矿物中稀土元素扩散作用的理论研究及其扩散参数的预测

矿物中的微量元素在地质环境下能否保持有效封闭,主要取决于其扩散性质,而稀土元素(REE)是探讨地质作用过程及其物理化学条件等重要的示踪剂,查明其在不同矿物中的扩散行为对于地学研究具有重要意义。本文通过分析矿物晶格结构和离子类型对元素扩散行为的制约规律,探讨了REE在不同矿物中的扩散迁移。在此基础上,利用多元统计分析方法得出扩散参数与扩散体系不同晶体化学参数之间的关系方程,建立了计算1atm、无水环境下REE在不同矿物中扩散参数的多变量模型,由此模型预测的REE在不同矿物中的扩散参数E和lnD0的值,与实验测定结果在实验误差范围内具有很好的一致性。与以往的预测模型相比,多变量模型能更全面地反映扩散体系晶体化学因素对扩散速率的制约。此外本研究结果显示,REE在矿物晶格中扩散作用的主要影响因素是阳离子,而非当前认为的阴离子。     

基于未确知信息的环状河网水质数学模型研究

以圣维南方程组、对流扩散方程以及未确知信息理论为基础,建立了环状河网一维水动力与未确知水质数学模型。采用Preissman四点隐格式法对圣维南方程组进行离散和采用显式差分对对流扩散方程进行离散,对河网水动力与水质分别进行了合理的编码,并考虑了泵闸等控制工程、降雨径流的影响,采用河网的三级解法编制河网非恒定流的计算程序求解各断面的水位Z和流量Q,实现了水动力和水质两模块之间的数据连接,且对微分形式的水质模型运用未确知数学理论进行了含有两个未确知参数的水质计算,从而不仅能获得污染物浓度区间值,还能得到相应的可信度。实例研究表明,建立的河网水动力模型和未确知信息的水质模型是可靠的,可以用于河网水质治理工程的数值模拟研究和水环境评估。     

联合机制下黏土垫层多离子扩散模型

扩散是工程领域中的一种重要现象,尤其是针对填埋场底部的压实黏土垫层。扩散过程受多种因素影响,如离子种类、离子价态和离子浓度等,因此建立准确的扩散模型对填埋场垫层系统设计和评估具有极其重要的意义。引入简化的Guntelberg活度系数表示真实溶液与理想溶液浓度值的偏差,采用化学势和扩散势共同表征多离子扩散的驱动力,并考虑黏土介质特有的半透膜性能对离子扩散规律的影响,建立了复杂机制联合作用下多组分并存时离子在黏土垫层中的扩散模型。采用多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics对所建扩散模型进行数值求解,结果表明,黏土半透膜效应、溶液非理想性和扩散势均显著影响多离子扩散行为,考虑黏土半透膜效应及溶液非理想性条件下,多离子扩散进程明显减缓,考虑扩散势时,阳离子扩散速度显著提高。复杂机制联合作用下,多离子扩散规律并非单一影响机制的简单叠加,各机制之间相互制约共同影响多离子扩散行为。     

矿物氧同位素模式温度计算

根据对现遥氧扩散模型的解析分析,通过模拟矿物之间的氧同位素交换轨迹进行模式温度计算,改进了常规矿物对氧同位素地质温度计方法。将模式温度计算与矿物氧－扩散封闭次上结合,建立了一个系统独立的同位素温度计算方法,因此所得到的同位素温度能够更好地反映矿物在高温岩石冷却过程中,的氧同位素交换行为;模式温度计算有如下优点：（１）考虑到了矿物之间扩散引起的同位素交换;（２）遵循质量守恒原理,更严格地适用于有限封     

