岩石物理化学性质对泰宁丹霞洞穴的形成制约

泰宁丹霞红层由铁钙质混合胶结的较松散固结红色砂砾岩构成,岩石胶结物中CaCO3含量较高,抗压强度极低、孔隙度和含水性均较高。当岩石遇水湿润或浸泡时,或者生物风化过程中受到各种动植物分泌的有机酸作用,岩石胶结物中CaCO3易溶解流失,促使丹霞红层进一步软弱松散。冬季水结冰之后体积会膨胀,所以岩层表面产生片状裂隙。通过裂隙的毛细管效应,孔隙-裂隙水由岩石内部向结冰的表面扩散,在表面张力作用下水呈表面积最小的球状。春季化冻时岩石沿球形片状裂隙自由剥落的片状风化,圆球形洞穴开始形成,随着四季交替,年复一年,间歇性结冰和融化过程,使得洞穴逐渐扩大,形成泰宁丹霞各种形态的洞穴奇观。     

极弱胶结岩体再生结构的形成机制与力学特性试验研究

极弱胶结岩体中粘土矿物成分含量较高,胶结程度较差,胶结物为泥质胶结,对水敏感,可塑性强;基于土体固结与杠杆加载原理,自主研制了极弱胶结岩体再生结构形成试验装置,确定了再生结构岩样分级加载与固结稳定方法,形成了不同含水率极弱胶结岩体再生结构岩样,揭示了极弱胶结岩体再生结构的形成条件与形成过程。开展了不同含水率再生结构岩样的单轴与三轴压缩试验,揭示了再生结构岩样的变形及强度参数与应力状态、含水率变化的演化规律。分析了极弱胶结岩体再生结构岩样的全应力-应变曲线特性,揭示了其体积应变的演化规律;通过对极弱胶结岩体再生结构岩样单轴与三轴压缩试验破坏模式的分析,反映出极弱胶结岩体再生结构岩样的破坏模式受含水率影响较大。     

极弱胶结岩体再生结构的形成机制与力学特性试验研究

极弱胶结岩体中黏土矿物成分含量较高,胶结程度较差,胶结物为泥质胶结,对水敏感,可塑性强;基于土体固结与杠杆加载原理,自主研制了极弱胶结岩体再生结构形成试验装置,确定了再生结构岩样分级加载与固结稳定方法,形成了不同含水率极弱胶结岩体再生结构岩样,揭示了极弱胶结岩体再生结构的形成条件与形成过程。开展了不同含水率再生结构岩样的单轴与三轴压缩试验,揭示了再生结构岩样的变形及强度参数与应力状态、含水率变化的演化规律。分析了极弱胶结岩体再生结构岩样的全应力-应变曲线特性,揭示了其体积应变的演化规律;通过对极弱胶结岩体再生结构岩样单轴与三轴压缩试验破坏模式的分析,反映出极弱胶结岩体再生结构岩样的破坏模式受含水率影响较大。     

极弱胶结岩石物理力学特性及本构模型研究

极弱胶结岩石成岩时间晚,胶结差,强度低,易风化,遇水泥化崩解,特殊的成岩环境和沉积过程形成其独特的物理与力学性质。X射线衍射试验表明,极弱胶结岩石的黏土矿物成分以高岭石为主,其含量高达54%～69%。微观结构为蜂窝状、孔隙多且连通性好,整体结构性较差,遇水易发生水化反应,造成其孔隙率增加与强度降低,在自然条件下极易风化,短时间暴露即开裂。使用MTS 815岩石力学试验系统进行极弱胶结岩石的单轴与三轴压缩试验,获得极弱胶结岩石全应力-应变曲线,揭示了极弱胶结岩石峰后应变软化与扩容变形特性。试验结果表明,岩样破坏前后具有明显的体积膨胀特性,随着围压的提高,峰后体积膨胀特性逐渐减弱。基于裂纹体积应变模型,分析了极弱胶结岩石扩容大变形破坏机制,揭示了岩体强度与扩容参数随等效塑性应变的演化规律,建立了峰前损伤扩容与峰后破裂扩容屈服准则,构建了极弱胶结岩石扩容大变形本构模型。     

