基于遥感图像地形结构-岩性组分分解的岩类多重分形特征研究

根据光学成像原理和地形结构的分形特征,提出了遥感图像的地形结构-岩性组分模型和分离算法,并用于ETM图像分解和岩类α-f(α)多重分形特征研究。通过对不同地区二长花岗岩体和沉积变质岩ETM原图像、地形结构子图像和岩性组分子图像的多重分形谱对比分析,发现原始ETM图像的多重分形谱与岩石类型和地形没有明显的对应关系。图像分解后,不同地区的二长花岗岩具有十分相似的岩性组分多重分形谱和不同的地形结构多重分形谱;相反,同一地区的不同类型岩石具有相似的地形结构多重分形谱和不同的岩性组分多重分形谱。因此,利用地形结构-岩性组分分类算法,并结合α-f(α)多重分形谱分形,可以有效地区分岩石类型。     

基于核磁共振和分形理论的含铀泥砂岩渗透率预测方法——以新疆阿克苏地区为例

渗透率是影响溶浸采铀过程中含矿层铀浸出率的关键因素,准确评判含矿层渗透性对原地浸出采铀过程中井场参数的优化设计具有重要意义。文章采用核磁共振技术结合分形理论,分析了新疆阿克苏地区含铀泥砂岩孔隙结构分形特征,并研究了分形维数与渗透率之间的相关关系,建立了渗透率预测的多重分形模型。结果表明,该含铀泥砂岩以微孔和小孔为主,较大孔隙对渗透率具有显著影响;孔隙结构具有双重分形特征,较小孔隙分形维数介于0.727～1.711之间,较大孔隙分形维数介于2.961～2.989之间。核磁共振T₂谱分形拐点可以作为确定T₂截止值的依据,该方法比离心法更加高效便捷;根据T₂截止值计算可移动孔隙度,并结合分形维数建立多重分形渗透率预测模型。相比于传统渗透率预测模型SDR和Coates模型,该预测模型准确度更高且方便快捷。     

波形长度分形维数在结构振动诊断中的应用

在Hausdorff维数和分配维数的基础上 ,采用拓扑映射技术 ,提出了振动波形长度分形维数的定义和计算公式 ,并对其数学严密性进行了证明。结合工程实例探讨了基于振动波形长度分形维数计算的结构振动诊断技术 :模型增长法和滑动窗法。该技术对于波形异常检测表现出精度高、抗噪能力强及自动快捷等优势 ,构成了一条分形理论用于结构振动诊断的有效技术路线 ,具有良好的应用价值。     

鄂尔多斯盆地延长组致密砂岩孔喉结构与油藏物性表征

基于高压压汞和核磁共振测试方法,结合分形理论对鄂尔多斯盆地延长组致密砂岩孔喉结构与油藏物性进行了表征。采用毛管束模型和润湿相模型计算了高压压汞孔喉分形维数,利用核磁共振测试T₂谱分别计算了大孔、中孔、小孔以及总孔隙的分形维数;对各分形维数与油藏物性之间的关系进行了对比分析。研究表明：基于高压压汞曲线计算岩心分形维数时,相比于润湿相模型,毛管束模型计算得到的分形维数与油藏物性之间具有更好的相关性,随着分形维数增加,平均半径减小,孔喉结构非均质性增强,油藏物性变差。核磁总孔隙分形维数与油藏物性相关性较差,大孔和中孔的分形维数与油藏物性具有较好的相关性,其中随着大孔和中孔分形维数增加,岩心渗透率降低,油藏物性变差;与小孔相比,大孔和中孔的分形维数与油藏物性的相关性更强,表明致密砂岩储层物性主要受大孔和中孔控制,分形维数可以有效表征致密砂岩小孔、中孔和大孔对油藏物性的影响。     