湿度扩散诱发的隧洞时效变形数值模拟研究

环境湿度在水敏感岩体中的扩散对隧洞等地下空间的变形起到至关重要的作用,不仅改变岩体的应力状态,还在很大程度上造成岩体物理力学性能的弱化,增强了岩体的时效变形特性。通过在数值模型中引入湿度扩散计算,并建立湿度扩散与岩体力学响应之间相互关系的描述,使得数值模型能模拟水敏感岩体受湿度影响的时效变形特征。针对具有支护系统的隧洞岩体在湿度扩散过程中的变形和应力特性的数值模拟研究表明：开挖初期,只有围岩表面的湿度产生变化,湿度引起的隧洞变形量也较小,但其变形速率却较大。随着湿度的进一步扩散,隧洞的变形总量增加,但变形速率逐渐降低,并最终得以收敛;数值计算再现了锚杆系统中的应力演化过程,其中拉应力的逐渐增大限制了围岩的部分变形;湿度在围岩中的扩散造成较大范围内围岩的强度降低,承载能力减弱,隧洞周边逐渐产生破坏。破坏的产生不仅引起局部应力集中,促使裂纹的进一步扩展,还有助于水分在围岩中的扩散。因此,湿度扩散和破坏（损伤）是一个相互影响的过程,也即湿度-应力-损伤耦合作用     

规则波导斯托克斯漂移对污染物输移的影响

为研究斯托克斯漂移对近岸污染物输移的影响,首先建立波导流和考虑斯托克斯漂移的对流扩散数值模型,通过数模结果与实验结果的比较,研究平直斜坡地形下规则波入射时斯托克斯漂移对污染物输移的影响,波导流模型中波浪场基于波能守恒方程来模拟,波导流场基于Longuet-Higgins提出的辐射应力来模拟,污染物对流扩散模型考虑了斯托克斯漂移的影响。其次,利用一个算例来验证对流扩散模型,结果表明数值模型计算结果与解析解吻合良好。最后,利用该模型模拟了两个实验工况下污染物的输移,数值模拟结果与实验结果吻合良好,表明斯托克斯漂移对近岸污染物向岸线方向的输移有比较明显的影响。     

泥质气源岩层内天然气扩散损失量评价——以黔南坳陷黄页1井九门冲组页岩为例

根据天然气扩散、物质平衡原理、烃浓度封闭机理和气源岩层之间扩散时间的相互匹配关系建立了评价泥质气源岩层内天然气扩散损失量的6种扩散模式以及不同模式下气源岩层天然气扩散损失量的计算方法,为定量评价部分烃浓度封闭期间气源岩层天然气扩散量、页岩气扩散量提供了可能。源岩层在受到部分烃浓度封闭期间的天然气扩散量,假设此期间不存在烃浓度封闭,则为源岩层的扩散气量与该期间上覆气源岩的扩散气量之差。利用所得模型对黔南坳陷黄页1井九门冲组页岩进行了实际应用,结果显示,黄页1井九门冲组页岩不考虑烃浓度封闭条件下的扩散气量远大于考虑烃浓度封闭条件下的扩散气量。在评价泥质气源岩层扩散量时如果存在烃浓度封闭作用,应加以考虑。     

概念性元素的比较研究

概念性元素的选择及其排列组合方式是建立概念性流域汇流模型的关键性问题,因此比较概念性元素之间的差异具有十分重要的意义。本文以“扩散模拟河段”为标准,在时段单位线方面对概念性元素进行了比较,结果表明“加里宁—米留柯夫河段”、“线性动力波河段”以及“逆高斯分布河段”与“扩散模拟河段”比较相似,这些概念性元素具有很强的实用性：而“马斯京根河段”和“滞时演进河段”与“扩散模拟河段”差异较大,但在实际应用中多个“马斯京根河段”串联以及对于某些滞时特性比较明显的流域,它们也能取得较好的效果。     

多孔介质中溶质有效扩散系数预测的分形模型

依据分形理论和方法,探索溶质在多孔介质中的有效扩散系数的替代预测方法。在多孔介质溶质扩散的弯曲毛细管束模型的基础上,以分形维数作为介质的基本几何特性参数,建立了多孔介质中溶质扩散的分形毛细管束模型,推导出了溶质有效扩散系数与介质孔隙度之间的幂定律关系式,幂指数是介质孔隙分维和表面分维的函数,反映了介质孔隙体积的层次分布与孔隙通道曲折程度对扩散的影响。对粘性土的分形维数测定数据和有效扩散系数试验测定数据的分析表明,利用该关系式预测多孔介质中溶质的有效扩散系数是较为准确可靠的。     

