中地壳的水和水岩相互作用实验及其地球物理涵义

本文重点报道了高温高压下流体与流体-岩石相互作用实验结果,提供了中地壳条件下流体性质和水岩反应速率数据.这些数据有助于理解中地壳的一些地球物理现象.作者进行了25℃~435℃和22~39 MPa条件下水-岩相互作用反应动力学实验.同时,研究水在近临界区至超临界区的性质.一般地说,中地壳大致位于10(15)至25 km的深度范围.各地的地壳厚度不同,但是中地壳高导-低速层的深度范围十分相似.中地壳的顶界温度处于300℃,底界大致为450℃范围,压力高达200 MPa以上.流体-岩石相互作用实验表明:硅酸盐矿物和岩石的硅最大溶解速率出现在300℃~400℃.此时,硅酸盐矿物格架解体.通常,地壳里普遍存在水、流体.地壳构造活动导致断裂空隙、减压、流体流动.这时,有可能导致中地壳处于300℃~450℃流体的压力减低,由超临界区进入临界态、亚临界态.这会引发强烈流动的水与岩石相互作用.溶解反应导致岩层的硅淋失,硅的强烈淋失又会导致硅酸盐矿物格架解体,岩石崩塌.同时,进一步促进流体的流动.实验表明300℃~400℃下的强烈水岩相互作用促进了岩石破坏,并有可能影响岩层的地球物理性质,如高导层出现.另外,实验和理论研究表明处于300℃~400℃流体具有高电导率性质.这些水岩相互作用会使中地壳出现高导-低速层.     

高温高压下花岗岩条纹长石和电导率的变化

介绍在510MPa 压力下,花岗岩电导率随温度的变化,讨论了电导率变化的机理.(1)在510MPa 压力下。花岗岩的条纹长石于600℃开始消失,至700℃时它们大量消失并变为正长石.(2)在510MPa 压力下,600℃时花岗岩的电导率出现拐点,此后电导率急剧上升,在600—700℃电导率增加了两个数量级.     

NaCl-H2O体系中WO3溶解度超临界现象实验探讨

以适量Na₂WO₄·2H₂O, HCl, NaCl和H₂O为原料, 从过饱和的角度对4.0% NaCl水溶液中WO₃溶解度的超临界现象进行实验探讨. 压力恒定在34 MPa, 接近临界压力31.4 MPa, 温度变化于250~550℃之间, 在快速淬火高压釜中进行实验. 结果表明在临界区域内, WO₃溶解度具有超临界现象, 溶解度对温度、密度的变化反应敏感. 本实验温、压条件与许多钨矿床成矿流体的温、压条件比较接近, 超临界地质流体可能有助于揭示钨矿床的形成机制.     

岩石的波速比与静水压的关系

应用高压容器以油为传压介质对岩石样品施加静水压.在加压过程中应用超声脉冲法测量岩石的纵波速度 Vp 和横波速度 Vs 随压力的变化,从而得到岩石的波速度比 Vp/Vs 与静水压的关系.对15种地壳典型岩石的研究表明,当压力超过200MPa 后,由于 vp 和 Vs 随压力变化都很小,Vp/Vs 趋于稳定.当压力在200MPa 以下,虽然 vp 和 Vs 均随压力增加而单调地增加,VP/Vs与压力的关系分为四种类型:(1)Vp/Vs,随压力增加明显地下降;(2)Vp/Vs 随压力增加缓慢地上升:(3)Vp/Vs 随压力增加缓慢地下降;(4)Vp/Vs 随压力增加缓慢地波动.得到的几种岩石在常压下和围压下的波速比的数据,在地壳介质物性参数的研究中具有参考价值.      

