一种基于有限元的岩石圈长期变形数值计算方法

有限单元法以其灵活性和精确性,成为固体地球科学中广为使用的数值方法。从短周期的地震活动到长周期的岩石圈变形、地幔对流,甚至行星演化,有限单元法几乎在固体地球科学的各个领域都占据着十分重要的位置。随着研究的深入,某些特定的地学问题给有限元计算带来挑战,尤其是岩石圈尺度大变形的数值计算,比如俯冲带的演化、剪切带中塑性流变导致的应力集中。基于显式有限元,尝试考虑粘弹塑性岩石圈大变形过程的数值计算。应用Marker-In-Cell（MIC）方法处理物质迁移。在描述基本原理和流程的基础上,对粘弹性变形、弹塑性变形、大变形过程及热传递过程等核心模块分别做了基准测试,而这四个模块是模拟岩石圈长期变形的关键。由测试结果和其他学者的（解析或数值）研究结果比对情况来看,受测试的核心模块基本达到了测试要求。可以预见,现有的基本算法可以满足研究岩石圈大变形的需要,进一步的具体研究工作将探讨这类问题。从科学问题层面讲,逐渐复杂的科学问题有利于数值模型的成熟。已达到基准测试的数值方法对下一步开展一些具体的地球动力学数值模拟研究有实际意义。      

上覆硬质保护层海底管道检测技术探讨

海底管道在油气工业中发挥着重要作用,为保障其安全运营必须定期进行检测掌握其在海底的状态。有的海底管道在铺设时为其安全考虑,在海底管道上方覆盖了抛石等硬质保护层,这样就导致在海底管道定期检测时一些检测仪器难以探测到硬质保护层下海底管道的位置和埋深,而浅地层剖面仪和磁力仪仍然可以不同程度地实现这种情况下的海底管道检测。文中对浅地层剖面仪和磁力仪的原理进行了介绍并对其在上覆抛石等硬质保护层海底管道检测中的应用进行了分析探讨。分析结果表明浅地层剖面仪和磁力仪组成的综合检测系统对上覆硬质保护层的海底管道探测有一定效果,可查明海硬质保护层下海底管道的位置和埋深,为海底管道的安全管理和维护提供数据支持,也可为其他类似海底管道检测提供参考。     

中国海洋调查船分级方法研究

海洋调查船是开展海洋调查观测的必需工具,是中国"建设海洋强国"、"一带一路"战略实施的重要保障。实行海洋调查船分级制度对于提高中国海洋调查船管理水平,合理安排调查船航次并有效指导国家海洋调查船新建规划具有积极意义。欧美均有系统完善的海洋调查船分级制度,而中国目前还没有。文中在借鉴美国调查船分级制度的基础上,结合中国地理位置以及调查船参数将,中国调查船分为全球级、大洋级、区域级和近岸级4个级别。分级依据选取船舶注册总吨、续航力、自持力、科考定员和实验室面积。在此基础上采用该分级方法对中国现有调查船进行了等级划分,得到了较好的结果。另外,还探讨了选取船舶满载排水量和续航力进行调查船分级的可能,为今后完善调查船分级方法提供了更多的思路。     

基于Monte Carlo模拟的三维剖面地质界线不确定性分析

三维剖面地质界线是构建三维地质结构模型的重要基础数据,其不确定性会影响三维模型的几何形态和属性分布。以单一分布为假设前提的统计学不确定性分析方法掩盖了其他概率分布特征对模型的影响。突破单一误差分布条件的假设前提,本文使用Monte Carlo方法模拟了不同概率分布情况下地质剖面数据中地质界线的抽样采集,以及地质界线空间分布的不确定性;依托地质界线空间位置与地质属性的耦合关系,提出了用地质属性概率分布实现地质界线空间不确定性的定量可视化,并结合实际地质剖面探讨了多种概率分布条件下地质界线的空间不确定性。实例研究表明,基于Monte Carlo模拟的不确定性分析方法可以突破单一误差分布假设条件,结合地质属性概率可充分揭示出建模数据的内在不确定性与模型外在要素形态之间的耦合关系。     

青藏高原地壳密度变形带及构造分区

将区域重力场多尺度刻痕分析用于提取青藏高原地壳变形带的信息,可了解高原内地壳变形带从浅到深的变化和平面分布特征,并对青藏高原主要地体的空间分布定位,为岩石圈研究提供地表地质难以取得的新信息.多尺度脊形化系数的图像刻划不同深度平面上的地壳变形带.青藏高原地壳变形带从上到下由细密逐渐变为粗稀型,而且细密型变形区分布的范围逐渐缩小,到下地壳完全消失.从这种情况可以推测,以垂直地面方向上看,地壳变形带应该是树形的,下地壳粗稀型的变形带为树的主干,而中地壳粗稀型的变形带为树的分枝,上地壳的变形带为树枝的小枝杈.上地壳细密型变形分布区反映了与中新生代地壳缩短变形区的范围,下地壳清晰连续的变形带反映了青藏高原的构造骨架.多尺度边界刻痕系数的图像刻画不同深度平面上的地体边界,下地壳的刻痕边界系数与密度剧烈变化带位置吻合;因此,由多尺度刻痕分析划分地体时同时取得地体密度信息.青藏高原内密度较高的地体包括喜马拉雅地体、克什米亚地体、察隅河地体、柴达木地体、巴颜喀拉地体和羌塘地体.柴达木地体、巴颜喀拉地体和羌塘地体是青藏高原中有壳根的核,而密度最高的克什米亚和察隅河地体在大陆碰撞时不易碎裂,对东西两个构造结的形成起了关键作用.     

