋板的一側放10cm厚的石灰岩顆粒，然後分別填上20cm和50cm的石灰土或紅壤（沒有放岩石的一側土壤厚度為30cm和60cm）。實驗設置了6種處理：

A——20cm紅壤澆灌岩溶水；

B——20cm紅壤澆灌外源水；

C——20cm石灰土澆灌岩溶水；

D——20cm石灰土澆灌外源水；

E——50cm紅壤澆灌外源水；

F——50cm石灰土澆灌岩溶水。

第一天各土柱澆灌相同體積的水，第二天收集水樣、分析，由於實驗過程中的意外，實驗處理B部分數據未能獲得。實驗在室內進行，時間為2002年7月17日至9月28日，實驗期間室內氣溫30～22℃。

圖3-21 實驗裝置示意圖

（4）分析方法

Ca²⁺、濃度使用德國產的 Calcium Test和Alkalinity Test測試盒現場測量；

pH值、水溫、電導率用德國產的Mutiline P-3；

氣溫用水銀溫度計；土壤溶液體積用量筒。

3.2.3.2 結果與分析

（1）Ca²⁺動態

Ⅰ.外源水加速土柱Ca²⁺的淋出量和速率

各種處理Ca²⁺淋洗的強度變化具有類似的現象，第一次淋洗出Ca²⁺的量都遠遠高於以後的濃度，這是因為土壤在失去水分後土壤溶液中的溶質並沒有隨水一起散失，而是吸附在土壤膠體表面上，加入水後，溶質重新擴散到水中，再加上在乾燥的土壤上加水，許多水分子被土壤顆粒吸附後變成不流動的水膜，流出來的水量比較小，就這樣造成第一次淋洗Ca²⁺濃度特別高的情況。在隨後的一次或幾次淋洗中Ca²⁺的淋出量都有較大幅度的降低，說明以前殘留的Ca²⁺吸附力弱，容易解吸到水中。此後，Ca²⁺濃度又逐漸升高，基本上在實驗的第15d達到峰頂位置。Ca²⁺濃度峰值的出現與土壤在實驗前受到擾動有關。擾動土壤使膠粒外表面發生變化，原來被膠體牢固吸附的非活性補償離子層可能變成擴散離子層，導致擴散離子的增加，從而在淋洗開始階段形成一個高峰。

隨後Ca²⁺的濃度變化分為兩種情況（圖3-22），一種是不斷下降型，比如B、D、E、F土柱；一種是穩定型，比如A、C土柱。出現這種現象的原因是採用不同的灌溉用水。用外源水灌溉的B、D、E土柱都屬不斷下降型，用岩溶水灌溉的A、C土柱都是穩定型。F土柱屬下降型的原因是它體積大，擴散層吸附的離子數量多，釋放過程比20cm土柱要長，岩溶水的影響退居次要地位。各土柱淋出的Ca²⁺濃度在開始階段區別明顯，高低順序為F＞E＞C＞D＞A＞B，然後差別漸漸變小。體現體積大的土壤離子交換量大。計算各土柱Ca²⁺的改變數發現（表3-8），在灌溉用水體積和淋出溶液體積基本相同的情況下，岩溶水灌溉的土柱（A、C、F）Ca²⁺改變數比外源水灌溉的土柱（D、E）小得多。E、F土柱由於土壤厚度大，Ca²⁺的改變數比A、C、D土柱要大。從此可以得到以下結論：外源水比岩溶水更有利於土壤鹽基離子的淋失。可以預測，如果土壤得到外源水不停地淋洗，土壤的鹽基飽和度會下降；而岩溶水可以補充鹽基離子，對離子的淋洗具有一定的緩和作用。

表3-8 各土柱灌溉引起的Ca²⁺改變數

圖3-22 各土柱Ca²⁺淋失動態

Ⅱ.外源水對土下碳酸鹽岩的溶蝕能力更強

同一土柱淋出溶液的Ca²⁺、濃度差比較復雜，並非體現了土壤水的溶蝕能力。比如A土柱，有墊層和無墊層情況Ca²⁺濃度變化規律是一致的。在高峰階段Ca²⁺濃度有墊層的比沒有墊層的高，然後出現相反的現象，最後還是有墊層的較高。兩邊的變化規律相同，有墊層的一邊在開始階段濃度大於無墊層一邊，後來兩邊的濃度趨於相同。C土柱在Ca²⁺濃度曲線高峰階段兩邊幾乎相等（圖3-23），高峰過後，二者的差距逐漸拉開，有墊層的一邊大於無墊層一邊。濃度的變化與 Ca²⁺相似，不同的是在高峰階段有墊層的一邊反而小於無墊層一邊。有墊層的一半，由於碎石之間的空隙比較大，降水更快地下滲到墊層中，墊層中的溫度平均比無墊層的高0.3℃，有墊層一邊的淋出液pH值平均為7.35，無墊層的一邊pH值為7.74。這些因素的差別都會引起離子交換量的不同，所以Ca²⁺濃度的差異並不僅僅是溶蝕作用引起的。但在各土柱淋溶的最後階段，有墊層的一邊都大於無墊層的，這反映溶蝕作用是存在的。A、C、D、E、F土柱兩邊淋出Ca²⁺的差別列入表3-9，差別最大的是F土柱，其次為D土柱，最小的是A土柱，C土柱差別小於D土柱，說明外源水經過與土壤的相互作用後，溶蝕能力還是大於岩溶水。

圖3-23 A、C土柱有、無墊層的兩邊Ca²⁺、濃度變化比較

表3-9 各土柱溶蝕量

由於在開放的狀態下，CO₂-H₂O-CaCO₃三相不平衡系統與空氣中的CO₂之間要達到新的平衡，所以岩溶水Ca²⁺、在實驗過程中不斷的變化（圖3-24，圖3-25）。剛取的岩溶水Ca²⁺、濃度最高，以後迅速的降低。但岩溶水的這種變化並沒有影響到淋洗出溶液的變化，這是因為土壤對Ca²⁺、具有調蓄的能力，當岩溶水Ca²⁺、較高時，土壤就會吸收一部分離子，當Ca²⁺、離子濃度較低時，土壤釋放離子。土壤的這種調蓄能力可能與土壤穩定的CO₂ 濃度有關，因為當CO₂ 濃度保持穩定時，在水分條件不變的情況下CO₂ -H₂ O-CaCO₃ 三相不平衡系統會對外界的影響做出反應，從而保持在一種平衡狀態。

