地球构造变动对土壤分带格局和古气候事件的影响

本文初步综编了新生代地质事件序列表(以中国为主),其中有一些对应较好的事件群,启发了我们对一些事件时间链的机理思考,并展示了探索气候事件应予涉及的研究范畴。本文通过对全球土壤带分布和全球构造板条分布的对比研究,认为土壤带的分布有两点突出表现：一是与全球构造板条分带格局基本相似,二是喜马拉雅一阿尔卑斯高原山带和美洲科迪勒拉高山高原带决定了两条平行于它们的土壤带,说明构造活动所造成的地形起伏对气候局域变化的重要影响。通过对青藏高原第四纪抬升史及中国黄土－古气候的研究,可以认为,第四纪时期的几次重要的气候转型事件都是由当时的地球构造活动所引发的。     

具有0．4Ma准周期的事件群发性与气候－构造旋回刍论──以黄土区为对比区

实地考察研究了中国黄土分布区及其它地区上新世末期以来的各种地质事件，用多种测年法和古土壤断代法确定了黄土、水系、沉积、侵蚀、火山、断裂等气候和构造事件的发生年代，指出第四纪事件具有一种准周期为０．４Ｍａ的同步群发性，提出了一种描述地球内外地质动力全球性变化的“气候－构造旋回”模式。     

具有0.4Ma准周期的事件群发性与气候—构造旋回刍论：—以黄土区为对比区

实地考察研究了中国黄土分布区及其它地区上新世末期以来的各种地质事件，用多种测年法和古土壤断代法确定了黄土、水系、沉积、侵蚀、火山、断裂等气候和构造事件的发生年代，指出第四纪事件具有一种准周期为０．４Ｍａ的同步群发性，提出了一种描述地球内外地质动力全球性变化的“气候－构造旋回”模式。     

甘肃敦煌地区现代泥裂几何学特征及成因机制探讨

沉积构造是沉积学研究的核心内容之一,而泥裂作为物理成因中的暴露成因构造,一直受到学者的关注。此次研究 以甘肃敦煌阿克塞河和党河地区的泥裂为研究对象,根据泥裂多边形平面形态特征和边缘形态特征划分泥裂的类型,表征 不同类型泥裂的几何学特征,总结泥裂发育的影响因素,并探讨几种特殊泥裂的成因机制。研究结果表明,甘肃敦煌地区 发育矩形泥裂、圆形泥裂、不规则泥裂、复式泥裂以及边缘翘起型泥裂;泥裂的发育受到温度及其变化、泥质沉积物的性 质、上下物质的差异、含盐度和后期生物改造的影响;矩形泥裂多发育在倾斜地层之上;边缘翘起型泥裂泥质沉积物一般 较薄,沉积物底部为松散的粉砂岩,其形成一般经历初始阶段、破裂阶段、分离阶段和翘起阶段四个过程;复式泥裂反映 了古水体、古气候的多期次变化,对古环境恢复具有一定的指导意义。     

南大西洋东岸尼日尔三角洲大型重力滑动构造东南缘的断裂和泥构造

尼日尔三角洲位于南大西洋东岸被动大陆边缘之上,以大型重力滑动构造为主要构造特征。该大型重力滑动构造的东南缘位于喀麦隆境内,断裂和泥构造都很发育。这里的断裂包括重力滑动构造后缘伸展形成的正断层、侧翼剪切形成的撕裂断层和泥底辟成因的断层。泥柱和泥墙是研究区的两种类型的泥构造。泥柱代表主动泥底辟;泥墙是撕裂断层控制下被动泥底辟的结果。研究区重力滑动构造相关的断裂活动起始于中新世中期,随后,在上新世和第四纪各有一个断裂活动的加速期。每个断裂活动的加速期都伴随有泥底辟。中新世中期有一次泥底辟,上新世和第四纪各有两次泥底辟。     

