地球系统科学——21世纪地球科学前沿与可持续发展战略科学基础

首先，从人类面临全球性的重大问题、地球系统的全球化、地球系统科学与传统地球科学和国内外研究现状4个方面介绍了地球系统科学提出的背景，阐述了地球系统科学的七大特征和六大趋向。其次，详细介绍了地球系统科学的概念与研究方法，主要内容有研究思路、基本概念、地球系统过程和地球系统科学的方法论。第三，构建了地球系统科学理论基础，主要内容包括：地球系统的连续动态系统、离散动态系统、地球系统的随机性、地球系统的自组织和地球系统的简单巨系统与复杂巨系统。第四，重点介绍了地球系统科学子系统与各圈层相互作用的动力学效应。最后，概述了地球系统的数字表达——数字地球和地球系统科学是可持续发展战略的科学基础。     

基坑开挖反压土作用机制及其简化分析方法研究

分析了反压土与支护结构相互作用的机制。在此基础上,基于弹性抗力法,结合天津市一些工程经验,建立了考虑反压土影响时支护结构内力和变形的计算方法,并结合工程实例进行比较分析。分析结果表明,反压土高度不变时,随着反压土的坡度减小或反压土宽度的增大,支护结构的最大位移和最大弯矩都逐渐减小;当反压土的坡度减小到一定值或顶宽增大到一定的程度时,支护结构的最大位移和最大弯矩不再减小而趋于一个定值。反压土土质条件对反压土的作用的发挥有着显著作用。开挖前进行良好的降水,开挖过程中注意不要扰动反压土,并对反压土做好良好的护坡,防止雨水侵入土坡,这些措施均有助于保证反压土作用的充分发挥。必要时,可考虑对反压土进行注浆加固。工程实测表明本文建议方法的计算结果与工程实测结果较吻合,并表明在开挖面积较大的基坑工程中,条件适当时,采用基坑内侧预留反压土的方法可不需设置水平支撑,可节约大量基坑支护投资,并缩短工期,具有良好的经济效果。     

离子吸附型稀土资源研究进展、存在问题及今后研究方向

稀土是中国的优势矿产资源,但真正引起世人瞩目的是离子吸附型稀土矿,尤其是其中的中稀土、重稀土成分。离子吸附型稀土矿是中国极其重要、全球罕见的矿床类型。自1969年发现至今的四十多年来,对其成矿机制、富集规律、开采方式、环境保护等方面的研究取得了显著进展。本文从离子吸附型稀土矿床成矿理论、勘查技术方法、资源综合利用及矿政管理等方面评述了近年来取得的进展及存在的问题,重点分析了合理评价资源储量、储量优化开采利用方案、加强稀土开发管理等方面存在的亟待解决的现实问题。本文认为现行的稀土矿产地质勘查规范已经不适应当前的形势,需要修改;当前对离子吸附型稀土矿产实行不分单元素矿种的资源分类方式也不利于资源的充分利用,需要建立单元素稀土矿种的评价、管理体系;对于矿业权设置和开采总量控制指标等方面的管理工作今后只能加强不能放松。     

预应力锚杆柔性支护喷射混凝土面层上的土压力

针对锚喷支护设计中面层土压力计算模式存在的问题,以预应力锚杆柔性支护技术为研究对象,假定锚杆间的土拱为二维平面拱,推导出了一种作用在喷射混凝土面层上的土压力计算方法,得到了面层土压力的分布曲线。分析土体黏聚力 、内摩擦角 、外摩擦角 和锚杆水平间距 对面层土压力的影响,并与简仓法计算结果进行了对比。结果表明, 越小,面层土压力越大,且简仓法计算值明显小于文中计算值; 对面层土压力最大值无影响;面层土压力最大值与 成正比; 对面层土压力也有明显影响,在实际工程设计中,不应忽略 对减小面层土压力的贡献。最后给出了计算面层上的土压力简化公式。     