巨厚含水层注浆浆液扩散半径及影响因素研究——以峰峰矿区为例

总结了饱水裂隙岩体中浆液的球形扩散模型和柱状扩散模型。通过对不同注浆模型中各参数,如浆液黏度、岩石孔隙率、注浆孔半径、岩体渗透系数及启动压力等对注浆扩散半径的影响分析,认为注浆孔半径和岩石孔隙率对宾汉姆流型浆液扩散影响不明显,而影响浆液扩散半径的主要因素是浆液黏度、岩体渗透系数及启动压力梯度。最后针对峰峰矿区,通过计算提出了包括注浆压力和注浆结束压力的注浆参数理论值。     

济阳坳陷浅层天然气的盖层特征及保存条件的综合评价

盖层是天然气聚集成藏的必要条件。本文通过对天然气盖层的微观特征分析认为：济阳坳陷浅层天然气的盖层为低压突破型，根据孔隙结构参数之间的相关分析，提出了浅层天然气的泥岩盖层的分级标准，同时结合气藏的宏观地质特征及盖层的影响因索，从动态平衡的角度提出了盖层有利区块的选择应具备微观封盖质量好，泥岩厚度大，分布稳定，构造裂缝不发育等条件，并以此对济阳坳陷上第三系部分气田的保存条件进行了综合评价。     

柴达木盆地新构造运动与第四纪气田的形成

柴达木盆地第四纪坳陷形成于上新世晚期到全新世早期的新构造运动期,面积3.7万km²,是欧亚板块与印度板块相碰撞导致祁连山、昆仑山和阿尔金山逐渐上升,柴达木盆地东部相对下降的结果,坳陷内沉积物厚达3200m。 第四纪早期湖深水淡,晚期湖浅水咸。生气层由暗色泥质岩和碳质泥、页岩组成,厚约1500m。生气母质以腐殖型为主。天然气中CH₄/C₂H₆+C₃H₈〉150,δ¹³C〈-60‰。天然气化学成分表明,其为成岩作用早期生物化学作用所形成。储层为细砂岩和粉砂岩,主要为湖滩相、小型河流三角洲相及筛积扇—泉水河—三角洲体系的水下部分。由于尚未充分压实,岩性疏松,孔隙度平均为32％,渗透率60.8～619μm²。盖层为湖相泥岩和含膏泥岩。天然气赋存于自生自储体系之中。主要生气凹陷及生气层殴控制天然气的分布,雁列式背斜带上的局部构造控制天然气的富集。     

松辽盆地北部源岩和盖层的时空匹配关系及其对天然气聚集与分布的控制

通过对松辽盆地北部5套泥岩盖层和3套气源岩空间分布面积的比较,以及对盖层封闭能力形成时期与气源岩大量排烃期的比较,研究了松辽盆地北部5套泥岩盖层与3套气源岩之间的时间和空间匹配关系及其对天然气聚集程度的控制作用,指出扶杨油层和萨、葡、高油层是松辽盆地北部天然气聚集与分布的有利层位。扶杨油层天然气富集程度在空间上存在差异,大庆长垣以东地区好于大庆长垣以西地区。萨、葡、高油层和黑帝庙油层的天然气富集程度在空间上存在差异,大庆长垣以西地区好于大庆长垣以东地区。     

济阳坳陷上第三系馆陶组上段储盖层特征及其对天然气成藏条件的影响

济阳坳陷上第三系馆陶组是胜利油田的主要产油气层段。近些年来，浅层气的勘探日益受到人们的重视。但是，很少发现较大型的浅层气藏，这与该层位的储量相比是不相配的，造成这种现象的原因何在?本文则想通过对浅层储集层及盖层条件的研究，分析两者对浅层天然气分布的影响，预测有利的浅层气分布地区。     

