地壳脆塑性转化带非稳态流变与震后松弛变形机制

大陆浅源地震密集分布层称为地震层,该深度处于石英脆塑性转化带,其变形除受温度控制外,地震周期各阶段变形随应变速率和应力发生变化,从间震期的稳态蠕变转化为同震破裂和震后松弛阶段非稳态蠕变。与间震期长期蠕变相关的野外塑性变形和稳态流变实验研究非常多,而与震后松弛相关的地壳深部脆塑性转化和非稳态蠕变研究非常有限,更缺少非稳态流变的本构方程。震后松弛阶段的断层滑动研究和基于GPS观测数据反演地壳形变研究都依赖于非稳态蠕变实验数据及其流变模型。本文介绍了野外断层脆塑性转化带非稳态流变和高温高压非稳态流变实验研究进展,分析震后松弛阶段断层脆塑性转化带的变形特征与变形模式,讨论了非稳态流变与脆塑性转化带强度定量化研究中存在的问题。     

全球海啸地震震源机制解及海啸成因探讨

海啸作为五大海洋自然灾害之一,严重威胁着人类生命财产安全。近些年来,国内外学者对地震海啸进行了大量研究,主要针对海啸的生成、传播、爬高和淹没的数值模拟,以及古海啸沉积物进行研究,但是对于海啸地震震源机制的研究还比较欠缺,尤其是缺乏对震级小于6.5的海啸地震的研究。针对我国的地震海啸研究现状,强调震级小于6.5地震引发海啸的问题不容忽视。本文归纳整理了全球766次地震海啸,利用三角图分类基本法则对海啸地震震源机制解进行分类,并对其中341个发生在1976年后的海啸地震进行震源机制解分析,对其中633次海啸浪高进行统计学方法分析研究。本文认为逆冲型、正断型、走滑型和奇异型机制地震均能引发海啸,逆冲型地震引发的海啸占比最大,震级小于6.5级地震引发的海啸的浪高也有高达10 m的情况,也能产生巨大破坏性。逆冲型、正断型、奇异型地震可直接引起海底地形垂向变化,进而引发海啸,而走滑型地震引发海啸则可能有两种原因,一种是走滑型地震并非纯走滑型而是带有正断或逆冲分量从而引发海啸,另外一种是走滑型地震引发海底滑坡导致海底地形变化进而产生海啸。从海啸地震震源深度分析,能产生海啸的地震震源深度97%以上都是浅源地震,主要集中在30 km深度以内,但是也有中深源地震海啸。本文综合海啸地震的震源特点、我国地理位置以及以往海啸发生的情况,认为未来我国沿海地区威胁性的地震海啸主要集中在马尼拉海沟和台湾海峡区域,在今后海啸预警方面需要格外重视这些区域,通过建立完善海啸预警系统来减少损失。     

深海海底边界层原位观测系统研发与应用

为进一步研究南海北部陆坡海洋动力过程对深海海底边界层的影响,研发了“深海海底边界层原位观测系统(In-situ Observation System for Bottom Boundary Layer in Abyssal Sea)”,ABBLOS。观测系统主体为坐底式深海运载平台,最大工作水深可达6 700 m(实际工作水深取决于搭载设备的耐压水深),是研究深海海底边界层问题的重要技术创新。观测平台由上下两部分框架结构组成,上部框架用于搭载和回收观测设备,下部支撑架为配重,并且用于提供距离海底1 m的观测空间;同时创新性地设计了“卡槽定位-螺栓紧固”的连接方式连接上下两部分,连接方式简单可靠,保证了平台回收成功率。ABBLOS集成了75 k-ADCP、高频ADCP、ADV、高精度压力计、海底摄像机等设备,以及甲烷、温盐深、浊度、溶解氧、氧化还原电位等传感器,首次实现了内波、中尺度涡等海洋动力过程与海底边界层物理化学参数的动态变化同步观测,特别是可以观测距离海底1 m高度范围的水体流速剖面,并且达到7 mm一层的垂向空间分辨率。研制完成后,2020年在南海北部陆坡神狐海域655 m和1 405 m水深处分别成功布放并回收,观测时间共计34天,采集到观测站位上覆海水的流速剖面结构,捕捉到了平均周期为1天1次的内波作用过程,以及海底边界层的多种物理化学参数。初步分析655 m水深处的观测数据后,发现深海海底边界层的温度、压力、溶解氧、密度和盐度等参数受控于海洋潮汐过程,尤其是温度和压力的变化基本与潮汐周期同步。海底边界层氧化环境较为稳定,甲烷浓度由高变低,但是基本在海洋溶解甲烷平均浓度范围内。与潮汐相比,内孤立波对深海海底边界层水体的影响程度较小,但是明显可以引起沉积物的再悬浮,引起的海底边界层的海水浊度从背景值的0.01 NTU增大到48 NTU,海底摄像机也记录到了内孤立波期间深海底层海水突然变浑浊的过程,说明南海内孤立波可以影响海底沉积物的输运。     