五大连池玄武岩三维孔隙组构的多重分形特征

通过CT扫描,获得了黑龙江省五大连池火山群中第4层玄武岩样本的1 423张高精度图像,利用数字图像分析方法识别出了玄武岩三维孔隙组构,基于二维切片序列重构了三维孔隙柱体,计算了孔隙的基本统计参数。结合分形与多重分形技术,利用多重分形分析矩方法对三维孔隙结构作了定量研究分析。分析可知,所取玄武岩样品几何结构复杂,非均质性强。多重分形维数谱函数f(α)呈连续分布,f(α)均为不对称的上凸曲线,表明岩石孔隙分布不均匀,具有明显的多重分形特征。三维孔隙结构的多重分形分析及三维重构技术可望进一步为岩心孔隙结构的定量化研究提供微观尺度上的证据。     

碳封存砂岩储层的孔隙迂曲度分形特征研究

目前“双碳”减排的背景下,砂岩咸水层是最具潜力的二氧化碳封存介质,其孔隙结构特征决定了流体的运移及封存效率,对其进行研究具有重要的科学意义。分形维数常用于定量表征砂岩孔隙结构在三维空间中的分布规律,但以往对砂岩孔隙迂曲度分形特征进行研究时,多依赖于孔隙率、平均孔隙半径、平均迂曲度等特征值计算分形维数,并不能很好的反映岩石孔隙排列分布及孔隙连接的非均质性。文章将砂岩孔隙结构概化为具有迂曲度的毛细管,首先通过核磁共振成像（MRI）技术获取岩石片层图像,以盒维数法获得孔径分布分形维数;随后以孔径分布分形维数为目标值,结合不同迂曲度下的毛细管数量与孔径的分形标量关系,迭代计算迂曲度分形维数。与传统的分形维数计算方法相比,该研究确定的迂曲度分形维数更能体现岩石内部不同孔隙排列方式引起的迂曲度差异。     

胶东和鲁西金矿床空间分布分形差异及对金来源的启示

胶东和鲁西地体发育大量的中生代金矿床,其金元素的来源一直是学术界争论的焦点,可能的来源方式为：交代岩石圈地幔、前寒武纪变质基底和中生代二长花岗岩。为了进一步厘定金的来源,文章从金的富集阶段模式和金矿床是金元素超常富集地质体的思想出发,运用金矿床的空间分布数据和空间分析的分形地质统计方法,进行了研究。研究结果发现,胶东金矿床（N=823）具有一阶段的空间分形分布模式,其分形维数α=0.726,具有单一来源或单一成因的特征;结合前人研究和克拉通破坏和西太平洋俯冲的地质背景,推断胶东金元素极有可能是单一的交代岩石圈地幔来源;而胶东地体西侧鲁西地体中发育的金矿床（N=139）则具有二阶段的空间分形分布模式,其分形维数分别为α1=1.630和α2=0.850,具有2种金元素来源或2种成因类型的特征,可能分别对应着早前寒武纪变质岩及韧性剪切带有关金矿床和晚中生代岩浆活动有关金矿床空间分布的分形维数,后者的值与胶东地体的分形维数相近,结合前人研究,推测鲁西部分金矿床来源于交代岩石圈地幔的贡献,另一部分则可能来自于花岗质岩浆。     

基于IPP图像处理的膨胀土微观结构定量研究

利用环境扫描电镜（ESEM）获取不同浸水时间下合肥膨胀土的微观结构扫描图像,基于专业图像处理软件Image-Pro Plus（IPP）对膨胀土的ESEM图像进行处理和分析,研究了不同浸水时间下合肥膨胀土的表观孔隙比、分形维数和大小组成情况。研究表明,膨胀土的表观孔隙比随着浸水时间的增大逐渐增大,其增长速率逐渐减小。运用小岛法对土样的颗粒和孔隙的分形维数进行研究,结果表明,膨胀土的颗粒和孔隙均具有明显的分形特征,分形维数在1.1～1.3之间。随着浸水时间的逐渐增大,颗粒的分形维数在减小,孔隙的分形维数在增大,二者呈现相反的变化趋势。对土样的颗粒和孔隙按照大（>5 μm）、中（2～5 μm）、小（1～2 μm）、微（<1 μm）4组进行分类,分析了不同浸水时间下各类颗粒和孔隙占比的演变趋势。     