圖3-24 A土柱土壤淋溶液和降水Ca²⁺濃度變化對比

圖3-25 岩溶水淋溶紅壤時土壤溶液濃度變化

（2）動態

Ⅰ.不同水質對土柱淋出的影響

石灰土和酸性土淋洗出濃度變化具有不同的規律（圖3-26）。石灰土不論是用外源水還是用岩溶水淋洗，在開始階段有一個高峰出現，在外源水灌溉條件下，高峰後濃度呈不斷下降的態勢（D土柱），在岩溶水灌溉條件下，峰值過後濃度下降到某一數值後開始保持穩定。例如，C土柱濃度穩定在3mmol/L左右，F土柱保持在4 mmol/L左右。酸性土也不論是外源水灌溉還是岩溶水灌溉，濃度在開始經歷了一個上升階段後開始保持穩定。例如A、E土柱濃度保持在3.5 mmol/L左右。石灰土淋出的溶液濃度有一個峰，這與Ca²⁺類似，不同的是酸性土淋出的Ca²⁺也有一個峰，原因可能是石灰土和酸性土對 Ca²⁺等陽離子的吸附方式相同，對等陰離子的吸附方式不同。計算各土柱的變化量發現（表3-10），A土柱對是吸收的，其他土柱排放，排放量較大的是用外源水灌溉的D、E土柱，較小的是岩溶水灌溉的C、F土柱，說明外源水對的淋洗能力比岩溶水強。同樣是岩溶水灌溉的A、C土柱對的吸收情況相反。

表3-10 各土柱的變化量

Ⅱ.碳酸鹽岩下墊層對土柱淋出的影響

同一土柱有、無碳酸鹽岩墊層的兩種情況淋出的差異的規律是：酸性土不論是哪種水灌溉，兩種情況淋出的濃度都是逐漸增大後保持穩定，在濃度增大階段，有碳酸鹽岩墊層的濃度比無碳酸鹽岩墊層的大，可能是因為在這個階段的濃度低，溶液具有繼續溶蝕的能力。在穩定階段，已經升高到在現有CO₂分壓下溶液不再具有溶蝕能力的程度，所以兩者基本相同。石灰土在高峰階段有碳酸鹽岩墊層的濃度比無碳酸鹽岩墊層的低，高峰過後，有碳酸鹽岩墊層的濃度比無碳酸鹽岩墊層的高，這是因為，在高峰階段，的主要來源是土壤，有墊層的一半的土壤比無墊層的少，並且濃度太高，溶液基本無溶蝕能力，導致濃度較低，高峰後，濃度降低，開始對墊層產生溶蝕，因此導致有墊層的濃度較高。

圖3-26 各土柱淋洗溶液濃度變化規律

（3）電導率動態

電導率的變化與Ca²⁺相似（圖3-27），說明Ca²⁺在淋出溶液中佔主要地位。所有的曲線都是第一次淋出溶液電導率非常高，然後都出現一個高峰，對於無墊層的情況，峰值最大的是F土柱，最小的是A土柱。高峰過後曲線保持穩定或下降。A、C土柱灌溉的是岩溶水，Ca²⁺和可以從水中得到補充，因此電導率保持穩定，F土柱雖然灌溉的也是岩溶水，但是由於淋洗出的離子濃度大，即使有補充也不能保持平衡，D、E土柱用外源水灌溉，土壤吸附的離子不斷被淋失。

圖3-27 各土柱淋洗溶液電導率變化規律

（4）pH值的變化

各土柱淋出液的pH值相差不大，基本上在7.6～8.0之間波動，顯示土壤溶液偏鹼性（圖3-28）。澆灌的岩溶水pH值平均為7.72、外源水的pH值為6～7。試驗結果顯示，岩溶水澆灌不會引起土壤酸鹼性的顯著變化，而外源水澆灌，土壤淋出液的pH值升高，電導率增大，土壤鹽基離子淋失，增加土壤酸性，但短時間內，土壤pH值變化不大。

圖3-28 各土柱淋洗溶液pH值變化規律

3.2.3.3 幾點認識

（1）外源水對土柱的淋洗作用更強

外源水對石灰土和紅壤具有強烈的淋溶作用，淋溶前後外源水的物質成分與性質發生了很大的變化。石灰土和紅壤淋溶作用發生後外源水Ca²⁺濃度由3.09mg/L平均分別升高到71.4 mg/L、61.9 mg/L，濃度由6.24 mg/L平均升高至201.2 mg/L、127.9 mg/L，電導率由14μs/cm平均升高至374.2μs/cm、301.9μs/cm，外源水對石灰土的淋洗強度大於紅壤，因為不論是Ca²⁺、還是電導率，石灰土淋溶溶液都大於紅壤。這說明石灰土吸附的 Ca²⁺、比紅壤多，且容易發生離子交換吸附。石灰土、紅壤 Ca²⁺、淋溶曲線具有相似的變化規律，說明離子交換吸附的機理相同。石灰土和紅壤的淋溶溶液pH值由6.67升高至7.70和7.74，說明H⁺與其他陽離子發生交換，降低了土壤的鹽基飽和度。

（2）岩溶水淋洗下土壤性質的變化

在Ca²⁺濃度出現高峰的階段，石灰土淋溶溶液Ca²⁺濃度大於紅壤淋溶溶液，在高峰過後至實驗結束前，紅壤淋溶溶液Ca²⁺濃度大於石灰土，在實驗結束時，二者趨向相同。但最終石灰土淋出Ca²⁺比紅壤稍微大一點，濃度和電導率變化具有與Ca²⁺類似的現象，這說明對岩溶水來講，石灰土和紅壤離子交換機理是不一樣的。最終紅壤對是吸附的，對Ca²⁺是解吸的，石灰土的Ca²⁺、在岩溶水淋溶下是流失的，這說明紅壤本身也吸附大量的Ca²⁺，吸附的量較少。

（3）岩、土界面離子交換

岩、土界面環境與土壤環境有區別。一個土柱用一塊板分隔成兩半，一邊是岩、土相接觸的環境，一邊是純粹的土壤環境。兩種環境在空隙體積、溫度、pH值上不同，這種差別會導致離子交換的不同。如果單純地將土柱兩邊淋出Ca²⁺的量差當作是溶蝕作用引起的，那麼，外源水對石灰土下墊層的溶蝕能力強於岩溶水。

（4）土壤厚度對離子交換的影響

土壤厚度增加會引起離子交換量的增加。使用同樣體積的岩溶水淋溶C、F土柱，結果F土柱Ca²⁺的變化量是C土柱的8倍，的變化量是C土柱的4.4倍。

5. 物理模擬實驗儀器選用

根據煤粉產出物理模擬實驗的原理及目的,需要設計可以滿足該實驗要求的儀器裝置。這些要求包括:

(1)滿足模擬地層流體在煤儲層裂隙之間的流動要求;

(2)滿足模擬煤儲層經儲層改造後的裂隙展布效果要求;

(3)滿足模擬煤儲層在含煤地層中的賦存狀態要求;

(4)滿足模擬煤層氣井排水→降壓→采氣的生產模式要求。

通過一系列的摸索與嘗試,確定了該物理模擬實驗儀器裝置的主體系統結構,其中包括計算機監控系統、樣品制備系統、泵送驅替系統、物理模擬系統、煤粉儲集系統、煤粉分析系統、電力動力系統等。

