中国大陆科学钻探主孔动态地温测量

介绍了大陆科学钻探主孔完钻后4次的钻井测温数据，地温梯度随深度的变化趋势，系统的热导率测试结果及其温压校正. 地温测量显示，浅部（100m以上）的4次测量结果有较大的区别，而100m以下测量温度趋于一致.在900～1600m井段，温度略有波动，可能存在地下水活动.到了深部，温度与深度呈现良好的线性关系. 在0～500m,500～2700m,2700～3600m及3600m以下这4个井段范围内，地温梯度随深度降低或增加的趋势交替变化，平均地温梯度248±34℃/km. 198块岩芯样品测试结果表明，热导率变化范围在1711～36 W/(m·K)，平均2716±0403 W/(m·K). 依据实测的温度-深度进行温压校正后，热导率为1989～3652 W/(m·K)，平均2808±0363 W/（m·K）. 热导率随深度的变化趋势与地温梯度的变化趋势并不能完全相互补偿，表明影响地温梯度的其他因素不容忽视. 大陆科学钻探温度测量，为今后进一步研究超高压变质带深部地热场及其地球动力学含义提供了可靠的基础数据.     

海洋环境甲烷水合物溶解度及其对水合物发育特征的控制

除合适的温度和压力条件外，甲烷水合物的形成还需要有充足的甲烷供给，沉积物孔隙水中的甲烷浓度必须大于甲烷水合物的溶解度.本文建立了水合物－水－游离气三相体系、水合物－水二相体系、气－水二相体系的甲烷溶解度计算优选方法，计算确定了水合物系统的甲烷溶解度-深度相图，依此划分出游离气、溶解气、水-水合物、水-水合物-游离气四个甲烷不同相态分布区.对水合物脊ODP1249和1250钻位、布莱克海台ODP997钻位稳定带甲烷水合物含量和稳定带之下游离气含量进行了计算.ODP1249浅部13.5～72.4 mbsf(mbsf表示海底以下深度)的甲烷水合物是沉积物孔隙体积的10%～61%，ODP1250钻位35～1065 mbsf的甲烷水合物约为孔隙体积的0.7%～1.9%，水合物层之下游离气层厚约22 m，游离气含量约占孔隙的4%.布莱克海台ODP997钻位的浅部146.9 mbsf处无水合物发育，202.4～433.3 mbsf之间水合物占孔隙体积的约5%～7%，水合物层之下游离气层厚约80 m，游离甲烷含量为孔隙的0.2%～28%.     

降温过程对粗砂土中甲烷水合物形成的影响

多孔介质中甲烷水合物的形成和分解研究对于了解自然界多年冻土中的天然气水合物具有重要意义.本文通过3组10次甲烷水合物形成实验,研究了降温过程对粗砂土中甲烷水合物形成的影响.实验结果表明,降温过程对粗砂土中甲烷水合物的形成过程有较大的影响,在反应釜内温度降到0 ℃之前约90%的甲烷水合物已经形成,且降温速率越慢,水转化为甲烷水合物的转化率越高.0 ℃以下冻结过程对甲烷水合物的形成基本没有影响,但在冻结土体开始融化时发现有水合物二次生成的现象.     

含天然气水合物的海底沉积物的电学特性实验

电阻率法是估算含水合物储层饱和度的常用方法之一.为了解海底沉积物中天然气水合物的电学特性,利用搭建的天然气水合物电阻率测量系统,以天然气水合物-南海沉积物-3.5％的盐水为研究体系,测量了天然气水合物在沉积物中形成过程中温度、压力、电阻率的变化.天然气水合物在水饱和的沉积物中由溶解气与水形成.实验中通过液压系统对沉积物压实以及采用较薄的样品来保证水合物在筒状的沉积物的均匀分布.当实验结束时,样品中水合物的饱和度达到39.8％时,样品的电阻率从水饱和时的2.024 Ωm增大到水合物饱和度为39.8％时的2.878 Ωm,增加到了1.4倍.电阻率法可以有效的识别含水合物的沉积物.实验测试结果表明,该实验装置工作稳定可靠,可为研究含天然气水合物的电学特性与饱和度的定量关系提供实验模拟技术支持.     