兰州西津黄土色度指标记录的第四纪气候演化

为了更深入研究黄土高原西部地区第四纪气候演化历史,选取已建立可靠年代的兰州黄河南岸西津黄土钻孔剖面为研究载体,应用CM-700D型分光测色计对等间距取样的417个样品进行实验分析,获得了过去2.2 Ma的兰州地区色度指标记录序列。结合剖面已有其他古气候代用指标,与周边已有记录及全球深海氧同位素记录对比,发现2.2 Ma以来兰州地区气候演化整体呈现阶段性逐渐冷干化趋势,可能反映了全球第四纪气候长期变冷的影响。此外,在1.24 Ma和0.43 Ma左右经历了两次重要气候事件,1.24 Ma事件之后东亚冬季风和夏季风同时发生了增强,与“昆黄运动”起始时间一致,表明该事件可能受到了青藏高原隆升驱动;而0.43 Ma事件则是对全球中布容气候转型事件（MBE）的响应。因而,黄土高原西部地区第四纪气候演化可能受青藏高原隆升和全球变冷的双重调控,二者对不同气候事件的影响不同。     

青藏高原腹地典型岩体热历史与构造—地貌演化过程的热年代学分析

通过对青藏高原腹地不同构造部位的班戈、雄梅、羊八井、拉萨花岗岩和甲岗、曲水花岗闪长岩的热年代学分析，剖析了青藏高原腹地构造－热事件与构造－地貌演化过程。结果表明，青藏高原腹地自中生代中、晚期以来发生4期重大区域性构造－热事件，包括121－116Ma沿班公－怒江缝合带发生的强烈中酸性岩浆侵位事件、93－45Ma沿雅鲁藏布江缝合带北缘发生的强烈中酸性岩浆侵位事件和随后发生于78－40Ma的快速隆升事件、25－15Ma沿冈底斯构造－岩浆带发生的强烈构造隆升事件及8－6．5Ma以来在拉萨地块中部发生的区域性伸展裂陷－差异隆升事件。区域性剥蚀夷平事件主要发生于40－25Ma与15－8Ma，区域性整体隆升主要发生在中新世早、中期即25－8Ma，区域性伸展裂陷与差异升降事件的开发时代约为8－6．5Ma。     

四川峨边震旦系灯影组三段泥页岩地球化学特征及地质意义

为探讨川西峨边地区震旦系灯影组三段泥页岩沉积期氧化还原特征及构造-沉积背景,对其开展了矿物学、元素地球化学及同位素地球化学系统研究。结果表明,灯三段泥页岩硅、铝及钾元素富集,沉积期间气候温暖潮湿、受淡水及陆源物质影响明显。蓝灰色泥岩属氧化环境,为桐湾I幕运动地壳抬升剥蚀及局部火山作用的产物,物源以正常沉积为主、夹前震旦基底花岗斑岩;灰黑色页岩与拉张裂陷作用导致的海平面上升相关,属正常沉积物源供给的贫氧环境。裂陷槽西侧峨边地区桐湾I幕构造运动表现为早期剥蚀、后期快速海侵充填特征。     

长江三角洲顶部ZKA4钻孔第四纪沉积物粒度特征及其古环境古气候意义

对长江三角洲顶部ZKA4钻孔第四纪地层的粒度特征进行了系统细致的分析,结合年代学、岩性特征、沉积构造、孢粉以及有孔虫数据,对长江三角洲顶部地区的古环境古气候进行了研究。通过对ZKA4钻孔的岩性特征、沉积构造、有孔虫以及粒度特征进行分析,ZKA4孔主要发育河流相、冲积扇相以及河口湾相,钻孔从底至顶依次为河流-冲积扇-河流-冲积扇-河流-河口湾-河流沉积。粒度参数以及典型孢粉组合在钻孔垂向上的变化反映出ZKA4孔在13.71~12.48ka(46~42m)之间发生了一次明显的降温事件,为急剧升温过程中的一次快速降温变冷的气候事件,这是长江三角洲顶部地区对新仙女木事件的响应,持续时间约为1230年。     