(1)計算機監控系統:主要由計算機操控平台和驅替導流監測平台等組成。計算機操控平台提供半自動半人工化功能服務,通過計算機實現對驅替導流監測平台的操控,可以滿足不同條件下物理模擬實驗的要求。同時,驅替導流監測平台實現流體相態驅替模式、自動調控驅替流速及壓力、實時監測導流狀況及實時記錄排出產物狀況等。

表5-3 煤體結構差異對煤粉產出的影響研究實驗方案

(2)樣品制備系統:主要由制樣模具、升降施壓油缸、平台支架等組成。制備樣品的前期准備工作需要碎樣機、標准樣品篩、電子天平等輔助設備。首先使用碎樣機將煤岩樣品破碎,經過標准樣品篩的篩選,選用一定粒度的煤粉顆粒,依據制樣模具的尺寸形狀,在升降施壓油缸的擠壓作用下,製作煤磚樣,用於煤粉產出物理模擬實驗。該系統需要通過計算機監控系統控制升降施壓油缸,為制樣提供穩定的壓力。

(3)泵送驅替系統:主要由平流泵、儲液容器、驅替液、導流室、無縫鋼導管、法蘭等組成。該系統的工作原理是通過調整平流泵的泵送功率,使其提供一定流速的穩定流體,該流體將儲液容器內的驅替液以同等速率注入導流室內,對導流室中的煤磚進行驅替作用,同時,需要導流室的左右兩側分別安裝進出液孔道,並在進出口端部安裝測壓孔道及相應法蘭。在此過程中,通過驅替導流監測平台調控平流泵的泵送功率、設置驅替作用的周期及數據記錄頻率等參數。

(4)物理模擬系統:主要由煤磚樣、石英砂、導流室、金屬墊片、塑料密封圈、差壓感測器、升降施壓油缸、平台支架等組成。該系統的工作原理是通過在兩塊煤磚中夾持石英砂顆粒進行人工造縫,模擬煤儲層經過儲層改造後的裂隙延展狀態;由泵送驅替系統向導流室內提供一定流速的驅替液,模擬地層流體在煤儲層裂隙之間的流動過程;由計算機監控系統調控升降施壓油缸,使其對導流室內的煤磚產生穩定圍壓,模擬煤儲層在含煤地層中的賦存狀態。該系統是在計算機監控系統、泵送驅替系統及物理模擬系統的相互配合下進行的,由平流泵提供驅替流體,由升降施壓油缸提供擠壓力,由驅替導流監測平台調控記錄驅替液流速、油缸壓力等參數,由金屬墊片和塑料密封圈來保證導流室中煤磚處於密封狀態。

(5)煤粉儲集系統:主要由電子天平、無縫鋼導管、燒杯等組成。該系統的工作原理是收集由物理模擬系統排出的液體及其中煤粉,同時通過驅替導流監測平台對排出液進行實時稱重並儲存數據結果。

(6)煤粉分析系統:主要由激光粒度儀、濾紙、過濾器、恆溫烘乾機、電子天平、顯微鏡、掃描電鏡、X射線衍射儀等組成。該系統的工作原理是採用激光粒度儀對不同實驗條件中產出的煤粉進行粒度分布測試;採用過濾器及恆溫烘乾機將排出液中的煤粉進行過濾烘乾;採用電子天平對乾燥的煤粉顆粒進行精密稱重;採用顯微鏡、掃描電鏡、X射線衍射儀分析煤粉的顯微形態及物質成分。從煤粉的粒度、質量、顯微狀態和物質成分等角度研究煤粉的產出物性特徵。

(7)電力動力系統:主要由配電箱和電動機等組成。該系統為物理模擬實驗設備裝置的其他系統提供電力及動力保障。

圖5-1 煤粉產出物理模擬實驗儀器設計示意圖

根據上述物理模擬實驗儀器裝置功能要求,實驗儀器設計如圖5-1所示。通過調研,在綜合考慮物理模擬實驗的可行性情況下,採用HXDL-Ⅱ型酸蝕裂隙導流儀作為測試儀器。該儀器可以在標准實驗條件下模擬地層壓力及溫度狀態,可以實現氣、液兩相驅替過程,並能評價裂縫的導流能力。其裝置流程如圖5-2所示。根據上述物理模擬實驗裝置的說明,選用的酸蝕裂隙導流儀的主體系統均達到開展實驗的要求,各個裝置部件可以滿足實驗的需求。該儀器的各項參數是參照《SY-T 6302—1997 壓裂支撐劑充填層短期導流能力評價推薦方法》標准而設定的。

圖5-2 酸蝕裂縫導流儀流程示意圖

6. 實驗七 多源匯地下水流動系統設計與演示

一、實驗儀器簡介

多級次地下水流動系統演示儀，包括槽體、降水裝置、排泄管、示蹤管及觀測裝置。槽體內部中空上端開口連有降水裝置，降水裝置包括降水管、進水管和排氣管，管的連接處均設置有閥門，槽體內部設有排泄管。槽體的側面布有示蹤孔和觀測孔，在觀測孔處設置所述觀測裝置，觀測裝置包括有觀測管和測壓板(圖Ⅰ7-1)。

圖Ⅰ7-1 多級次地下水流動系統演示儀

儀器的主要功能: ①使用 3 個降水裝置並用閥門調節降水量，形象地再現地下水3 個不同級次流動系統以及流動系統規模和數量的變化; ②可以設置不同的條件觀察和認識地下水流動系統的特點，理解地下水流動系統的物理機理; ③再現托特關於二維均質各向同性小型潛水盆地地下水流動系統中會出現的局部、中間、區域 3 種不同級次的流動系統。

二、實驗用品與儀器部件說明

1. 多級次地下水流動系統儀。

砂槽主體是 1 個 100 cm × 50 cm × 10 cm 的槽體，頂板留空，內置模擬砂粒介質(必要時可分別模擬滲透性不同的地層) 。

降水系統為 3 個獨立的降水裝置，且在其進水口處安裝轉置流量計用來調節和測量降水量，並設有降水裝置排氣口。上游源、中游源和下游源降水裝置獨立控制補給強度。

排泄系統為 3 個橫穿儀器槽體、周邊均勻布孔的有機玻璃管，為防止排泄管漏砂，管外包有紗網。3 個排泄點 Q1、Q2、Q3從上游到下游 (儀器從左至右) 依次降低。

示蹤系統為 29 個內部加了紗網外徑套有銅管組成的示蹤點，示蹤點外套有中空橡皮頭 (見圖Ⅰ7-1) ，以便刺入供給示蹤劑。注入示蹤劑 (本次實驗示蹤劑為紅墨水) ，可示蹤地下水流線。