外界条件变化对天然气水合物相平衡曲线及稳定带厚度的影响

目前，有关天然气水合物的相关研究越来越多，而天然气水合物相平衡曲线和稳定带厚度的研究也变得越来越重要.本文利用Sloan的CSMHYD程序研究了外界条件变化对天然气水合物相平衡曲线及稳定带厚度的影响.研究结果表明：当天然气水合物中含有其他气体时，除了氮气会使水合物稳定存在的区域变小外；其他气体都会使稳定区域变大，且甲烷含量越少，水合物越容易形成；对于本文中所提到的几种气体，丙烷和硫化氢对相平衡曲线的影响最大；另外，水合物稳定存在的区域会随着盐度增加而变小.地温梯度、水深、海底温度、气体组成和孔隙水盐度对稳定带厚度的影响不同，其中稳定带厚度与地温梯度呈指数相关关系，与水深呈对数相关关系，与海底温度、水合物中甲烷含量及气体组成呈线性相关关系.水深从1 000 m增加到4 000 m时，稳定带厚度增加了大约400 m；水深2 000 m情况下，地温梯度从0.02℃/m到0.1℃/m变化时，稳定带厚度减薄了大约660 m；底水温度从0~17℃的变化过程中，稳定带厚度减薄了大约1000m；在水合物中气体组成从纯甲烷到含20%乙烷时，稳定带厚度增加了大约170m；盐度在0~4.5 wt％的变化中，稳定带厚度减薄了大约130 m.由此可见，在这几种因素中，地温梯度和底水温度对稳定带厚度的影响较大.     

南海北部神狐海域天然气水合物分解的测井异常

南海北部神狐海域GMGS-1钻探揭示SH3井天然气水合物位于稳定带上部,厚度约为10 m.氯离子异常计算的水合物饱和度最高达26%,高水合物饱和度层出现高电阻率和低纵波速度.为分析该低纵波速度异常,本文基于简化的三相介质理论计算了饱和水纵波速度,在深度195 m附近,测量的纵波速度小于饱和水纵波速度.利用阿尔奇公式,基于原位温度、盐度、密度孔隙度和测量的电阻率,利用交会分析确定了该井的阿尔奇常数为a=1.1和m=2.3.基于该参数,利用阿尔奇方程计算的水合物饱和度占孔隙空间5%~20%,局部地层水合物饱和度达26.8%,在垂向上分布不均匀.由于钻探可能导致水合物发生分解而产生游离气,原位游离气和水合物分解产生的气体都能造成低纵波速度异常.由于地震资料采集在测井之前完成,利用不同速度制作合成地震记录并与地震资料进行对比,能够确定水合物稳定带上部的低速异常形成原因.     

天然气水合物和游离气饱和度估算的影响因素

讨论了不同水合物胶结类型的流体饱和多孔隙固体中地震波的衰减情况，分析了估算天然气水合物和游离气饱和度影响因素.结果表明, 地层孔隙度、纵波速度模型和弹性模量的计算方法是影响反演水合物和游离气饱和度的关键因素.含水合物地层的吸收与水合物胶结类型密切相关，当水合物远离固体颗粒,像流体一样充填在孔隙时，品质因子出现负异常，而当水合物胶结固体颗粒影响骨架的弹性性质，其品质因子出现正异常.根据布莱克海台地区164航次995井的测井资料，分别应用低频和高频速度模型估算了水合物和游离气饱和度.由低频速度模型得到的水合物饱和度(占孔隙空间的)10%～20%，游离气饱和度(占孔隙空间的)05%～1%；而由高频速度模型得到的水合物饱和度(占孔隙空间的)5%～10%,游离气饱和度(占孔隙空间的)1%～2%.     

