深部高承压水地层裂隙岩体冻结温度场实测研究

通过深部高承压水地层冻结法凿井现场实测,获得矿井裂隙岩体各个层位测温孔的温度和盐水去回路干管温度变化规律.结果表明:测温孔实测温度在冻结初期呈线性下降规律;当温度继续降低到岩石的结冰温度以后,降温速率逐步增加;当冻结帷幕达到设计温度时,实测温度变化趋于平缓;外圈管外侧测温孔降温速率最慢,两圈管之间位置的测温孔降温速率最快;位于不同位置不同层位的测温孔降温速率不一致,其中位于92m深度的卵石层(C1^#测温孔)降温速率为0.54℃·d^-1,位于209m深度的砂质泥岩(C3^#测温孔)降温速率为0.9℃·d^-1;根据实测温度可以预测地层形成冻结帷幕的交圈时间、厚度、平均温度等冻结设计参数.深部裂隙岩体冻结温度实测资料对指导冻结帷幕设计与施工具有重要实践意义.     

青藏高原多年冻土区高寒草甸土壤水分入渗变化研究

在多年冻土区典型坡面上,将坡面划分为坡下（L）、坡中（M）和坡顶（H）三个坡位,每个坡位上各选取92%、60%和30%植被盖度为研究对象,用双环入渗仪测定土壤水分入渗过程,对影响土壤入渗过程的环境因子进行了分析,并基于土壤物理特性及土壤水分的测定进行模型模拟。结果表明：研究区不同植被盖度下土壤水分入渗性能在活动层冻融过程中差异明显,初始含水量和初始入渗率具有较好的负相关关系;稳定入渗率大小为：活动层融化期,92%（0.61 mm·min^-1） > 60%（0.50 mm·min^-1） > 30%（0.29 mm·min^-1）;活动层开始冻结期,60%（0.56 mm·min^-1） > 30%（0.39 mm·min^-1） > 92%（0.26 mm·min^-1）。土壤水分入渗速率具有显著的坡位差异并与冻土的冻融循环过程关系紧密。主要表现为,稳定入渗速率随坡位高度的降低依次递减;同一坡位下,开始冻结期入渗速率小于融化期。在整个入渗阶段,坡顶的累积入渗量是最大的,体现了较好的入渗性能。影响高寒草甸土壤水分入渗的环境因子主要有容重,有机质含量及粒径<0.1 mm微粒。通过比较研究得出,在长江源地区,活动层融化期通用经验模型f（t）=a+bt^-n更适用于该研究区域高寒草甸土壤水分入渗过程的研究,而在开始冻结期Horton模型f（t）=i_c+（i₀-i_c）e^-kt则具有更好的适用性。     

盐渍土与盐溶液冻结温度关系的试验研究

通过不同降温方式的冻结温度试验,明确了降温速率对土体冻结温度的影响,并采用快速降温方法,测定了不同含水率的三种天然氯（亚）盐渍土和黄土的冻结温度,以及不同浓度Na₂SO₄、NaCl溶液和由溶液配制的黄土的过冷温度和冻结温度,分析了降温速率、含水率、含盐量、盐类对土和溶液相变过程的影响。结果表明,快速降温得到的冻结温度值比缓慢降温得到的值偏低。当含水率低于盐渍土的塑限含水率时,水分是冻结温度的主要制约因素;当含水率大于土的塑限含水率时,天然盐渍土的含盐量对土的冻结温度起控制作用,Na₂SO₄含量控制含盐土的第一次相变,NaCl含量控制含盐土在低温下的第二次相变;低含盐量黄土含水率低于塑限含水率时,冻结温度随含水率增大而增大,但当含水率高于饱和含水率时,冻结温度随含水率变化不大。含Na₂SO₄的土和溶液的过冷温度变化规律与冻结温度变化规律类似,且其温度差值较小,通过Na₂SO₄溶液的冻结温度试验,可近似得到同浓度下含水率为16%只含Na₂SO₄黄土的冻结温度。     