觀測系統由砂槽正面 4 排 21 個測壓點、側面 8 個測壓點 (其結構與示蹤點相同)以及測壓板構成，測壓點按行排列編號。

2. 計量降水流量計或抽水蠕動泵。

3. 量筒與秒錶。

4. 各種砂樣。

5. 紅墨水示蹤劑。

三、參考實驗內容 (可自定內容)

本實驗流網繪制用圖如圖Ⅰ7-2 所示。

圖Ⅰ7-2 供選做實驗———流網繪制用圖

1. 兩級流動系統的模擬實驗與設計。

2. 三級流動系統的模擬與設計。

3. 開采條件下流動系統的變化實驗設計與演示。

4. 含透鏡體介質條件的流動系統模擬與演示。

四、實驗要求

1. 選擇一項實驗內容，進行實驗設計。

2. 觀察實驗結果，記錄實驗數據。

3. 分析思考實驗過程與結論，提交實驗報告。

7. 初中生物研究課題

小生態瓶的製作 1 工具： 石蠟、燒杯、電爐和干凈毛筆。 2 製做方法 1）將標本瓶沖洗干凈，裝入約900mL新鮮干凈的河水，再向瓶內放入小蝦和綠藻，然後蓋上瓶蓋。 2）將石蠟放入燒杯內，用電爐升溫使杯內石蠟溶化，再用毛筆取石蠟液把瓶蓋口密封好，使之不透氣。 3）將上述制好的生態瓶放在窗檯上，注意不能受陽光直射，防止水溫升高，導致蝦的死亡。這樣小蝦便可以在此密封的標本瓶內長期生存。 2.實驗原理 在生態瓶內，小蝦以綠藻為食，吸收綠藻光合作用放出的氧氣得以生存。綠藻則依靠自身的葉綠素，利用陽光、水和小蝦呼出的二氧化碳進行光合作用，合成自身需要的葡萄糖，同時放出氧氣。小蝦排出的糞便由細菌分解，分解後的糞便正好是綠藻的肥料。兩者相輔相存，得以長期生存。 3.結論 小小生態瓶實際上是地球生態系統的縮影。在生態系統的教學中，演示生物與環境之間的相互依存關系，生動直觀。該生態瓶製做容易，且可長期使用。 設計並製作小生態瓶，觀察生態系統的穩定性（模擬淡水生態系統） 將少量的植物，以這些植物為食的動物和其他非生物物質放入一個密閉的廣口瓶中，便形成一個人工模擬的微型生態系統——小生態瓶。 實習原理 一個生態系統能否在一定時間內保持自身結構和功能的相對穩定，是衡量這個生態系統的穩定性的一個重要方面。生態系統的穩定性與它的物種組成、營養結構和非生物因素等都有著密切的關系。將少量的植物、以這些植物為食的動物和其他非生物物質放入一個密閉的廣口瓶中，便形成一個人工模擬的微型生態系統——小生態瓶。通過設計並製作小生態瓶，觀察其中動植物的生存狀況和存活時間的長短，就可以初步學會觀察生態系統的穩定性，並且進一步理解影響生態系統穩定性的各種因素。 目的要求 1．初步學會設計並製作小生態瓶。 2．初步學會觀察生態系統的穩定性。 供選擇的材料用具 浮萍、滿江紅、黑藻、生有雜草的土塊、螺螄、蝸牛、蚯蚓、小魚。 河水(或井水、晾曬後的自來水)、洗凈的沙、凡士林(或蠟)、廣口瓶。 方法步驟 根據目的要求和實習原理，設計這項實習的方法步驟，並寫在《實驗報告冊》上。按照自己設計的方法步驟製作小生態瓶，每天觀察一次。如果發現小生態瓶中的生物已經全部死亡，就應當停止觀察。 淺析生態瓶失敗的原因 大家是否還記得生態瓶？它是一個人工模擬生態系統的實驗裝置。其中包括少量的植物，如：浮萍、滿江紅，黑藻等；以這些植物為食的動物，如：小魚、螺螄、蝸牛、蚯蚓等；其他非生物物質，如：沙土、石塊、水、空氣等。這些共同構成了一個微型的生態系統。根據我們所學到的生態系統具有保持其結構和功能穩定性的能力的知識，我們可以推測出小生態瓶可以維持一段相當長的時間。然而，事實卻恰恰出乎我們的推測。這個小生態系統最多也只能在一個月的時間里保持其結構和功能的穩定性。為什麼實驗結果與我們推測的結果會有如此大的差異？小生態瓶失敗的原因到底是什麼呢？ 我認為有兩方面的原因： 一方面、該生態系統的流動性非常差。大家應該知道在生態瓶做好之後，要用凡士林或者石蠟把生態瓶密封，使其與外界隔離開，這就使外界的空氣流動、水流動等影響不到瓶內， 並且小生態瓶做好之後，只是將其放在陽光下，而不會時常去晃動瓶子，因此可以說小生態瓶中的空氣和水幾乎是不流動的，這就好比一潭死水—毫無生機，生態瓶中的生物必然會死亡，只不過是時間的長短問題。而我們所生存的地方地球——這個穩定性較好的生態系統，它的流動性就非常好。時時刻刻都有大陸風，城市風等氣流帶動空氣流動；洋流、河流等水流帶動水流動；降雨、降雪等帶動物質流動。這不間斷的流動就使得整個生態系統充滿了生機和活力，打個不恰當的比方說，流動性就好像人體的血液循環。大家都知道隨著血液循環的進行人體的各組織細胞進行著氧氣和二氧化碳的交換，營養物質與非營養物質的交換等。這樣人體的各項生理功能能夠正確有序的進行。但假如人體的血液循環突然停止，那麼人也將很快走向死亡，正如我們所說的小生態瓶一樣走向失敗。 另一方面，該生態系統的物質循環不暢，大家應該還記得實驗結果中有一項使測量小魚增重多少。現在讓我們做個大膽的假設。假設小魚的體重增加了0.1g，並且全部都是葡萄糖（C6H12O6），則至少需要碳原子2.26×1021個，氫原子4.25×1021個，氧原子2.26×1021個，假設小生態瓶的體積為250ml，且全為空氣——當然這是不可能的，則可算出小生態瓶中空氣中的氧原子個數最多為2.96×1021個，也就是說，如果小魚增重0.1g葡萄糖，則幾乎要耗掉瓶內空氣中的氧原子的80%。所以後來必然會出現缺氧的情況，而小魚也必然走向死亡。而我們所處的地球，雖然說也有不少物質流向生物，但同時也有不少死亡的生物被微生物分解成無機鹽重新回到無機界，使得整個生態系統基本上保持著一個動態的物質平衡。因為地球上的生物是如此的多。僅僅人就有60億多，幾乎每秒鍾都有人死亡或者出生。我還聽說過這樣一件事，某村農民王某不懂得科學種田，在分到一塊肥沃的土地之後，連續好幾年種土豆，但收獲之後不及時補充損耗的物質。結果便是他頭一年收成非常好，而後幾年收成都非常差。後來他在農技人員的指導下，及時補充損耗的物質，結果，收成恢復到和頭一年差不多的水平。後來他了解到前幾年收成不好是因為他長時間在同一塊土地上種植土豆，使土豆所必需的幾種物質在原來豐富的土地中嚴重減少，又不及時使物質循環恢復正常，而我們所說的小生態瓶不也是這樣嗎？瓶子使瓶內的物質與外界的交換停止，而瓶內的物質又不斷地流向動物和植物，從而導致物質循環受阻，則小生態瓶必然會走向失敗。 總之，我認為小生態瓶失敗的原因有兩個，一個是生態瓶內的流動性差，另一個是物質循環的不暢。 銅陵三中高二理科實驗班 吳勇 指導老師：楊春生 設計並製作小生態瓶，觀察生態系統的穩定性 小生態瓶，是一個人工模擬的微型生態系統。它可以是模擬的微型池塘生態系統，也可以是模擬的微型陸地生態系統。本文就模擬的微型池塘生態系統為例，介紹小生態瓶設計的要求、製作和觀察的方法。 一、小生態瓶的設計要求 1．生態瓶製成後，形成的生態系統必須是封閉的。 2．生態瓶中投放的幾種生物，必須具有很強的生活力，必須能夠進行物質循環和能量流動，能使其在一定時期內保持穩定。 3．生態瓶的材料必須透明，可以讓裡面的生物得到陽光，並便於觀察。 4．生態瓶宜小不宜大，瓶中的水量應占其容積的4／5，要留出一定的空間，儲備一定量的空氣。 5．小生態瓶的採光，以較強的散射光為好，不能採用強烈的直射光，否則瓶內水溫過高，會導致水生植物死亡。 二、小生態瓶的製作方法 1．材料用具 水草（如茨藻）、水生小動物（如椎實螺、環棱螺）、水、砂子、玻璃瓶（如標本瓶、大試管或醫用葡萄糖注射液瓶）、凡士林。 2．方法步驟 ①瓶子處理：洗凈標本瓶，並用開水燙一下瓶子和瓶蓋。 ②放砂注水：在瓶中放入1cm厚的砂子，再加水至瓶子容積的4／5。 ③投放生物：待瓶內水澄清後，放入水草和水生動物。 ④加蓋封口：瓶子加蓋，並在瓶蓋周圍塗上幾上林。 ⑤粘貼標簽：在瓶上貼標簽，註明製作日期、製作者姓名． ⑥放置瓶子：將製作好的小生態瓶，放於陽面窗檯上（以後不要再隨意移動其位置）。 三、對照實驗 生態系統穩定性，要受組成該生態系統的生物因素和非生物因素的影響。為了探索人工模擬的微型池塘生態系統的最佳組成，使其維持較長時間的穩定性，可以多設計幾組對照實驗，每個對照實驗中，只變動其中一種因素。如果欲探索哪種小螺對維持該生態系統的穩定性更為重要，則又可增加一倍的實驗組合。即前14組為椎實螺，新增加的14組為環棱螺。 四、觀察 1．每天觀察1次，並做好記錄。 2．判別水草和小螺存活的標准。 水草綠色為生活狀態，發黃、變黑，而且柔軟下沉，即為死亡。小螺外殼灰綠，能運動，為生活狀態；外殼變白，而且浮起，即為死亡。 五、說明 在放有河水的封閉生態系統中，除了有投入的水草和小螺外，河水中還有單胞藻，原生動物和其他微生動物，而且水中還溶解有各種礦質元素，這是一個完整的生態系統，但也是一個營養結構極為簡單的生態系統。 投入的椎實螺，用腹足爬行瓶壁，以齒舌刮取瓶壁上生長的綠藻為食。環棱螺雜食。 六．實驗結果分析 實驗結束之後，應對結果作出分析。分析實驗成敗的原因；分析小生態瓶中維持生態系統穩定性的原因。如果設計多組實驗，則應進行結果比較，找出最佳設計方案。
轉載來的~希望你能滿意

