地震断层带岩石的断层面形貌测量系统

摘要

本发明公开了一种地震断层带岩石的断层面形貌测量系统，包括：运动扫描单元与控制单元相耦接，用于接收所述控制单元的信号，并将运动过程的坐标信息通过所述运动单元传递给数据采集单元；控制单元与运动扫描单元和数据采集单元相耦接，用于发送控制信号给所述运动扫描单元和数据采集单元，并接收所述运动扫描单元发送的所述坐标信息传递给数据采集单元；数据采集单元与控制单元相耦接，用于接收发送来的所述坐标信息并结合发送来的控制信号进行采集和存储。本发明解决了实验室物理模拟实验中无法对实验样品断层面形貌进行精细化、定量化描述等问题，并且能够保证数据的高分辨率和准确性。

说明书

技术领域

本发明涉及断层面形貌测量领域，尤其是一种对野外以及实验室物理模拟 的地震断层带岩石的三维断层面形貌扫描系统。

背景技术

地震时大部分断层位移发生在断层带内的主滑动面上，断层表面形貌是 断层活动的产物并随断层活动而演化。准确描述天然断层面形貌对断层破裂 性质和断层力学研究具有重要意义。断层表面形貌影响着断层滑动机制，在 控制断层滑动方式方面扮演着重要角色，这对于实验室内的物理模拟过程同 样重要。

在粘滑理论的研究中，也注意到断层面粗糙度及断层形貌特征的影响， 这有助于加深对摩擦面应力分布非均匀性的理解。然而，在以往的物理模拟 实验中，很少有人对实验样品表面粗糙度进行定量化的系统研究。缺乏高精 度的粗糙度或者表面起伏量测量设备，没有适当的断层表面形貌表达指标参 考。

容易想到，在这种断层面形貌定量化研究中，需要有高精度的形貌测量 设备进行测量，且该形貌设备有三个关键问题需要解决：

首先，要确定样品扫描区域，并能准确定位扫描区域，实验样品及野外 手表本尺寸范围100mm×500mm。

其次，要在选定的扫描区域内对断层面形貌的精确描述，并要确定扫描 间隔以及实现扫描过程的时变控制；

再次，保证扫描分辨率达到微米量级，以保证断层形貌变化的精度。

而现有野外研究中常采用3D激光扫描仪对野外断层进行扫描，扫描范 围大，但最好的扫描仪的分辨率为2mm，能把握全局的基本形态，不足以 进行细节研究。对于实验室研究则常用电子探针(扫描范围仅几毫米)或者 高精度激光测距仪也仅能在小测量范围内测量精度20微米量级上扫描。

现有的野外激光扫描仪的测量方式在准确性、稳定性方面不满足科学研 究的精确性、复杂性等要求。现有成熟的电子探针技术，虽可满足精确性要 求，但其结构和工作方式不适于长期运行及基于实验样品尺寸的整体扫描， 且需要复杂的样品加工工艺，大大增加了实验资金需求和耗能成本。所以如 何解决上述三点关键问题并实现相应的效果，便成为关键内容。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种地震断层带岩石的断层面形貌测量 系统，以解决实验室物理模拟实验中无法对实验样品断层面形貌进行精细化、 定量化描述等问题。

为了解决上述问题，本发明提供了一种地震断层带岩石的断层面形貌测 量系统，包括：运动扫描单元、控制单元和数据采集单元；其中，

所述运动扫描单元，与所述控制单元相耦接，用于接收所述控制单元的信 号，并将运动过程的坐标信息通过所述运动单元传递给所述数据采集单元；

所述控制单元，与所述运动扫描单元和数据采集单元相耦接，用于发送控 制信号给所述运动扫描单元和数据采集单元，并接收所述运动扫描单元发送的 所述坐标信息传递给所述数据采集单元；

所述数据采集单元，与所述控制单元相耦接，用于接收该控制单元发送来 的所述坐标信息，并结合发送来的控制信号进行采集和存储。

进一步地，其中，所述运动扫描单元包括：二维平移台、激光位移传感器、 隔振光学平台和可调节支架台；其中，

所述二维平移台，与所述激光位移传感器、隔振光学平台和可调节支架 台相连接，该二维平移台包括：两个方向垂直且基本结构一致的滑轨、显示 前位移坐标的两个光栅尺以及为所述滑轨提供动力的两个伺服电动机组合 而成；

