致密砂岩水压瞬态致裂液化格子波尔兹曼及有限元数值研究

水压瞬态致裂液化在地应力测量、地震破坏评估和机理研究、油气(天然气、页岩气)及地热资源开发等地学领域都具有重要的理论和应用价值.自20世纪60年代至今在理论和实际应用方面取得了一些奠基性和开创性成果,但鉴于问题复杂性,瞬态致裂液化机理至今尚不清楚.本研究应用格子波尔兹曼及有限元多孔介质流固耦合物理模型,对地震波载荷作用下致密砂岩水压瞬态致裂液化过程进行数值模拟研究.首先,以鄂尔多斯盆地某油田延长组致密砂岩为例,利用X射线CT断层成像技术,应用基于量子力学第一性原理格子波尔兹曼方法,建立致密砂岩数字岩芯模型.进而,推导格子波尔兹曼及有限元多孔介质流固耦合数值模型公式,建立致密砂岩水压致裂液化物理模型.最后,应用地震波载荷边界和初始条件,模拟瞬态致裂液化流固耦合过程,讨论了地震波载荷幅值、频率及作用时间对致密砂岩孔隙结构(孔隙度大小及连通性)、致密砂岩破裂最大主应力之间关系,得到了地震波作用下致密砂岩致裂液化准则.     

影响b值计算误差的Monte Carlo实验研究

本文假设地震的发生与时间的关系遵循稳态泊松模型,假设地震震级M服从参数为1/β的指数分布,其中β=b/loge,在此基础上生成地震目录.用最小二乘法估算b值,分别从样本数量、震级间隔、震级误差三方面分析b值误差的大小.统计分析结果表明,b值的标准偏差随着样本数量的增多而减小;随着震级间隔的增大而减小;震级误差使b值的标准误差变大.本文可以为利用真实地震目录求b值时选择适当的方法提供参考.     

地壳流变结构控制作用下的龙门山断裂带地震发生机理

青藏高原东缘低地形变速率的龙门山断裂带上相继发生了2008汶川M_w7.9级地震和2013芦山M_w6.6级地震.地震勘探与震源定位结果揭示了龙门山区域地震空间分布特征：纵向上，龙门山断裂带这两次地震主震均发生在龙门山断裂带上地壳的底部（14~19 km），绝大部分余震均发生在上地壳范围（5~25 km），而在其中、下地壳深度范围内鲜见余震发生；横向上，地震（M_w>3）在龙门山断裂带青藏高原一侧密集分布且曾有大震发生，而四川盆地地震稀少（M_w>3）.为探讨龙门山断裂带地震发生机理，并解释以上龙门山区域地震空间分布特征，本文建立了龙门山断裂带西南段跨芦山地震震中区域的四种不同流变结构的龙门山断裂带三维岩石圈模型，以地表GPS观测资料为约束边界条件，数值模拟龙门山断裂带岩石圈在数千年以上长期匀速构造挤压作用下的应力积累特征，探讨了地壳分层流变性质对地壳应力积累的影响，分析了该区域地震空间分布与构造应力积累速率的关系.计算结果表明：该区域在数千年的应力积累过程中，脆性上地壳中应力表现近于恒定值的线性增长趋势，龙门山断裂带上地壳底部出现应力集中积累现象，这一应力集中现象可以解释龙门山断裂带汶川地震与芦山地震主震的发生，及其大部分余震在脆性上地壳中的触发；青藏高原一侧上地壳应力积累速率远远高于四川盆地的应力积累速率，这一应力积累分布现象可以解释龙门山区域青藏高原一侧地震密集而四川盆地地震稀少的地震空间分布特征；通过比较不同流变结构模型中的应力积累状态，认为导致这一应力积累空间分布状态的重要控制因素在于青藏高原中、下地壳较低的黏滞系数与四川盆地中、下地壳较高的黏滞系数的差异.在柔性的中、下地壳内，应力增长近于指数形式，稳定状态之后其应力增长速率近于零，构造应力积累难以达到岩石破裂强度，因而鲜见地震发生.地壳各层位的应力增长率差异与地震成层分布的现象共同揭示了龙门山区域岩石圈分层流变结构：脆性上地壳、韧性中、下地壳（青藏高原一侧较弱，四川盆地一侧较强）、韧性岩石圈上地幔.     