高温高压下蒙脱石显微变形与力学性质的研究

通过研究高温高压条件下蒙脱石的变形特征和机制,着重阐述了蒙脱石的显微变形特征与温度压力之间的关系,以及对应力-应变的影响。研究表明,在围压为200M Pa条件下,温度升高将导致蒙脱石的变形增大。对相同应变量所需的差异应力则随温度上升而下降。但是,当温度>500℃时,相同应变量所需差异应力较300℃时显著增大,其屈服强度和变形模量在T≥500℃,σ≥300MPa时均因脱水明显增大。蒙脱石在高温高压下均为渐进失稳     

NaCl-H2O体系中WO3溶解度超临界现象实验探讨

以适量Na2WO4·2H2O, HCl, NaCl和H2O为原料, 从过饱和的角度对4.0% NaCl水溶液中WO3溶解度的超临界现象进行实验探讨. 压力恒定在34 Mpa, 接近临界压力31.4 Mpa, 温度变化于250～550℃之间, 在快速淬火高压釜中进行实验. 结果表明在临界区域内, WO3溶解度具有超临界现象, 溶解度对温度、密度的变化反应敏感. 本实验温、压条件与许多钨矿床成矿流体的温、压条件比较接近, 超临界地质流体可能有助于揭示钨矿床的形成机制.     

水合物合成及导热系数测定

设计了一套实验装置，结合瞬态面热源法来测量混合气水合物导热系数及含混气水合物的沙子多孔介质的有效导热系数.在-10℃～5℃，压力66MPa下，含体积比甲烷9001%，乙烷503%，丙烷496%的混合气与0971mol/m3十二烷基磺酸钠水溶液生成的水合物的导热系数约为055W/(m·K)，并且其值随温度的上升而增高，呈玻璃体导热特性.由于“爬壁”效应的存在，混合气与饱含SDS水溶液的沙子多孔介质反应生成含混合气水合物的沙子多孔介质的有效导热系数（约12W/(m·K)）显著低于含四氢呋喃水合物的沙子多孔介质的值（约19W/(m·K)）.虽然本实验使用了SDS来加速和促进水合反应的进行，但是水合物样品中依然存在游离水，因此本研究采用了温度振荡法来进一步促进含SDS水溶液的水合反应进行，研究发现当浴槽温度在-10℃～4℃间周期变化时，游离水在水的相变温度区附近转变为水合物，通过几个周期的温度振荡，样品中的游离水被完全消耗掉.最后通过对含不同浓度SDS的四氢呋喃水合物导热系数测试，讨论了实验中加入SDS对水合物导热系数的影响，结果认为本实验中加入的SDS量对测试结果影响很小（±15%）.     

太湖梅梁湾藻蓝蛋白转录间隔区基因和伪空胞基因表达及其影响因子

以室内铜绿微囊藻7806(Microcystis aeruginosa 7806)为对照,运用反转录定量PCR技术研究太湖梅梁湾水体蓝藻藻蓝蛋白转录间隔区基因(PC-IGS)和伪空胞基因(gvp C)在2013年1月至2014年1月的相对表达量,并分析它们与环境因子的关系.结果表明,PC-IGS相对表达量在2013年1—5月逐渐上升,并在5月达到最大值;gvp C相对表达量从2013年1月开始持续上升并在3月达到最大值;gvp C的表达早于PC-IGS.相关分析表明,PC-IGS的相对表达量与硝态氮、溶解氧浓度均呈极显著正相关,与亚硝态氮、铵态氮以及正磷酸盐浓度均呈显著正相关,与p H值呈显著负相关,与温度、总氮和总磷浓度均无显著相关性;gvp C的相对表达量与硝态氮、铵态氮以及正磷酸盐浓度均呈极显著正相关,与总氮和亚硝态氮浓度呈显著正相关,与温度和p H值均呈显著负相关,与溶解氧和总磷浓度均无显著相关性.     

脆塑性转化带Carrara大理岩断层稳定性的实验研究

为探究脆塑性转化带断层的力学性质和滑动稳定性,本文采用干燥的Carrara大理岩预切断层(saw-cut)样品,在气体介质三轴高温岩石力学实验仪上开展了摩擦实验研究,实验温度70～400℃,围压30～100 MPa,位移速率在0.08μm·s^-1, 0.4μm·s^-1, 2μm·s^-1之间切换.实验力学数据揭示,不同围压下Carrara大理岩断层摩擦系数随温度变化规律不同：低围压(30 MPa)下,摩擦系数随温度升高先增大后减小,中高围压(≥70 MPa)下摩擦系数则表现为随温度先减小后增大.断层摩擦滑动行为在100～300℃的范围内表现出由稳定的速度强化转化为不稳定的速度弱化,且在400℃左右重新转变为稳定的速度强化.实验后断层滑动面形貌和微观结构分析表明,稳定滑动断层面为高反射镜面,擦痕清晰;黏滑断层面为有光泽的凹凸不平的表面;最高围压下蠕滑的断层面粗糙无光泽,擦痕不可辨别.本文认为受温度激活的塑性变形过程逐步主导了岩石变形,对断层激活发生不稳定滑动至关重要,而高围压则会抑制断层的不稳定滑动.本研究结果不仅为识别野外...     