鄂尔多斯盆地陇东地区延长组砂岩成岩作用及孔隙演化

大量岩石薄片、孔隙铸体薄片、扫描电镜与X衍射以及常规物性等分析资料研究表明,鄂尔多斯盆地陇东地区三叠系延长组砂岩主要为成分成熟度及结构成熟度较低的长石质岩屑砂岩、岩屑砂岩和长石砂岩。优质储层主要发育于粗粒富含刚性颗粒的砂岩中,这类砂岩在埋藏过程中由于早期快速埋藏加之泥岩、板岩及千枚岩岩屑含量高,经历了强烈的压实作用,使其由原始孔隙度大约为39%降低至18.5%;此后发生石英颗粒次生加大及绿泥石胶结,使孔隙有一定程度的损失(大约3.5%);紧随其后的是方解石及白云石碳酸盐胶结,损失孔隙度5%;后来出现碳酸盐胶结物与长石及岩屑的溶蚀作用,新增加孔隙度4％～8%,最晚期的是含铁方解石和含铁白云石胶结充注溶蚀孔隙和部分原生孔隙。     

岩石颗粒胶结方式对储层岩石弹性及渗流性质的影响

为研究岩石颗粒胶结方式对储层岩石弹性和渗流性质的影响,采用过程模拟法构建了三维数字岩心,在此基础上,分别利用有限元方法和格子玻尔兹曼方法研究了胶结物均匀生长、沿孔隙生长和沿喉道生长3种胶结方式对岩石弹性和渗流特性的影响规律.结果表明:岩石颗粒胶结方式会影响岩石刚性和孔隙连通性,引起岩石弹性模量和渗透率的变化.在相同孔隙度下,胶结物沿喉道生长形成的岩石抗压性最强,渗透率最小;沿孔隙生长形成的岩石抗压性最弱,渗透率最大.3种胶结方式下,岩石弹性模量随着胶结物含量增加而增大,变化率近似相等;岩石渗透率随着胶结物含量的增加而减小,岩石渗透性对颗粒胶结方式的变化更敏感.      

广东丹霞山白垩系红色砂岩崖壁上风化洞穴成因的矿物学研究

基于盐风化作用和化学风化作用在砂岩风化洞穴形成中的意义，本文利用硫酸盐与氯化物等盐类物质对丹霞山岩壁上的红色砂岩进行盐浸泡实验，并对比浸泡前后岩石结构、化学成分及矿物组成的变化，旨在为盐类物质在丹霞山岩壁上洞穴形成中的意义积累科学数据。结果表明，盐浸泡可以使红色砂岩中的矿物组成产生变化；含SO₄^2-比含Cl^-的盐溶液对红色砂岩洞穴破坏更为显著，且浓度越高对砂岩表面的剥蚀作用越强烈；盐溶液会使红色砂岩胶结物严重流失，且盐类物质在砂岩孔隙中结晶后，因其粒径的逐渐增大，致使大颗粒石英附近的裂隙扩大，进而加快洞穴的形成。总体上，广东丹霞山红色砂岩崖壁上风化洞穴的成因可解释为长石溶蚀、胶结物流失与盐风化共同作用的结果。     

