石英—α型SiO2高压相变的分子动力学研究

采用在经典离子晶体作用势中附加Morse势，并进行必要的量子化修正,对石英－α型SiO2结构随压力变化特性进行分子动力学计算模拟，获得了压力高于24．6GPa，从晶相向非晶相相变模拟结果，并利用其离子间相互作用势、摩尔体积变化、键角等重要信息对模拟结果作了深入的探讨，获得了与实验结果较一致的模拟结果。     

地下咸水中Ca~(2+)和Mg~(2+)对CO_2溶解度的影响

获得CO2在地下咸水中的溶解度是CO2地质储存研究中亟待解决的问题,然而不同离子对CO2溶解度的影响却鲜有文献提及。为了填补实验数据的空缺,本研究设计了一套高压条件下CO2溶解度测量装置,克服了传统高压釜取样不便和实验重现性差的缺点;通过测定纯水中CO2的溶解度验证了实验装置和方法的精准性;测定了地质埋存条件下0.1 mol/L、0.2 mol/L和0.5 mol/L Ca Cl2、Mg Cl2溶液中CO2的溶解度。与文献结果不同,实验发现Ca2+对超临界CO2溶解度的影响小于Mg2+,并且CO2在两种溶液中的溶解度差异会受到温度和压力的影响。在本实验范围内,不同离子溶液中溶解度的最大差别高达18.53%,而几乎所有CO2溶解度模型文献都没有提及此变化。最后对溶解度随温度、压力以及离子种类变化的现象进行了理论分析。     

复杂水力路径下非饱和流动的数值分析

多孔介质中的流动问题,与孔隙介质的特性,含水量状态以及含水量的变化历史密切相关。基于毛细循环滞回理论模型,考虑含水量变化历史对土水特征关系的影响,在开发的U-DYSAC2有限元程序中进行了相应的数值实施。在试验给定的初边值条件下进行了非饱和渗流模拟分析,并将模拟结果与实测数据比较,表明在压力边界条件反复变化下,考虑滞回效应能获得更接近实测的结果,证实该模型在模拟各种循环变化条件下非饱和土渗流初边值问题的适用性与必要性。对入渗重分布反复变化条件下非饱和土柱流动的数值模拟表明,考虑滞回与不考虑滞回条件下,含水量、孔隙水压力和湿峰的迁移的预测在入渗后的重分布过程差异较大。考虑滞回效应时,土柱上部的脱湿速率、下部的吸湿速率比不考虑滞回时要低。从而证实了非饱和多孔介质中的土水状态依赖于含水量变化,而且强烈依赖于土体的水力路径变化。因此,循环边界条件变化下,毛细滞回效应在非饱和渗流模拟中的影响显著,必须加以考虑。     

海洋天然气水合物元素地球化学异常的实验研究

海洋天然气水合物在生成过程中会引起周围沉积物孔隙水中元素地球化学异常,这些异常是指示天然气水合物存在的重要标志。在自制的实验装置上,模拟了海洋天然气水合物的生成过程,对海水中各离子浓度的变化进行了初步研究。结果表明：在不同的反应条件下,水合物的生成对各离子浓度变化的影响不同。压力越大,耗气量越大,生成水合物的量就大、纯度高,其排盐效应也较强,导致海水溶液中离子浓度的增高,而水合物中离子含量却呈降低趋势。     

粉砂地层盾构隧道开挖面稳定性离心试验及数值模拟

通过开展离心模型试验,对干粉砂及饱和粉砂中盾构隧道开挖面的失稳破坏特性和极限支护压力进行了研究。通过远程控制开挖面土体位移,获得了支护压力与开挖面位移间的关系曲线及开挖面达到主动极限平衡状态时的破坏模式。2组干砂离心模型试验结果表明,当隧道埋深与隧道直径比从0.5增大到1时,开挖面破坏模式从整体坍塌破坏转变为烟囱状,但极限支护压力变化较小。饱和砂土中的试验表明,开挖面水平方向破坏范围相比在相同埋深干砂中的范围扩大,极限支护压力显著增加。对开挖面破坏过程进行三维弹塑性有限元数值模拟,获得了开挖面极限支护压力和破坏机制,所得结果与试验吻合较好。进一步通过数值模拟,分析了土体强度参数、隧道埋深及渗流对极限支护压力的影响规律。结果表明,渗流条件下开挖面破坏区域及极限支护压力均大于无渗流情况,极限支护压力随内摩擦角增大而减小,随隧道埋深增大而减小。     