面板对路堤式加筋土挡墙力学特性的影响

加筋土挡墙作为一种新型的轻型支挡结构,广泛应用于公路、铁路、港口等工程中。随着加筋土挡墙技术的发展,面板的类型也越来越丰富。利用Plaxis有限元软件,对路堤式加筋土挡墙进行了二维有限元计算分析。针对墙背水平土压力、垂直土压力、挡墙侧向位移、筋材应变和挡墙稳定系数等计算结果的分析,探讨了3种类型面板（返包式面板、整体式面板和拼装式面板）对路堤式加筋土挡墙力学性能的影响。研究结果表明,垂直和水平土压力的数值计算结果均小于理论值;相比较与其他两种面板的加筋土挡墙,返包式面板加筋土挡墙筋材的应变最大;面板类型对于加筋土挡墙的整体稳定性几乎没有影响。研究成果为实际工程的应用提供了理论指导。     

文化视角下的地球科学

从文化视角来审视地球科学, 或将地球科学作为一种文化现象来研究, 地球科学至少包含三方面的内容: 一是地学研究方法或思维逻辑, 即“真”的问题; 二是人地关系或地学的价值理念, 即“善”的问题; 三是地球演化的平衡或人与地球的和谐, 即“美”的问题.文化视角下的地球科学是由“真”、“善”、“美”三者构成的统一体系.      

桥台台背土压力的试验研究

快速铁路桥台台后填土的填料选择、施工控制、质量监测等方面均不同于常规铁路，由于对桥台台背土压力研究并不多见，再加上影响土压力的因素比较复杂，目前的土压力理论还难以准确地反映土压力分布的实际情况。因此，结合现场试验，对快速铁路桥台台背土压力进行长时间观测，分析了土压力随时间的变化、土压力随填土高度变化以及填土完成后台背土压力的大小和分布情况。分析结果表明，台背土压力沿桥台深度方向呈非线性分布，土压力随着至桥台顶部距离的增大而增加，但到达一定深度后，随着深度的增大，土压力反而减小；土压力合力作用点要比理论上的土压力合力作用点有所上移，在0．41倍填土高度处。     

The Preparation and Adsorption Properties of Novel Ternary Composited Diatomaceous Earth

Xianfeng large-scale lignite mining area, symbiotic diatomaceous earth mining area is the second largest diatomaceous earth mining in China with high organic matter content. The Xianfeng diatomaceous earth mining is a difficult development and utilization of low-grade diatomaceous earth, which has not been effective utilized due to low economic value of traditional processes. The objectives of this paper are utilizing high organic matter content diatomite as waste resources and improving the comprehensive utilization ratio of mineral resources in Xianfeng coal mining areas. The high organic content diatomaceous earth was purified by the acid washing and then calcinations under N2 as a protective atmosphere and high temperature of 500 to 800 ℃. The organic matter was carbonized with the formation of amorphous complex of activated carbon and diatomaceous earth. The novel ternary composited diatomaceous earth was prepared by combining carbonation diatomaceous earth and magnetic nanomaterials. The absorption property of ternary composited diatomaceous earth was improved through the organosilane and polyacrylamide modification to meet the needs of practical application. Electron microscopy showed that magnetic precursor calcined under N2 as a protective atmosphere, the surface of the magnetic nanoparticles were coated with amorphous carbon, which improved chemical stability and compatibility with diatomaceous earth. The magnetic nanoparticles and amorphous activated carbon uniformly dispersed in a diatomaceous earth surface and within the pores, to form a stable magnetic nanoparticles - the amorphous active carbon - ternary complexes. The specific surface area and methylene blue adsorption test showed ternary composited diatomaceous earth performing much higher than conventional diatomite products, the novel diatomaceous earth with specific surface area of 55.79 m2/g, methylene blue adsorption capacity of 44.5 m2/g. MgFe2O4 and Co3O4-based superparamagnetic ternary composited diatomaceous earth as an unique adsorbent has great application potential in organic pollutants and heavy metals pollution treatment of water. In addition, the CoFe2O4 based soft magnetic ternary composited diatomaceous earth has potential applications in magnetic plastics, rubber functional filler fields. This study shows that the proposed technology is conducive to a substantial increasing economic value of the Xianfeng diatomaceous earth mining, has a broad industrial application prospects.     