所述激光位移传感器，设置在所述二维平移台下方，其用于测量被测样 品的表面起伏及粗糙度变化；

所述隔振光学平台，设置在所述二维平移台的正下方，为采用四柱支撑 的平台；

所述可调节支架台，与所述二维平移台和隔振光学平台相连接。

进一步地，其中，所述激光位移传感器包括：激光探头和控制器；所述激 光探头为位移分辨率0.5微米、量程10mm、采样频率4KHz的激光探头。

进一步地，其中，所述控制单元，进一步用于接收所述运动扫描单元发送 的坐标信息以及与该坐标相对应的激光位移传感器的测距数据进行结合产 生三维坐标信息，将该三维坐标信息发送给所述数据采集单元。

进一步地，所述可调节支架台，包括两部分，其中，

第一部分包括：固定所述二维平移台的竖直框架和连接该二维平移台的 转接板组合而成；

第二部分包括：可调节高度及倾斜度的水平实验台、四个支撑该水平实 验台的带螺纹支柱、四组固定该水平实验台与带螺纹支柱的调节螺母、为该 水平实验台提供中间承托柱、以及水平及倾斜测量仪组合而成。

进一步地，所述控制单元，进一步包括：二维平移台控制器、激光探头 控制器和计算机模块；其中，

所述二维平移台控制器，与所述计算机模块相连接，用于接收所述计算 机模块的指示信息，根据该指示信息控制所述运动扫描单元进行单方向或双 向同时运动，同时获取所述运动扫描单元发送的坐标信息，记录并发送该坐 标信息给所述计算机模块；

所述激光探头控制器，与所述计算机模块相连接，用于接收所述运动扫 描单元发送的位移信息，并传输给所述计算机模块；

所述计算机模块，与所述二维位移平台控制器和激光探头控制器相连 接，用于发送指示控制信息给所述二维位移平台控制器和激光探头控制器， 对被测试件进行扫描，并接收、存储所述二维位移平台控制器反馈的所述坐 标信息以及所述激光探头控制器反馈的所述位移信息，然后结合形成运动点 的三维坐标信息发送给所述数据采集单元。

进一步地，所述坐标信息为双向的光栅尺的位移表征运动点的X、Y坐 标信息。

进一步地，所述激光探头控制器，进一步用于接收所述运动扫描单元发 送的位移信息，并通过R232口传输到所述计算机模块。

进一步地，所述数据采集单元，进一步包括：采集板、数据传输口和数据 记录模块；其中，所述采集板及数据传输口与所述计算机模块相连接，并通过 数据记录模块将采集的数据进行存储。

进一步地，所述数据传输口为R232型数据传输口。

与现有技术相比，本发明所述地震断层带岩石的断层面形貌测量系统具 有如下特点：

1、本发明可方便实验室样品尺度岩石表面形貌定量化测量，且实现野 外断层面岩石标本的微观细化，其结果与野外大范围低精度形貌特征相对 比，为断层面形貌分析提供更详尽的资料。为研究断层面形貌演化变形过程 提供了一种方便而功能强大的观测系统。

2、本发明采用了三维坐标格式记录实验数据，将两个不同系统坐标(二 维平移台的运动坐标与激光探头的位移坐标)进行统一采集记录，实现了坐 标的准确化、简易化和同步化。

3、本发明将单点测量的激光位移传感器发展为一种对某个面上多点的 形貌扫描系统，基于激光传感器的采集速度，配合可变速的二维平移台，可 实现对野外小标本及实验室内物理模拟的断层形貌进行精细化定量化描述。

4、本发明的扫描间隔可随主观需要进行改变，且二维平移台的双向均 可通过改变运动速度来改变扫描间隔，即对于100mm×100mm的样品，还 可以根据需要来确定扫描间隔，若粗略扫描，可设定间隔为0.1mm，若需要 详尽的形貌数据，则可设定扫描间隔为0.001mm。

5、本发明运动扫描单元与控制单元的有机结合，按运动过程记录Z方 向(如图2所示)的激光位移数据并动态记录数据的方式，提供了更方便的 数据存储格式，为形貌定量化描述大大提高了分析计算的效率。

6、本发明能够为野外大范围断层面形貌进行描述，通过采集特征进行 细化分析，以便建立大范围、多尺度的野外断层面形貌特征图。

附图说明

图1为本发明实施例所述地震断层带岩石的断层面形貌测量系统的结 构框图；

图2为本发明实施例所述的系统中的运动扫描单元具体结构图；

图3为本发明实施例中所述运动扫描单元中二维平移台的具体结构图；

图4为本发明实施例所述运动扫描单元中的可调节支架台的具体结构 图。

图5为本发明实施例所述的系统中的最大外接矩形区示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。

如图1至4所示，为本发明实施例所述的地震断层带岩石的断层面形貌 测量系统，该系统由三个单元组成，分别为运动扫描单元1，控制单元2和 数据采集单元3。其中，

运动扫描单元1，与控制单元2相耦接，具体结构包括四部分：二维平 移台11、激光位移传感器12、隔振光学平台13以及可调节支架台14。运 动扫描单元1用于接收所述控制单元2的信号，并将运动过程的坐标信息通 过所述控制单元2传递给数据采集单元3。