8. 物理沉積模擬研究歷史及現狀

沉積物理模擬研究始於19世紀末期，至今己走過了逾百年坎坷不平的研究歷程。可將沉積模擬研究分為三個階段：即19世紀末至20世紀60年代的初期階段、20世紀60年代至80年代的迅速發展階段和90年代以來的半定量研究及湖盆砂體模擬階段，每個階段都有其研究重點和熱點。可以認為，20世紀60年代以後的沉積模擬研究成果推動了不同學科的交叉與繁榮，促進了實驗沉積學的飛速發展，奠定了現代沉積學的基礎。

（一）沉積物理模擬技術的研究歷史

1.以現象觀察描述為主要研究內容的初級階段

19世紀末，笛康（Deacon，1894）首次在一條玻璃水槽中觀察到泥砂運動形成的波痕，並對其進行描述。吉爾伯特（Gilbert，1914）第一次用各種粒徑的砂在不同的水流強度下進行了水槽實驗，較詳細地觀察和描述了一系列沉積現象和沉積構造，他當時描述的砂丘後來被其他研究者命名為不對稱波痕。此後在20世紀四五十年代，愛因斯坦（Einstein，1950）、布魯克斯（Brooks，1965）、伯格諾爾多（Bagnold，l954，1966）等亦完成了一些開拓性的實驗，並建立了實驗沉積學的一些基本方法，但這一時期的實驗內容總體比較簡單，多以實驗現象的觀察和描述為主，缺乏理論分析和指導。西蒙斯和理查德森（Simons et al.，1961，1965）關於水槽實驗的系統研究報告在沉積學界引起震動，應看做是該時期實驗研究的代表性成果。

Simons的實驗是在一長為150ft、寬8ft、深2ft的傾斜循環水槽上進行的，水槽的坡度可在0～0.013°之間變化，流量變化范圍為2～22ft³/s。此外，Simons等人的特殊研究還用到一個長60ft、寬2ft、深2.5ft的較小的傾斜循環水槽，小水槽的底坡可在0～0.025°之間變化。2ft寬的小水槽中進行特殊研究是為了確定黏度、河床質密度和河床質的分選情況在沖積河道流動中的重要作用而進行的。

Simons給出了8ft寬的大水槽中用到的河床質的粒徑分布和2ft寬的小水槽中用到的河床質的粒徑分布。除特別規定外，粒徑分布均以沉降粒徑表示（Colby，1964），這一分布曲線是建立在試驗研究期間和試驗研究之後對隨機抽取的大量砂樣進行粒度分析的基礎之上。