宁夏固原寺口子剖面色度记录的29 Ma以来气候演化

宁夏自治区南部固原寺口子剖面位于青藏高原东北缘,记录了青藏高原隆升、扩展与区域气候变化之间的相互作用过程,重建该地区气候演化历史对于揭示高原隆升与全球气候变冷对亚洲大陆腹地干旱化的影响具有重要意义。通过对寺口子剖面晚渐新世—第四纪地层沉积物色度(a~*、b~*、L~*)的系统测量,建立了29～0.5 Ma颜色指标变化序列,结合研究区内已发表的磁化率、孢粉和总无机碳数据,揭示出该区域气候经历了四个阶段:29～24.8 Ma为最湿热阶段、23.8～18 Ma为较湿热阶段、18～5 Ma为逐渐变冷阶段、5～0.5 Ma为快速变冷阶段。剖面记录了25～24 Ma、18 Ma、5 Ma两次显著的气候变冷事件和3 Ma气候变暖事件。结合青藏高原东北缘新生代盆地气候代用指标,发现这些气候变冷事件和3 Ma气候变暖事件具有区域性。通过对比深海氧同位素记录、北太平洋粉尘通量记录、青藏高原构造隆升事件和研究区气候演化特征,我们认为青藏高原隆升和全球气候变化共同控制了区域气候演化,但在不同时期所起作用有所差异。     

Formation of drying crack patterns in soils: a deterministic approach

Soils, as well as most of deformable multiphase porous materials, are likely to suffer from desiccation cracking, leading to the formation of regular crack patterns affecting their permeability. The ensuing crack spacing has often been related to a concept sometimes called “sequential infilling”: it is assumed that desiccation cracks are formed by successive generations. However, such a concept does not consider the pattern of a simultaneous crack formation at a given moment. Using our desiccation cracking test results and their numerical simulation, we propose a consistent explanation for the formation of desiccation crack patterns in soils. We show that the “sequential infilling” concept is suitable only when the position of the crack(s) clearly stems from the stress field. To derive an estimate of the desiccation crack spacing, the overall energy of the system needs to be considered. Statistical variability should be superimposed on the mean deterministic conditions discussed here.     

Numerical modelling of desiccation cracking

The ability to model and predict the formation of desiccation cracks is potentially beneficial in many applications such as clay liner design, earth dam construction, and crop science, etc. However, most studies have focused on statistical analysis of crack patterns and qualitative study of contributing factors to crack development rather than prediction. Because it is exceedingly difficult to capture the nonlinear processes during desiccation in analytical modelling, most such models handle crack formation without considering variation of material properties with time, and are unattractive to use in realistic modelling. The data obtained from laboratory experiments on clay soil desiccating in moulds were used as a basis to develop a more refined model of desiccation cracking. In this study, the properties, such as matric suction, stiffness and tensile strength of soil, and base adhesion, could be expressed approximately as functions of moisture content. The initial conditions and the development of suction due to desiccation and the varying material properties were inputted to UDEC, a distinct element code, using its internal programming language FISH. The model was able to capture some essential physical aspects of crack evolution in soil contained in moulds with varying lengths, heights, and materials of construction. Extension of this methodology is potentially beneficial not only for modelling desiccation cracking in clay, but also in other systems with evolving material properties such as concrete structures and road pavements. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于高密度电阻率成像技术的土体干缩开裂过程监测研究

为了探究土体干缩开裂问题,文章采用ERT技术,对黏性土开展了一维干缩开裂动态监测试验。配制初始状态饱和 的泥浆试样,在自然条件下干燥,采用ERT技术获得试样干燥过程中的电阻值变化。结合试样的电阻值图像和裂隙图像, 对土体干缩开裂规律进行了分析。研究结果表明：在干燥蒸发初期,土体电阻值随时间增加缓慢减小,其原因在于土体干 燥收缩导致土颗粒间接触面积增大,颗粒水化膜变薄,进而使得土颗粒表面双电层导电性增强。随着干燥继续进行,气体 进入土体内部,土体由初始饱和状态转变为非饱和状态,电阻值转为缓慢增加。当土体产生裂隙时,裂隙周围土体电阻值 急剧增大,而未发育裂隙的土体电阻依然保持缓慢增加的趋势。通过对比试样电阻值变化曲线和裂隙图像,发现两者所呈 现的裂隙发育位置和状态存在良好的一致性。因此,ERT技术能对干燥过程中土体裂隙发育进行有效的动态监测,准确掌 握裂隙发育的时空动态信息,并且能提前预测裂隙发育的可能位置,为研究极端干旱气候作用下土体的工程性质响应提供 了理想手段。     