天然气水合物体系的相平衡及甲烷溶解度计算

海洋环境中天然气水合物的形成除了合适的温压条件外，还必须有充分的甲烷供给.本文介绍了甲烷-水体系的甲烷饱和溶解度、水合物体系中甲烷水合物溶解度计算方法.在气-液二相平衡甲烷饱和溶解度计算中，关键在于状态方程的选择和合适的混合规则的运用，Duan的计算模型在温度、压力和盐度变化上都具有很大的适用性，且易于应用.在含水合物的相平衡体系中，在已知组分和假定可能存在相的前提下，可利用模拟退火算法优化总吉布斯自由能，确定是二相还是三相体系，并求解甲烷水合物溶解度.在海水环境下盐的存在使平衡发生移动，利用德拜—休克尔理论或Pitzer电解质溶液理论校正盐度对于海水活度的影响，求解海水环境中甲烷水合物溶解度.基于气-液二相平衡理论的K-K方程，在临近水合物生成条件下实验或计算确定亨利常数等参数后，可计算三相平衡甲烷水合物溶解度，且简单易用.     

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...     

对橄榄石相变形核率的估算

地幔主要矿物橄榄石［(Mg089Fe011)2SiO4］的相变与深源地震的解释以及俯冲带和周围地幔的相互作用相关. 其中，形核率和长大率是刻画其相变动力学的两个重要参数. 因为实验技术的原因，目前人们还没有基于实验数据给出橄榄石的形核率. 本文首先通过对挤碰物理图像的分析，对边界形核情形的相变动力学理论中表征挤碰程度的无量纲参数进行了修正. 在此基础上，根据已有的实验资料，首次对橄榄石相变的形核率进行了估计. 通过对形核率数据的拟合，可以得到形核率参数K0和γ1/3. 得到两个形核率参数的变化范围分别为K0=55×1021～87×1027s-1·m-2·K-1，γ1/3=0～020 J·m-2，最佳拟合值为：K0=69×1024s-1·m-2·K-1，γ1/3=016 J·m-2.     

辽河盆地东部凹陷现今地温场及热历史的研究

依据10口系统测温井数据和61块岩石热导率测试结果，计算了辽河盆地东部凹陷10个 高质量的大地热流数据，并在此基础上，利用镜质体反射率（Ro）资料对该区的热历史 进行了恢复. 结果表明：东部凹陷下第三系平均地温梯度为36.5℃/km，岩石平均热导率为1 .667W/(m·K)，热流密度变化于49.5～70.0mW/m2之间，平均为58.0mW/m2；东部凹陷热 流呈现古热流高现今热流低的变化特征，从沙三期到东营期，古热流值是逐渐增大的，到东 营期末达到最大值，晚第三纪至现今表现为持续冷却；构造沉降史分析显示，盆地经历了早 期的裂谷阶段（43～25Ma）和后期的热沉降阶段. 盆地现今较低的大地热流和较高的古热流 及典型的裂谷型构造沉降样式为东部凹陷的构造-热演化提供了重要认识.     

中国大陆科学钻探靶区深部温度预测

依据中国大陆科学钻探(CCSD)两口先导孔中地热测量和岩石样品热物性参数,对5000m深钻的可能钻遇温度进行了预测.先导孔中地温梯度介于1-26℃/km;岩石热导率变化为2.64-8.81W/(m@K),平均(3.4±1.26)W/(m@K);实测热流值为76-80mW/m2;30块岩石样品放射性生热率变化为(0.0-2.17)μW/m3,450m深度以上层平均(0.76±0.5)μW/m3,以下层段平均(0.48±0.2)μW/m3,生热率随深度递减,但变化趋势难以明确判定.分别对热流和热导率取上、下限,采用不同的生热率随深度的分布函数,区分考虑或不考虑热导率的温度相关性,分别计算出5000m深度内可能的温度分布剖面.计算结果表明,超深井于5000m垂直深度上的温度将达到110-140℃,2000m深度的探井钻遇温度将介于54-64℃.此外,考虑热导率的温度效应后预测的温度一般高于未考虑热导率温度效应5-8℃.     

沁水盆地大地热流与地温场特征

分析了20口井的温度数据和39个岩石样品的热导率数据，计算了20个大地热流值.结果表明：沁水盆地具有偏高的大地热流背景，现今热流变化于448～1018 mW/m2之间,平均627±152 mW/m2，现今地温梯度介于209～476 ℃/km之间,平均地温梯度282±103 ℃/km. 热流的分布与本区上、下主煤层含气量的分布特征相似，在一定程度上反映了现代热流继承了煤层气生气期的古地热背景.     

