基于中速-高速摩擦实验研究含碳断层带的电导率特征

野外地质调查结果显示,断层带常富集碳质.断层带中碳的分布结构是影响断层带电导率特征的一种重要参数.本文在室温、室内湿度和2MPa正应力条件下,对不同石墨含量(3,5,6和7wt%)的石英-石墨混合断层泥模拟样品开展了滑动速率介于500μm·s-1～1m·s-1的摩擦实验及相应的电导率测量,以期研究断层运动对碳分布结构的影响以及断层带电性特征对碳含量及分布的响应情况.结果显示,摩擦滑动能够显著地改变样品的电性特征(电导率大小及其各向异性).在平行滑动面方向(径向),样品电导率随着滑动位移的增加快速增加,在滑动约数十厘米之后,其电导率基本达到稳定状态;在垂直滑动面方向(轴向),样品电导率基本不随摩擦滑动速率和滑动距离而变化.SEM显微结构观测显示,摩擦滑动所引起的电导率各向异性直接反映了石墨分布结构的变化.该研究结果深化了对地震断裂带浅部电性特征的认识,为野外断层带大地电磁测深资料的解释提供了约束,同时对于了解含碳断层的力学性质和弱矿物相在剪切变形中的分布特征及其演化过程等方面也具有重要意义.     

高温高压下滑石的电导率实验研究

在10GPa和20GPa、400～860℃条件下测定了滑石的电导率.实验表明,增大压力,滑石的电导率增大,其导电机制为电子导电;在整个实验温度范围内电导率与T的关系都符合Arrhenius公式,滑石的脱水没有引起电导率的突然变化,表明并不是所有的含水矿物的脱水都会引起电导率的急剧上升.电导率的急剧增加还可能与矿物的含水量、脱水后自由水含量及连通度等因素有关.     

斜长石、辉石混合模型的电导率有限元数值计算研究

以岩石实验中矿物的几何形态及空间分布为建模依据,以实验条件及单矿物电导率的测量结果为约束条件,用有限元数值方法模拟了不同微观结构的斜长石、辉石混合物在施加电压后电势及电流的分布情况,并计算了混合模型在不同温度条件下的电导率.研究结果显示,数值模型网格数及矿物颗粒数的选取对电导率计算结果的精度有较大影响,在体导电情况下,模型电导率因矿物比例含量和排列结构而异.当斜长石及辉石随机分布时,随着辉石含量的增加,混合模型电导率在不同温度下均有所增加,且温度越高,增加幅度越大,电导率的有限元模拟计算结果接近于有效介质渗透理论模型,且位于并、串联模型之间以及HS模型的上、下边界范围内;在斜长石及辉石含量一定的情况下,各矿物的排列分布对电导率计算结果也有一定的影响,当矿物颗粒大小接近且分布均匀时,模型中电势沿电流传导方向变化较为均匀,模拟计算得出的电导率相对较高,当矿物颗粒大小差别较大及分布不均匀时,电势分布受到一定的扰动,电导率计算结果也较低.将混合模型电导率有限元计算结果与辉长岩、辉绿岩及玄武岩实验测量结果进行比较,显示这3种岩石样品电导率与温度变化关系的斜率均与混合模型计算结果的斜率相接近,表明这些岩石在所选温度段导电机制与斜长石、辉石混合模型相似,用斜长石、辉石混合模型的电导率研究玄武岩、辉长岩及辉绿岩的导电性具有适用性.将混合模型有限元计算结果与玄武岩、辉长岩、辉绿岩覆盖区地壳大地电磁实测结果对比,发现大地电磁电导率结果位于混合模型计算结果范围内,用斜长石、辉石混合模型模拟玄武岩、辉长岩等岩石地壳具有一定的可行性.     