姚桥矿7号煤层垂向孔隙结构及分形特征研究

煤孔隙结构特征对煤储层流体的赋存与运移起关键作用。为研究姚桥矿7号煤层的孔隙特征,采用刻槽取样法自下而上等距采样,选取不同深度的9个样品,通过低温液氮吸附和低场核磁共振等实验方法进行测试,结合分形理论,系统分析了7号煤层的孔隙结构特征,探讨了各孔隙参数和分形维数在垂向上的变化趋势。研究表明：样品低温液氮吸脱曲线可分为L1、L2和L3三种类型,低场核磁共振T₂谱均呈三峰分布;煤样孔隙微孔和过渡孔较为发育,微孔和过渡孔提供主要的比表面积、孔体积,BET比表面积为0.722～1.199 m²/g,BJH比表面积为0.941～1.535 m²/g,BJH总孔容为0.002 97～0.004 76 cm³/g,比表面积与孔体积垂向上呈不规则“M”状分布,平均孔径为12.832～15.100nm,在垂向上呈倒“M”状分布;低温液氮吸附实验分形维数可分为表面分形维数和结构分形维数,表面分形维数D₁为2.306～2.374,结构分形维数D₂为2.592～2.624,低场核...     

隧道超欠挖断面轮廓分形特征

对于极不规则的隧道围岩超欠挖轮廓,分形几何无疑是一个新思路。在测量数据的基础上,应用分形几何来定量描述围岩超欠挖轮廓线,表明隧道各类围岩的超欠挖曲线具有自相似性。在此基础上,进一步分析了各类围岩超欠挖曲线的分形维数与围岩类别之间的关系。研究表明,隧道围岩超欠挖曲线分形维数能较为直观地反映围岩类别,但其并不随着围岩类别的变化而呈线性变化;对于洞径一定的隧道,围岩超欠挖曲线的分形维数更能反映岩体结构和洞轴线之间的关系,这为准确预测掌子面前方围岩超欠挖情况奠定了理论基础。     

基于H/α分解原理的古河道信息提取——以松嫩平原西部地区为例

古河道对于重现古气候、古生态环境变化有着重要的意义。极化合成孔径雷达（SAR）数据以散射矩阵的形式记录了地物的后向散射信息,能有效地识别隐伏的古河道信息。本文以古河道发育的松嫩平原西部作为研究区域,选取Sentinel-1双极化数据（VV-VH）作为数据源,通过VV-VH双极化模式下的H/α分解处理,构建了由散射熵H与散射角α构成的二维H/α平面。依据雷达波在古河道充填沉积物中发生体散射以及在古河床底界面发生二次散射,并且体散射功率大于二次散射功率,确定了古河道散射类型属于H/α平面上的高熵多次散射。结合此特征与Sentinel-2影像,最终对研究区内的古河道信息进行了提取。研究表明,通过VV-VH双极化模式下的H/α分解方式可以提取到在Sentinel-2影像上无明显特征的古河道信息。     

洞庭湖区水系格局及连通性优化

江湖关系演变及强烈人类活动改变了洞庭湖区的水系格局与连通性,加剧了湖区水环境与水生态的恶化形势,开展水系格局与连通性研究是洞庭湖区水系综合整治和河湖生态修复的重要内容。基于景观生态学中网络连通度分析方法,建立了水系格局与连通性评价指标体系,包括河频率、河网密度、水系环度（α）、节点连接率（β）和网络连接度（γ）等,分析评价了洞庭湖不同片区现状及规划水系格局与连通性的差异以及合理性,提出了水系连通规划的优化方案。结果表明:现状洞庭湖区水系格局和连通性总体较好,但各个片区存在较大差异,湘-资水尾闾地区的现状水系格局和连通性良好,北部地区和松澧地区的现状水系格局与连通性较差。松澧地区水系规划方案改善了该地区的水系格局与连通性,但北部地区的规划方案并不合理。经过比选与优化,北部地区的α、β、γ指标比现状提高了13.2%、6.9%和4.7%,比原规划方案提高26.0%、9.4%和9.4%。     