熔融SiO2中原子自扩散性质的分子动力学模拟

研究地幔熔体中元素的扩散性质有着重要的意义,因其影响着元素的交换和分馏过程。SiO2 作为地幔组成的重要组
分之一,其物理化学行为对于地幔动力学过程有着重要的意义。本文研究了SiO2 熔体中元素的扩散机制和自扩散系数与
压力的关系,采用Morse stretch 势场对含有4500 个原子的熔融SiO2 体系进行了分子动力学模拟,计算了硅氧自扩散系数在
3000 K 温度下随压力的变化。模拟结果显示,在0.0001~40 GPa的压力区间,硅氧元素的自扩散系数均先上升后下降,在
17.5 GPa 时达到最大值,O 原子的扩散速率略高于Si 原子。硅氧元素的扩散方式为缺陷控制运移机制,其中硅原子的五配位
结构的形成是关键,为导致扩散系数随压力增大而上升的主要原因,扩散系数的最大值意味着SiO2 熔体中5 配位硅形成机
制的改变。本文也计算了单位［SiO2］的平均体积和压力的关系,结果与实验很吻合。     

滞后现象对CO_2深部咸水层地质封存的影响

在CO2封存到深部咸水层的过程中,由于多相流体性质的不同,相对渗透率和毛细压力不仅和当前区域流体的饱和度有关,还和流体经历的过程及历史饱和度有关,在相对渗透率和毛细压力特征曲线中表现出滞后现象。作为重要的参数,大多数通用数值模拟软件并未考虑相对渗透率和毛细压力滞后的现象,然而实际中滞后现象对CO2在咸水层中运移变化具有重要的影响,特别是在停止注入后的吸湿过程中。设计两种方案分别对应无滞后效应和滞后效应,采用数值模拟的方法,利用TOUGH+CO2进行模拟。结果表明,相对渗透率和毛细压力计算函数的选择对模拟结果具有重要的影响。在盖层封闭性能较好的情况下,两种方案CO2封存总量相同,但封存CO2存在相态比例不同。由于方案中考虑的流体驱替过程不同以及模型区域残余气相饱和度的不同,相应的相对渗透率和毛细压力特征变化曲线不同,表现出CO2气相饱和度分布的差异,考虑滞后效应的方案描述了相对渗透率与毛细压力随气液两相相互驱替过程的变化,因此在咸水层封存CO2的数值模拟中,应该引入相对渗透率和毛细压力滞后现象相关的计算,使得描述CO2在地层中的运移变化过程更准确。     

甘肃黑河中下游影响绿洲植被发育的某些因素

黑河下游额济纳绿洲区和中下游沿黑河干流河床附近的潜水位埋深较浅,是维系地表植被生长的重要因素。中游高台附近潜水位存在每年双峰值的变化,较之下游额济纳绿洲潜水位每年单峰值的变化更有利于植被的生长。在包气带剖面中,同一时刻水土势、含水量、含盐量随深度的变化趋势基本相同。采样点包气带土壤中易溶离子含量相对较低,全盐量小于5%,中游采样点土壤中以HCO3-为主,下游以SO42-为主,由SO42-、Cl-和Na+、Ca2+组成的盐类构成了包气带土壤中的主要盐分。土壤中易溶离子含量自地表至潜水面之间随深度总体上呈减小趋势。植被的根系分布对包气带土壤含水量、水土势和易溶离子含量随深度的分布有着重要的影响,在植物根系发育带的土壤中含水量、水土势和易溶离子含量升高。     

甘肃黑河中下游影响绿洲植被发育的某些因素

黑河下游额济纳绿洲区和中下游沿黑河干流河床附近的潜水位埋深较浅,是维系地表植被生长的重要因素.中游高台附近潜水位存在每年双峰值的变化,较之下游额济纳绿洲潜水位每年单峰值的变化更有利于植被的生长.在包气带剖面中,同一时刻水土势、含水量、含盐量随深度的变化趋势基本相同.采样点包气带土壤中易溶离子含量相对较低,全盐量小于5%,中游采样点土壤中以HCO3-为主,下游以SO24-为主,由SO24-、C1-和Na 、Ca2 组成的盐类构成了包气带土壤中的主要盐分.土壤中易溶离子含量自地表至潜水面之间随深度总体上呈减小趋势.植被的根系分布对包气带土壤含水量、水土势和易溶离子含量随深度的分布有着重要的影响,在植物根系发育带的土壤中含水量、水土势和易溶离子含量升高.     