Simons和Richardson自1956、1965年完成了一系列的實驗，每次試驗的一般步驟是：就一給定的水-泥砂混合物流量進行循環，直到建立起平衡流動條件為止。Simons把平衡流動定義成這樣的一種流動，即除進出口效應波及的范圍不計外，在整個水槽上流動所確立的床面形態和底坡與流體流動和河床質特徵相一致，也就是說，水流的時均水面坡度為一常數，並與時均河床底坡平行，而且河床質流量的濃度為一常數。注意，Simons等在此特別強調，這里不應把平衡流動與恆定均勻流動的概念混淆起來，因為對於水砂平衡流動，流速在同一空間點以及從這一空間點到另一空間點都可以變化。即除平坦底形外，在沖積河道中並不存在經典定義的恆定均勻流的情況。

2.以沉積機理研究為主要內容的迅速發展時期

20世紀60～80年代，隨著科學技術的發展，模擬實驗的裝備及技術日趨完善，實驗內容己不僅僅局限在沉積現象的觀察與描述方面，而深入到沉積機理的研究。

Schumm（1968，1971，1977）和Williams用水槽實驗研究了凹凸不平的底床對流量變化的反應；Kailinske（1987）、Cheel（1986）、Fraser（1990）、Bridge（1981）、Leeder（1983）、Luque（1974）、Crowley（1983）、Bridge（1988，1976）、Yalin（1979，1972）、Coleman（1973）、Dietrich（1978）、Bridge et al.（1976）、Saunderson（1983）和趙霞飛（1982）從室內到野外研究了各類底形的生長情況；麻省理工學院地球和行星科學系的蘇薩德與他的同事博格瓦爾（Southard et al.，1973）用一條長6m、寬17cm、深30cm的傾斜水槽進行了從波紋到下部平坦床砂的實驗研究，繼而在1981年，又與加拿大學者科斯特羅（Costello et al.，1981）合作，在一條長11.5m、寬0.92m的水槽中用分選很好的粗砂研究下部流態底形的幾何、遷移和水力學特徵。Southard（1971）還與新澤西州立大學地質科學系的埃施里（Ashley，1982）分別用水槽模擬爬升波紋層理的沉積特徵，應用水深和平均速度來表徵在鬆散泥砂河床的明渠均勻流中的床面形態，如果以無因次水深、速度和粒徑（或者以這三個變數本身）為坐標，便可得到一種三維空間曲面圖形，圖中各點可能的床面形態具有一一對應的特點。

這一時期有三個學者值得提及，他們是J.B.Southand、J.R.L.Allen和J.L.Best，由於他們的出色工作，使沉積學科有了穩固的基礎，也使沉積模擬研究煥發了新的生命力。

本階段後期，模擬實驗的內容已十分廣泛，如濁流模擬實驗、風洞模擬實驗、風暴模擬實驗等。這些模擬實驗不僅促進了沉積學理論的發展，而且對油氣勘探開發具有重要的實際意義。例如美國地質調查局自20世紀70年代開始用風洞實驗研究風成砂丘的特徵，並深入研究砂層的滲濾特徵，從而為研究採收率服務。風洞實驗也經歷了漫長的歷程，40～60年代，風洞實驗主要用於研究砂和土壤的搬運機理，學者有伯格諾爾多（Bagnold，1914）、切皮爾和烏德拉夫（Chepil et al.，1963）等，70～80年代，風洞實驗已用於風成沉積構造和形成機理的研究。邁克等（Mckee et al，1971）用風洞實驗研究了風成砂丘背風面由滑塌作用形成的各種變形構造，弗里傅格和施恩克（Fryberger et al.，1981）的風洞實驗有了進一步發展，這個風洞由一個槽和盆組成，槽長4.27m，寬61cm，高45.7cm，盆長4.27m，寬61cm，高1.83m。這項實驗著重研究波痕、滑塌和顆粒降落形成的沉積特徵，並描述它們的形成條件。60年代以後，濁流模擬實驗也越來越受到重視，從事這方面工作的有米德爾頓（Middleton，1976b，1976，1977）、里德爾（Riddell，1969）和拉瓦爾等（Laval et al，1988）。70年代的模擬實驗雖有所深入，但還未能利用數學模型來預測砂丘規模（包括長度和厚度）的變化。雖然塞利（Selley，1979）和艾倫（Allen，1976）曾提出過充滿希望的方法，但未能在控制條件下，用這些方法詳細而准確地預測底形變化。

這一時期，從事實驗研究的學者還有拉斯本等（Rathbun et al，1969）、威廉姆斯（Williams，1967）、李斯（Rees，1966）等。

3.以砂體形成過程和演化規律為主要研究內容的湖盆砂體模擬階段

20世紀80～90年代，沉積模擬研究進入了以砂體形成過程和演化規律為主要研究內容的湖盆砂體模擬階段。該階段不僅注重解決理論問題，更注重解決實際問題，與油氣勘探開發結合起來。

如果仔細研究20世紀80年代以前的實驗內容及國外文獻，不難發現，在此之前沉積模擬實驗存在的問題主要有三個方面：一是實驗條件，以前的水槽實驗多採用分選好的砂，忽視粉砂和礫的沉積作用；另外，實驗過程多採用均勻流，忽視非均勻流；多在穩定狀態平衡條件下進行，忽視非穩定狀態的影響，而這些被忽視的因素正是自然環境下普遍存在的底床形成條件。二是實驗內容，以前的水槽實驗主要模擬河流及濁流的搬運與沉積作用，對盆地沉積體系和砂體展布的模擬實驗以及對砂體規模和延伸的定量預測則不夠或者說基本沒開展此方面的研究。三是實驗目的，以前的水槽實驗主要著眼於沉積學基礎理論的研究，對實際應用考慮不多，其原因就在於從事這方面的實驗有許多實際困難，例如，做礫級沉積物的實驗需要更寬、更深、流量更大的水槽，做粉砂級實驗需要更嚴格的化學和物理條件，做大型盆地沉積體系的模擬實驗耗資大，需要更高級的技術裝備和控制系統等。

20世紀80年代之後，針對上述方面存在的嚴重不足，各國實驗沉積學家調整研究思路，克服重重困難，在盡量保持原有特色的基礎上，或對原有的實驗室結構進行較大規模的改造或重新建立適合於砂體模擬的大型實驗室。值得提及的有下面三個。

1）科羅拉多州立大學工程研究中心的大型流水地貌實驗裝置。該實驗裝置主要模擬河流沉積作用，同時可模擬天然降雨對河流地貌的影響，以及在不同邊界條件下河床變形規律、單砂體的形成機制等。美國許多實驗沉積學家在該實驗室完成了一系列實驗（Baridge，1993；Bryant，1993），我國訪問學者賴志雲教授也在此完成了鳥足狀三角洲形成及演變的模擬實驗。