多年冻土南界附近青藏铁路路基下的冻土退化

基于2006-2012年青藏铁路多年冻土区唐古拉山南侧安多断面地温监测资料,分析了多年冻土南界附近路基下多年冻土的退化过程及其影响因素.结果表明：该监测断面天然场地多年冻土退化表现为多年冻土天然上限下降与多年冻土地温升高,观测期内多年冻土天然上限下降0.29 m,下降速率为4 cm·a^-1;路基下10 m处多年冻土温度升高0.03℃,升温速率为0.004℃·a^-1.该监测断面路基左路肩下多年冻土退化表现为多年冻土人为上限下降、多年冻土地温升高、多年冻土下限抬升以及多年冻土厚度减少.观测期内多年冻土人为上限下降0.41 m,下降速率为6 cm·a^-1;路基下10 m处多年冻土地温升高0.06℃,升温速率为0.009℃·a^-1;多年冻土下限抬升0.50 m,抬升速率为7 cm·a^-1;多年冻土厚度减少0.90 m,减少速率为13 cm·a^-1.工程作用是导致路基下多年冻土退化的主要原因,气温升温与局地因素中的冻结层上水发育促进了这一退化过程.路基下融化夹层的出现,导致多年冻土垂向上由衔接型变为不衔接型.     

不同降温速率约束下橄榄石晶体形态演变及其地质意义

基于控制降温速率的动力结晶实验,对五大连池老黑山钾质玄武质熔岩的冷却结晶过程中橄榄石晶体形态随降温速率变化动力学演变进行了研究。实验研究表明,老黑山钾质玄武岩的熔融温度发生在1 022 ℃～1 260 ℃之间,峰值为1 166.3 ℃～1 186.5 ℃;实验产物主要由橄榄石和玻璃质组成,新生的橄榄石晶体形态差异较大,有针状骸晶、铁轨状骸晶、羽毛状雏晶、细长条状和粒状微晶。橄榄石晶体的生长、尺寸和形态、分布和实验产物的结晶程度与降温速率之间存在着密切关联。随着降温速率的变慢,橄榄石从针状（0.075 ℃ /min～0.5 ℃ /min）、铁轨状（0.075 ℃ /min～0.5 ℃ /min）、放射状与羽毛状（0.046 8 ℃ /min～0.075 ℃ /min）、细长条状（0.062 5 ℃ /min）等晶体演变为粒状微晶（0.03 ℃ /min）;同时,岩石的结晶程度逐渐增强,橄榄石晶体尺寸逐渐变大、自形程度逐渐变高,玻璃相和气孔逐渐减少。这种新生橄榄石形态的变化与降温速率的内在关联性,对认识老黑山熔岩流固结的动力结晶机制、熔岩流的运动机制有一定科学意义。     

含NaCl和Na2SO4双组分盐渍土的水盐相变温度研究

盐渍土相变温度是判断土体中水分冻结与融化、盐分结晶与溶解的重要参数。不同盐分含量相变温度的差异,给盐渍土在降温过程中的水盐迁移过程及变形规律的模拟带来极大的不确定性。通过降温试验,研究了降温过程中氯盐和硫酸盐综合作用盐渍土中水盐相变温度的变化情况。结果表明：全盐量相同时,盐结晶温度随NaCl和Na₂SO₄比例的不同而不同。随NaCl的加入,在Na⁺同离子效应的影响下,Na₂SO₄更容易结晶,但土体的冰和芒硝共晶点温度下降,使得冰含量显著减少,从而降低了孔隙溶液中固相的产生比例,起到抑制Na₂SO₄盐渍土盐冻胀变形的作用。当土中只含Na₂SO₄盐时,随Na₂SO₄浓度的增加,冰和芒硝共晶点的温度先上升而后缓慢下降,二次相变前冰盐的累积量是导致冰和芒硝共晶点产生这种变化的主要原因。盐渍土三相共晶点温度随NaCl含量的增加呈现上升趋势,这是因为随着NaCl的加入,在发生三相共晶前,孔隙溶液发生相变的固相含量减少,从而使孔隙结构对三相共晶点的影响减小。此外,含有NaCl与Na₂SO₄双组分的盐渍土,水分和盐分可能以单固相、双固相以及三固相状态析出。研究结果可为深入认识盐渍土的相变规律及物理性质提供理论支撑。     

五大连池老黑山火山钾质玄武岩结晶动力学研究

本文模拟了五大连池地区老黑山火山钾质响质碱玄岩熔岩在不同降温速率下从1150℃冷却到700℃橄榄石的结晶动力学过程,并从晶体粒度、晶体数量和晶体形态三方面研究了晶体结晶特征与降温速率之间的关系。结果表明:(1)晶体粒度分布(CSD)显示七组不同降温速率下的晶体粒度与布居密度均呈现较好的幂率关系,且幂律指数相近,斜率范围在3.69～4.42之间,这说明了晶体粒度分布对降温速率的依赖性并不显著。(2)随着降温速率由快变慢,晶体数量总体增长。当降温速率为0.0468℃/min时,晶体数量达到峰值。随后,结晶进入以退火合并为主的晶体粗化过程,直至结晶动力学达到平衡。(3)各降温速率下晶体形态呈现出分形特征,分形维数界于1.39～1.62之间,反映了新生晶体生长的自组织临界性。不同降温速率下的晶体边界复杂程度出现较大无规波动,显示出晶体形态对降温速率的高度敏感性。当降温速率为0.1℃/min时,晶体边界形态最复杂,当降温速率变慢到0.0468℃/min后,晶体边界形态的复杂程度趋于稳定。本项动力结晶实验对于深入了解五大连池新期火山熔岩流的运动机制以及动力结晶过程有重要的科学意义。     