甘肃黑河中下游影响绿洲植被发育的某些因素

黑河下游额济纳绿洲区和中下游沿黑河干流河床附近的潜水位埋深较浅,是维系地表植被生长的重要因素.中游高台附近潜水位存在每年双峰值的变化,较之下游额济纳绿洲潜水位每年单峰值的变化更有利于植被的生长.在包气带剖面中,同一时刻水土势、含水量、含盐量随深度的变化趋势基本相同.采样点包气带土壤中易溶离子含量相对较低,全盐量小于5%,中游采样点土壤中以HCO3-为主,下游以SO24-为主,由SO24-、C1-和Na 、Ca2 组成的盐类构成了包气带土壤中的主要盐分.土壤中易溶离子含量自地表至潜水面之间随深度总体上呈减小趋势.植被的根系分布对包气带土壤含水量、水土势和易溶离子含量随深度的分布有着重要的影响,在植物根系发育带的土壤中含水量、水土势和易溶离子含量升高.     

高压合成的Mg-Fe-Mn-Al榴石系列的研究

对高压下合成的12个Mg-Fe-Mn-Al榴石系列矿物样品进行X射线衍射和红外光谱研究,获得了该系列矿物晶胞参数、红外吸收带频率与化学成分关系的系统资料。并根据人工合成石榴子石的压力和天然石榴子石的产状,讨论了当研究具有复杂成分的天然石榴子石时,应将Al离子优先与Mg、Fe离子组成端元组分,而Cr离子优先与Mn、Ca离子结合。     

超大跨度深埋地下结构围岩压力计算研究

围岩压力是地下结构设计与施工的重要依据。新建京张城际铁路八达岭车站拟定备选方案之一的单拱超大跨设计方案中,最大的跨度近45 m。对于类似超大跨度的深埋地下结构,传统的围岩压力理论与经验计算方法都存在着明显的局限性,已经不再适用。而结合现场勘查资料和室内外试验成果的数值模拟方法,尽管可以得到相对精确的围岩压力计算结果,但存在着计算过程复杂、计算效率低下的不足。因此,在计算分析了多种传统围岩压力计算方法与数值模拟方法获得的围岩压力所存在差异的基础上,对Q系统的围岩压力公式引入跨度项进行了修正,从而获得了能够快速估算超大跨度深埋地下结构围岩压力的估算方法。最后对不同跨度工程的围岩压力进行估算,并与监测值进行比较,对比结果良好。该方法不仅可以为工程设计人员及现场工作人员提供设计计算依据,还可为相关研究人员提供理论参考。     

土质滑坡失稳、运动及冲击压力物质点法模拟研究

大型滑坡灾害往往带来巨大的人员伤亡和财产损失,开展滑坡灾害全过程数值模拟研究对滑坡风险定量评估具有重要意义。本文采用更新拉格朗日控制方程的物质点法,基于Drucker-Prager屈服准则下的理想弹塑性模型,考虑孔隙水压力效应推导等效内摩擦角,建立深圳“12 ·20”滑坡二维物质点法数值模型,再现了该滑坡失稳、运动和冲击过程。采用K均值聚类算法结合物质点的相对位移识别滑裂面,对滑坡运动过程中特征物质点速度变化进行分析,并参考泥石流冲击压力计算方法对滑坡运动物质的冲击压力和冲击荷载进行了初步计算。结果表明,物质点法模拟分析获得的深圳滑坡滑裂面形态、失稳和运动特征、冲击强度和堆积形态等与实际观察结果吻合较好,是再现滑坡稳定—失稳—运动—冲击—停积全生命周期的可靠数值模拟方法。     

西北地区额济纳绿洲非饱和带水分和盐分分布

在西北地区黑河流域下游的额济纳绿洲选择3个土壤剖面采集不同深度土壤样品和潜水样品进行测试,并在野外观测非饱和带不同深度的水土势变化。结果表明,SO4^2-是非饱和带土壤和地下水中的主要离子成分,土壤和地下水呈偏碱性。土壤易溶离子含量随深度大体上呈减少趋势。绿洲非饱和带发育有收敛型和发散型零通量面,自夏季至冬季,零通量面变得不清晰直至消失。在非饱和带中,土壤易溶盐含量、含水量和总水土势随深度的变化趋势基本相同,植物根系的吸收对水分和盐分的垂直分布有着重要的影响。     