2）瑞士聯邦工業學院Delft模擬實驗室。該實驗室隸屬於荷蘭河流和導航分局，是一個較現代化的實驗室。為了從事應用基礎研究，該室專門建成了一個大型水槽，水槽用加固混凝土建造，觀察段由帶玻璃窗的鋼架構成。水槽總長98m，寬2.5m，帶玻璃窗段長50m，測量段長30m，測量段寬為0.3m和1.5m。沒有沉積物時的最大水深為1m。水槽周圍安裝了各種控制和測量裝置，微機和微信息處理機能自動取得數據和自動改變各種邊界條件（如流量）等。在玻璃窗段的上方架設軌道，供儀器車運行。

儀器車上安裝了三個剖面顯示器和一個水位儀，這樣可以測量三條縱向底床水平剖面，通常一條位於水槽中間，另兩條位於距槽壁1/6槽寬處。記錄的資料由微機收集、儲存和計算，最後輸出成果。1983年，該室的項目工程師Wijbenga和項目顧問Klaasen用這個裝置研究了在不穩定流條件下底形規模的變化，資料處理以後，針對每個過渡帶，自動繪出水深與時間、砂丘高度與時間、砂丘長度與時間的關系曲線，從而確定底形規模的變化規律。歐洲學者在此完成了小型沖積扇和扇三角洲形成過程的模擬實驗，取得了一些定性和半定量的成果。

3）日本築波大學模擬實驗室。該實驗室長343m，寬數米（具體數字不詳），自動化程度較高，監測設備相對齊全，分析手段比較先進，相繼完成了海浪對沉積物的搬運和改造、飽和輸砂及非飽和輸砂的河流沉積體系、湖泊沉積與水動力學等一系列實驗，有一批世界各地的客座研究人員，定期發布研究成果。

由此看來，20世紀80～90年代沉積模擬有兩個特點，一個是逐漸由定性型描述向半定量或定量型研究轉變，另一個是由小型水槽實驗轉向大型盆地沉積體系模擬。

（二）國內沉積物理模擬技術的發展現狀

1.國內沉積物理模擬研究的基本概況

1985年以前，我國的水槽實驗室主要集中於水利、水電和地理部門的有關院校和研究單位，從事泥砂運動規律、河道演變和大型水利水電樞紐工程等的實驗研究。70年代末，長春地質學院建成了第一個用於沉積學研究的小型玻璃水槽，這個水槽長6m，高80cm，寬25cm，主要研究底形的形成與發展。80年代，中國科學院地質研究所也用自己的小型水槽做了一部分研究工作。這是我國曾經僅有的兩條以沉積學研究為主而建立的水槽，雖然在研究內容、深度和廣度上與國際水平相比還有一定差距，但為我國沉積模擬實驗的發展邁開了第一步。

隨著沉積學理論的發展和科學技術必須轉化為生產力的需要，我國的油氣勘探開發形勢對定量沉積學、儲層沉積學和沉積模擬實驗提出了一些急待解決的實際問題。多年來，在我國東部陸相斷陷湖盆的研究中，一直存在一些爭論不休的問題，如湖盆陡坡沉積體系、扇三角洲、水下扇的形成條件和分布規律以及裂谷湖盆與坳陷湖盆沉積體系的區別等，都期待著沉積模擬實驗予以驗證；不同類型的單砂層的形態、規模和延伸方向等也需要沉積模擬實驗予以合理預測。因此，1985年以後，許多沉積學家積極呼籲：根據當前世界沉積學發展的動向以及我國油氣勘探開發的生產實際和今後發展的需要，應建立我國的沉積模擬實驗室。專家認為，該實驗室應以模擬陸相盆地沉積砂體為主要對象，以儲層研究為重點，解決生產實際中的問題，以陸相湖盆中砂體的分布、各類砂體規模和性能的定量預測、提高勘探成功率和開發效益為主要目標；此外，實驗室的建立還應兼顧沉積學的各項基礎研究，為人才培養、對外交流等提供條件，推動我國沉積學理論的發展，並逐步發展成為面向全國的沉積模擬實驗室。這一實驗室的建立也是理論研究轉化為生產力的重要手段，是與世界范圍內油氣勘探開發中以儲層為主攻目標的動向相一致，於是CNPC沉積模擬重點實驗室便應運而生。

2.CNPC沉積模擬重點實驗室實驗裝置簡介

（1）裝置規模

CNPC沉積模擬重點實驗室實驗裝置長16m，寬6m，深0.8m，距地平面高2.2m，湖盆前部設進（出）水口1個，兩側各設進（出）水口2個，用於模擬復合沉積體系，尾部設出（進）水口一個。整個湖盆採用混凝土澆鑄，以保證不滲不漏。湖盆四周設環形水道。湖盆屋頂採用槽鋼石棉瓦結構，能夠保證實驗過程不受天氣變化的影響並有利於採光。

（2）活動底板及控制系統

活動底板系統是實驗室的重要組成部分。針對我國東部斷陷盆地的實際情況，沒有基底的升降，便不能產生斷裂體系，構造運動便不能模擬，構造對沉積控製作用的模擬便不能實現，實驗室的功能和作用將大大降低，因此，在湖盆區設置活動底板是必要的。

實驗室活動底板區由四塊活動底板組成，每塊活動底板面積2.5m×2.5m=6.25m²，活動底板能向四周同步傾斜、非同步傾斜、同步升降、非同步升降。活動區傾斜坡度arctan 0.35、上升幅度10cm、下降幅度35cm、同步誤差小於2mm。每塊底板由四根支柱支撐，不漏水不漏砂，而且運動靈活可靠，基本滿足實驗要求。

活動底板的控制由16台步進電機、16台減速機、四台驅動電源、計算機及電子元器件實現，由計算機輸出脈沖數控制步進電機轉動，並轉化為活動底板的升降。步進電機的最大優點是可以精確控制運動狀態，升降速度可根據需要調整，從而滿足自然界地殼運動特點的要求。

（3）檢測橋驅動定位系統

為了對砂體沉積過程實施有效監控，並便於砂體檢測，目前在湖盆上設置一座6m跨度、1m寬度的檢測橋。測橋具有以下幾個功能：①測橋可在縱向16m范圍內自由移動並自動定位，導軌和測橋的機械誤差小於2mm，以保證達到高精度砂體形態檢測的要求；②測橋一端設置控制平台，以便控制測橋的自動定位和自動檢測；③測橋上設置一套CCD激光光柵檢測系統，整個系統可橫向移動6m，用於疊加檢測，以提高測量精度；④測橋中部設置一個檢測小車，可在6m跨度內移動，對砂體沉積過程進行掃描。

