循环加卸载条件下花岗岩破坏过程声发射特征研究

本文通过MTS815岩石力学试验机,开展循环荷载作用下花岗岩破坏过程声发射参数变化的研究,研究了花岗岩在不同围压、循环次数、含水率的条件下声发射参数的变化情况。基于记录到的声发射数据,将岩石破坏过程划分为3个阶段,即初始阶段、匀速增长阶段、加速跃迁阶段,研究各阶段的RA值、损伤参数D、Kaiser效应的变化特征。试验结果表明:（1）饱水岩石的RA值小于天然状态下岩石的RA值,并且岩石破坏前（加速跃迁阶段）有较为明显的高RA区出现。（2）围压能有效延长加速跃迁阶段的时间,同时提高岩石的抗压强度。（3）损伤参数D在最后一级循环时抬升平均值达到0.6。（4）验证了岩石Kaiser效应的局限性,岩石在出现了Felicity效应后才会因累计损伤发生破坏。     

基于声发射上升时间/振幅与平均频率值的花岗岩劈裂破坏评价指标研究

通过花岗岩巴西劈裂试验,研究基于声发射RA(上升时间/振幅)与AF(平均频率)值的参数指标描述岩石破坏剧烈程度的可行性与优势。通过对比破坏过程中的RA与AF值分布的变化,与矩张量分析结果相互印证,发现即使宏观上以张拉为主的岩石劈裂破坏,在临近破坏阶段,仍会出现剪切破裂成分增加的现象,并提出了花岗岩巴西劈裂试验中基于RA与AF指标进行岩石破裂机制分析的判定建议值;提出r=RA/AF作为描述岩石破坏剧烈程度的基本指标,对比其与振幅参数在不同破坏阶段的变化趋势及不同传播距离下的衰减规律,结果表明:在衰减的影响下,基于r的参数指标将得到偏安全的评价结果;进一步提出r值变异系数CV(r)作为r值参数的统计指标,并与基于振幅的统计指标b值进行对比,对比结果验证了以CV(r)描述岩石破坏剧烈程度的可行性,且根据b值对岩石失稳破坏的判定值提出了花岗岩劈裂破坏中的CV(r)建议判定值。     

陕北烧变岩水-岩作用的劣化特性

鄂尔多斯盆地东北缘陕晋蒙交界地区存在大量煤火高温烘烤形成的烧变岩。与原岩相比,烧变后的岩体结构破碎孔隙发育,在长期水–岩作用下,形成了大量危岩体。以陕北神木大柳塔地区的烧变岩为对象,开展了50次干湿循环试验,测试不同循环次数后烧变岩物理性质与力学性质及其变化,探讨不同烧变程度烧变岩劣化特性。结果表明：烧变岩质量、硬度、力学性质下降,表面亮度降低,粗糙度与红黄色度增强;基于低场核磁共振技术(NMR)测试,烧变岩孔隙体积比例曲线右移,最大孔径扩张;微孔向大孔转化,大孔含量与总孔隙率升高;烧变作用使岩体孔隙发育,且提高了烧变岩的抗侵蚀能力,降低了色度、质量、粗糙度、硬度、力学性质的变化程度。长期水–岩作用可对烧变岩的物理力学性质与孔隙结构造成明显改变,烧变程度与初始孔隙结构能够影响劣化效果。根据研究不同烧变岩的劣化过程,得出加固低烧变程度岩体表面、加固沉积层理与原有裂隙、堵塞高烧变程度岩体孔隙,可降低水-岩作用的侵蚀破坏强度。     

基于小波包分析的岩石声发射测量地应力

根据目前岩石声发射确定Kaiser点存在的问题采用小波包分析研究方法,在单轴加载岩石声发射试验的基础上,首先提出了基于小波包变换的Kaiser点信号的信噪分离方法,其次确定了Kaiser点信号的频率范围,最后利用小波包分析对岩石声发射信号的能量分布特征进行研究,得到了砂岩Kaiser点信号的特征频带。结果表明,小波包分析是处理岩石声发射Kaiser点信号的一种有效的方法,进而为AE法测量地应力确定Kaiser点奠定了一定的试验基础。     