深部地壳镁铁质岩石波速的研究

镁铁质、超镁铁质岩石波速实验测量在高压700-800MPa、高温800-1100℃下进行．波速-温度曲线的斜率以温度系数dVp／dT表示，大体在700℃以内，8个标本的温度系数平均为-1．86×10-4km·S^-1／℃，比资料值小得多，即在此温度范围内，波速随温度的降幅不大．在这一温度限以上，大多岩石开始脱水出溶，相组合发生变化，同时波速大幅度下降．曲线发生转折的机制是岩石中液相的产生．角闪岩波速曲线斜率也从700℃开始发生改变，950℃后速度直线下降，到1008℃时，岩石中液量达30％，波速Vp值下降到487km／s．最后，依岩类不同以及岩石出溶和相变对波速的影响划分出5个速度-温度区，讨论了华北断块内构造隆起区和沉降区下地壳可能存在的岩石及其状态．     

热水条件下花岗质糜棱岩的摩擦滑动实验研究

为了探讨大陆地壳断层深部的力学性质,我们选择了采自红河断裂带的糜棱岩作为实验样品,进行热水条件下的高温高压摩擦滑动实验.实验在一个以气体为介质的高温高压三轴实验系统中进行.实验条件是：有效正应力为200 MPa;孔隙水压为30 MPa（在400 ℃到600 ℃之间为超临界水条件）;温度为100 ℃到600 ℃;轴向加载的速率范围从0.04 μm/s到0.2 μm/s再到1 μm/s.实验结果表明：（1）当温度小于300 ℃时,糜棱岩的摩擦强度随着温度的上升而增大;当温度大于300 ℃时,糜棱岩的摩擦强度随着温度的上升而减小.这种趋势和以往花岗岩的摩擦滑动数据基本一致;（2）糜棱岩在200 ℃和400 ℃时表现为速度弱化,其余温度下为速度强化;（3）糜棱岩与已有花岗岩的摩擦滑动数据并不完全一致;（4）花岗质糜棱岩速度弱化向速度强化转变的温度在430 ℃附近,以此我们可以推测：在变形机制为摩擦滑动的深部条件下,地震成核的深度范围可以比以往的估计更深.     

岩石圈中水的临界奇异性与断裂耦合触发地震

以等压热容为例,研究岩石圈中水的临界奇异性及出现的条件,探讨岩石圈中水的临界奇异性与断裂耦合作用触发地震的可能性。岩石圈中水存在一、二级相变,相变时水的物理化学性质将发生明显改变,在临界点处表现出奇异性,如热容、膨胀系数和压缩系数等将趋于无穷大,按照Mie-Grneisen方程((P/T)V=γρCV),热容无穷大时将导致热压也趋于无穷大,压力将瞬时剧增。但水的临界奇异性出现的条件是温、压同时趋于临界值,在岩石圈中温、压是相互关联的,按照正常的地温梯度(15～35℃/km)和地压梯度(0.025～0.03GPa/km)计算,达到水的临界温度和压力的深度分别是24～10km和0.88～0.73km,即在岩石圈中若没有断裂的存在时则不可能同时达到水的临界温度和临界压力,不可能出现临界奇异性。断裂使压力降至水的临界压力,使得在岩石圈中某处温度和压力可同时达到水的临界值而出现奇异性,水的临界奇异性和断裂的耦合导致热压剧增,可能触发地震     