3.中國石油大學（華東）沉積學水槽實驗室簡介

斷陷盆地是我國東部地區中新生代以來形成的一類典型的陸內裂谷盆地，蘊含豐富的油氣資源。隨著油氣勘探重點向地層、岩性油藏的轉移，斷陷盆地內部的濁積岩砂體也成為隱蔽油氣藏勘探的重要領域。然而，由於斷陷盆地濁積岩砂體的形成和分布受到多種因素的影響，形成過程又具有一定的突發性，致使目前對其的認識仍停留在通過地震、鑽井資料的定性分析階段，對其成因和動力學機制認識不深刻，也沒有形成能夠有效預測的方法。而物理沉積模擬可以再現濁積砂體的形成過程、發展演化規律，從而建立流體流動模型，預測砂體形態和分布規律，探討濁積砂體發育的控制因素。中國石油大學（華東）沉積學水槽實驗室正是在此前提下建立起來的。

中國石油大學（華東）沉積學水槽實驗室始建於2002年，由實驗水槽、加砂槽和內置底形模板三部分組成，經過多次改造，成功進行了斷陷盆地陡岸砂礫岩體、扇三角洲、三角洲前緣滑塌濁積體、震濁積岩等實驗模擬。實驗水槽內壁長5m、寬2m、高1m，長軸側壁為玻璃，便於觀察和照相，短軸側壁及底面均為厚25cm的水泥壁，整個水槽置於高40cm的底座之上。短軸側壁一端裝有進水口，另一端裝有出水口，進水口處外接一加砂槽，沉積物與水同時由加砂槽注入水槽。水槽內放一活動金屬支架，支架表面鋪設鐵板，用來模擬原始底形，通過升降控制桿可調節底形坡度。支架上固定一金屬管，作為震源觸發點，通過施加外力敲擊金屬管模擬震動的發生（圖10-1，圖10-2）。

圖10-1 水槽模擬實驗裝置剖面圖（單位：cm）

（三）沉積模擬研究的發展趨勢

20世紀90年代以後，沉積物理模擬技術出現了一些新的發展動態和趨勢，這些發展趨勢可概括為以下五個方面。

1.物理模擬與數值模擬的日益結合

沉積模擬研究經過了一個世紀的發展歷程，取得了一批優秀的學術成果。然而這些成果主要集中在物理模擬研究方面，隨著計算機在地學領域內的普遍應用，碎屑砂體沉積過程的數值模擬研究正逐漸發展成為沉積模擬技術的一個重要分支，並且日益與物理模擬相互滲透，二者相輔相成，相互依賴，相互促進。碎屑沉積過程的物理模擬與數值模擬的多層面結合是沉積模擬技術的一個重要發展方向。通過物理模擬與數值模擬的結合，數值模擬研究可以擺脫人為因素的干擾，物理模擬過程可為計算機數值模擬提供定量的參數，使數值模擬有可靠的物理基礎，更接近於油田生產實際，從而更有效地指導油氣勘探開發。

圖10-2 水槽模擬實驗裝置立體圖（單位：cm）

數值模擬之所以正逐漸發展成為沉積模擬技術的一個重要分支，是因為碎屑砂體形成過程的數值模擬與物理模擬相比，數值模擬具有一些突出的優點，具體表現在以下四個方面。

1）數值模擬的所有條件都以數值給出，不受比尺和實驗條件的限制，可以嚴格控制井隨時間改變邊界條件及其他條件；

2）數值模擬具有通用性，只要研製出適合的應用軟體，就可以應用於不同的實際問題，因而數值模擬具有高效的特點；

3）數值模擬還具有理想的抗干擾性能，重復模擬可以得到完全相同的結果，這是物理模擬難以達到的；

4）隨著計算機的迅速升級換代，功能不斷加強，成本不斷降低，相對來說費用比較便宜。

2.提供勘探早期儲層預測的新方法

在一個盆地或區塊勘探早期，一般鑽井較少，僅有幾口評價井，但是往往有比較詳細的地震資料。通過地震資料的解釋，可以明確盆地或區塊的邊界類型及條件以及沉積體系的類型，結合鑽井資料，可以建立概念化的地質模型，並抽取主要控制因素建立物理模型，在物理模型指導下就可開展物理模擬實驗。由物理模擬提供的參數可以開展數值模擬研究，從而可以較准確地預測盆地沉積體系的展布規律以及優質儲層的分布，為勘探目標的選擇提供依據，這是沉積模擬研究為油氣勘探開發服務的一個重要方面，並成為沉積模擬技術發展的一個顯著趨勢。

3.提供開發後期砂體非均質性描述的新技術

油田開發後期一般靜動態資料較多，可以利用較豐富的油田開發生產資料，建立精細的地質模型，分砂層組或單砂層開展模擬實驗，並把實驗結果與已有的靜動態資料進行對比，如果在井點上實驗結果與靜動態資料所反映的砂體特徵吻合程度較高，就可以認為實驗結果是可靠的。對於井點之間原型砂體的特徵可由實驗砂體（模型砂體）對應井點之間的特徵來描述，從而定量預測井間儲層分布和非均質特徵以及剩餘油的分布規律，這是沉積模擬技術發展的另一個重要動向。

4.與儲層建築結構要素分析方法的結合

儲層構型要素分析方法的實質是儲層的層次性，層次性是儲層形成過程的一個重要特徵，也是地質現象的普遍規律。每個層次都具有兩個要素，即層次界面和層次實體（林克湘等，1995）。沉積模擬實驗的主要優勢就是可以按形成過程的時間單元詳細地描述這些界面的形態、起伏、連續性、分布范圍和厚度變化以及它們所代表的級別，並與現代沉積和露頭調查成果相互印證，建立儲層預測的地質知識庫和儲層參數模型，提出砂體形成和分布的控制因素以及演變的地質規律，這是其他研究方法所不具備的。近些年，國內外的部分文獻都在努力探索二者結合的可能性（Miall，1985，1988），並取得了一些創新性成果，形成沉積模擬技術發展的一個新動向。

5.與流動單元劃分及高解析度層序地層研究相結合

油氣田開發後期，研究剩餘油分布規律的一個重要手段就是對流動單元進行重新劃分和識別。在該過程中，高解析度層序的研究是基礎，近來沉積模擬技術也在該項研究中擔當相當重要的角色。因為高解析度層序地層研究的關鍵就是對等時界面進行精細劃分，而沉積模擬技術正好具備這一優勢，無論是砂體形成過程的物理模擬實驗或是數值模擬研究都可以提供砂體形成過程中任一階段的時間界面以及該時間段內的儲層分布和內部結構特徵，同時可以指出下一時間段內的儲層演化趨勢及生長變化特徵。所以說，沉積模擬技術與高解析度層序地層研究相結合，必將在細分流動單元和剩餘油預測方面顯示出強大的生命力。國內外不少學者在以不同方式開展此方面的工作，有理由相信，在未來幾年內該方法會發展成為剩餘油分布預測的一項實用技術。

綜上所述，進入21世紀後，沉積模擬研究除了保持其原有的沉積學理論研究的優勢之外，主要的發展趨勢是與計算機及其他地質研究方法相結合，在預測儲層生長變化及演化趨勢方面形成綜合性的實用技術。