关于构造带变形能的有限元法数学模拟

本文是在同一外力和边界及岩石力学性质条件下,用有限元数学模拟的方法研究不同构造变形带内部变形能的差别和分布问题。形状改变能（或称歪变能）ＵＷ比体积改变能（或称体变能）ＵＴ大将近一个数量级,ＵＷ、ＵＴ和构造变形能ＵＢ在挤压、剪切和引张变形岩带中总体依次逐步变小。ＵＷ和ＵＢ大致呈较大→大→小的变化,而ＵＴ却呈大→较大→小的趋势性变化。利用构造变形能这种规律,结合构造附加静水压力研究,进而探讨构造变形热及其影响流体运移等问题。     

从同位素年代学到构造年代学

从同位素年代学发展到构造年代学,中间必须经历热年代学、构造-热年代学、变形年代学等阶段。同位素年代学只是提供简单的地质事件年龄,热年代学同时赋予了地质事件温度和年龄信息,而构造年代学则强调地质或构造过程中时间-空间的四维演化过程。构造年代学使年龄数据的科学意义除了时间外,还有温度、地壳深度变化、是否有流体参与等多重意义,它涉及到多维空间的变化：时间、温度、水平方向的二维变形、垂直方向的变形等。在现有技术和认知水平的条件下,强调指出了从变形年代学到构造年代学的发展中要注意的一些关键问题,而回归传统地质、以野外变形为基础的变形年代学研究是构造年代学发展的前提。     

从同位素年代学发展到构造年代学

从同位素年代学发展到构造年代学,中间必需经历热年代学、构迼-热年代学和变形年代学等阶段。同位素年代学只是提供简单的地质事件年龄,热年代学使年龄赋予了温度的信息,而构造年代学则强调地质或构造过程时间-空间的四维演化过程。构造年代学使年龄数据的科学意义除了时间,还有温度、地壳深度变化以及流体的是否参与等多重意义,它涉及到多维空间的变化：时间、温度、水平方向的二维变形、垂直方向的变形等。在现有技术和认知水平的条件下,作者强调指出了从变形年代学到构造年代学的发展中要注意的一些关键的问题,而回归传统地质、以野外变形为基础的变形年代学研究是构造年代学发展的前提。     

造山带变质作用PTt轨迹研究存在的问题和发展趋势

目前的适山带变质作用PTt轨迹热模拟研究仍受变质作用程度由深度控制的传统观念的制约，其主要假定条件没有很好地反映造山带变质作用客观的和本质的特征，因而亦无法反映造山作用的真实过程和造山带变质作用的地质动因。造山带变质作用研究应朝着变质作用与构造变形作用、花岗岩化作用等多种地质作用综合研究、时间演化过程与三维空间变化特点有机结合、造山带变质作用时空演化特点与地幔深部地球动力学过程统一综合研究的方向发展。     

法国中央地块Rouergue地区的逆变质分带现象与华力西期推覆构造及其矿物和区域规模的P-T-t轨迹

野外证据及显微构造分析证明了Rouergue地区华力西期地体中有三种构造成因的逆变质成带现象,它们与大规模岩片逆冲作用相关,而且变质作用早于岩片向南的构造就位过程。矿物平衡、石榴石—黑云母地质温度计及石榴石—斜长石地质压力计揭示了变质后期、变质同期及变质前期的变形作用导致的三种不同的P-T模式。变质期后的变形作用对逆变质带及相对分带有直接影响,该区变质作用的不连续性是推覆体运移的重要证据。变质周期的逆冲作用导致了与逆冲相关的、剖面上为具有热逆转及正常压力的变质带,明显的压力差异人为地认为是不同的P-T轨迹及不同的抬升速率的产物,在快速上隆(如逆冲层序)时,温度处于峰期而压力最低。变质作用时限可以持续到整个构造事件(除晚期褶皱作用外)结束,此时,同构造期侵入体在推覆接触带内就位,它们对剖面上强烈的温度逆转效应有影响,并且强烈地改变了下伏变质推覆构造单元的等变线分布。     

碰撞造山带的P—T—t轨迹

压力—温度—时间(P—T—t)轨迹综合了造山作用期间变质岩石遭受的压力与温度的变化。它们为解释复杂的变质历史提供了一种简便的骨架,也提供了深入探讨碰撞造山带中控制变质作用的热因素与大地构造因素的条件。P—T—t资料是由结构观察、地质温度计、地质热时测定综合获得的,并组合构成适于地质条件的P—T—t轨迹曲线。假设瞬间变形及传导热松驰的一维P—T—t模式易于构制且对于检验大地构造模式是常用的,特别是在地质年代数据可以利用时更是如此。二维模式适于更复杂的变形几何,且容许多有对流效应的介入。根据经典楔状体理论对碰撞造山带进行的分析,可以出现反映加厚、抬升、剥离和会聚间的偶合现象的P—T—t轨迹。在剥蚀速率达到构造抬升速率时,就象目前新西兰南阿尔卑斯带中所出现的情况,那么高级变质岩可以迅速由很深处剥露出来。另一方面,迅速剥露可能反映了过陡或热软化的造山带中受重力作用出现的伸展。     