烧变岩富水特征与采动水量损失预计

自燃煤层围岩在不同高温作用下会引起不同程度的结构损伤,导致其物理力学性质和工程地质效应发生显著变化。为深入认识烧变过程中岩石的结构演化规律,以徐州某矿底板灰岩为研究对象,开展不同温度作用下的热破裂试验,从多尺度上探究岩石热破裂的规律,并结合数值模拟和微观结构测试揭示其发育机理。结果显示：(1)方解石填充裂隙、层理等相对软弱结构面的热破裂温度阈值在300~400℃,完整岩石结构的热破裂温度阈值在500℃左右;600℃之前的热破裂形态较简单,基本是直线型裂纹,且宽度较小、数量较少;700℃以上出现宽度和长度显著增大的弧形热裂纹,热裂纹两侧试样的颜色有明显区别,靠近热裂纹的白色部位还发育一些连通弧形裂纹的次级小裂纹;800℃时,试样颜色全部变白,结构完全破碎,成散体状。(2)从微观结构和热应力角度阐释灰岩热破裂发育机理,发现试验温度路径下试样的热破裂主要发育在降温过程中,且最大热应力差主要在靠近试样表面的近似环形带上分布。500℃以下的热破裂成因主要为热应力在试样的原始缺陷处集中,并超过了部分软弱结构的抗拉强度;500℃以上受热应力与矿物分解共同控制,500℃以上升降温过程中的最大热应力基本超过灰岩的抗拉强度,且菱镁矿、白云母、白云石等矿物逐渐分解,逐渐增多的内部缺陷为应力集中提供有利条件,加剧了热破裂的发育;当温度达到800℃时,热破裂发育程度很高,且白云石和方解石快速分解,生成CaO,部分CaO在冷却过程中与空气接触生成Ca(OH)₂,热裂纹与主体矿物分解共同导致试样结构的破碎。研究成果可为岩体破裂和地质结构演化分析奠定基础。

     

基于RA/AF的高温后砂岩破裂特征识别研究

开展岩石高温损伤破裂信息识别研究对地热开发和煤炭地下气化等具有重要的指导意义。通过不同高温处理后砂岩在破坏过程中声发射参数RA(上升时间/振幅)和AF(平均频率)值变化,研究高温后砂岩内部不同类型裂纹的发展演化规律。结果表明：砂岩在整个加载过程中以拉张裂纹为主,当加载应力超过峰值应力的80%后,剪切裂纹所占比例迅速增大,可将此作为砂岩发生破坏的前兆;当加热温度超过600℃时,剪切裂纹所占比例上升,超过800℃,剪切裂纹所占比例迅速下降,600℃和800℃可作为砂岩损伤突变的阈值温度;高温后位错塞积现象增多,砂岩塑性特征增强,拉张裂纹所占比例增大。研究成果将对高温作用后岩石破裂失稳前兆信息的识别提供重要的理论基础。     

陕北能源化工基地烧变岩的分布特征及水文地质意义

在分析陕北能源基地烧变岩岩性特征及形成条件的基础上,归纳叙述了烧变岩的分布规律和烧变岩分布区的水文地质特征、地下水形成条件,并简要论述了烧变岩的富水性及其水文地质意义。烧变岩主要分布在秃尾河、窟野河及其支沟的两侧,呈条带状展布,长度十到几十千米,宽度一般1-2km,分布面积近700km^2。烧变岩裂隙、孔洞发育,十分有利于上部萨拉乌苏组地下水的越流补给,通常以大泉的形式排泄于近沟脑的部位,流量、水质稳定;或于烧变岩底部盆形构造区富集,利用烧变岩地下水可缓解近期能源基地供水紧张的局面。     

陕北能源化工基地烧变岩的分布特征及其水文地质意义

在分析陕北能源基地烧变岩岩性特征及形成条件的基础上,归纳叙述了烧变岩的分布规律和烧变岩分布区的水文地质特征、地下水形成条件,并简要论述了烧变岩的富水性及其水文地质意义.烧变岩主要分布在秃尾河、窟野河及其支沟的两侧,呈条带状展布,长度十到几十千米,宽度一般1～2 km,分布面积近700km2.烧变岩裂隙、孔洞发育,十分有利于上部萨拉乌苏组殚地下水的越流补给,通常以大泉的形式排泄于近沟脑的部位,流量、水质稳定;或于烧变岩底部盆形构造区富集,利用烧变岩地下水可缓解近期能源基地供水紧张的局面.     