大兴安岭区域未来气候变化趋势及其对湿地的影响

基于未来2种排放情景下的RCM-PRECIS输出的大兴安岭区域气温与降水量预测数据,采用Mann-Kendall(简称M-K)非参数检验法和线性倾向率法,分析大兴安岭区域2015-2050年气候变化趋势及其对湿地的影响.结果表明,在未来2种情景下,2015-2050年的年平均气温升高显著,A2情景的增温速率(0.54℃·(10a)^-1)高于B2情景(0.41℃·(10a)^-1),与东北地区增温速率(0.56℃·(10a)^-1)一致,B2情景增温速率低于东北地区增温速率;大兴安岭区域自2032年气温开始出现增暖突变现象,增温幅度显著增大.2种情景下季节平均气温的增温速率大小依次为夏季、冬季、春季和秋季,A2情景夏、冬、春、秋季分别为0.59、0.56、0.56、0.52℃·(10a)^-1,B2情景分别为0.48、0.47、0.42、0.37℃·(10a)^-1;各季突变增温时间点和增温趋势显著时段存在差异.2种情景下2015-2050年的年降水量有微弱的减少趋势,M-K检测基本无显著变化;季节降水总体而言,大兴安岭区域未来36a降水量仍以夏季为主,占全年降水量的60%左右;春季和秋季次之,各占全年降水量的18%~19%.未来大兴安岭区域气候呈现暖干化趋势,其中21世纪20、40年代大兴安岭湿地受到气候暖干化的胁迫相应较强,未来气候暖干化趋势是大兴安岭湿地生态系统萎缩和退化的主要诱因之一,未来大兴安岭湿地生态系统仍将受到气候暖干化趋势的巨大威胁,面临萎缩和严重退化趋势.     

南极中山站极昼期间气象要素变化特征

利用中山站1989-2011年极昼期间的气温、气压、风、降水等高质量的地面气象观测资料, 对中山站极昼期间气象要素基本气候特征和变化趋势进行了统计与分析, 研究了极昼期间天气特征. 结果表明: 极昼期间年平均气温为-0.6 ℃, 呈缓慢下降趋势, 其变化速率为-0.2 ℃·(10a)^-1;年平均风速为5.4 m·s^-1, 变化速率为-0.5 m·s^-1·(10a)^-1;共出现降水日数459 d, 占极昼期间总日数的33.3%;年平均日照时数为763.8 h, 日照时数呈上升趋势, 变化速率为26.8 h·(10a) ^-1. 研究结果有助于了解和研究南极中山站气候概况, 对中山站度夏科学考察工作有重要的参考价值.     

祁连山摆浪河全新世冰量变化初探

采用祁连山老虎沟12号冰川2009年RTK测量生成的数字高程模型(DEM), 建立现代冰川表面横截面拟合的二次方程, 结合差分GPS测量的冰碛垄形态, 运用于祁连山摆浪河上游14号冰川和16号冰川全新世以来冰量变化的估算. 结果表明: 新冰期以来冰储量减少0.38 km³, 小冰期以来14号冰川和16号冰川的冰储量分别减少0.016 km³和0.047 km³; 根据祁连山全新世各个时期最大冰川范围的时间, 估计了全新世以来14号和16号冰川冰储量的减少速率, 新冰期以来为12.2×10^-5~15.0×10^-5 km³·a^-1, 小冰期以来分别为4.0×10^-5~5.3×10^-5 km³·a^-1, 11.75×10^-5~15.7×10^-5 km³·a^-1.     