南黄海海域生储盖层特征及油气远景评价

根据近年来新取得的资料,结合前人的研究成果,对南黄海海域的生储盖层特征进行了综合研究。古生界、中生界海相地层为南黄海海域的主力烃源岩,从构造运动和沉积发育情况分析,将南黄海海域的古生界、中生界海相地层生成油气的成藏过程划分为三叠纪印支运动前、侏罗纪—白垩纪、古近纪和新近纪4个阶段。通过对生储盖层的特征分析,说明南黄海古生界、中生界海相地层油气资源具有开发前景。在对南黄海盆地海相中生界、古生界烃源条件和后期保存条件研究的基础上,预测了盆地内海相油气资源的有利运聚区,为南黄海海域的油气勘探及研究工作提供了依据,对我国新的海上油气开发及部署作出了贡献。     

天然气的扩散模型及扩散量的计算方法

盖层的存在是天然气成藏和保存的必要条件之一,而浓度封闭又是盖层的一种重要的封闭机理。在前人工作的基础上,研究了浓度封闭的机理,进一步系统建立了天然气扩散的地质和数学模型,并给出了模型的初始化条件,对天然气扩散量的计算方法作了讨论。     

Formulation of a three‐dimensional rate‐dependent constitutive model for chalk and porous rocks

Rate‐dependent behaviour of chalk and other porous rocks has undergone widespread study in geomechanics due to its implications on the performance of engineering structures. We present a rate‐dependent constitutive model for chalk and other porous rocks with several new features. The model formulation is based on a viscoplastic rate‐lines approach in which the axial strain rate depends on the proximity of the stress point to an elliptical reference surface. A non‐associated viscoplastic potential surface and an axial scaling algorithm are used to determine the viscoplastic strain components. The model predicts that axial yields stress varies as a power function of applied axial strain rate, as shown by published laboratory data. Comparisons with published experimental data indicate that the model is capable of reproducing observed rate‐dependent behaviour of chalk under a variety of loading conditions. Copyright © 2006 John Wiley & Sons, Ltd.     

覆盖层下三维异常体对垂直磁偶极源的电磁响应

针对地下半空间存在三维异常体及覆盖层情况，计算了垂直磁偶极子的场，计算结果表明σ１与σ２接近时，覆盖层影响减小；σ１增加时覆盖层影响增大；对于不同的σ２／σ１值，场幅值对高频（ｆ≥２ｋＨｚ）和低频（ｆ≤１０Ｈｚ）都明显减小，只有在２ｋＨｚ≥ｆ≥１０Ｈｚ之间，场幅值可达最大。还表明垂直磁偶极子的场具有较强的岩性识别和分层能力     

东濮凹陷天然气生成模拟与煤成气的新证据

通过对东濮凹陷三种类型的气源岩加水高温模拟实验研究发现,石炭一二迭系煤生气能力是奥陶系灰岩的9倍,下第三系低有机质丰度的泥岩仅为煤的生气量的1／2,煤是东濮凹陷天然气最主要的气源岩;通过对模拟组分分析,煤生成的气体主要为甲烷含少量的重烃与CO2,低有机质丰度的泥岩与灰岩主要生成CO2;煤的模拟气体组分甲烷同位素值与W23井,M70井天然气甲烷同位素接近应该来源于石炭-二叠系煤系地层,灰岩与WG2井甲烷碳同位素接近,天然气来源于奥陶系灰岩地层。     

A model for pore‐fluid‐sensitive rock behavior using a weathering state parameter

Chalk and other porous rocks are known to behave differently when saturated with different pore fluids. The behavior of these rocks varies with different pore fluids and additional deformation occurs when the pore fluid composition changes. In this article, we review the evidence that behavior in porous rocks is pore‐fluid‐dependent, present a constitutive model for pore‐fluid‐dependent porous rocks, and present a compilation of previously published data to develop quantitative relationships between various pore fluids and mechanical behavior. The model proposed here is based on a state parameter approach for weathering and has similarities to models previously proposed for weathering‐sensitive rocks in that the values for parameters that characterize material behavior vary as a function of weathering. Comparisons with published experimental data indicate that the model is capable of reproducing observed behavior of chalk under a variety of loading conditions and changes in pore fluid composition. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.