基于主动加热光纤法的冻土相变温度场特征分析

冻土温度场分析对于冻土特性研究及冻土地区工程建设具有重要的作用,而冰水相变所产生的相变潜热大大增加了冻土温度场分析的复杂性。针对该问题,基于线热源模型和冻土传热基本理论,在考虑未冻水和相变潜热的情况下计算了冻土导热系数、体积热容和相变热容,分析其与测量初始温度的关系;在分析结果的基础上,对冻土含冰量的光纤测量技术进行了理论修正。基于主动加热光纤（AHFO）法,开展了一系列室内验证试验:在恒定的加热功率和时间下,采用自主研发的光纤光栅（FBG）刚玉管传感器,对同一初始含水量的冻土试样进行温度监测。结果表明:在本文试验条件下,FBG刚玉管传感器的影响半径小于5 cm,可以忽略边界效应;传感器所测温度增量与时间对数线性关系良好,主动加热对于冻土导热系数影响较小,线源模型适用于冻土导热系数测量;冻土导热系数与试验初始温度呈线性增长关系;在初始温度低于-6 ℃时,相变热容趋于稳定;在-6~0 ℃时,相变热容随温度升高逐渐增大,且变化趋势愈渐强烈;当初始温度高于-5 ℃时,相变热容甚至大于冻土自身的体积热容。相关结论为进一步提高冻土含冰量测试技术的精度提供了参考。     

存储式光纤陀螺测斜探管研制

本文介绍的“存储式光纤陀螺测斜探管”主要解决超高温大井深环境下钻孔轨迹测量“测斜探管”问题,它包括钻孔各孔深井段倾角、方位角、工具面向角及温度的测量。目标是攻克光纤陀螺传感器温度漂移、光纤陀螺惯测组合井下环境适应性、仪器外场标定技术和误差分析校正等关键技术,研制的超高温钻孔轨迹测量仪,使用环境温度可达270 ℃,环境压力120 MPa,通过在高温地热能钻探工程、干热岩钻探工程、科学钻探工程、深部矿产资源勘探和深部油气资源勘探等工程中的应用,拓展应用领域,为超高温大深度钻井轨迹测量提供技术支撑。     

BOTDR技术在边坡表面变形监测中的应用

针对普通监测手段和技术应用上的不足,采用BOTDR技术监测坡体表面变形发展。分析了监测实施过程中光纤传感器的固定及温度补偿问题,介绍了BOTDR在浙江省龙丽高速公路官家滑坡中的铺设手段。根据官家滑坡的工程环境特点,在坡体上采用植入式固定方式;前缘坡面布设光纤时,引入准分布式监测理念,使用专用夹具定点固定光纤。现场监测结果表明：植入式固定方式,宜选用外径较小的紧套光纤,能使其较好地保持同步协调变形,且光纤因护套影响小而灵敏性较高;定点固定方式,易选用外径较大的光纤,适宜于坡面监测环境。植入式固定方式,若坡体内温度场变化较小,可不进行温度补偿;若坡面温度变化较大,可选取与监测环境温度场相似区布设松套光纤进行温度补偿。对监测过程中实施光纤的固定及温度补偿手段进行了改进讨论。     

地震断层摩擦残余热异常测量方法探讨———以WFSD- 1钻孔温度测量为例

以汶川地震断裂带科学钻探工程WFSD-1钻孔高精度相对温度梯度测量确定汶川地震断层为例,探讨了地震断裂带断层摩擦残余热温度测量方法。利用WFSD-1钻孔相对温度梯度温度测量取得的科学数据进行分析,发现在400~500 m、580~610 m及620~750 m三个测量段内存在温度正异常。结合地质资料综合分析,判定400~500 m、620~750 m段温度异常可能由地层热导率差异引起,并非断层摩擦残余热异常,判定位于不透水断层泥中温度异常深度580~610 m范围为断层主滑移带位置。      

青藏高原普若岗日冰原80m深冰层温度变化分析

2000年10月在普若岗日冰原海拔6000m处的80m深冰芯孔中,利用热敏电阻温度计测量了冰层温度.结果显示,所有温度曲线除2m深度以上表层温度已受到低温冷波强烈干扰开始转型外,主要曲线均表现为暖季型.最低冰温度-9.9℃,出现在12m深度处.以12m深度为界,上部冰层温度变幅大,下部冰温随深度增加基本呈直线型升高,温度梯度较上部小.观测期间,4m之上冰温随时间逐渐降低,其降幅随深度增加而逐渐减小.最大日降低幅度在0.m处达0.62℃,1m处为0.3℃,2m处为0.20℃.据冰层温度状况和气候条件,普若岗日冰原应属极大陆型冰川.     

