Measurement:微米级断层面形貌测量系统的研发

从不同尺度和观测精度上开展断层面形貌学研究,有助于我们理解断层面形貌与地震成核、破裂过程之间的相关性。目前,由于缺乏可靠的微米级断层面形貌测量设备,限制了断层面形貌学研究从野外观测尺度(如米级-厘米级)到实验室内小尺度(微米级)的连贯性,进而制约着室内摩擦实验中样品形貌与破裂过程相关性研究的开展。在地震动力学国家重点实验室开放基金(LED2018B05)和国家自然科学基金(41372210, U1939201)的支持下,郝海健博士、魏占玉研究员、何宏林研究员和刘力强研究员研发了一套微米级断层面形貌测量系统,用于观测微米级尺度的断层面形貌(图1)。


 

图1 激光三角测量的原理与形貌测量系统的结构组成图


该新型形貌测量系统具有以下特征:1)其平面定位(X轴与Y轴方向)精度优于3.5μm,垂向测量精度优于4.5μm,最大水平分辨率为0.5μm,最大垂向分辨率为0.076μm;2)该系统具有较大量程:750px×750px,在测量大尺度样品时,可以避免多次测量数据的配准拼接以及由此带来的误差;3)该系统向被测物体表面垂向发射激光束,可测量大倾角的凹谷区域而不产生数据空白,能获得完整的形貌测量结果,因此,其具有较强的陡峭表面测量能力。使用该形貌测量系统扫描获得的高分辨率的形貌数据,能够满足我们在微米级尺度上的形貌分析要求(图2)。


图2 使用该系统获得的断层面DEM阴影图及其对应粗糙度的分析结果


该测量系统扩展了我们在断层面形貌研究上的尺度范围,为我们在米级-厘米级-微米级尺度上全面理解断层面形貌与破裂过程的相关性提供了设备支持。另一方面,该套仪器完善了实验室构造物理摩擦实验观测体系,配合声发射观测、应变观测等,有助于我们更加全面的研究摩擦物理过程及地震成核现象。

上述研究成果发表在测量学类国际知名期刊《Measurement》上:

Haijian HAO, Zhanyu WEI*, Honglin HE & Liqiang LIU. (2021). Development of Laser-Based System to Determine Fault Surface Morphology at the Micron Scale. Measurement, 109498. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2021.109498

并获得实用新型专利一项:郝海健,何宏林,魏占玉,刘力强. 一种采集与评估扫描数据的系统.  2018 2 1322681.3[P]. 2019-03-01.