车西洼陷陡坡带沙三下亚段近岸水下扇储层成岩演化及其对储层物性影响

利用岩芯观察、铸体薄片、扫描电镜、阴极发光及岩石物性测试等多种资料,本文对济阳坳陷车西洼陷陡坡带沙三下亚段近岸水下扇储层进行了探讨。结果表明,车西洼陷沙三下段近岸水下扇储层岩石类型宏观上主要表现为泥质杂基支撑砾岩、碎屑支撑砾岩、砾质砂岩等沉积,微观上以岩屑砂岩和长石质岩屑砂岩为主,灰泥质杂基含量最高可达40%。车西洼陷沙三下段近岸水下扇储层为典型的特低孔、特低渗储层类型,其平均孔隙度和渗透率分别为3.42%、2.02×10-3μm2;但在3 500~4 000 m深度段发育异常高孔带,孔隙度可达10.2%,储集空间多为溶蚀孔和微裂缝。研究区储层经历了复杂的成岩演化过程,目前处于中成岩B期,其成岩演化序列为:压实作用/碳酸盐胶结→长石溶蚀/碳酸盐胶结物溶蚀→石英溶蚀/碳酸盐胶结/灰泥重结晶→石英加大/碳酸盐胶结溶蚀→碳酸盐胶结。不同亚相所经历的成岩演化有所差异,其中中扇辫状水道中远端及中扇前缘经历了多期溶蚀作用,储层物性相对较好,平均孔隙度分别可达4.5%,7.25%,为研究区近岸水下扇砂砾岩储层的“甜点区”。     

江北砾岩碳酸钙胶结特征及物质来源研究

江北砾岩是河流砾石层在地表胶结形成的沉积岩,其胶结物性质及来源问题长期以来倍受人们关注,但研究不深且存在明显争议。本文对岩石薄片和基岩、风化土壤、河成潮土、地下水、河岸滴水、河水、砂砾岩基质的化学成分进行了深入研究。化学分析结果表明,江北砾岩基质CaO含量高达30% , 沿岸出露基岩、土壤CaO 含量达10%左右,是河成砂土的3～ 10倍多,地下水、河岸滴水的Ca2+含量分别达116mg / L、160mg /L; HCO-3 分别为412mg /L、436mg /L,约为河水的3倍。与此同时,大量砂、砾岩薄片观察也表明,江北砾岩胶结物中含有大量的方解石。据此,我们认为江北砾岩胶结物可能主要来源于川江沿岸广泛分布的中生代基岩及其风化壳。      

华南海岸沙丘岩的特征及其与海滩岩的区别

沙丘岩是热带亚热带的一种特殊的岩石类型，尽管外貌相似，但它们成因和特征上有别于海滩岩。作者通过对西沙石岛、海南岛文昌和临高、广东阳江青洲岛、汕头广澳等处具一定代表性的沙丘岩的研究，总结了沙丘岩的沉积学、岩石学特征及其与海滩岩的区别。华南沙丘岩由岛屿上的灰砂和含生物碎屑的海岸风成沙丘物质胶结而成。分布高程可达＋６０ｍ以上，岩石中发育板状交错层理、大型槽状交错层理、上凸层理、似水平层理以及根管构造；其物质来源与海滩砂具继承关系，兼具风成砂的特点，部分沙丘岩还混有坡积物及陆生生物壳体。沙丘岩的颗粒多为中砂粒径，普遍分选好，（ＳＫ１）偏度变化比较大，ＫＧ峰度较小，Ｙ１值为负值，与海滩砂、海滩岩差别较大。沙丘岩中发育各种淡水渗流环境中特有的胶结物和胶结组构。虽然沙丘岩与现代海滩岩相比，其Ｃａ、Ｍｇ、Ｓｒ元素的含量及比例不同，但可以完全与上升海滩岩相似。本文作者认为:辨别沙丘岩主要从产状、沉积构造、粒度分析、胶结物及组构诸方面进行研究。     