基于声发射的盐岩变形破坏过程的分形与损伤特征研究

为研究盐岩变形破坏过程中损伤变量和分形维数之间的关系,对取自某地的纯盐岩开展了单轴压缩和三轴压缩试验。在基于声发射振铃计数的损伤模型和基于声发射定位点空间演化的分形维数计算的基础上,对盐岩变化破坏过程中的损伤变量和分形维数进行了研究。研究表明：在盐岩变形破坏过程中,盐岩分形维数逐渐降低,损伤变量逐渐增加,且分形维数下降的各个阶段与损伤变量增加的各个阶段相对应;盐岩变形破坏前分形维数不再明显下降,且不同应力状态下,盐岩变形破坏前分形维数不同;随着围压增大,盐岩变形破坏前分形维数逐渐降低,其中单轴压缩和三轴压缩应力状态时,分形维数分别低于2.42和2.31、2.20时,预示着试件内部损伤开始汇集,逐渐形成宏观破裂面,导致试件变形破坏;围压对盐岩声发射活动有明显的抑制作用,随着围压的增大,盐岩变形破坏过程中声发射活动逐渐减少,且在此过程中可以发现：在应力加载初期,盐岩分形维数快速下降时所对应的应力百分比逐渐增大,在应力加载后期,当盐岩分形维数不再明显减小时对应的应力百分比逐渐增大;在盐岩变形破坏的加载初期,损伤变量较小,能量释放较少;盐岩变形破坏前损伤变量增加较快,能量快速释放。     

基于微生物烃检测技术的陕北煤层火烧区绿色探测

煤层中含有各类轻烃,当煤层燃烧后,上覆地层完整性被破坏,给煤层内的烃类散逸提供了良好的通道,这一过程符合轻烃微渗漏原理。因此,引入轻烃微渗漏的微生物烃检测技术对煤层火烧区及其范围进行识别。在陕北侏罗纪煤田郝家梁煤矿进行了2条测线的试验,选择丁烷氧化菌作为检测指标,通过土壤样品采集、微生物培养、菌落计数等微生物检测工作后,结合地质钻孔对微生物值进行标定和异常值分组,并对煤层火烧区轻烃微渗漏的微生物响应特征进行研究。结果表明,在完全火烧区微生物以背景值分布为主,在火烧过渡区微生物以连续高值异常为主,在正常煤层区微生物以中低值为主,从而建立了研究区煤层火烧区微生物响应模型。微生物烃检测技术所解释的煤层火烧区地质成果与磁法解释的火烧边界吻合,且有钻孔验证。微生物烃检测技术的野外实施简单环保,大部分工作在室内完成,更适用于类似陕北生态脆弱区的煤层火烧区探测,有显著的实际意义和经济价值。      

中国北方烧变岩的分布、特征及研究意义*

中国北方烧变岩分布广泛,见于以昆仑山—秦岭—大别山为界的中国北方地区多个沉积盆地边缘,但地质学家对其研究较为薄弱。野外调查显示中国北方烧变岩主要以4种方式分布: (1)大面积连片分布,(2)沿山脉走向的线状分布,(3)沿河流下切河谷分布,(4)为第四系黄土覆盖。烧变岩主要为侏罗系、石炭—二叠系煤层自燃所致。各类型的烧变岩在中国烧变岩区不同程度发育,具瓷化结构、白化结构、烧熔结构、残余构造、气孔构造、微柱状节理、角砾状构造、垮塌构造、裂缝充填等结构和构造。其颜色以砖红色、赭红色、棕色、钢灰色最为典型,岩石中发育鳞石英、方石英、堇青石、铁堇青石、莫来石等典型高温矿物。中新世以来,中国西部、北部地区构造活动强烈,干旱气候加剧,烧变岩也主要形成于这一时期,但煤层自燃与构造运动、环境变化、古野火事件的耦合关系还鲜有提及,其所蕴含的各种地质信息值得在今后的研究中予以关注。     

坪北油田储层随机建模及结果检验

在坪北油田沉积微相和高分辨率层序地层学研究的基础上，采用顺序指示模拟方法以中期旋回为单位建立沉积微相的三维模型。结合层序地层学研究的结果对模拟结果进行检验，把不同时间单元的沉积微相平面分布提取出来，根据时间的先后顺序进行排列，甚至做成动画，对沉积微相的演化得到直观的认识。结合基准面在此期间的变化情况，进而判断模拟结果的合理性，为模拟结果的判断提供了新手段。     

