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岩石CT机:看清岩石的破裂过程
2018年11月08日 15:35 来源:《光明日报》 作者:记者 杨舒 字号

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  现如今,人们到医院看病,很可能会先做CT检查。CT(Computed Tomography)是一种电子计算机断层扫描技术。X射线等穿透人体后被探测器接受,由光电转变为电信号,再由强弱不同的电信号转换为计算机数据,最终构成CT图像,显示出人体的内部结构和细微病变。

  鲜为人知的是,除了广泛运用于医学领域外,CT技术在地质学等科研/工业领域也有广泛的应用价值。在地球科学研究和地质工程中,揭示岩石变形破裂机理的岩石力学试验对于地质工程设计等都至关重要。然而,很长一段时间里,由于技术限制,国内外传统的岩石力学试验机只能观察到岩石在各类外力作用下的初始和最终状态,对岩石破裂过程的内部规律“看不见摸不着”。使岩石内部结构变化像玻璃一样透明可见,是地学科学家孜孜以求的梦想。进入21世纪,科学家直接利用医用或工业CT以及同步辐射光源,对岩石力学试验进行CT扫描,让其内部的“病变”无所遁形,但受技术限制仍不能清晰完整地获取大尺度的岩石试样内部破裂过程。

  日前,由中国科学院地质与地球物理研究所李晓研究员领衔,中国科学院高能物理研究所和北京交通大学等单位共同组成的科研团队研制成功世界首台高能加速器CT可旋转式岩石力学刚性伺服试验机,使给岩石在外力作用下的破裂过程全程做CT成为可能。

  李晓介绍,在国家自然科学基金委员会国家重大科研仪器研制项目的支持下,科研团队历经五年攻关,突破了在200吨高压下试验机的高精度旋转与控制技术、高温高压旋转供液供气技术等难题,并自主研发拥有完全知识产权的高射线能量电子直线加速器,突破“卡脖子”技术,获得国内外专家高度关注。目前,这一成果已顺利通过国家自然科学基金委员会专家组测试、验收,专家组评价,它打破岩石力学试验“黑箱”,让岩石内部破裂过程透明可见,为地球深部资源能源开发、天然气水合物开采、重大工程建设、地质灾害防治等领域提供了新的科学实验平台。

  验收专家一致认为,该项目突破了动态原位高精度探测成像等七项关键核心技术,首次实现了大尺度试样、模拟深部地层环境、观测岩石损伤破裂动态过程的试验目标,突破了岩石破裂演化与气液运移试验的技术瓶颈。与美国、法国、日本等迄今世界最先进的CT扫描岩石力学试验设备相比,本试验机的主要性能指标提高了1~2个数量级。

  据了解,不仅是岩石,本试验系统还可获得土体、混凝土、陶瓷等地质类材料在多种环境力场作用下的损伤破裂过程,具有重要的科学意义和广阔的应用前景。“医生通过仪器看清人体的病变过程,才能提前干预和治疗,这个系统的应用价值也是如此。”李晓介绍,通过试验,该系统对我国页岩气开发的压裂设计提供了技术支撑;在天然气水合物开采方面,该系统可模拟水合物储层钻孔卸压与压裂效果;在深地科学钻探方面,该试验系统可以模拟深部高应力高温环境下的钻头破岩机理和孔壁稳定性等。此外,作为一个基础性试验平台,该试验系统还可广泛应用于油气、矿山、水利、交通、土木、环保等国家重大工程建设,如矿山突水灾害预测、隧道塌方冒顶事故防治等,为安全施工提供保障。

  (本报记者 杨舒)

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