末次盛冰期以来南海南部天然气水合物储库变化及其对环境的影响

末次盛冰期以来南海南部海平面及海洋底水温度均发生了很大的变化. 为了研究南海南部天然气水合物稳定带厚度在这个过程中的变化情况及其对环境的影响,我们利用相关的计算公式,并编制了计算稳定带厚度的程序,在南海南部的南沙海槽、曾母盆地、巴拉望盆地和苏禄海等四个重点海域选取了35个点进行末次盛冰期及目前稳定带厚度的计算. 计算结果表明,南海南部末次盛冰期和目前的天然气水合物稳定带厚度分别为262m和233m;甲烷资源量分别为269×1013m3和239×1013m3;水合物资源量分别为164×1011m3和146×1011m3. 这说明自末次盛冰期以来,南海南部稳定带厚度平均减薄了29m,平均减薄百分比为12%,同时释放了大约30×1012m3的甲烷,这些甲烷对环境产生了较大影响,对末次冰期的结束起了较大作用.     

东亚地区矿物尘气溶胶直接辐射强迫的初步模拟研究

为研究东亚地区矿物尘气溶胶的直接辐射效应,在区域气候模式RegCM3中加入起尘方案、建立矿物尘气溶胶输送模式,并将其辐射过程加入区域气候模式的辐射方案.通过对2001年3月～2002年3月的模拟发现：中国西北和蒙古国年平均地表起尘率在1μg/(m2·s)以上,最大达到90μg/(m2·s)是东亚地区最主要的矿物尘气溶胶源地;东亚地区矿物尘气溶胶柱含量最大值达5g/m2,出现在塔克拉玛干沙漠和秦岭地区;气溶胶大气顶直接辐射强迫基本呈现大陆上为正、海洋上正负均有的分布特征,区域平均辐射强迫在春夏秋冬分别为108, 088, 037,040W/m2,短波辐射强迫在陆上为正、海上正负均有,长波辐射强迫均为正值;四季的地表辐射强迫分别为-564, -225, -137, -187W/m2;辐射强迫数值对矿物尘气溶胶单次散射反照率的变化较敏感.     

柴达木盆地现今大地热流与晚古生代以来构造-热演化

依据钻孔系统稳态测温、静井温度资料与实测热导率数据分析了柴达木盆地地温场分布特征,建立了柴达木盆地热导率柱,新增了17个大地热流数据.柴达木盆地现今地温梯度介于17.1~38.6℃·km-1,平均为28.6±4.6℃·km-1,大地热流介于32.9~70.4mW·m-2,平均55.1±7.9mW·m-2.盆地不同构造单元地温场存在差异,昆北逆冲带、一里坪坳陷属于"高温区",祁南逆冲带属于"中温区",三湖坳陷、德令哈坳陷及欧龙布鲁克隆起属于"低温区",盆地现今地温场分布特征受控于地壳深部结构、盆地构造等因素.以现今地温场为基础,采用磷灰石、锆石裂变径迹年龄分布特征定性分析与径迹长度分布数据定量模拟相结合,研究了柴达木盆地晚古生代以来的沉积埋藏、抬升剥蚀和热演化史,并结合区域构造背景,对柴达木盆地构造演化过程进行了探讨,研究表明柴达木盆地晚古生代以来经历了六期(254.0—199 Ma,177—148.6 Ma,87—62 Ma,41.1—33.6 Ma,9.6—7.1 Ma,2.9—1.8 Ma)构造运动,六期构造事件与研究区构造演化的动力学背景相吻合.其中白垩纪末期(87—62 Ma)的构造事件导致了柴达木盆地东部隆升并遭受剥蚀,欧龙布鲁克隆起形成雏形,柴达木盆地北缘在弱挤压环境下形成坳陷盆地;中新世末的两期构造事件(9.6—7.1 Ma和2.9—1.8 Ma)使柴达木盆地遭受强烈挤压,盆地快速隆升,构造变形强烈,基本形成现今的构造面貌.