陕北浅埋煤层采空区积水下安全开采技术研究

浅埋煤层上覆采空区水威胁着陕北地区诸多煤矿的安全生产。以陕北地区某煤矿为例,针对该类水害问题进行分析,通过经验公式、数值模拟等方法计算,开采3^-1号煤层产生的覆岩导水裂缝带高度至少为66 m,运用类比法及经验公式预计,矿井正常涌水量为163 m³/h,最大涌水量203 m³/h,3^-1号煤层上覆采空区积水量约为2.6×10⁶ m³。根据各计算结果,提出\     

Identification and emission factors of molecular tracers in organic aerosols from biomass burning Part 2. Deciduous trees

Smoke particulate matter from deciduous trees (angiosperms) subjected to controlled burning, both under smoldering and flaming conditions, was sampled by high volume air filtration on precleaned quartz fiber filters. The filtered particles were extracted with dichloromethane and the crude extracts were methylated for separation by thin layer chromatography into hydrocarbon, carbonyl, carboxylic acid ester and polar fractions. Then, the total extract and individual fractions were analyzed by gas chromatography and gas chromatography–mass spectrometry. The major organic components directly emitted in smoke particles were straight chain aliphatic compounds from vegetation wax and triterpenoid acids (biomarkers) from gums and mucilages. The major natural products altered by combustion included derivatives from phenolic (lignin) and monosaccharide (cellulose) biopolymers and oxygenated and aromatic products from triterpenoids. Steroid biomarkers and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) were also present, however, as minor constituents. Although the concentrations of organic compounds in smoke aerosols are highly variable and dependent on combustion temperature, the biomarkers and their combustion alteration products are in these cases source specific. The major components are adsorbed or trapped on particulate matter and thus may be utilized as molecular tracers in the atmosphere for determining fuel type and source contributions from biomass burning.     

Identification and emission factors of molecular tracers in organic aerosols from biomass burning: Part 3. Grasses

Smoke particulate matter from grasses (Gramineae, temperate, tropical and arctic) subjected to controlled burning, both under smoldering and flaming conditions, was sampled by high volume air filtration on pre-cleaned quartz fiber filters. The filtered particles were extracted with dichloromethane/methanol and the crude extracts were methylated for separation by thin layer chromatography into hydrocarbon, carbonyl, carboxylic acid ester and polar fractions. Then, the total extract and individual fractions were analyzed by GC–MS. The major organic components directly emitted in grass smoke particles were the homologous series of n-alkanoic acids from plant lipids, n-alkanes from epicuticular wax, and sterols and triterpenols. The major natural products altered by combustion included pyrolysis products from cellulose and lignin biopolymers, and oxidation products from triterpenoids and sterols. Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) were also present; however, only as minor components. Although the concentrations of organic compounds in smoke aerosols are highly variable and dependent on combustion temperature, the biomarkers and their combustion alteration products are in these cases source specific. The major components are adsorbed on or trapped in smoke particulate matter and thus may be utilized as molecular tracers in the atmosphere for determining fuel type and source contributions from grass burning.     

Magmatic arc metamorphism: petrology and temperature history of metabasic rocks in the Coastal Cordillera of northern Chile

We investigated the metamorphic cooling history of underplated magmatic rocks at midcrustal depth. Granulites and amphibolites occur within the Jurassic magmatic belt of the Coast Range south of Antofagasta in northern Chile between 23°25' and 24°20' S. The protoliths of the metamorphic rocks are basic intrusions of Early Mesozoic age. They are part of the magmatically formed crust, and the essentially dry magmas were emplaced in an extensional regime. The granulites (clinopyroxene–orthopyroxene–plagioclase) show all stages of fabric development from magmatic to granoblastic fabrics. Pyroxene compositions were reset at temperatures around 800°  C independent of the stage of textural equilibration. The granulites were partially amphibolitized at upper amphibolite facies temperatures of 600–700°  C. Following cooling, a possible reheating to greenschist facies temperatures around 500°  C is indicated by prograde zoning in magnetite–ilmenite pairs. Mineral assemblages are not suitable for barometry, but a conservative estimation of the garnet-in reaction at given whole-rock compositions suggests maximum pressures in the granulite facies of around 5 kbar, and similar pressures are indicated by phengite barometry for the greenschist facies. The P–T  path of granulite–amphibolite metamorphism is one of slow cooling from magmatic temperatures with heterogeneous deformation. The thinning of the pre-Andean (Precambrian–Triassic) crust was apparently compensated by the magmatic underplating and this special tectonomagmatic setting caused the prolonged residence of the accreted rocks at midcrustal levels.