钾、钠离子对垃圾渗滤液RO浓缩液中鸟粪石结晶的影响

垃圾渗滤液RO浓缩液等高氨氮废水中钾钠离子浓度较高,而钾钠离子对鸟粪石结晶法回收氨的影响规律尚未了解。本文通过向人工配制不同钾钠浓度的模拟和实际RO浓缩液中投加镁盐、磷酸盐促使鸟粪石结晶,测定结晶前后溶液中氨氮、磷酸盐、钾钠离子浓度,并利用XRD、SEM分析结晶产物的结构和形貌,探讨钾钠离子对鸟粪石结晶及氨回收率的影响。结果表明,随着K~+浓度增加,氨氮回收率由96. 5%降至83. 0%,结晶产物中K~+质量分数由2. 4%升至6. 4%;鸟粪石特征衍射峰向高角度偏移,说明K~+进入鸟粪石晶格位置形成含钾鸟粪石;由于K~+与NH4+存在竞争,在相同镁、氨氮、磷配比条件下会降低氨的回收率,但K~+对鸟粪石粒径和形貌基本无影响。Na+对氨氮回收率影响不显著,但会影响鸟粪石晶体形貌。用实际垃圾渗滤液RO浓缩液实验表明,在鸟粪石结晶回收氨氮的水处理中考虑到K~+的竞争,提高镁盐、氨氮与磷酸盐的投加比例为1. 8∶1∶1. 5即可保证氨氮的回收率,同时还可部分回收其中的K~+成为缓释肥营养组分。     

硫酸（亚硫酸）盐渍土单次盐胀和冻胀发育规律研究

对盐胀和冻胀规律的研究有助于深入认识硫酸（亚硫酸）盐渍土的工程性质。通过对天山北麓水磨河流域细土平原区硫酸（亚硫酸）盐渍土盐胀和冻胀试验研究发现：（1）随着温度的降低,试样盐胀和冻胀率逐渐增大。试样冻结前土体产生的膨胀是盐胀,试样冻结后产生的膨胀是盐胀和冻胀,当土体达到-15℃以后,土体盐胀和冻胀趋于稳定。（2）硫酸钠含量不变的情况下,随着含水量的增大,其起胀温度降低。土体起胀温度取决于土体中硫酸钠析水结晶温度、硫酸钠结晶含量的多少、土体结构、内摩阻力、粘聚力、土颗粒间的引力、土体孔隙间和孔隙接触间吸收结晶硫酸钠的程度。（3）硫酸钠含量增加,其单次盐胀和冻胀率变化区间增大。     

铵盐镍基电镀金刚石钻头的电化学机理研究及应用

以微机控制电化学分析系统对铵盐镍基胎体镀层的电化学机理进行研究,试验了硫酸镍用量、氯化铵用量、镀液温度和镀液的pH值对镍沉积的影响,结果表明保持镀液适当高的pH值、略低的温度和加入氯化铵,可使镍沉积的极化增大,从而使镀层晶粒变小,结晶致密,且氯化铵的加入没有改变阴极过程的控制步骤。在N iSO4.6H2O 280 g/L,NH4Cl 19 g/L,H3BO335 g/L,十二烷基硫酸钠0.1 g/L;镀液温度45℃±1℃,pH值5.2,电流密度3.6 A/dm^2条件下电镀Φ41/27 mm室内钻头,钻进可钻性Ⅷ级的绢云母化含石英斜长石玢岩,钻进时效平均达到1.94 m/h,钻头的磨损约为0.092 mm/m,与普通镍-钴胎体钻头的使用寿命相差不大;但其钻进时效要比镍-钴胎体钻头高0.18 m/h,即约高10%,为野外生产试验提供了试制钻头的可靠资料和经验。     

硫酸盐对麦积山砂砾岩风化影响的试验研究

麦积山石窟砂砾岩在盐分参与下出现粉化、剥落等现象,这大大加速了石窟岩体的风化进程。通过对砂砾岩进行毛细迁移及循环劣化试验,研究了硫酸盐在砂砾岩中的运移规律,分析了盐分参与下砂砾岩的破坏特征,并得出了其产生的结晶压力。结果表明：硫酸钠结晶使砂砾岩发生显著破坏;硫酸盐在砂砾岩中的运移呈现一定的规律性;硫酸钠溶液的浓度达到0.95～1.13 mol/L区间时,砂砾岩开始破坏,并且得出试验条件下结晶压力理论最大值可以达到33 MPa。     

陕西丹凤秦岭群石榴子石变质结晶动力学研究

本文运用晶体大小分布理论对陕西丹凤秦岭群石榴子石进行了变质结晶动力学的研究,通过对石榴子石在岩石中出现的频率及其大小值的系统测定,有关变质结晶动力学的分析计算,最终得出了丹凤秦岭群石榴子石的变质结晶初始成核密度、成核速度、晶体生长速度、生长时间及冷却过程中体积转移量等诸动力学要素,并从晶体大小分布研究中获得了多期复杂变质这一与地质事实一致的重要地质信息。     