雪玉洞母岩沉积地质特征及其对次生沉积物的影响

为了研究洞穴母岩对洞穴系统及次生沉积物产生的影响,以重庆丰都雪玉洞母岩为研究对象,对其沉积地质特征进行了详细的研究,同时还探讨母岩的沉积地质特征与洞穴发育及次生沉积物特征之间的关联。结果表明,雪玉洞的母岩层位为下三叠统飞仙关组第二段,其沉积相为颗粒滩。母岩的岩性为砂屑灰岩、鲕粒灰岩、砾屑灰岩, 夹少量微晶灰岩。母岩和洞穴次生沉积物的主要矿物成分是低镁方解石（LMC, low magnesium calcite）。母岩较低的Mg/Ca导致洞穴滴水的Mg/Ca也较低,这使得组成次生沉积物的低镁方解石晶体快速侧向生长,并导致方解石晶体纯净、粗大且自形程度高。雪玉洞母岩顶底板岩层沉积期稳定的滩间海沉积环境有助于形成高强度的厚层微晶灰岩从而为洞穴系统的发育提供有效的支撑。这表明洞穴母岩的沉积地质特征会在物质基础的层面对洞穴系统的发育以及洞穴次生沉积物的特征产生显著影响。      

昆明新机场航站区下伏溶洞地基承载力分析

溶洞地基承载力的影响因素众多。溶洞埋深、溶洞直径（跨度）、水平相邻溶洞的间距,竖向相邻溶洞的间距及溶洞断面形态等对地基的承载力影响很大。应用工程地质分析和数值模拟相结合的方法,对昆明新机场下伏溶洞地基承载力进行了分析,得出当单个溶洞埋深大于2倍直径后,上部荷载与下部溶蚀空间的关系较小。当水平相邻溶洞的间距大于1倍跨度以及当竖向相邻溶洞间距大于0．5倍跨度后,可以忽略溶洞对上部荷载的影响。溶蚀率每增加5％,上部最大荷载qmax降低幅度约6％～10％。当跨度大于3倍洞高时,上部最大荷载的降低幅度相对较小,竖向型溶洞所能承受的荷载相对较大。     

溶洞穴滴水元素季节变化及其气候指示意义研究—以贵州省麻黄洞为例

为揭示岩溶洞穴滴水元素季节变化特征及其对外界气候环境变化的响应关系,对贵州绥阳双河洞系支洞麻黄洞内3处滴水的Mg、Ca、Sr元素进行了为期13个月的监测。结果显示:(1)3个滴水点M1、M2和M3的水化学类型主要为HCO3·Ca型,岩溶水对于方解石与白云石等矿物的溶解处于饱和状态;(2)上覆土壤和岩层厚度逐渐增加,导致水-土-岩作用时间也随之增加;(3)Ca^2+、Mg^2+、Sr^2+浓度变化总体上呈逐级递增的特点,各离子浓度在高温多雨季节波动幅度大,低温少雨季节变化平稳;(4)Mg/Ca、Sr/Ca均表现出雨季低、旱季高的特征,反映该地区外界干湿条件的变化;(5)由模型模拟显示,3个滴水点皆以PCP/ICD作用为主,M1对降雨响应不敏感,M2滴率与离子浓度呈雨季高、旱季低的变化规律,M3位于洞穴最深、顶板最厚处,滴率与离子浓度无显著季节变化特征。结合各滴水点洞穴环境变化规律,推断M2更能准确响应外界气候环境变化。     

High‐resolution synchrotron X‐ray fluorescence investigation of calcite coralloid speleothems: Elemental incorporation and their potential as environmental archives