基于DIC技术的三趾马红土表面干缩裂纹扩展与自愈规律

新近系三趾马红土黏粒含量高,失水干燥易开裂形成干缩裂纹。为研究干密度对三趾马红土干燥开裂行为影响,利用自制干燥装置开展压实三趾马红土脱湿试验,并采用数字图像相关(DIC)方法分析其表面干缩裂纹扩展与自愈规律。结果表明:(1)不同初始干密度试样干燥过程中均出现开裂现象,其表面干缩裂纹演化过程可分裂纹萌生、裂纹扩展、裂纹自愈、裂纹稳定4个阶段;小干密度试样表面干缩裂纹网络展布密集均匀,而大干密度试样表面开裂以“宽大稀疏”裂纹为主;(2)试样表面应变场变化能够较好反映试样表面干缩裂纹演化过程,蓝色压应变区代表试样失水整体产生的体积收缩,红色应变条带代表试样表面受拉而产生的干缩裂隙;试样干燥过程表面蓝色压应变区不断扩大,红色拉应变条带区逐渐变小,表明表面裂纹受到试样整体收缩牵拉而产生“自愈”收缩。且干密度越小,试样干缩过程表面红色拉应变网络越密集,干缩裂纹自愈程度越高;(3)试样表面应变场变化表明各等级干缩裂纹均出现自愈现象,但主裂纹的主应变减少量最大,自愈程度最高,对试样整体裂纹自愈起主导作用;试样初始干密度越小,各等级裂纹的峰值应变越大,自愈时的应变缩减量越高,表明试样失水收缩特征越显著。研究成果对进一步揭示压实黏土干燥裂纹的复杂演化过程机理研究提供新参考。     

膨胀土收缩开裂特性研究

在干燥环境中,由于蒸发失水,膨胀土发生收缩,表面容易产生纵横交错的裂隙网络(龟裂)。龟裂的产生会极大弱化土体的工程性质,并导致各种工程问题。随着极端干旱气候的频发,膨胀土龟裂问题将会越来越多,越来越显著。开展龟裂研究对揭示龟裂现象的本质规律和指导膨胀土地区的工程实践有重要意义。龟裂的形成和发展是一个动态的过程,与土中水分的蒸发速率、应力状态、收缩特性等直接相关:龟裂形成时水分蒸发处于常速率阶段; 吸力和抗拉强度是制约龟裂形成的两个关键力学参数,当土体中的吸力引起的张拉应力超过土体的抗拉强度时,龟裂便会产生; 龟裂是孔隙发生收缩的直观表现。总体上,力的作用和收缩空间是土体龟裂形成的两个必要条件。此外,膨胀土龟裂具有非常复杂的发生发展过程,受土质学、土力学、土结构、试验条件和方法等许多因素的影响。龟裂定量分析是龟裂研究的重要内容之一,能为龟裂机理研究及相关理论模型的建立提供必要参数。计算机图形处理技术具有效率高、操作性强、精度高等优点,为龟裂定量分析提供了强有力的工具。目前关于土体龟裂研究还存在许多不足之处,在今后的工作中,应该重视龟裂形成和发展过程的动态特征,围绕与土体龟裂相关的水-土作用关系、力学机制、收缩变形机制、大尺度现场试验和三维观测分析技术等方面开展更多的针对性研究,综合考虑龟裂形成过程中的土质学、土力学和土结构因素,结合宏观现象与微观分析,建立土体龟裂的理论体系。     

Laboratory experiments on desiccation cracking of thin soil layers

This paper presents some experimental results on desiccation cracking tests conducted on thin layers of clay soils. Observation of the evolution of cracking patterns was examined to clarify the transient mechanisms of the crack formation of clay soils. Laboratory experimentation on desiccation cracking was carried out to examine experimentally the quantitative relationships between the characteristics of soil cracks and the prevailing controlling conditions. Five desiccation cracking tests for slurried clay soils were carried out using shrinkage moulds in a humidity chamber, which was capable of controlling relative humidity and temperature. The soil used in the experimental studies was residual basaltic clay and was classified as a highly reactive soil. In order to provide simple conditions for theoretical modelling, the tests were conducted in perspex and metal moulds with rectangular cross-sections. The lengths of the moulds were considerably larger than their widths so that parallel cracking were generated in thin layers. In each cracking test, several rectangular moulds of different thicknesses and widths were used. Some of these tests were used for observation, crack initiation and evolution, and others for moisture content measurement during desiccation. The test results include evolution of the cracking pattern, influences of speed of desiccation and typical crack spacing to depth ratios for soil layers.     