细粒土含量对粗粒硫酸盐渍土路基填料盐胀特性的影响试验及分析模型

为了明确细粒土含量对粗粒硫酸盐渍土路基填料盐胀量的影响,针对 1% 和 3%含盐量工况下的砂、砾类盐渍土,采用降温试验研究了细粒土含量递增条件下粗粒硫酸盐渍土的盐胀特点。在此基础上,利用 PFC^3D技术模拟了粗粒盐渍土的盐胀变形并分析其机制,结合微观试验分析了盐胀状态中粗粒土骨架典型状态。结果表明：随着细粒土含量的增加,粗粒硫酸盐渍土的盐（冻）胀量均先增加后减少再增大,分界细粒土含量因含盐量及土类不同而异,1%、3% 含盐量的砂、砾类土样分别在15%和10%细粒土含量时产生最大盐（冻）胀量;3%含盐量砂、砾类土的起始盐胀温度约 20 ℃,1%含盐量土样的起始盐胀温度随细粒土含量及土种类不同差异较大且存在明显的界限细粒土含量,当细粒土含量低于界限值时土体的起始盐胀温度约为0.5～2 ℃,高于界限值时土体的起始盐胀温度约为 4～12 ℃;同时提出了盐胀状态中粗粒土骨架典型状态模型及其作为路基填料的细粒土含量界限值。     

热硫化条件下温度对黄铁矿结晶生长的影响

模拟天然黄铁矿形成条件和基本过程,利用真空管式炉实验设备,通过热硫化法在250～410℃反应,实验考察不同温度条件下黄铁矿的结晶生长情况。运用扫描电镜、X射线粉晶衍射分析等手段,对实验产物形貌、物相结构特点等进行测试分析。结果表明：250～410℃时均可形成黄铁矿,但250～280℃时黄铁矿结晶程度较差;310～340℃时,可生长出部分晶面;360℃时黄铁矿生长成较为完好的晶体;380℃时黄铁矿结晶成立方体、八面体等自形晶;410℃时可形成结晶好、成分单一的黄铁矿。     

Relationship between plagioclase crystallization and cooling rate in basaltic melts

Rock textures commonly preserve a record of the near-surface crystallization history of volcanic rocks. Under conditions of simple cooling without convection or mixing, textures will reflect sample cooling rate, the temperature at which crystallization was initiated, and the distribution of mineral phase precipitation across the crystallization interval. Compilation of plagioclase size and number density data on natural (dike, sill and lava lake) and experimental samples suggests that (1) growth and nucleation rates of plagioclase in natural basaltic samples are a predictable function of cooling rate, and (2) the observed crystallization rate dependence on cooling rate is similar to that observed in experiments initiated at subliquidus temperatures. Comparison of natural and experimental samples thus suggests that most basalts crystallize under conditions of heterogeneous nucleation, with the number density of preexisting nucleii partially controlling textural responses to cooling rate changes. Time scales of crystallization and cooling in magmatic systems are intimately linked through a balance between heat removal from the system and heat evolved through crystallization. Evaluation of textural data in the context of recent numerical models of crystallization in simple (one- and two-component systems) provides new insight into regularities in the crystallization behavior of basaltic magmas. For example, the rate of change in crystal size (and number density, as dictated by mass balance) has been used as a measure of the relative importance of time scales of crystallization and cooling in numerical models of crystallizing systems. In natural samples, plagioclase size scales with the length scale of cooling such that a logarithmic plot of grain size as a function of normalized distance across the dike has a slope that appears approximately independent of dike width (solidification time). Comparison with available textural data for other phenocryst phases suggests that the same may be true for pyroxene and magnetite crystallization, with each phase having a characteristic slope probably controlled by the thermodynamic properties of the crystallizing phase. Measured crystal size distributions are unimodal and show maximum frequencies in the smaller size classes; distributions broaden and the grain size at peak frequency increases with increasing crystallization times (decreasing cooling rates). In contrast, partially crystallized Makaopuhi lava lake samples have crystal size distributions that decrease exponentially with increasing crystal size. Measured size distributions in dikes can be explained by late stage modification of Makaopuhi-type distributions through loss of small crystals, possibly the consequence of growth without nucleation. Finally, this compilation of the textural response of basaltic magmas to changes in cooling rate suggests that empirical calibrations of crystallization rate dependence on cooling rate from natural samples provide a reasonable model for plagioclase crystallization in near-surface basaltic systems. Predicted growth rates will be slow and relatively constant (10^-10–10^-11 cm/s) for crystallization times expected in most shallow volcanic systems (<1000 years).