塔里木盆地巴楚隆起西段边界断层联接及变形特征

在前人研究的基础上, 利用最新的地震和钻井资料, 分析了巴楚隆起西段与麦盖提斜坡过渡区色力布亚、康塔库木两条边界断层的构造特征.色力布亚和康塔库木断层均表现为基底卷入型逆冲断层, 两条断层之间通过软联接的形式发生相互作用.色力布亚断层沿其走向往南东方向位移量逐渐减小并终止, 康塔库木断层沿其走向往南东方向位移量逐渐增大.构造转换带传递了色力布亚断层和康塔库木断层的位移量, 使巴楚隆起西段边界断层总位移量保持一致.该转换带属于同向倾斜型构造转换带, 现今处于转换带复杂阶段.转换带内发育次级断层和走向裂缝, 有利于形成裂缝型油气藏, 也是油气运移的有利通道, 是巴楚地区未来油气勘探的重要目标.      

基于光纤传感的多参量地震综合观测技术研究

面向地震综合观测需要,自主研制了窄线宽光纤光栅谐振腔,并将其作为核心传感元件,发展了一种基于有效腔长的光纤应变、地震波和温度多参量同步测量新方法。采用边带扫频激光技术实现了高精度多参量光纤信号同步解调,研制出了光纤地壳形变、地震与温度多参量探头,并开展了多参量地震综合观测实验。实验结果表明,所研制的光纤多参量传感系统应变与温度测量分辨率分别达到4.7×10^-10和6×10^-5℃,能够同时记录到清晰的固体潮汐信号、地震波信号以及环境温度扰动,有望为多参量地震同步观测提供先进的技术手段。     

北京某垂直地埋管区地温场变化规律研究

为研究地埋管换热区地温垂向深度及平面展布特征,在室外分别布设了U型垂直地埋管和深度不等的观测孔,在典型深度安装了地温传感器,利用2期采暖及间歇期地温数据分析了地层背景温度、换热区及观测区地温变化。垂向上,在地埋管换热区内,恒温带以上地温受气温与埋管换热的综合影响;变温带地层各深度地温降幅与埋深呈正相关,最大换热深度120 m处降幅达5℃,原始地温是不同岩性地层温度降幅中较之岩土导热性及赋水性更为重要的影响因素。平面上,距地埋管5 m内的地温经取热后呈不同程度的降低,埋管换热监测区温降幅度约0.6℃,最大降幅并不固定于某一深度;距埋管距离越小,地温开始降低的时间越早,降低程度越大,且越难以恢复。     

裂变径迹长度测量标准化研究——锆石蚀刻标准探讨

通过不同时间蚀刻的锆石径迹长度测量,确定海南迅速冷却火山型锆石的水平封闭径迹(HCT)平均长度L＝10.93 μm,标准偏差为0.93 μm,可作为锆石长度测量的参照标准.对锆石的蚀刻标准进行了探讨,确立垂直C轴的表面径迹宽度Dpar为(1.0±0.5)μm的蚀刻标准,要求Dpar>1 μm和Dpar<1 μm的颗粒数应大致相当,以及封闭径迹宽度DHCT<1.0 μm的测量标准.     

青藏高原的地幔结构:地幔羽、地幔剪切带及岩石圈俯冲板片的拆沉

正断层位移长度关系是近年来研究正断层的一种常用方法 ,它将断层的研究从二维扩展到三维。研究正断层位移长度关系对于研究正断层演化、盆地演化以及油气勘探等方面具有重要意义。讨论了影响正断层位移距离剖面形态的主要因素 :断层端的脆韧性变形、围岩强度、远程应力以及断层之间的相互作用和连接等。根据正断层位移距离剖面的几何形态和断层发育阶段 ,可将断层的位移模式分为 3个类型 :(1)对称的椭圆状或钟状代表简单的单条断层 ;(2 )不对称的似椭圆状或钟状代表断层间的相互作用 ;(3)不规则的锯齿状代表由多条断层连接而成的断层。介绍了伴随正断层发育的传递斜坡、盆内高地等构造单元以及断层位移距离剖面的测量制作方法。测量时应注意恢复其剥蚀部分。     

CENOZOIC ALTYN TRANSFORM FAULT OF THE NORTHERN PART OF THE TIBETAN PLATEAU

CENOZOIC ALTYN TRANSFORM FAULT OF THE NORTHERN PART OF THE TIBETAN PLATEAUtheNationalNaturalScienceFoundationofChina (No .4 980 2 0 19)     

用于低温测量的SKLFSE-TS热敏电阻温度传感器长期稳定性论证

介绍了用于低温测量的单点热敏电阻温度传感器及多点测温电缆的结构和使用特点.将2003年埋设在青藏高原冻土区某测温孔的一根测温电缆于2010年取出, 在实验室重新进行温度标定试验.为了保证2003年和2010年标定时的条件完全相同, 并将2010年标定时的温度点设置成与2003年标定时的完全一致.利用2003年的标定系数和2010年标定时得到的电阻值反算温度值、 并与标定温度值对比, 发现8个温度传感器的温度漂移均为正漂移, 最大值为0.032 ℃, 年漂移最大值为0.0046 ℃, 低于热敏电阻温度传感器本身的测温精度值0.05 ℃, 从而验证了SKLFSE-TS型热敏电阻温度传感器以及用其制作而成多点测温电缆的长期稳定性.     