考虑电子吸附效应的低电离层加热研究

基于低电离层自洽加热模型,综合考虑了低电离层中电子的复合效应及典型吸附效应,本文数值仿真了大功率高频无线电波持续加热低电离层所产生的电子温度、电子密度的扰动,并且首次模拟分析了由于电子温度扰动造成的加热电波自吸收效应.结果表明：电子吸收大功率加热电波能量导致了电子温度的增加,同时改变了电离层的吸收指数,引起了加热电波的自吸收效应.加热电波的自吸收效应对低电离层较高区域的电子温度扰动有重要的抑制作用.因此,随着加热频率的减小或有效辐射功率的增大,低电离层较低区域的电子温度增量明显增大而在高度100 km以上区域的电子温度增量始终较小.另一方面,随着电子温度的增加,电子的复合系数减小而电子的吸附系数增加,导致了电子密度在低电离层中较高区域出现正扰动而在较低区域出现负扰动.当饱和电子温度较大时,继续减小加热频率或增大有效辐射功率对电子密度扰动所造成的改变较小,尤其当电子温度超出复合系数和吸附系数的温度敏感区间.此外,电子温度与电子密度的饱和时间相差较大,电子温度的饱和时间为微秒量级而电子密度的饱和时间为秒量级.     

电离层Alfven谐振反馈不稳定性研究

本文利用分层(磁层、电离层、大气层)模型,分析了电离层电导率以及磁场方向对电离层Alfven谐振(简称IAR)反馈不稳定性的影响.结果表明:倾斜磁场可以有效改变IAR的参数(谐振频率与增长率),进而改变IAR反馈不稳定性的性能,磁场方向向上时,在电离层电导率较大且不考虑Hall电导率的情况下,磁场倾斜角的减小有利于电离层不稳定性的形成,电离层Hall电导率可以增大IAR反馈不稳定性的增长率,且对于较大的倾角增长率提升较大.     

压力对含裂缝岩石各向异性速度的影响

深入了解压力作用下裂缝性岩石的声学各向异性,在地球物理应用中具有重要意义.本文基于各向异性微分等效介质模型,结合不同压力下含硬币状定向排列裂缝岩石以及不含裂缝岩石在不同方向上的超声速度测量数据,计算得到不同压力下的裂缝参数,并进一步分析了压力引起的裂缝参数的改变,及其对岩石各向异性速度的影响.结果表明,岩石的裂缝密度与裂缝纵横比随着压力的增加呈现指数减小,并且裂缝纵横比与裂缝密度之间线性相关;模型计算结果发现,当岩石所受压力增加时,随着裂缝密度的减小,不同方向的岩石速度呈现不同程度的增加,其中垂直裂缝方向纵波速度的增加最为明显,随着裂缝纵横比的减小,不同方向的岩石速度基本不变;压力增大引起的裂缝密度的降低使岩石的各向异性参数减小,岩石整体的各向异性随之降低.     

基于孔喉腔模型研究孔隙结构对于多孔介质孔隙度指数的影响

多孔介质的导电特性取决于多孔介质的孔隙空间结构,孔隙空间结构通常使用孔隙尺寸和孔隙迂曲度描述,而已有模型仅仅研究了孔隙尺寸对于孔隙度指数的影响.为了全面研究孔隙空间孔隙尺寸和孔隙迂曲度对于孔隙度指数的影响,基于孔隙网络基本单元孔喉腔,以及孔喉腔等效电路中喉道并联导电而后与孔隙体串联的假设,推导出孔喉腔电阻率.使用阿尔奇公式建立孔喉腔孔隙度指数计算模型,研究孔隙结构对于孔隙度指数影响.对于毛管模型,孔隙度指数随着孔隙迂曲度或孔隙横截面积的增大而增大,当孔隙迂曲度为1时,孔隙度指数不受孔隙横截面积的影响恒为1.0.当孔喉腔只有一个喉道时,该模型等价于溶孔发育的双孔隙度模型.在该孔喉腔中,随着孔隙与喉道迂曲度的增大,孔隙度指数增大;随着孔隙横截面积的增大,孔喉比增大,孔隙度指数增大;而随着喉道面积的增大,孔喉比降低,孔隙度指数首先降低而后增大.孔隙度指数与孔喉比有关.对于具有两个喉道的孔喉腔,该模型等价于溶孔、裂缝发育的三孔隙度模型,能够研究孔隙类型,孔隙几何特性对于孔隙度指数的影响.当孔隙固定,两个喉道的迂曲度增大时,孔隙度指数增大;两个喉道横截面积增大时,孔喉比降低,然而孔隙度指数增大,最大孔隙度指数对应的孔喉比并非最大值.当一个喉道固定,孔隙的横截面积增大时,孔隙度指数增加;喉道的横截面积增大时,孔隙度指数首先降低而后增大.孔喉比与孔隙度指数具有一定相关性,而孔隙度指数最大情况下的孔喉比与模型最大孔喉比并不完全对应.孔隙度指数是孔隙空间几何与拓扑特性共同作用的结果.岩心图像分析获取迂曲度与孔喉比后建立孔喉腔孔隙度指数模型的结果符合岩电实验数据,岩心分析饱和度和测井解释结论,表明孔喉腔孔隙度指数模型在地层评价中具有实际测井解释能力.     