川中古隆起超压分布与形成的地温场因素

温度和压力是沉积盆地两个重要的物理场,温度影响着超压的形成和分布.本文根据钻孔实测温度和压力数据分析了川中古隆起现今压力与温度的关系;在实验室对封闭流体进行了多组温-压关系实验;利用等效镜质体反射率和包裹体测温数据恢复了川中古隆起不同井区在白垩纪抬升之前的最大古地温,并在此基础上分析了温度降低对研究区超压的影响;最后探讨了生烃增压和欠压实超压形成过程中温度的作用.研究结果表明,川中古隆起现今超压层的压力系数与温度呈正相关关系;在绝对密封的条件下,当压力大于15 MPa时,温度每变化1℃,压力变化1.076 MPa.川中地区不同井区自晚白垩世以来的差异性降温是现今同一超压层系超压强度不同的主要因素,此外超压层还应发生了流体的横向压力传递和泄漏.下古生界原油裂解形成超压的时间是180~110 Ma;气态烃伴生的盐水包裹体均一温度暗示了在90 Ma超压发生调整.盆地模拟结果显示温度对上三叠统须家河组的欠压实增压影响微弱.     

水库诱发地震的水二级相变孕震模型

文中讨论了库水渗漏在水库诱发地震中的作用,经过分析研究现有的水库诱发地震资料及相关理论,类比蒸汽锅炉与重力热管的热工原理,提出了水库地震成因的超临界水二级相变孕震模型。模型在水库孕震的各阶段表现为:初始阶段,渗漏水在压力注射和重力作用下形成水塞密封盖层,在超临界温区的地层裂隙中引发二级相变循环对流;孕育阶段,地层原生裂隙在高围压条件下形成应力腐蚀、化学蚀变、温差应力破碎作用,从而原生裂隙更加发育,制造了更大的对流循环通道;临震突变阶段,在热管下部热交换区内的临界水热通量剧增,超临界水发生横向流动,向封盖层外部扩散;发震阶段,在超临界水重力热管的通量和热管上部交换区所形成的压力,超过地层或封盖层的破坏极限时,推动上部地层做活塞运动导致地震     

青藏高原低气压条件下高寒草甸群落光量子效率对温度的响应

以2003年生长季在西藏当雄草原站用涡度相关法连续观测的CO2通量数据为基础,利用低光强下净生态系统碳通量(NEE)与光合有效辐射(PAR)的线性响应关系反算了高寒草甸群落光量子效率(α),并分析了低气压条件下群落α值对温度的响应规律.结果表明群落α值随温度的上升总体上线性降低,与C3植物叶片水平的研究结果相似,但随温度下降的梯度随生长季有逐渐增大的趋势.生长季初期冠层温度每升高1℃,群落α值的平均下降量约为0.0005 μmolCO2·μmol-1 PAR,生长季末期α值随温度的下降量增为0.0008 μmolCO2·μmol-1 PAR.相对于直角双曲线法,采用本文中的计算方法得到的群落α值在数值上偏小.但这种方法在深入分析群落α值与温度等环境因子的关系方面有其自身的优势.     

高压流体条件下叶蛇纹石摩擦特性及其对俯冲带慢滑移事件的启示

为了探讨在俯冲带构造加载环境中叶蛇纹石矿物的摩擦力学性质,我们使用叶蛇纹石作为实验样品,开展了高压流体条件下的摩擦滑动实验研究.实验在气体介质的高温高压三轴实验系统中进行,实验中的有效正应力为30 MPa,孔隙流体压力为100 MPa,温度范围为100～500℃.实验过程中为了得到叶蛇纹石摩擦强度系数的速度依赖性,我们将轴向加载速率在1.0μm·s^-1、0.2μm·s^-1和0.04μm·s^-1之间进行切换.实验结果发现在实验温度范围内叶蛇纹石的摩擦强度系数随着温度的升高表现出系统的降低趋势,摩擦系数从100℃的0.81降低到500℃的0.41.在高于300℃的温度条件下,叶蛇纹石的剪切力学曲线表现出显著的位移弱化现象.在300℃的温度条件下,叶蛇纹石在0.2～1.0μm·s^-1的加载速率范围内表现出速度强化的摩擦行为,而在0.04μm·s^-1的加载速率下表现为速度弱化.在100～200℃以及400～500℃的温度条件下皆表现为速度强化.我们的实验研究表明在俯冲带地幔楔附近的高压...     