冷泉形成的数值模拟研究

海底冷泉形成的一种可能机制是海平面下降引起天然气水合物的分解.本文基于对冷泉渗漏特征的分析,建立了二维轴对称模型,利用有限元方法定量分析了南海区域海平面下降对冷泉形成的影响.结果表明,末次冰盛期(26.5~19.0ka BP)海平面下降引起的冷泉活动可以持续到现在,但是从水合物停止分解至今,超孔隙压力的极值在持续减小,而流体向海底的渗漏达西速度先快速减小、然后缓慢减小.同时发现,流体向海底的渗漏达西速度与管状通道的渗透率、通道周围介质的渗透率以及通道的半径等有关,估计目前的冷泉活动还可以持续10000年以上.海平面下降引起的天然气水合物分解,可能是影响全球气候变化的一个重要因素.     

利用矿物共生关系确定成矿条件——以海沟金矿为例

研究矿物共生关系是揭示成矿地球化学条件的基础,是探讨矿床形成环境的一个重要方面,它对发展成矿理论起着重要作用.本文以海沟金矿为例,在广泛收集最新热力学数据的基础上,利用矿物共生关系相图初步确定了海沟金矿成矿的物理化学条件.成矿过程可分为4个阶段:石英-钾长石阶段,偏碱性(pH值7.1～9.2),弱氧化到弱还原环境(Eh值-0.3～ +0.5 V);金-石英-黄铁矿阶段,属中酸性弱氧化-弱还原环境;金-多金属硫化物-石英阶段,中酸性(pH值4左右),弱还原环境(Eh值＜-0.2 V);金-石英-碳酸盐阶段,从高温到低温逐步从pH=4.5转变为pH=5.3,而成矿的Eh值也从弱还原(-0.3 V)向弱氧化(+0.5 V)过渡.     

卡里巴水库蓄水引起库区应力场变化影响分析

水库地震是近几年国际上地震学和地球动力学领域研究的热点问题.作为世界上库容最大的卡里巴(Kariba)水库在其蓄水后库区地震活动性不断增加,并于1 963年9月23日发生M6.1地震,是世界上公认发生过6级以上水库地震的四大水库之一.对该水库蓄水引起库区应力场变化进行量化估算,有助于对特大大型水库蓄水后库区应力场变化及应力触发地震这一基础性科学问题的深入了解.本文分别应用解析解和数值解方法对卡里巴水库蓄水引起库区弹性应力场、不排水和排水孔隙压力变化进行了计算分析.结果表明,卡里巴水库蓄水引起M6.1地震震源处孔压变化为0.015～0.22 MPa,库仑应力变化约0.03～0.17 MPa,触发了此次地震的发生.     

粘弹性数值模拟龙门山断裂带应力积累及大震复发周期

2008年5月12日在低地形变速率的龙门山断裂带上突发汶川强震,引发人们对该地震孕震机制的思考。本文根据GPS观测资料确定边界条件,通过三维粘弹性数值模拟探讨了汶川地震的孕震机理,计算了该区域岩石圈的应力增加速率和积累过程,以及汶川地震同震应力变化与震后应力松弛,在此基础上估算了汶川8.0级大地震的复发周期。数值模拟结果表明:印度板块对欧亚板块的推挤造成青藏高原的物质东流,高原中、下地壳物质在龙门山断裂带处遭到相对坚硬的四川盆地的阻挡之后,部分中、下地壳物质在龙门山断裂带下堆积产生应力集中。两个重要因素为应力集中提供了重要控制作用:其一是青藏高原中、下地壳较低的粘滞系数与四川盆地中、下地壳较高的粘滞系数的差异,其二是从青藏高原到四川盆地的Moho面深度在龙门山断裂带的突变。低应变速率的龙门断裂带岩石圈在数千年时间尺度的应力积累过程中,脆性上地壳的应力随时间近乎线性增长,并且上地壳深部的应力增长率超过浅部,6000年内应力积累最大量达到-21.6MPa,应力增长速率为-0.0036MPa/a;而柔性的中、下地壳以及岩石圈上地幔的应力在增长一段时间之后趋于稳定。在空间上,龙门山断裂带受到的压应力从断层西南向北东方向逐渐减小,而剪应力从西南到北东方向逐渐增大,应力状态有利于地震发生时断层的破裂方式从西南的逆冲运动向北东的逆冲兼走滑运动的方式发展。通过应力积累与地震应力降的计算得到汶川8.0级大地震的复发周期约为5400年。     