τ-p变换的两种实现方法

τ-p变换是一种经典的函数投影变换方法,在地震数据处理中有着广泛的应用,可以根据地震数据射线参数的差异,实现信噪分离、地震道插值、平面波分解等。但是,由于τ-p变换的精度和分辨率受到相应数学反问题的限制,在保证较高变换精度的前提下,τ-p变换计算速度的加快,以及相应滤波算子的设计等都值得研究。本文提出了基于径向道变换的τ-p变换方法和基于斜率分解的τ-p变换方法,阐明了两种方法的基本原理并与常规τ-p变换方法进行对比。基于径向道变换的τ-p变换方法利用快速Fourier变换和径向道变换,能有效减少τ-p变换的耗时;基于斜率分解的τ-p变换方法运用斜率分解算法,能进行高分辨率τ-p变换,并且提供冗余变换维度（τ-x-p域）,使滤波器算子的设计更灵活。数值实验结果表明,两种实现方法分别在计算速度和重构精度上优于传统τ-p变换算法。通过面波噪声压制的实际数据处理和比较,证明本文提出的两种τ-p变换实现方法可以为实际处理提供更加有效和灵活的实施方案。     

在层结和非层结环境下植被群对异重流运动的影响

异重流在自然环境界及工程应用中广泛存在。本文于线性层结及非层结盐水中开展了一系列实验,对开闸式异重流通过植被群的发展和演变特性进行了研究。采用高速相机对异重流头部位置、头部速度和掺混系数等进行了分析,结果表明：异重流在层结水体中头部速度明显减小;层结水体和植被对异重流掺混均有抑制作用;当层结水体和植被同时存在时,异重流的掺混程度与植被高度和水深之比α相关,当α=0.43时,异重流的掺混最为剧烈。本研究也利用粒子图像测速仪（particle image velocimetry,PIV）对异重流局部区域的速度场和涡度场进行研究,结果显示,层结环境抑制异重流正负涡度场发展,但当α=0.20时,即一部分异重流爬上植被顶部时,层结水体与植被的协同效应对跃上植被顶端的异重流下界面涡度有强化作用。     

盾构隧道环向开挖面破坏机制及剪胀效应研究

采用刚性滑块构建两种圆形隧道失稳环向开挖面破坏模式,利用编制的非线性规划程序求解隧道失稳环向开挖面支护力系数σ_T /c（σ_T为均布支护荷载,c为有效黏聚力）最优上限解及地层破坏模式,揭示地层参数对隧道稳定性的影响,提出简单实用的极限支护力简化公式。研究结果表明：不排水条件下,当隧道埋深比H/D（H为埋深,D为隧道直径）和重度系数γD/c（γ 为重度）较小时,破坏区域主要集中在隧道中上部,随着H/D和γD/c增大,滑移线起始位置沿着隧道轮廓逐渐向隧道底部扩展,破坏区域向水平方向扩展。排水条件下,地层破坏模式主要有3种。当内摩擦角ϕ 和γD/c较大时,随着剪胀系数的减小,极限支护力和地层破坏范围变化较大,甚至可能引起破坏模式的改变。针对不同深度提出的极限支护力简化公式可快速获得隧道环向开挖面极限支护力。     

两种不同燧石中α-石英 β-石英相变的研究

利用差热分析和高温 X-射线衍射分析的实验手段,对两种不同燧石的α-石英⇔β-石英的相变反应进行了研究。结果表明,它们在相变热效应和晶格参数随温度的变化规律等方面存在着明显的差异。这种差异性的存在是由于两者内部α-石英颗粒的粒度、双晶发育程度以及燧石本身的致密度不同所造成。     