辽宁寒岭-偏岭平移断裂带特征及其形成动力机制

寒岭—偏岭平移断裂带位于辽宁东部 ,是中国东部郯庐断裂东盘的一个次级断裂。它控制着辽东鞍山—本溪地区地质体的分布。通过对平移断裂的展布、形态、伴随构造、牵引构造、位移方向和幅度、平移时间、断层尾端及动力学演化等特征研究 ,认为该断裂主要活动于晚三叠世 ,在晚侏罗世—早白垩世最为活跃 ,伴随岩浆侵入活动、火山喷发及陆相沉积。断裂带长约 1 3 0km ,中段位移最大可达 3 1km ,向东西两端逐渐减少。该断裂活跃时期主要表现为左行平移性质。构造的活动 ,主要与中生代时期欧亚大陆与伊佐奈岐板块、太平洋板块的相互作用有关     

Tube fossils from gossanites of the Urals VHMS deposits,Russia: Authigenic mineral assemblages and trace element distributions

The occurrence, types, morphology, and mineralogical characteristics of tube microfossils were studied in gossanites from twelve VHMS deposits of the Urals. Several types of tube microfossils were recognized, including siboglinids, polychaetes and calcerous serpulids, replaced by a variety of minerals (e.g. hematite–quartz, hematite–chlorite, carbonate–hematite) depending on the nature of the substrate prior to the formation of the gossanites. Colonial hematite tube microfossils (~ 150 μm across,1–2 mm long) are composed of hematitic outer and inner walls, and may exhibit a cellular structure within their cavities. Spherical forms are saturated with Fe-oxidizing bacteria inside the tubes – probably analogues of trophosomes. Colloform stromatolitic outer wall surfaces are characterized by the presence of numerous interlaced filaments of hematite (2–3 μm diameter, up to 1–2 mm long). Between tube microfossils, the hematitized cement contains bundles of hematitized filaments with structures similar to the hyphae of fungi. Hematite–chlorite tube microfossils are scattered in gossanites, mostly as biological debris. They are typically 30 to 300 μm in diameter and 1 to 5 mm long. The layered structure of their tube walls is characterized by hematite–quartz and chlorite layers. Abundant filamentous bacteria coated by glycocalix and chlorite stromatolite are associated with hematite–chlorite tubes. The carbonate–hematite tube microfossils (up to 300 μm across, 2–3 mm long) occur in carbonate-rich gossanites. The tubes are characterized by fine (~ 10 μm thick) walls of hematite and cavities dominated by relatively dark carbonate or hematite. Carbonates may be present both in walls and cavities. Stromatolite-like leucoxene or hematite–carbonate aggregates were also found in association with tubes. Randomly oriented filaments are composed of ankerite. Single filaments are composed of individual cells, typically smaller than 100 nm across, similar to that of magnetotactic bacteria.Three dimensional tomographic images of all types of tube microfossils demonstrate a clear wavy microlayering from outer and inner walls, which may reflect segmentation of the tube worms. The traces of burrowing or fragments of glycocalix with relict spheres are typical of tube microfossils from gossanites.The carbon isotopic composition of carbonates associated with tube microfossils from hematite–quartz, hematite–carbonate, and hematite–chlorite gossanites average − 7.2, − 6.8, –22.8‰, PDB, respectively. These values are indicative of a biogenic origin for the carbonates. The oxygen isotopic composition of these carbonates is similar in all three gossanite types averaging + 13.5, + 14.2, + 13.0‰ (relative to SMOW), and indicative of active sulfate reduction during the diagenetic (and anadiagenetic) stages of the sediments evolution. The trace element characteristics of hematite from tube microfossils are characterized by high contents of following trace elements (average, ppm): Mn (1529), As (714), V (540), W (537), Mo (35), and U (5). Such high contents are most likely the result of metal and metalloid sorption by fine particles of precursor iron hydroxides during the oxidation of sulfides and decomposition of hyaloclasts via microbially-mediated reactions.     