测井方法在青海木里煤田冻土研究中的应用

研究表明冻土的电阻率为非冻土的3倍,常规测井参数可用于冻土层的综合解释,而井温曲线的＂U＂字型与＂L＂字型不但可以划分不同性质的冻土层,而且能够准确的解释其冻土厚度。通过分析聚乎更、江仓、热水三个矿区的30个测温孔,发现其井田北部和南部区域,多年冻土层均有增厚的趋势,底界从北到南逐渐加深。对江仓矿区的长期观测及矿井开拓,验证了多年冻土层的总体变化范围与所获测井成果基本一致。根据对木里煤田冻土的研究,发现测井解释的多年冻土层厚度一般小于其真厚度,而季节性冻土层的解释厚度要大于其真实厚度。     

降雨入渗条件下非饱和土朗肯土压力分析

传统的土压力分析仅考虑了土体饱和强度对土压力产生的贡献,忽略了基质吸力及其变化对土压力的影响。运用非饱和土有效应力原理和饱和土朗肯土压力公式推导了非饱和土朗肯土压力公式,结合Iverson降雨入渗解析解,推导出降雨入渗条件下非饱和土压力公式。该公式将降雨入渗时的非饱和土压力表示为时间和深度的函数,更符合实际情况。研究结果表明：采用该方法计算得到的土压力值相对于传统计算结果偏大,作用点偏高;此外,随着降雨的发生、入渗和停止,主动土压力呈现“减小-增大-减小-稳定”趋势,被动土压力呈现“增大-减小-增大-稳定”趋势,该现象由降雨过程中基质吸力改变所致。由该公式获得的土压力分布及变化规律可用于挡土工程结构的设计。     

地裂缝灾害研究现状与展望

1927年美国首先发现地裂缝以来，各国学者对地裂缝的发生、发展进行了细致的研究。美国学者首先从地震研究入手，认为地裂缝的形成受构造因素影响。后逐渐加强研究地下水超采对地裂缝的影响，形成了构造与地下水开采复合成因观点。我国学者重点对汾渭地堑地裂缝成因问题进行了较系统的研究，提出几种成因机理模型，并用GIS技术建立简单的预测预报系统。文章在详细介绍国内、外对地裂缝成因机理和水文特性的研究以及预测、预报工作的同时，对今后研究趋势进行了展望。目前，地裂缝的研究正从以往的定性静态描述转向以过程为目标的精确定量动力学研究。利用相似材料模拟地裂缝的形成与发展，以非线性理论（如分形）对地裂缝系统进行定量的数学描述，建立准确的预测、预报模型（如人工神经网络模型），并与GIS相结合，建立完善的预测、预报系统，减少地裂缝灾害对环境的影响，进而对它加以利用，是今后地裂缝研究的主要方向。     

峡谷地区大型地下洞室群岩体初始地应力场反演分析

合理地确定地下洞室群岩体初始地应力场对于地下洞室群的总体布局、支护设计有着重要的意义。本文提出了一种依据少量实测地应力资料反演地下洞室群岩体初始地应力场的方法。这种方法假设远古地形是一无起伏的夷平面,认为岩体初始地应力场主要由处于远古地应力状态下的远古地形经过漫长的地形剥蚀形成,而远古地应力场由地质构造运动和岩体自重形成。以有限元数值分析为基本手段,提出了可以考虑构造运动、岩体自重和地形剥蚀等多因素的岩体初始地应力场反演思路。通过某水电站地下厂房区域岩体初始地应力场反演的工程实例分析,验证了这一方法的可行性和实用性。     