大洋海底数据可视化和成图设计与分析

随着全球大洋调查的不断开展以及各种海底探测技术的进步,海洋调查数据积累日益增多。以往主要通过使用不同的专业软件来进行各类大洋数据的可视化和成图分析。在海洋调查方面目前迫切需要一种可视化软件,能够快速显示海底大洋的观测和探测数据,并能够快速简单地综合分析和成图。为了解决快速可视化和多种类型数据同界面显示问题,本文利用Matlab中的图形用户界面工具,开发和设计了简单易操作的OceanVis1.0数据可视化和图形用户界面。通过使用OceanVis1.0,用户可以方便地对全球海底大洋多波束水深、海洋重力异常、海洋磁异常、地震波形数据等进行可视化和成图分析,能够解决大洋关键区域的多种数据可视化综合分析问题。对不同类型的数据可以进行二维测线和三维空间数据变化的显示,也可以实现数据成图的放大、缩小和旋转功能。对于多波束、重磁数据空间变化数据,可以进行二维测线的任意切割和成图输出,不用保留中间成图即可满足用户的实时数据显示和快速查看功能。OceanVis1.0也能为具体航次的海底调查提供各类海底探测数据的快速显示,以及包括航次中获取的数据显示和初步分析功能,能够为研究区航次测线的规划提供数据可视化和图形支撑平台。     

基于剖面声呐的海底微地貌观测研究*

海底地貌是海水覆盖下的固体地球表面形态的总称。海底地貌巨变往往与海底地质灾害息息相关,会对海底管线和海上平台等海洋工程设施造成危害,因而对海底地貌进行原位观测具有重要意义。本研究基于前人研究成果和团队常年自主研发仪器经验,研制出了剖面声呐海底微地貌原位观测系统,详细介绍了观测系统的组成、功能、工作原理和工作模式,并提出了观测数据的处理分析方法;然后,使用观测系统进行了标志物检验实验,通过将观测系统测量数据与其他设备测量数据相对比,验证了观测系统的可行性和数据准确性;最后,使用观测系统在舟山海域朱家尖滑坡区进行原位观测,进一步验证了观测系统的可行性。观测结果进一步表明剖面声呐观测系统可以用于海底微地貌的观测研究。     

航空重力弱信号提取的卡尔曼滤波方法研究

航空重力测量以飞机为载体对重力场数据进行采集。由于气流、飞行状态及机体自身振动等因素的影响,航空重力测量原始数据含有大量的噪声,信噪比高达上万级分之一,因此从原始测量数据中获取弱小重力信号成为航空重力测量系统发展的一个技术难题。本文针对航空重力测量系统将通用卡尔曼滤波公式进行了适应性调整,建立了航空重力异常的数学模型,针对系统测量原理提出了卡尔曼滤波状态方程,解决了重力信号与差分GNSS信号匹配、航空重力弱小信号提取的难题。经过实测的航空重力测量数据验证,提出的航空重力数据解算方法能够高精度地解算出航空重力异常,且优于FIR低通滤波器(目前工程上采用)的解算结果,推进了航空重力弱信号提取技术的发展。     

上扬子地区不同类型岩石生氦潜力评价及泥页岩氦气开采条件理论计算

上扬子地区是我国页岩气重要开采区,也是氦气工业性开采的唯一地区,但对于其氦气生成潜力研究仍处于空白阶段.据此,对上扬子东南地区采集的144件岩石样品进行场发射扫描电镜及铀、钍强度测试,理论计算了页岩气中氦气达到我国工业开采标准(0.05％)需要满足的理论条件.岩石扫描电镜结果表明,富含铀、钍的副矿物(锆石、独居石、铀钍石及磷灰石等)主要赋存于造岩矿物石英和长石中.岩石铀、钍强度测试结果表明,三大类岩石中铀平均含量呈现:沉积岩(8.96×10-6)＞岩浆岩(4.83×10-6)＞变质岩(1.89×10-6);钍平均含量呈现:沉积岩(11.01×10-6)≈变质岩(10.4×10-6)＞岩浆岩(5.9×10-6).岩浆岩中铀、钍平均含量呈现:酸性岩＞中性岩＞基性岩＞超基性岩;沉积岩中铀平均含量呈现泥页岩(13.86×10-6)＞＞砂岩(2.54×10-6)＞碳酸盐岩(1.67×10-6);钍平均含量呈现泥页岩(12.50×10-6)≈砂岩(12.76×10-6)＞碳酸盐岩(5.96×10-6).不同沉积时代沉积岩中铀、钍平均含量也呈现上述分布规律.沉积岩中铀、钍含量主要与岩石的沉积环境与物源有关,与沉积时代无关.单位时间、单位质量岩石氦气生成量的大小为:泥页岩＞酸性岩＞中性岩＞砂岩＞变质岩＞碳酸盐岩＞基性岩＞超基性岩.以中国南方地区上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组页岩为例,当该层位泥页岩中残余氦气含量为U,Th元素衰变释放出来氦气含量的80％以上时,适合进行"页岩气+氦气"的共同开采,提高页岩气的开采价值.     