地应力测量中钻孔偏心分析

将有限元数值法与解析解相结合,对载荷下探头钻孔偏心问题进行研究.研究结果表明,偏移量δ≤1/5时,径向位移误差均值＜15％,周向位移误差均值＜10％;偏移量δ≥2/5时,径向位移误差均值＞30％,周向位移＞25％;而当δ＞1/2时,误差值更大,具体的数值在实际工程中需进一步验证.     

三维黏弹性数值模拟华北盆地地震空间分布与构造应力积累关系

华北盆地为我国板内地震多发区域,历史以来相继发生多次破坏性大地震.前人地震勘探与震源定位结果揭示了华北地震的空间分布特征:横向上,华北地震基本发生在地壳的薄弱地带(Moho面上隆),或者地壳厚度的急剧变化带;纵向上,华北地震在地壳一定深度范围内呈现成层分布特征;主震一般在上地壳底部9~15 km深度范围,余震多发生在大约深5~25 km的上地壳与中地壳范围内,在中地壳下层与下地壳中仅有少量或者鲜见有余震发生.为研究解释华北盆地地震空间分布的以上特征,本文建立了华北盆地岩石圈三维黏弹性有限元模型.震源机制和GPS反映华北盆地处于NNE最大主压应力方向挤压,因此对模型边界施以恒定的位移速率边界条件;数值模拟华北岩石圈各层位在数百年以上长期匀速构造挤压作用下的应力积累特征,分析了华北地震空间分布与构造应力积累速率的关系,探讨了地壳结构与地壳分层流变性质对地壳应力积累的影响.计算结果表明,Moho面的隆起与地壳各层位岩石介质的黏滞系数是华北盆地地震孕育的重要因素.华北盆地在构造挤压的持续作用下,Moho面隆起处产生明显应力集中现象.该区域应力在长时期的积累过程中,在脆性的上地壳与中地壳上层,应力表现近于线性增长趋势,上地壳底部较其它深度有最大的应力增长率,其主震可以在应力积累至岩石破裂强度时发生;在脆、韧性转换的中地壳下层,应力增长速率次之,华北地震的大部分余震可能在该层位为主震所触发;而在柔性的下地壳应力增长近于指数形式,稳定状态之后其应力增长速率近于零,而鲜有地震发生.地壳各层位的应力增长率差异与地震成层分布的现象揭示了华北地壳的分层流变性质:脆性(上地壳)-较弱脆性(中地壳上层)-较弱韧性(中地壳下层)-较强韧性(下地壳)-韧性(岩石圈上地幔)的分层流变结构.     

含湿孔隙岩石有效热导率的数值分析

本文采用有限元方法研究含湿孔隙岩石的有效热导率,即随机划分网格并指定材料性质,建立三维含湿孔隙岩石的有限元模型,模型的上下表面施加不同的温度,侧面绝热,计算出总热流,然后结合上下表面的温度梯度计算出岩石的有效热导率.考虑到单个随机模型不一定具有代表性,对给定的孔隙率和饱和度均生成了200种矿物、水、空气随机分布的岩石模型,进行Monte Carlo实验和统计分析,统计分析结果与前人实验结果吻合良好.数值分析结果表明,孔隙岩石的有效热导率与岩石的孔隙率、饱和度、固体矿物组分及孔隙的分布情况有关,数值计算的误差随着网格数目的增加而减小.此有限元方法可以用来估算岩石的有效热导率,在已知组分性质的多矿物岩石物性计算方面有广阔应用前景.