Synchrotron high‐resolution and micro‐X‐ray fluorescence elemental mapping of two coeval coralloid speleothems from Lamalunga Cave (Italy) are complemented with petrographic, morphological and microstratigraphic studies. The importance of these speleothems relies on their direct and indirect association with a complete Neanderthal skeleton (‘Altamura Man’) found inside the cave. The coralloids grew discontinuously between 64·6 ka and the Holocene and reveal exceptionally high concentrations of Mg, Sr and Si, particularly on convex surfaces, where evaporation is more intense. The incorporation of trace elements depends on several factors including location, shape and geometrical evolution during their growth, as well as climate and environmental parameters. This resulted in calcite precipitation with Sr compositions from 100 to 1200 ppm and an average concentration of 7000 ppm Mg. An unusually high Si content (up to 16%) is possibly derived from volcanic ash transported as particulate and in solution inside the cave. The most common fabrics observed consist of non‐fluorescent elongated columnar calcite forming clean isopachous bands and fluorescent fibre‐like crystals associated with laminated, lenticular bands high in Sr, Mg and Si. Variability in Sr, Mg and Si concentrations appears to induce fabric changes in the coralloids. Elongation and lattice distortion of the crystals was found to coincide with high Mg concentrations. The transition from compact elongated to open to fibre‐like, is here interpreted as due to high concentrations of Si and Sr, which are preferentially incorporated in the speleothem at crystal boundaries and intra‐laminae. It is here inferred that coralloid fabric changes and their elemental content potentially record local rainfall variations through time, with the clean compact calcite marking high infiltration and open fibre‐like and micrite fabrics recording dry periods.     

河北临城崆山白云洞溶洞地貌和沉积特征及其影响因素*

河北崆山白云洞发育在以中寒武统张夏组厚层鲕粒灰岩为主的碳酸盐岩地层中。通过对洞穴结构、形态以及沉积物特征的观测分析,结合区域地质演化、古气候演变研究,认为：（1）白云洞由3层洞穴构成,上层为大型厅堂状,中层和下层为狭窄廊道状。洞穴展布受控于NNW、NE和近EW向断裂。（2）洞穴发育形态、规模不仅与岩性和构造有关,还取决于洞穴形成时期的构造稳定性及与之耦合的气候条件,其成层分布是间歇性构造抬升的结果。（3）溶洞沉积物形态多样,其中毛细水沉积的网状卷曲石、协同沉积的玉簪对净瓶等极为罕见。（4）溶洞发育过程中历经多次坍塌,损毁严重。现今的白云洞岩石破碎,结构稳定性差,易遭破坏。研究白云洞地貌和沉积特征及影响因素,对预测其未来变化、保护洞穴旅游资源有重要意义。     

人类和自然因素对风景旅游洞穴环境的影响研究

风景旅游洞穴的环境变化和洞穴碳酸钙景观的风化、破坏和稳定性问题已经相当严重,许多科学价值和美学价值很高的风景旅游洞穴景观因洞穴景观和环境的严重破坏而不得不关闭。因此,风景旅游洞穴的安全已引起了国内外洞穴学家、洞穴旅游管理部门以及游客的广泛关注。对洞穴环境和碳酸钙景观的安全性威胁,普遍认为旅游活动和旅游设施运行是主要的影响。综上述,人类活动和自然因素都会强烈影响风景旅游洞穴的环境变化。      

基于数字图像分析的冰水堆积体结构建模与力学参数研究

冰水堆积体是一种典型的混合介质,由软弱“土”与坚硬“石”构成,其参数选取和分析方法困难。利用数字图像重构方法模拟冰水堆积体结构特征,可反映块石分布特征;以基于图像识别的块石分割和颗粒离散元建模分析方法,研究了堆积体内介质分布、土体颗粒强度对混合介质力学参数的影响规律,分析了冰水堆积体变形、峰值抗剪强度及峰后段抗剪强度的变化规律。结果表明：冰水堆积体混合介质在峰值前的变形曲线呈非线性硬化性,峰后呈现塑性特性,其综合抗剪摩擦角随基质土的黏结强度提高而降低;当块石含量小于25%时,抗剪切强度近似等于基质土强度,块石含量高于25%时,抗剪切强度随块石含量增加而提高;由于受块石空间分布影响,块石含量与摩擦角间的相关性要比其与黏结强度间的高;该成果应用于云南古水水电站坝前冰水堆积体发现,含块石混合介质内摩擦角比纯土高0°～8°,与工程判断较吻合。该方法能弥补室内试验不能考虑大尺寸块石的困难,可作为室内试验获取力学参数方法的有益补充。     