基于实验分析的乳房状石钟乳成因机理初步研究——以湖北阳新地心大峡谷洞穴沉积形态为例

目前,关于乳房状石钟乳成因的研究仍然停留在“科学猜想”阶段。通过对湖北阳新“地心大峡谷”洞穴内采集的一对孪生乳房状石钟乳样品进行矿物构成、晶体形态以及年代学分析,获得如下新认识:①乳房状石钟乳由致密—疏松互层递序生长的方解石构成。②致密层方解石呈菱面体晶型,无色透明,垂直向下生长,没有横向扩张;疏松层方解石呈细小颗粒状,乳白色不透明,呈“皮壳”状聚集,有一定程度的横向扩张,是乳房状石钟乳基部和主干部位膨胀的主要原因。③致密层和疏松层之间并不是连续生长的,存在显著的沉积间断。疏松层的232Th含量普遍比致密层高1~2个数量级,说明疏松层中不溶于水的杂质含量显著高于致密层。结合以上实验结果,以及洞内“皮壳”状沉积物可以在洞壁、洞顶分布的特征,推测:①“皮壳”沉积的溶液是从围岩或相关沉积物（石钟乳）基底以面状缓慢渗出的。②当溶液过饱和析出碳酸钙后,溶剂以水分蒸发的形式离开沉积界面。③“皮壳”沉积结构疏松的原因可能是由于地下河改道,洞穴密闭度变差,洞穴空气CO₂浓度降低,方解石结晶速率加快,从而造成方解石晶体缺陷增多,并以微晶集合体堆积。      

波致海床瞬态液化对再悬浮贡献率的深度学习预测方法

波致瞬态液化渗流导致海床内细粒沉积物向海水中运移,这一过程对海底沉积物再悬浮的贡献率不容忽视,但是贡献率的准确估计和预测比较困难。本研究将黄河水下三角洲的观测数据(包括水深、有效波高、有效波周期、实验舱内悬沙浓度、实验舱外悬沙浓度)作为模型输入数据集,基于长短时记忆循环神经网络建立了瞬态液化对再悬浮贡献率的深度学习预测模型。为了客观评价模型的性能,以平均绝对百分比误差、均方根误差和平均平方误差-标准偏差为评判标准,将该深度学习模型与其他预测模型(支持向量回归模型、人工神经网络)的预测结果进行了比较。结果表明,基于长短时记忆循环神经网络的深度学习模型对3.5d以内的瞬态泵送再悬浮贡献率预测误差最小,其平均绝对百分比误差、均方根误差和平均平方误差-标准偏差分别为5.87%、1.6730、0.1574。因此,该模型可以有效地减少机器学习方法在连续预测中产生的误差叠加问题。     

地球深部真的贫铀钍吗? ——来自秦岭造山带加里东期岩浆岩体锆石铀钍含量的讨论

为尝试利用锆石来初步探索地球内部铀、钍的丰度,通过搜集秦岭造山带加里东期岩浆岩体锆石U-Th-Pb同位素测年文献,掌握了3件超基性岩、52件基性岩、46件中性岩、90件酸性岩,共计191件样品,6979个（铀含量数据3552个,钍含量数据3427个）锆石定年数据。数据分析指示铀和钍在同一类型岩浆岩锆石中含量均相差悬殊,可在不同类型岩浆岩锆石中富集或亏损,不具有从超基性岩到基性岩到中性岩再到酸性岩总体增加的趋势。在所有样品锆石铀、钍平均值2倍以上的45件高富集样品中的34件呈现“局部长期”分布的特征,表现为：10件在451.0~422.1 Ma期间的以OIB型基性、中基性岩为主的样品约29 Ma时间集中产出在南秦岭大巴山地区,岩浆多来自由HIMU,EMII和EMI三个富集地幔端元组分混合而成的复杂地幔区;24件在495.9~413.6 Ma期间的以I型、S-I型酸性岩为主的样品约82 Ma时间集中产出于北秦岭商丹（商南—丹凤）地区,岩浆可来自地幔、壳幔混合和地壳源区。结合华南金属铀（0价）的发现等前人研究成果初步分析认为,加里东期大巴山和商丹地区可能分别存在地幔柱和大陆型热点,地核中大量铀、钍沿地幔柱和大陆型热点上升致使地幔和地壳局部熔体中铀、钍长期富集,其超高含量可能被熔体中锆石结晶部分记录,这一元素迁移过程可能是两区域产出高锆石铀、钍含量样品和商丹地区生成铀矿的主要原因。支持铀、钍可在地核和地幔柱富集的认识。