四川石棉草科穹状岩浆核杂岩构造特征

位于扬子陆块西缘的石棉草科穹状变形变质体,据近年来的研究表明,该穹隆体经历了三次变形变质时期：早期为收缩滑脱变形的区域动力变质、中期热隆伸展动热变质和后期岩浆热接触变质。对主期变质划分出黑云母带、石榴石带、红柱石－十字石带和矽线石带,确定为低压相系,利用变质反应、矿物地质温压计及相关的同位素年龄资料,建立了草科穹状变形变质体演化的ｐ－Ｔ－ｔ－Ｄ轨迹。轨迹图呈顺时针形式,具碰撞造山带环境的特点,变形变质过程受变质体前缘西油房韧性剪切带逆冲－推覆作用和后缘碰撞晚期岩浆大规模上侵的双重制约,为深源岩浆热动力变质成因,属穹状岩浆核杂岩构造。     

横穿变质带的温度—时间关系:在递进变形的变泥质岩中,变斑晶—基质关系的证据

在递进区域变质作用的岩石中,相当于一定的变质作用的等温线是连续改变的,而由于应变的不断增加,相同岩石也产生递进变形构造。泥质叶理的变斑晶能提供有关变质作用和变形作用方面的证据。它们不仅能够说明这个地体的温度、压力演化,而且它们的包裹轨迹也能提供在变斑晶生长时变形阶段的线索。利用与基质叶理相对应的包裹轨迹的显微构造关系,结合在递进反应序列的岩石学资料,就能够再造变质体内不同变质带的温度—时间关系。在北昆斯兰的两个元古代地区,Mary Kathleen褶皱带和Robertson河亚群,横穿变质带已经发现了包裹轨迹模式的系统变化。显微构造—岩石学的研究,往往限制了不同带的T—t演化。在两个研究区内,包裹轨迹摸式的区域分布表明变形同时影响高级带和低级带。     

论龙门山彭灌杂岩体的构造属性

位于龙门山中段的彭灌杂岩是一个巨大的岩性复杂的地质体，形成于前寒武纪时期。剖面研究和１：５万区域地质填图表明，它是处于龙门山中段推覆构造带中的一个构造变形十分强烈 构造片体，是推覆过程中经受了强烈改造的一个古老杂岩体的外来岩块。其接触关系和侵位方式均属构造成因，仅在片体内部局部保留原始热侵位特征。杂岩体内部的变形特征均属印支－喜马拉雅期的构造形迹。     

岩石圈流变结构研究进展

岩石圈流变学研究,近年来国外已取得较大进展。国内学者在岩石圈热结构、强度剖面和盆地流变学演化、构造流变计等方面取得了丰富的成果。岩石圈流变性取决于岩石圈的地热状态、物质组成和结构,并量化为岩石圈总强度。不同构造区的地热状态可由地表热流值获得,岩石圈的物质组成和热力学结构可由地球物理资料获得,在此基础上可得出岩石圈流变性在区域上的变化。岩石圈流变性的空间变化产生了构造上的软弱带,成为极易变形区域。岩石圈流变性及岩石圈总强度反映的岩石圈热力学性质在盆地的形成过程中也起了重要作用,它决定了岩石圈的变形位置、盆地的几何形状及格局。构造流变计用来研究不同尺度地质体的流变结构和地质体的流变学演化,具有很好的发展前景。     

Controls on the deep thermal field: implications from 3-D numerical simulations for the geothermal research site Groß Schönebeck