具体地，运动扫描单元1通过控制二维平移台11的移动获得激光位移 传感器12数据，并用于对被测样品(岩石材料)的表面坐标进行可控精确 定位。

如图2所示，所述运动扫描单元1包括：

二维平移台11(如图3所示)，与所述激光位移传感器、隔振光学 平台和可调节支架台相连接，包括：两个方向垂直(X和Y两个方向)且基 本结构一致的滑轨组件(两个滑轨组件之间仅位移量程不同)具体为由两个 结构相同且方向垂直的滑轨111、显示前位移坐标的两个光栅尺112以及为 所述滑轨111提供动力的两个伺服电动机113组合而成。其中。所述每个伺 服电动机113均连接一个轨道为其提供动力，且每个光栅尺112与两个方向 垂直的滑轨111分别平行连接，提供位移轨道的位置。例如：X方向轨道位 移量程500mm，Y方向轨道位移量程100mm。

激光位移传感器12，设置于所述二维平移台11下方的固定板上， 所述激光位移传感器12包括：激光探头和控制器；该激光探头为76mm ×55mm ×28mm的激光探头，其用于测量被测样品(岩石材料)的表面起伏及粗糙 度变化。其中，激光探头固定于Y方向滑轨111的一端，位移分辨率设定为 0.5微米。

例如：当所述二维位移平台11的X方向位移分辨率0.5微米，量程 500mm，运动速度0～40mm/s可变速。当所述二维位移平台11的Y方向位移 分辨率0.4微米，量程100mm，运动速度0～40mm/s可变速。所述激光位移传 感器12中的激光探头为Z方向位移分辨率0.5微米、量程10mm、采样频率4KHz 的激光探头。

隔振光学平台13，设置于所述二维平移台11的正下方，为采用四 柱支撑的平台。该隔振光学平台13结构稳固可靠，振幅小于5微米，变形 小且表面平整，为扫描系统架构提供稳固支撑。

可调节支架台14(如图4所示)，其包括两部分，其中，

第一部分包括：固定所述二维平移台的竖直框架141和连接该 二维平移台的转接板142组合而成；

第二部分包括：可调节高度及倾斜度的水平实验台143、四个 支撑该水平实验台143的带螺纹支柱144、四组固定该水平实验台143与带 螺纹支柱144的调节螺母145、为该水平实验台143提供中间承托柱146、 以及水平及倾斜测量仪(该水平及倾斜测量仪为现有技术中已有设备)组合 而成。

其中，所述的竖直框架141固定二维平移台11并连接于所述的隔振光 学平台13，且结构上保证二维平移台11绝对水平，同时水平实验台143可 以进行水平以及倾斜校正，通过水平及倾斜测量仪调节水平实验台143的四 个带螺纹支柱144使得水平实验台143处于水平位置，目的是可调节高度能 够保证合适的观测高度。可调节支架台14主要用于将所述二维平移台11吊 起。

控制单元2，分别与所述运动扫描单元1和数据采集单元3相耦接，包 括：二维平移台控制器、激光探头控制器和计算机模块；用于对运动扫描单 元1和数据采集单元3的控制，用于控制所述运动扫描单元1的开启，并接 收所述运动扫描单元1发送的坐标信息发送给所述数据采集单元3。具体地， 是接收所述运动扫描单元1发送的坐标信息以及与该坐标相对应的激光位 移传感器12的测距数据进行结合产生三维坐标信息，将该三维坐标信息发 送给所述数据采集单元3。

其中，所述二维平移台控制器，与所述计算机模块相连接，用于接 收所述计算机模块的指示信息，根据该指示信息控制所述运动扫描单元1 中的二维平移台11中的伺服电动机运动，进行单方向或双向同时运动，同 时二维平移台11中的光栅尺将运动的坐标信息反馈给所述控制单元2中的 该二维平移台控制器，该二维平移台控制器根据该坐标信息对所述二维平移 台11的运动信息进行伺服控制，然后，记录并发送双向的光栅尺的位移表 征运动点的X、Y坐标信息给所述计算机模块；