复杂边界孔口出流的数值模拟

运用复势理论建立了求解明流泄洪洞泄流的一种新的计算模型,并提出了未知流量的求解方法。通过数值求解边界积分方程组,对流量、水面线和边壁压力等水力参数进行了数值模拟。计算表明,提出的方法计算速度较快、收敛性较好、精度较高,计算值与试验值符合良好。     

东营凹陷牛庄—王家岗区块输导层油气运移初值三维重建方法与应用

输导层油气运移初值的三维重建是衔接排烃史三维模拟和人工智能运聚模拟的模块,是为了解决在排烃史三维模拟之后油气从烃源岩层运移至输导层的路径和数量,同时为人工智能运聚模拟做输烃量的预分配。该方法对于模拟自生自储油气藏和透镜体油气藏具有特别的优势,同时,所提出的方法综合考虑了岩相变化、断层和流体势对油气运移初值三维重建的影响,即通过流体势差值、岩性和断层性质判断油气的运移方向,并根据流体势差值所占比例、岩性和断层性质的差异来分配油气输导的比值。应用该方法在地质体的三维角点网格模型的基础上,对东营凹陷牛庄-王家岗区块进行了输导层油气运移初值的三维重建并获得了较好的模拟结果。模拟结果显示该区块从沙四上亚段沉积末至现今有14.0%的油滞留在烃源岩中,运移出来的油中有98.4%的油向上运移至输导层,0.065%的油向下运移至输导层,1.535%的油侧向运移至输导层。     

富铝泥质岩混合岩化深熔作用的热力学相平衡模拟研究

基于岩石相平衡，对富铝泥质岩K2O-Al2O3-SiO2一H2O(KASH)和K2O-FeO—MgO—A12O3-SiO2-H2O(KFMASH)体系的混合岩化深熔作用相关系进行了模拟计算，得到泥质岩深熔作用的成岩格子、熔体成分变化特征、熔体含水量及其温压条件、石榴石变斑晶成分演化趋势和泥质岩进变质、退变质矿物组合特征、各种压力条件下S型花岗质熔体特征等，并进一步将模拟结果应用于内蒙古固阳等地的泥质岩，根据相关岩石的矿物组合及结构特征，获得了变质反应历史和P—T轨迹。     

南堡凹陷温度场、压力场及流体势模拟研究——基于Basin2盆地模拟软件

运用Basin2盆地模拟软件，对南堡凹陷进行的温度场、压力场的模拟结果表明，南堡凹陷主体属常温、常压范围，仅局部地区存在轻微程度的温、压异常，综合其它资料说明其具有富油、贫气的特征；流体势模拟结果显示，南堡凹陷的烃源岩主要来自沙河街组和东营组，含烃流体的运移和聚集主要发生在东营组一段以及明化镇组和第四系地层沉积期间，且流体势的低值区应是有利的成藏区，是今后勘探的重要区域。     

SPH法在大坝表孔泄流数值模拟中的应用

主要对光滑粒子流体动力学(SPH)法进行研究,建立了大坝表孔泄流的光滑粒子模型。将SPH数学模型应用于拉西瓦水电站表孔泄流中,提出了采用补水边界的方法来满足库区恒定水位条件,模拟了表孔泄流的流场变化及粒子运动过程。通过与物理模型实测的压力值比较,堰表面压力变化基本一致。对模拟结果进行分析,表明光滑粒子流体动力学可用于高速水流的计算模拟研究。     

水-岩相互作用模拟的研究进展

水 岩相互作用的地球化学模拟已在模型建立和软件的开发方面取得了较大的进展。地球化学模型发展经历了从反向模拟到正向模拟,以及到现在的反应性溶质运移模拟的发展过程。许多计算模拟软件被开发出并投入到实际应用中,现在的模拟技术已能处理较大范围内温度变化、压力变化、组分变化,以及各种地质条件下的水 岩地球化学作用。许多水 岩相互作用问题要回答地质作用的过去历史,要解释或预测未来可能水环境变化,通过模拟已获得满意的解决。目前水 岩作用地球化学模拟取得的重要进步是动力学模型和耦合运移模拟已取得了实质性进展,并应用于实际研究之中。