The deep thermal field in sedimentary basins can be affected by convection, conduction or both resulting from the structural inventory, physical properties of geological layers and physical processes taking place therein. For geothermal energy extraction, the controlling factors of the deep thermal field need to be understood to delineate favorable drill sites and exploitation compartments. We use geologically based 3-D finite element simulations to figure out the geologic controls on the thermal field of the geothermal research site Groß Schönebeck located in the E part of the North German Basin. Its target reservoir consists of Permian Rotliegend clastics that compose the lower part of a succession of Late Carboniferous to Cenozoic sediments, subdivided into several aquifers and aquicludes. The sedimentary succession includes a layer of mobilized Upper Permian Zechstein salt which plays a special role for the thermal field due to its high thermal conductivity. Furthermore, the salt is impermeable and due to its rheology decouples the fault systems in the suprasalt units from subsalt layers. Conductive and coupled fluid and heat transport simulations are carried out to assess the relative impact of different heat transfer mechanisms on the temperature distribution. The measured temperatures in 7 wells are used for model validation and show a better fit with models considering fluid and heat transport than with a purely conductive model. Our results suggest that advective and convective heat transport are important heat transfer processes in the suprasalt sediments. In contrast, thermal conduction mainly controls the subsalt layers. With a third simulation, we investigate the influence of a major permeable and of three impermeable faults dissecting the subsalt target reservoir and compare the results to the coupled model where no faults are integrated. The permeable fault may have a local, strong impact on the thermal, pressure and velocity fields whereas the impermeable faults only cause deviations of the pressure field.     

非稳态热传导时层状路面体系的温度响应

利用解析层元法推导温度荷载作用下非稳态热传导时层状路面体系的温度响应解答。从热弹性理论平面应变问题的控制方程出发,借助于Laplace-Fourier积分变换,推导出单层介质及下卧半平面的精确刚度矩阵即解析层元,结合有限层法原理及边界条件,组装并求解总刚度矩阵,得到其在变换域内的解答,最后通过相应的积分逆变换得到物理域内的真实解。由于该法刚度矩阵元素中不含正指数项,计算时不会出现溢出或病态矩阵的现象。编译了相应的计算程序,所得结果与有限元模拟结果吻合较好。在此基础上,对有限深度和半平面两种假定条件下的解答进行对比分析,并分析层状路面体系中位移和温度随时间的变化趋势及沿深度的分布规律。分析表明：温度场具有一定的影响深度,超过此深度,有限深度与半平面理论解答基本一致;温度荷载的影响深度与其强度有关,强度越大,其影响深度越深。     

基于FEFLOW的地下水热源渗流温度研究

为研究地下水"热"源对于渗流场的影响,选取某水库水源地辐射取水区及部分扩张区为研究范围,使用地下水通用软件FEFLOW对单一地下水热源作用下的Y型河道的渗流场和温度场进行研究,得出地下水热源对渗流场和温度场的影响规律,结果显示:地下水位受水源的影响,在不同位置水位不同,含水层内随着到水源点距离的增加,水位逐渐降低,到达某个位置时会保持稳定不变;靠近地表的地下水温会随着到水源点距离的增加逐渐降低,在垂向上,含水层内地下水温随着高程的降低逐渐降低,而在库水区,受库水的影响垂向水温变化规律则刚好相反,研究结论可为实际工程提供理论指导。     

鲁北地区砂岩热储地热尾水回灌地温场变化特征分析

本文通过对德州水文家园砂岩热储地热回灌井全井段温度监测,在深度上分为5个区段论述了地温场的变化特征,重点对热储温度恢复的热量来源进行了分析。研究结果表明,在规模化生产性回灌时,低温地热尾水回灌会使得回灌井周边热储温度明显降低,并且恢复速率特别缓慢;通过定性分析和定量计算,认为大地传导热流和顶部地层传导热流在热储温度恢复中的作用极其微弱,而外围同层相对高温地层传导的热量和地热水流动带来的热量是其温度恢复的主要热量来源。基于该研究结果,在规模化回灌条件下,发生热突破是必然的,因此深入开展回灌工程采灌井合理井距研究、防止短时间内发生热突破是非常有必要的。     

A three-dimensional heat transfer and thermal cracking model considering the effect of cracks on heat transfer

A simple three-dimensional heat transfer model is developed to consider the hindering effect of cracks on heat transfer. The 3D heat transfer model can also be applied to numerical methods such as the combined finite-discrete element method (FDEM), discrete element method (DEM), discontinuous deformation analysis (DDA), the numerical manifold method (NMM), and the finite element method (FEM) to construct thermo-mechanical coupling models that allow these methods to solve thermal cracking problems and dynamically consider the hindering effect of cracks on heat transfer. In the 3D heat transfer model, the continuous-discontinuous medium is discretized into independent tetrahedral elements, and joint elements are inserted between adjacent tetrahedral elements. Heat transfer calculations for continuous-discontinuous media are converted to heat conduction in tetrahedral elements and the heat exchange between the adjacent tetrahedral elements through the joint element. If the joint element between adjacent tetrahedral elements breaks (ie, a crack generates), the heat exchange coefficient of the joint element is reduced to account for the hindering effect of cracks on heat conduction. Then the model and the FDEM are combined to build a thermo-mechanical coupling model to simulate thermal cracking. The thermally induced deformation, stress, and cracking are investigated by the thermo-mechanical coupling model, and the numerical results are compared with analytical solutions or experimental results. The 3D heat transfer model and thermo-mechanical model can provide a powerful tool for simulating heat transfer and thermal cracking in a continuous-discontinuous medium.     