复合地层隧道围岩强度实时估算研究

隧道TBM开挖过程中经常会遇到复合岩层,在这种地质环境下,隧道掘进机（tunnel boring machine,简称TBM）开挖过程中的隧道围岩强度很难估计,隧道开挖掌子面和围岩容易发生坍塌。为了提高隧道掘进效率、预防事故发生,对开挖隧道围岩强度进行实时估算方面的研究很有必要。在重庆轨道九号线隧道TBM施工中,通过室内试验和现场实测数据发现,TBM推力F_N与岩石强度成正比、TBM扭矩推力比T/F_N（T为扭矩）与贯入度p^0.5成正比例关系。针对砂质泥岩、砂岩和灰岩组成的复合岩层,提出了一种利用现场实测推力F_N和扭矩T的值来快速估算开挖隧道围岩强度的方法,进一步对TBM实测数据进行线性拟合,从而得到估算公式中两个常数α₁、α₂的取值方法,并在10多个隧道实际工程中得到验证。结果表明,对于这种复合岩层地质环境,两个常数α₁、α₂的值与滚刀数量n和滚刀直径d相关。该研究成果为实时快速估算开挖隧道围岩强度提供了一种新的切实可行的思路,能提高隧道TBM施工的可靠性和安全性,具有重要的应用价值。     

无粘性泥沙的起动条件

对H. A. 爱因斯坦等国内外数10种不同形式和结构的泥沙起动条件进行分析研究,统一转化为无因次起动切力θ_c=τ_c/(γ_s-γ)d的形式,并分析计算出无粘性均匀沙的θ_c值。一般来讲,θ_c是界于0.0231～0.0716之间的一个常数值。从分析结果可看出各种公式之间的差别,为使用选择公式提供了科学的依据。     

多轴压缩条件下层状硬质片岩的力学特性研究

在深部工程中经常会遇到层状岩体,由于高应力的影响,在工程活动中发生因层状结构面诱发的岩体灾害问题。这与深部工程中的真三向高应力环境及层状结构面产状密切相关。为此,基于一种取自某深部金属矿山的层状硬质片岩,开展了考虑片理方位的真三轴压缩试验研究,获取了该片岩在两种片理加载方位下,不同应力差条件时,试样的变形、强度及破裂数据。结果表明,该硬质片岩的力学特性受片理加载方位和应力条件影响较大。具体表现在,当中间主应力σ₂平行片理走向时,试样的脆性更强,且最小主应力σ₃ 越小脆性越强。当σ₂垂直片理走向时试样的强度更高,但强度随σ₃增加而增加的敏感性较弱。当σ₂平行片理走向时,试样的破坏均以沿片理的剪切为主;而当σ₂ 垂直片理走向时,试样在低σ₃ 时,主要发生穿片理的拉破坏,高σ₃ 时,则转变为沿片理的剪切破坏。试验结果对陡倾层状硬质岩体工程的稳定性评价有一定的启示意义,即当片理走向与洞轴线的夹角较小时,浅层围岩片理面的法向应力释放程度较高,易发生受片理结构控制的脆性破坏;反之,夹角较大时,岩体的稳定性较强。     

裂隙黄土边坡三维稳定性极限分析

黄土边坡中竖直裂隙的发育往往会对边坡稳定产生影响。相对于平面应变机制,建立三维破坏机制下边坡稳定性分析方法更能接近实际边坡失稳情况。基于塑性极限分析上限法,考虑预先存在竖直裂隙的三维黄土边坡不同破坏机制（坡面破坏、坡脚破坏和坡底破坏）,建立能量平衡方程及其无量纲临界高度值γH/c表达式,采用随机搜索法得到了临界高度的上限解。分析了约束宽度、边坡坡度、内摩擦角以及裂隙深度对三维竖直裂隙黄土边坡临界高度值的影响。结果表明：对于坡脚破坏机制,临界高度值随着裂隙深度的增加而减小,减小至临界裂隙深度 (δ /H)_min后,裂隙深度的增加不再影响临界高度值;临界裂隙深度随着坡度β 的增大而增大,随着内摩擦角φ 的增大而减小。当约束宽度B/H<0.8时,大多数破坏机制为坡面破坏。当约束宽度B/H=0.8、内摩擦角φ =10° 及约束宽度B/H=0.6、内摩擦角φ =15° 时,边坡的破坏从坡面破坏机制逐渐过渡到坡脚破坏机制。存在竖直裂隙的黄土边坡比完整边坡具有更小的临界高度,约束宽度及内摩擦角会对三维黄土边坡破坏机制产生影响。