中深层相变取热系统中携液问题的数值研究

针对中深层相变取热系统存在的携液问题，通过数值方法，研究了液态CO₂在蒸发段的相变过程，分析了产生携液问题的原因，同时分析了进口流速、管内压力、热储层温度对蒸发率和携带率的影响.结果表明：管内液体呈液滴状分布在管中，一部分液滴随气体携带出系统，另一部分液滴回落井底形成液池.管内气体温度从井底到出口先升高后下降.气体压力相差较小，但在6～8 m的管段存在较高压力.积液质量随时间增长逐渐稳定，但被携带出去的液体质量将不断升高.蒸发段的取热效率和出口温度在系统运行初期存在峰值.通过研究，采用较低的入口流速，能够明显改善携液情况.当热储层温度为105℃时，进口流速为0.05 m/s和0.45 m/s,管内压力应当分别控制在6.7 MPa和4.7 MPa,对改善蒸发和携液情况更有利.当管内压力为3.7 MPa时，进口流速为0.05 m/s和0.45 m/s,携液问题最小时的井底温度分别为145℃和125℃.     

岩庄陨石中冲击成因的气成晶体

在宇宙空间受过强烈碰撞的岩庄球粒陨石中发现了与冲击变质有密切关系的气相成因晶体.这些气成晶体具有特殊的产状:(1)亚自形的低钙辉石产出在冲击温度高于1500℃的陨石熔体块内部孔洞壁上.(2)铁镍针(镍纹石)产在冲击温度850～1300℃的陨石部分熔融相区内裂隙中.(3)含丰富微孔道的陨硫铁形成在冲击温度小于850℃的陨石角砾化相区及弱变形球粒陨石相区裂隙中.气成晶体的产状和矿物特征表明,高能冲击作用可以导致陨石中矿物发生气化以及就地或近地少量的沉淀再结晶.     

滨海地区基于避咸蓄淡模式的供水安全临界流量研究——以粤港澳大湾区珠澳供水为例

枯水期咸潮入侵已经严重威胁到了感潮河流区域供水安全.本文通过构建避咸蓄淡供水模型,耦合了咸度预测、河库联合供水调度和供水安全分析模块,为依赖感潮河流为水源地的区域供水安全管理提供了一种整体思路和决策方法.以面向粤港澳大湾区珠海东部及澳门的珠江三角洲磨刀门水道取供水为例,基于潮汐、径流和风等因子及咸度实测数据,较好地拟合了基于BP神经网络的咸度预测模型,及含氯度与超标时间的曲线函数,建立了上游来水和咸度超标时间之间的联系,得到了避咸蓄淡取水时机.咸度预测与当地河库联合供水调度相结合,得到了上游枯水期来水过程的当地区域供需平衡状况.枯水期不考虑水库调蓄的资源性缺水临界需水量为3.22亿m³,水库参与调蓄的工程性缺水临界需水量为3.75亿m³.通过供水安全分析模块,基于设定的风险阈值和临界阈值识别出了不同需水规模的上游来水临界流量特征.对于当地规划的需水规模4.23亿m³,期望上游枯水期临界流量均值约为3372 m³/s.整体上来说,需水规模越大,对上游来水期望的临界流量越大,但同时还与枯水期流量分布有关.     

不同注水方式下断层动力学响应数值模拟研究

工业开采注水能导致现存断层活化,从而诱发大量的破坏型地震。因此,研究注水作用下断层的动力学响应对探索诱发地震的力学机理具有重要的意义。本文基于孔弹性弹簧-滑块模型,采用多孔介质弹性耦合数值模拟,计算分析了三类典型注水方式（上升型、迅速上升/下降型和间歇型）对断层稳定性的影响。研究结果表明:随着流体的不断注入,断层内部流体压力会经过缓慢上升、迅速上升和稳定上升三个阶段。针对于不同的注水方式,这三个阶段并不完全相同,体现形式存在差异;在注水方式相同的条件下,储层的渗透率越小,井口附近流体压力越大,断层处流体压力越小,两者间的流体压力差值越大;注水过程中断层临界刚度的变化与是否发生滑移并引发地震密切相关,数值越大越易诱发地震,其数值与注入储层流体的流体压力呈负相关,与流体压力变化率呈正相关;临界刚度由于流体压力变化率的增加在前期呈现快速增长趋势,后期则是由于流体压力的影响开始减小。迅速上升/下降型注水方式极大增加了注水前期诱发地震的可能性,间歇性注水方式在注水后期引起的临界刚度变化值较大,增大了诱发地震的可能性。该研究可以为注水诱发地震的危险性评价提供定量的科学依据。