跨季节蓄热型地源热泵热传递规律研究

基于有限元分析法,建立了准三维非稳态传热模型。在试验验证的基础上,分析了跨季节蓄热型地源热泵蓄热过程中土壤温度、单位井深换热量、热作用半径随热泵运行时间的变化规律,讨论了土壤结构、入口水温、入口质量流量、热泵运行模式等对土壤传热规律的影响,并研究了土壤热平衡问题。结果表明:同一半径不同深度处,土壤温度增长幅度随土壤热扩散率的增加而增大;土壤热作用半径随热泵运行时间及入口水温的升高而增加,并逐渐趋于稳定;间歇运行模式下,地埋管附近土壤温度及换热量均呈波动式变化,且当径向距离大于0.3 m时,与连续模式一致;在满足换热量的情况下,流体质量流量不宜过大;系统运行一个周期（360 d）后土壤温度基本可以恢复,且流体入口温度不宜低于40 ℃。     

挤密条件下U型地埋管换热器换热效率的理论分析及数值模拟

土层的导热系数是影响地源热泵地埋管换热器换热效率的重要因素之一,与土样的密度密切相关。为了提高地源热泵换热器换热效率,本文基于柱热源理论,建立了挤密钻进条件下换热器的传热理论模型,对换热器的换热效率进行了计算,并利用Ansys有限元软件对土层挤密条件下换热器的换热效果进行了数值分析。结果表明,与传统方法相比,土层挤密可有效降低钻孔周围的热阻,U型管换热器的换热效率可提高17%~20%。     

改进的位场相关成像方法

位场相关成像是根据实测异常与地下不同位置地质体所产生异常之间的相关系数来快速获得地质体的空间位置.现有的相关成像方法是利用球体模型来模拟地下地质体的形状,当场源体的实际形状与球体相差较大时,计算结果势必出现较大误差.为了解决这一问题,对该方法进行改进,以不同模型来模拟地下地质体形状,计算其产生异常与实测数据的相关系数,理论上使相关系数取得最大值的模型与实际地质体情况一致.因此,改进后的方法不仅可以获得地质体的位置参数,还可以对地质体的类型(构造指数)进行估计.磁异常的相关成像计算采用异常的解析信号来完成,这样可有效地避免磁化方向的干扰,且计算公式相对简单.通过理论模型试验,证明此方法可以成功地完成位场数据的反演工作,且稳定性较高.最后将其应用于上海实测磁异常数据的解释中,获得了地下未爆炸物的分布情况.      

试论地球的构造动力

笔者对地球内部压力分析提出了楔状体压力模式,即地球内部某深度单位面积(水平)上的压力(垂向)等于由该截面和所有经由该截面边缘的重力线所围限的楔状岩体的重量。据此模式,理论上地球内部压力随深度呈抛物线状急增,在地心处无穷大。但由于地球固液(塑)圈层交替存在及冷收缩,导致楔状岩体重力引起的作用力可分解成水平的侧向压力和垂向静岩压力,并随深度呈锯齿状升降变化。当岩石圈侧向压力增加导致岩石圈破裂(构成板块),在重力的向心力作用下,板块间相互错动形成俯冲带和拉张带,继而牵引软流圈构成远程对流运动,进而引发一系列地质构造作用。因此认为,地球的构造动力源于地球重力本身,其中侧向压力是地质构造的初始起动力和驱动力,引起的对流运动既是地质构造运动学表征又是动力学作用,重力势能及其转变的热能构成对流运动的最主要动力能源。     

地热井U 型管周围土壤温度场的ANSYS 模拟

埋管换热器和岩土的传热是个复杂过程,利用有限元仿真分析两者的传热过程是有效的办法。通过与单井二维模型的对比分析,建立二维群井传热模型,模型为9 口间距为4 m 的储热井,模型传热过程遵循经典传热理论。按照ANSYS 网格划分原则,将求解区域划分为最大边长0. 1 m,最小边长 0. 01 m 的单元。在地埋管内侧加载热流密度,外边界加载地温边界条件,经过模拟72 h 的储热过程,精确得出群井周围岩土体的温度场变化规律,求解区域最高温度为40. 263℃,最低温度为10℃,影响半径约1. 4 m,温度的升高幅度会减缓,并得到了温度及热量迁徙的规律。模拟结果与实际测量结果相符。