致密储层岩石应力各向异性与材料各向异性的实验研究

本文在实验室中对四组来自不同地区的致密砂岩和页岩的波速和波速各向异性开展了研究.结合扫描电镜分析和波速应力敏感性测试,分析了引起致密砂岩和页岩各向异性的主要影响因素及规律.研究结果:(1)层理和微裂隙是引起致密砂岩各向异性的主要影响因素,而页岩的各向异性主要由定向发育的矿物成分导致,本研究中所用的致密砂岩各向异性强于页岩的各向异性.(2)平行地层方向的岩石波速高于垂直地层方向的岩石波速,超声波速随着应力增加而增加(3)波速各向异性随应力的变化分为两阶段,第一阶段随应力增加而减弱的应力各向异性,与定向排列的微裂隙相关.第二阶段随应力不再发生变化的材料各向异性,与基质中的矿物成分相关.(4)利用体积应变获得的裂隙孔隙度,以及矿物成分含量验证了这两类各向异性,应力各向异性与裂隙密度成正比,材料各向异性与黏土矿物含量线性相关.(5)根据波速各向异性随应力变化的两阶段,可以定量区分裂隙和基质(矿物)对岩石各向异性的影响,研究结果对体积压裂的裂缝扩展具有重要的意义.     

利用Pms波分裂研究青藏高原东南缘地壳各向异性及变形情况

通过分析青藏高原东南缘新部署的密集地震台阵的接收函数得到了该区域的地壳各向异性。所测量的接收函数Pms波的分裂时间分布在0.02~0.88s,平均分裂时间为0.28s,这远大于近震S波分裂得到的云南地区上地壳(15km以上)累积的分裂时间,表明研究区地壳各向异性主要来自中下地壳(15km以下)。各次级块体内的Pms波的快波偏振方向与主压应力方向基本一致,在一些大型走滑断裂带附近,如小江断裂带、红河断裂带和澜沧江断裂带,快波偏振方向与断裂带走向基本平行。分裂时间在小江断裂带两侧表现出东侧小,西侧大的特征。在块体内部,由于韧性的中下地壳发生差异运动,从而引起物质沿运动方向排列,产生各向异性。小江断裂带、红河断裂带和澜沧江断裂带附近地壳中分布的低速带、高泊松比和高热流表明断裂带下方可能存在部分熔融,因此在这些深的大走滑断裂带下方的各向异性快波方向沿着断裂带走向分布,主要是由于矿物和熔体在断裂带的走滑运动下发生定向排列引起,说明走滑运动控制着断裂带下方地壳的变形模式。对比Pms波与SKS波分裂模式,本文更倾向于认为研究区地壳与上地幔变形解耦。     

裂缝诱导HTI双孔隙介质中的裂缝参数分析

裂缝诱导HTI双孔隙介质模型是将一组垂直排列的裂缝系统嵌入到统计各向同性的孔隙岩石基质系统中而建立的.为了研究裂缝参数对地震波在该模型中传播规律的影响,本文分别对裂缝弱度、裂缝孔隙度和裂缝渗透率这三个主要的裂缝参数进行了分析研究.数值结果表明,裂缝诱导HTI双孔隙介质中,裂缝弱度越大,介质的各向异性强度越强;与基质孔隙系统相比,裂缝系统孔隙度对介质等效孔隙度的影响很小,而裂缝系统渗透率的增大则将显著提高介质在裂缝发育方向上的等效渗透率,这符合对裂缝系统"低孔"、"高渗"特性的认识.此外,裂缝系统渗透率的增大也使慢纵波的振幅显著增强.