第四纪网纹红土的类型与网纹化作用

第四纪网纹红土在中国南方红土发育区内广泛分布,具有特殊的结构,是第四纪红粘土的重要组成部分,按照质地网纹红土可分为均质类网纹红土和非均质类网纹红土。测试结果显示:（1）均质类网纹红土的粒度组成以粉砂（5～50 μm）和粘粒（<5 μm）为优势粒级,砂（>50 μm）含量很小,不足3%;粒度频率曲线多数呈单峰正偏形态,众数峰值位于5.5～6.5之间,部分呈双峰形态,两个峰值分别位于6和8附近;CIA值较高（84.31%～89.26%）,ba值较低（0.19～0.30）;稀土元素平均含量和分布模式与风尘沉积相似,87Sr/86Sr值与佳县上新世红粘土接近;εNd（0）介于-10.54～-12.66之间,表明物质源区基本稳定;均质类网纹红土的理化特征体现了风成沉积的特性和风化成土作用的显著影响,可称之为加积型网纹红土。（2）非均质类网纹红土发育自冲洪积相、坡积相沉积物或基岩风化壳红土,土体粉砂含量明显减少,多小于50%,砂含量大大增加,>50 μm和>250 μm粒级的离散系数较高,指示了显著的非均质特征;CIA值多数大于84%,化学元素和风化指标的离散系数多小于10%,显示其经历了较为强烈和稳定的风化作用。第四纪网纹红土的形成先后经历了风化成土过程和网纹化过程,南方红土区在网纹红土发育期内具有整体湿润的气候条件。     

地球系统动力学纲要

与地球系统科学和全球变化密切相关的地球系统动力学研究地球系统多层块耦合作用的结构、过程、机理和效应,是地球动力学、岩石圈动力学、大陆动力学、海洋动力学、大气动力学的高度综合。本文采用分尺度、分层块、分阶段的思路研究复杂的地球系统,将地球系统动力学按空间、时间和物质分为地球内部系统动力学、地球表层系统动力学、地球外部系统动力学,历史地球系统动力学、现代地球系统动力学、未来地球系统动力学,气体地球系统动力学、液体地球系统动力学、固体地球系统动力学,分析了地球系统的耦合特征、耦合类型和耦合方式,初步探讨地球内部系统与地球外部系统耦合作用的耦合边界、物质运动、动力来源和耦合机制。最终将地球系统相互作用的各层块作为一个有机的整体进行综合,认为地球内部放射性衰变生热和地球外部太阳辐射生热是驱动地球复杂开放系统层块耦合的主要动力源。     

挡土墙发生位移情况下的土压力计算

挡土墙在发生变形位移情况下的土压力计算在工程设计中有着重要的意义,而目前的理论不能对这一情况进行分析计算。在分析土压力随墙体位移变化而变化的规律的基础上,建立了能反映主动土压力和被动土压力的统一的考虑墙体位移的模型,并进行了研究分析,深化了对挡墙土压力的认识。     

多级重力式挡土墙土压力分布试验研究

对某高填方路基挡土墙的现场实测水平土压力数据进行了分析,研究表明:该挡墙墙后土压力呈曲线分布,类似字母"R",土压力最大值出现在挡墙底部,而下部的值略小于底部值,最小值出现在挡墙中部。在本级挡墙施工时,墙后第1、2层土压力值接近静止土压力值,大于主动土压力值,第3、4层土压力值小于主动土压力值;在其上若干级挡墙或边坡施工时墙后各点土压力值均小于主动土压力值,即随着填土深度的变化挡墙后各点的土压力系数是在不断变动着的,土压力系数与土压力数值大小的变化规律一致。同时,土压力作用点介于(0.4～0.5)H,且随填土深度增加作用点位置上移;每级挡土墙之间的平台宽度越小,上级挡土墙对下级挡土墙的影响就越大,土压力作用点就越高。研究结论对高填方多级挡土墙的设计具有理论指导意义。     