金融空间联系及K-means聚类中心等级识别研究——以长三角为例

以2001年、2006年、2011年长三角城市金融机构人民币存款、贷款额数为样本,构建金融空间联系模型,定量分析长三角城市金融空间联系分异特征。在此基础上构建K-means金融中心等级识别模型,识别长三角城市金融中心等级。研究表明：① 2001-2011年长三角城市金融“质量”空间趋势较为稳定,总体呈现东部高于西部,中部高于南、北部的倒U形分布。② 金融空间联系最大引力线联结格局较为稳定。③ 金融空间联系网络结构格局变化显著,主要从简单的“折线型”空间结构逐渐发展成简单的、复杂的“网络型”空间结构。④ 长三角金融城市中心等级空间分布格局稳定,以上海市金融中心最为突出。     

河西走廊东部极端降水的时空分布及影响因子分析

利用线性回归分析、Mann-Kendall检验法和和小波分析法,统计分析了河西走廊东部1961-2012年近52 a来暴雨日数的变化规律。结果表明：河西走廊东部年平均暴雨日数为1.2 d·a-1,多为局地暴雨,暴雨日数时空分布差异大,从南向北、从东向西暴雨日数迅速递减,暴雨最多的地方出现在祁连山北坡迎风坡的古浪县。然而,年暴雨日数变化总体呈上升趋势,其线性倾向率为0.24次·（10 a）-1,年暴雨日数最多年代出现在21世纪00年代,出现15场次;最少的年代出现在20世纪80年代,仅为6场次;区域性暴雨出现最多年代、最少年代与区域性暴雨强度呈相反态势。暴雨日数受季风变化影响显著,出现时段集中在6～8月,占全年暴雨日数的90.3%。其中8月暴雨日数最多,占总次数的48.4%;一日中暴雨主要出现在白天。采用Mann-Kendall检验法进行检验,河西走廊东部年暴雨日数增加从1963年开始,1985-2012年为显著增加,气候变暖使区域内极端降水出现次数增多。小波分析发现暴雨日数存在9 a和6 a周期。区域内年降水量与暴雨日的变化趋势相同,说明区域内极端降水日数增多导致了年降水量的增加。利用1983-2012年近32 a的NCEP再分析资料,将暴雨出现的高空环流形势归纳为副高西部西南气流型、河套阻塞高压型,大量级暴雨产生在高空河套阻塞高压型中;根据暴雨产生的物理机制,归纳总结出河西走廊东部暴雨产生的物理要素阈值。     

汾河源区生态系统服务价值的时空变化

运用GIS和遥感技术分析了汾河源区宁武县1990、2000、2010年的土地利用/覆被时空变化特征,并参照中国不同陆地生态系统单位面积服务价值,分析了该区域生态系统服务价值的时空变化。结果表明:1990-2010年,研究区生态系统服务价值共损失0.34×10⁸元,且损失量和损失幅度呈增加趋势;研究区东北到西南方向上的大片低海拔区域生态系统服务价值减幅较大,主要与该区域频繁的人类活动有关,而高海拔山区减幅较小或略有增加。气候暖干化、过度放牧和建设用地增加引起的草地和水域减少是导致研究区生态系统服务价值减少的主要原因。     

常量元素氧化物含量及其比值揭示的中晚全新世以来玛曲高原的环境演变

对玛曲高原具有代表性的黄土-古土壤-风成砂剖面(OL剖面)常量元素氧化物含量及其比值的地球化学特征分析表明:(1)常量元素氧化物总含量为91.93%且SiO₂(67.93%) >Al₂O₃(11.2%) >Fe₂O₃(3.97%) >CaO(3.76%)>K₂O(2.16%) >Na₂O(1.81%) >MgO(1.1%);(2)玛曲高原处于较弱的脱Ca、Na初级风化阶段,并伴有碳酸盐的淋失;(3)玛曲高原的气候经历了冷干-凉润-温湿-凉干的冷暖旋回。依据常量元素氧化物含量及其比值揭示的环境特征并结合¹⁴C测年将玛曲高原中晚全新世以来的环境演变划分为4.6 ka BP以前的风沙活动强烈期、4.6～4.3 ka BP的风沙活动较弱期、4.3～0.3 ka BP的固结成壤期和0.3 ka BP至今的风沙活动增强期4个阶段。     

基于PCA法的春、夏季东山湾海域富营养化特征

根据2011年5月和8月东山湾及邻近海域的调查结果,选择10个与富营养化有关的参数,包括溶解无机氮(DIN)、溶解硅酸盐(DSi)、活性磷酸盐(SRP)、总氮(TN)、总磷(TP)、化学耗氧量(COD)、溶解有机碳(DOC)、总有机碳(TOC)、叶绿素a(Chl-a)和浮游植物丰富度(d)等,应用主成分分析(PCA)法对该海域富营养化特征进行研究。主成分分析表明,主成分1(PC1)表征了有机污染、浮游植物和总磷状况;主成分2(PC2)反映了硅和氮营养水平,主成分3(PC3)体现了SRP的特点。春、夏季PC1、PC2、PC3和综合主成分(CPC)的空间分布表明漳江口和八尺门养殖区邻近海域富营养化风险较高;各主成分与盐度的相关分析表明东山湾内富营养化压力主要来自漳江,夏季有所增强;有机污染物和浮游植物可能是控制东山湾海域春、夏季富营养空间分布的主要驱动因素。