边界约束对膨胀土干缩开裂的影响

膨胀土是岩土工程中常见的一类特殊土,具有失水收缩和吸水膨胀的变形特征,如何量化收缩变形及其与干缩裂缝之间的关系是土工建筑物稳定性和安全性评估的基本问题。本文利用Bishop有效应力原理和广义胡克定律证明了采用含水率或基质吸力为基本变量的两种分析方法的等价性。把岩土工程中常用的原状土收缩实验中测量的收缩系数与收缩应变关联,得到了土体两端存在和没有位移约束时的总水平应力及其与含水率分布之间的关系。结果表明,无边界位移约束时,收缩变形的不均匀性小,应力水平低,且含水率对应力分布的影响小;存在约束时,收缩变形将受到限制,易诱发干缩裂缝,其深度受土体弹性模量和收缩系数的影响。     

干湿循环条件下重塑膨胀土的裂隙发育特征及量化研究

裂隙性是膨胀土的典型工程地质特性之一,对其工程性质有重要影响,直接或间接地导致各种工程问题。通过对重塑膨胀土开展室内干湿循环试验,对获得的裂隙数字图像采用图像处理技术进行一系列预处理操作,提出了表面裂隙率、裂隙条数、裂隙总长度、裂隙平均宽度和绝对收缩率等量化指标,定量描述裂隙的形态特征,分析干湿循环过程中压实膨胀土的裂隙发育规律。结果表明:含水率和干湿循环次数是影响膨胀土裂隙发育的重要因素。随着含水率的减小,重塑膨胀土的裂隙发育程度总体上有增加的趋势。表面裂隙率、裂隙条数和总长度随含水率的减小逐渐增加,绝对收缩率随含水率减小而增大,而裂隙宽度与含水率之间没有明显的规律;随干湿循环次数的增加,裂隙进一步发育,裂隙条数、裂隙总长度、表面裂隙率增加,绝对收缩率总体增大,但裂隙平均宽度存在减小的现象,这与后期发育的大量微裂隙有关。     

Geometric parameters and REV of a crack network in soil

Cracks are common in natural and engineered soils and provide preferential pathways for water infiltration into the soil. Statistical properties of crack geometries are important inputs for analyzing preferential flows in discrete random crack networks. This paper reports the outcome of a field study conducted on a compacted, cracked soil ground at a steady moisture condition. The objectives of the field study were to investigate the crack patterns and probability distributions of the geometric parameters of cracks and to determine the representative elementary volume (REV) of the crack network. The desiccation cracks at the survey site formed an inter-connected columnar structure. The traces of the cracks on the soil surface formed a primary structure consisting of inter-connected crack polygons and a secondary structure comprising of isolated cracks. The locations and orientations of the desiccation cracks followed a uniform distribution, differing from the distribution of fracture sets often observed in fractured rocks. The lengths and apertures of the cracks followed a lognormal distribution as expected. The REV size for the cracked soil was found to be approximately five times the mean crack length, above which the variation in crack porosity in relation to domain size was negligible.     

Numerical modelling of a field soil desiccation test using a cohesive fracture model with Voronoi tessellations

Numerical modelling of a field soil desiccation test is performed using a hybrid continuum-discrete element method with a mix-mode cohesive fracture model and Voronoi tessellation grain assemblages. The fracture model considers material strength and contact stiffness degradation in both normal and tangential directions of an interface. It is found that the model can reasonably reproduce the special features of the field soil desiccation, such as curling and sub-horizontal crack. In addition, three significant factors controlling field desiccation cracking, fracture energy, grain heterogeneity and grain size are identified.