Rare earth element geochemistry of scleractinian coral skeleton during meteoric diagenesis: a sequence through neomorphism of aragonite to calcite

Rare earth element geochemistry in carbonate rocks is utilized increasingly for studying both modern oceans and palaeoceanography, with additional applications for investigating water–rock interactions in groundwater and carbonate diagenesis. However, the study of rare earth element geochemistry in ancient rocks requires the preservation of their distribution patterns through subsequent diagenesis. The subjects of this study, Pleistocene scleractinian coral skeletons from Windley Key, Florida, have undergone partial to complete neomorphism from aragonite to calcite in a meteoric setting; they allow direct comparison of rare earth element distributions in original coral skeleton and in neomorphic calcite. Neomorphism occurred in a vadose setting along a thin film, with degradation of organic matter playing an initial role in controlling the morphology of the diagenetic front. As expected, minor element concentrations vary significantly between skeletal aragonite and neomorphic calcite, with Sr, Ba and U decreasing in concentration and Mn increasing in concentration in the calcite, suggesting that neomorphism took place in an open system. However, rare earth elements were largely retained during neomorphism, with precipitating cements taking up excess rare earth elements released from dissolved carbonates from higher in the karst system. Preserved rare earth element patterns in the stabilized calcite closely reflect the original rare earth element patterns of the corals and associated reef carbonates. However, minor increases in light rare earth element depletion and negative Ce anomalies may reflect shallow oxidized groundwater processes, whereas decreasing light rare earth element depletion may reflect mixing of rare earth elements from associated microbialites or contamination from insoluble residues. Regardless of these minor disturbances, the results indicate that rare earth elements, unlike many minor elements, behave very conservatively during meteoric diagenesis. As the meteoric transformation of aragonite to calcite is a near worst case scenario for survival of original marine trace element distributions, this study suggests that original rare earth element patterns may commonly be preserved in ancient limestones, thus providing support for the use of ancient marine limestones as proxies for marine rare earth element geochemistry.     

衡重式桩板挡墙上墙土压力模型试验研究

简要介绍了几何相似系数为7的衡重式桩板挡墙模型和多工况模型试验,着重分析了上墙在不同卸荷板尺寸和设置位置及有外荷载工况下对上墙土压力的分布问题。试验结果表明：①板埋深超过某一深度时,并不能有效改善上墙主动土压力的分布情况,反过来说明存在最佳埋深位置。②板宽对卸荷板上表面处的土压力影响较大,但对上墙土压力总体分布趋势没有影响。③填土荷载下,当卸荷板宽度和上墙高比值小于0.4时,上墙土压力接近于朗肯土压力分布;当宽高比大于1.3时,上墙土压力分布更接近于静止土压力。④工程设计时,上墙土压上墙土压力可按公式 计算     

人地系统动力学研究的现状与展望

文章系统地综述了当前国内外对表层地球系统研究的现状、发展趋势，提出从人地系统动力学入手，深入开展可持续发展理论与方法研究的基本内容，以期表述人类活动对地球系统的影响——地球系统演变之“人类驱动力”的机制     

斜支撑支护基坑与相邻地下室有限土体土压力反演分析

为探讨斜支撑支护基坑与相邻地下空间有限土体土压力分布规律,对某基坑现场监测数据进行反演分析。研究基于试算法改进后的三次样条法,运用Matlab软件进行反演计算得到支护结构弯矩值和桩后土压力值,结果表明:受有限土体位移模式、非极限状态、边界条件的影响,有限土体主动土压力在开挖面以上,呈现明显的"R"字形分布,比经典土压力计算值小约16.3%;被动土压力与主动土压力差值在开挖面以下,呈现近似矩形分布,比经典土压力计算值小约65%,分析结果可为该类工程支护设计及计算提供依据和参考。