渗水对龙门石窟的影响及治理分析

根据龙门石窟的工程与水文地质条件,结合3个试验洞窟(潜溪寺、皇甫公窟和路洞)的地质病害调查结果,分析了石窟内渗水的形成机理和破坏作用,并重点论述了治理措施。将龙门石窟的破坏作用系统地分为力学作用、化学作用、生物作用3类,认为化学作用对文物的损害最为直接和明显;提出了“堵”与“疏”相结合的治理方案,并进一步将治理方法细分为堵来源、堵出口、外部疏导和内部疏导4种。根据调查结果,指出对于渗水严重的洞窟不宜仅采取堵出口的方法,宜先采取外部封堵、外部疏导和内部疏导等措施,待渗水量明显降低之后再采取内部封堵的办法。     

青海省同仁地区上二叠统石关组上部火山岩的新发现及其地球化学特征和构造环境意义

青海省同仁地区位于秦、祁结合部,构造演化历史悠久.在该区隆务河两侧广泛发育着二叠、三叠纪地层,通过两套地层岩石组合分析,我们认为晚二叠世晚期至早三叠世早期该区属于半深海浊积扇相沉积环境.在该区晚二叠世晚期地层中新发现一套火山岩,火山岩的岩石组合主要为玄武岩、安山岩、玄武安山岩等.根据岩石的常量元素特征,可以将本区火山岩分为两部分:下部岩石的SiO2含量为49.04%~52.43%,平均为51.28%,TiO2含量为0.67%~1.11%,平均为0.9%,ALK值为2.64%~3.6%.通过常量元素投点图分析,本组火山岩岩性偏基性,属于拉斑玄武岩系列,显示高钛玄武岩特征.上部岩石的SiO2含量为56.25%~60.36%,平均为58.76%,TiO2含量为0.52%~0.63%,平均为0.58%,ALK值在5.26%~5.54%之间.岩性偏中性,属于钙碱性系列,显示低钛玄武岩特征.火山岩的稀土元素也有明显差异,下部稀土总量较低,∑REE=(61.7~97.17)×10-6,(La/Lu)N比值平均为3.07,轻重稀土分馏不明显,显示与过渡型洋中脊玄武岩相似的特征;而上部稀土总量较高,∑REE=(107.51~143.32)×10-6,(La/Lu)N比值平均为7.78,轻重稀土分馏明显,稀土分配曲线显示与岛弧安山岩相似的特征.该区火山岩的微量元素比值蛛网图显示与岛弧钙碱性玄武岩-过渡类型玄武岩具有较强的相似性.构造环境判别显示出本区火山岩具有从拉张的过渡型洋中脊环境到闭合的岛弧环境的演化特征.     

Fractal dimensions and geometries of caves

Lengths of all caves in a region have been observed previously to be distributed hyperbolically, like self-similar geomorphic phenomena identified by Mandelbrot as exhibiting fractal geometry. Proper cave lengths exhibit a fractal dimension of about 1.4. These concepts are extended to other self-similar geometric properties of caves with the following consequences.Lengths of a cave is defined as the sum of sizes of passage-filling, linked modular elements larger than the cave-defining modulus. If total length of all caves in a region is a self-similar fractal, it has a fractal dimension between 2 and 3; and the total number of linked modular elements in a region is a self-similar fractal of the same dimension. Cave volume in any modular element size range may be calculated from the distribution.The expected conditional distribution of modular element sizes in a cave, given length and modulus, also is distributed hyperbolically. Data from Little Brush Creek Cave (Utah) agree and yield a fractal dimension of about 2.8 (like the Menger Sponge). The expected number of modular elements in a cave equals approximately the 0.9 power of length of the cave divided by modulus. This result yields an intriguing parlor trick. An algorithm for estimating modular element sizes from survey data provides a means for further analysis of cave surveys.