吉林夹皮沟金矿带黄铁矿热电性及热爆裂特征

通过对夹皮沟金矿带主要载金矿物黄铁矿的热电性和热爆裂特征分析,确定了主成矿世代及各世代矿化类型,预测了深部探矿的可能性。黄铁矿以电子型(N型)为主,极少有空穴型(P型),N型热电系数分布于-347.3～-6.2 μV·℃-1,P型热电系数介于17.4～193.5 μV·℃-1, 成矿温度集中于258.8～319.2 ℃, 剥蚀率为50.260%～50.485%。爆裂曲线反映中低温(＜280 ℃)矿化没有高温(＞290 ℃)矿化好。综合分析认为,夹皮沟金矿带矿化分早期高温世代(热电系数峰值为-120 μV·℃-1,成矿温度峰值为320 ℃)和晚期中低温世代(热电系数值峰值为-210 μV·℃-1,成矿温度峰值为270 ℃)。前者包括石英脉型与蚀变岩型,在矿体走向与夹皮沟主断裂一致及相交的矿区中均有发育;后者属石英脉型,主要在矿体走向与夹皮沟主断裂相交的矿区发育,叠加于高温世代热液矿化之上。高温热液矿化世代是主成矿世代,但有叠加的部位矿化增强。     

光纤传感器及其在地质矿产勘探开发中的应用

与传统电、磁及机械传感器相比,光纤传感器集传输、传感于一体,具有诸多独特优势,在各领域中均存在广泛、特殊的应用前景和潜力。目前研究最多、应用最广泛、在该领域内占重要地位的两类光纤传感器是光纤光栅传感器和分布式光纤传感器,前者以光纤Bragg光栅（FBG）传感器为主,后者以基于拉曼散射的分布式温度传感器（DTS）和基于布里渊散射的分布式温度应变传感器（DTSS）为主。着重阐述了这两类光纤传感器在地质矿产勘探中的应用：光纤地震检波器在石油勘探中的应用、DTS和光纤光栅压力传感器在油页岩勘探中的应用、光纤传感器在智能完井中的应用以及光纤气体传感器在地下煤矿安全监测中的应用。光纤传感器目前存在规范性差、成品率低等的问题,特殊结构或特殊用途的光纤传感器的研制是未来发展方向。     

郑州地下水均衡试验场的改建工程——主要测试设施与数据自动化采集

郑州地下水均衡试验场的改建,是由中国地质环境监测院主持的国家地下水监测工程中地下水均衡试验场的改建项目之一,由河南省环境地质监测院具体负责实施。科学技术的发展,为试验场观测数据采集的自动化奠定了良好基础。试验场数据采集需要自动化的有:3m高主杆气象站测试系统;太阳全辐射、太阳净辐射、太阳直射观测仪,E—601蒸发仪,5TM含水率、温度传感器,自动补水仪,负压测量仪。除后两项外,其他需要数据采集仪器已经市场化。后两项是作者的发明与实用专利。自动补水仪是用来模拟地下水位埋深的设备,它是以传统的马里奥特瓶补水原理为基础,采用控制电路使其可以自动补给因蒸发而消耗的水量,同时还可以记录降水的历时过程。负压测量是利用空气运动黏度约大于水运动黏度的15倍这一特性,即当水刚通过多孔瓷头时,气体不能通过多孔瓷头,据此设计了在包气带中能测定负压的传感器。数据采集则应用了惠斯登电桥平衡的补偿原理。由于控制、供电、采集数据的电缆过多,因此数据自动化采集系统应用了三级采集、逐级集成的方案。     

空心包体应力计温度补偿元件的设计及应用

空心包体应力计广泛用于测量地应力,目前采用热敏电阻进行完全温度自补偿。通过对热敏电阻和DS18B20温度传感器进行综合比较和分析,发现采用DS18B20测量工作应变片的温度变化更有优势。设计了一种使用DS18B20作为敏感元件的测温电路系统,采用单片机进行控制,数码管进行显示,经实验室试验校核及在煤矿现场应用,证明了其可靠性和可行性。      

郯庐断裂带桐城段构造变形解析

郯庐断裂带桐城段韧性剪切带位于大别造山带东北缘。首先对剪切带两端的两套片麻岩进行宏观构造特征、矿物组成以及锆石U-Pb年代学研究,确定片麻岩为印支造山期高压变质产物。之后由于郯庐断裂带左行韧性走滑叠加,在原来近东西向造山带片麻岩基础上形成了NE-SW向的糜棱岩—超糜棱岩带。根据糜棱岩中主要矿物的变形行为,估算剪切带的变形温度约为450 ℃～530 ℃,局部可达550 ℃,为高绿片岩相—低角闪岩相变质;有限应变测量和应变强度计算的结果表明,矿物在韧性剪切过程中经历了强烈的拉长变形,剪切带中间位置变形程度最强,向两边慢慢减弱;运用多种方法对糜棱岩进行运动学涡度的测量计算,结果表明郯庐断裂带桐城段为一以简单剪切为主导的减薄型一般剪切带。