所述激光探头控制器，与所述计算机模块相连接，用于接收所述运 动扫描单元1中激光位移传感器上的位移信息(或位移数据)，通过R232 口传输到所述计算机模块；

所述计算机模块，与所述二维位移平台控制器和激光探头控制器相 连接，用于发送指示控制信息给所述二维位移平台控制器和激光探头控制 器，对被测试件进行扫描，并接收、存储所述二维位移平台控制器反馈的双 向的光栅尺的位移表征运动点的X、Y坐标信息、以及所述激光探头控制器 的位移信息，将上述X、Y坐标信息和位移信息结合形成运动点的三维坐标 (X，Y，Z)信息，然后发送给所述数据采集单元3。

数据采集单元3，与所述控制单元2相耦接，用于接收所述控制单元2 发送的所述三维坐标信息，并结合发送来的控制信号进行采集和存储。

其中，所述数据采集单元3包括：采集板、R232型数据传输口和数据记录 模块；其中，所述采集板及R232型数据传输口与所述计算机模块相连接，并 通过数据记录模块将采集的数据存储到指定硬盘区内。

本发明上述实施例能够实现双轴运动，时变任意方案扫描，激光探头的 位移采集速度保持稳定，并且能够保证数据的高分辨率和准确性。

根据图2和图4所示，本发明所述地震断层带岩石的断层面形貌测量系 统的具体工作流程为：

(1)根据实验样品厚度调节水平实验台143的高度，通过调节螺母145 调节带螺纹支柱144以及中间承托柱146的高度，使得水平实验台143保持 水平且高度符合实验样品测量范围。

(2)确定实验样品的扫描测量范围，即在该实验样品上标注四个点囊 括所需的测量范围，然后放置于水平实验台143上。

(3)二维位移台11的双向位移滑轨111回归绝对零点，保证每次测量 均为相对于绝对零点的绝对坐标数据。

(4)确定滑轨111的运动范围，滑轨111运动至所需的扫描范围的四 个标志点位置，并记录四个标志点坐标，然后滑轨111将按照四个标志点所 确立的最大外接矩形区域实施线进行扫描。

这里所述最大外接矩形区，如图5所示，在被测样品上计划扫描的区域 如图5中黑框多边形所示，由四个点确定，对应的有四个坐标分别为(x1，y1)、 (x2，y2)、(x3，y3)、(x4，y4)，从中选取x的最小值x1和最大值x2，y的最 小值y1和最大值y3，根据(x1，y1)和(x2，y3)两个点可以确定一个最大外接 矩形，如图5中虚线框所示，这个矩形区域，就是扫描系统将要进行扫描的 实际区域。

(5)具体扫描路径可以是：从最小XY坐标(X_min、Y_min)处，沿Y＝Y_min值按照预定扫描间隔Δd进行线扫描，到达X＝X_max处；然后，运动Y轴位 移滑轨至Y＝Y_min+Δd后，X轴沿X＝X_max向X＝X_min进行等间隔扫描。如此 往复运动，直至覆盖整个扫描区域，扫描过程结束。

(6)根据所记录数据进行断层面形貌特征的恢复。

与现有技术相比，本发明所述地震断层带岩石的断层面形貌测量系统具 有如下特点：

与现有技术相比，本发明所述地震断层带岩石的断层面形貌测量系统具 有如下特点：

1、本发明可方便实验室样品尺度岩石表面形貌定量化测量，且实现野 外断层面岩石标本的微观细化，其结果与野外大范围低精度形貌特征相对 比，为断层面形貌分析提供更详尽的资料。为研究断层面形貌演化变形过程 提供了一种方便而功能强大的观测系统。

2、本发明采用了三维坐标格式记录实验数据，将两个不同系统坐标(二 维平移台的运动坐标与激光探头的位移坐标)进行统一采集记录，实现了坐 标的准确化、简易化和同步化。

3、本发明将单点测量的激光位移传感器发展为一种对某个面上多点的 形貌扫描系统，基于激光传感器的采集速度，配合可变速的二维平移台，可 实现对野外小标本及实验室内物理模拟的断层形貌进行精细化定量化描述。

4、本发明的扫描间隔可随主观需要进行改变，且二维平移台的双向均 可通过改变运动速度来改变扫描间隔，即对于100mm×100mm的样品，还 可以根据需要来确定扫描间隔，若粗略扫描，可设定间隔为0.1mm，若需要 详尽的形貌数据，则可设定扫描间隔为0.001mm。

5、本发明运动扫描单元与控制单元的有机结合，按运动过程记录Z方 向(如图2所示)的激光位移数据并动态记录数据的方式，提供了更方便的 数据存储格式，为形貌定量化描述大大提高了分析计算的效率。

6、本发明能够为野外大范围断层面形貌进行描述，通过采集特征进行 细化分析，以便建立大范围、多尺度的野外断层面形貌特征图。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情 况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这 些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。