岩石损伤过程中的热-流-力耦合模型及其应用初探

岩石损伤过程热-流-力（THM）耦合问题的研究对于深部采矿等许多工程领域都具有重要的理论意义。以岩石的损伤为主线,在多场耦合分析方程中引入损伤变量,基于质量守恒和能量守恒原理,提出岩体损伤过程中的THM耦合模型。通过把均匀弹性介质THM耦合响应的模拟结果与理论分析结果进行对比,验证了程序及有限元实施的正确性。然后,用该耦合模型进行了不同地应力条件下流固耦合过程的数值模拟,探讨了水压力对于岩石损伤过程的作用机制。数值模拟表明,水压力导致了拉伸损伤范围的扩大和损伤程度的加剧,同时亦对剪切损伤具有抑制作用。     

新近纪南海深层水的增氧与分层

综合南海ODP1148站、1146站和1143站沉积物物性、底栖有孔虫、同位素等资料, 探讨早中新世以来南海深层水的演化特征.结果表明, 在21~17Ma、15~10Ma和1~5Ma3个时间段分别对应3个富含红褐色粘土的岩性单元, 其红色参数(a*) 增高指示南海深层水中溶解氧含量的增加.对比发现, 前两阶段的深层水增氧与南极底层水和北大西洋组合水增强有关, 说明10Ma前南海与外地的底层水基本是相互连通的.10Ma以后, 南海深层水溶解氧降低, 同时分别处于下深层水的1148站和上深层水的1146站之间的CaCO₃含量变化加大, 喜氧底栖有孔虫减少, 底栖δ13C在10Ma大幅度减轻, 说明南海当时的深层水受大洋深层水的控制减弱.推测主要是南海海盆自16~15Ma停止扩张以后, 南海逐渐关闭引起本地深层水开始形成的缘故.从6Ma左右开始出现大量的太平洋底层水和深层水的底栖有孔虫标志种, 1148站和1146站在5~3Ma期间的CaCO₃含量之差达到40%, 标志南海深层水最大分异期.除了全球气候变冷、北半球结冰引起太平洋深层水扩张的影响之外, 南海海盆由于更强烈向东俯冲而进一步下沉也可能是原因之一.3Ma以来南海深层水演化进入现代模式, 两站之间的CaCO₃含量之差稳定在10%左右, 厌氧底栖种丰度增加.太平洋底层水和深层水的标志种相继在1.2Ma和0.9Ma大量减少, 底栖δ13C也同时大幅度变轻到新近纪的最低值, 表明太平洋底层水的影响基本消失, 太平洋深层水的影响也大大减弱.因此, 标准现代模式的南海深层水, 推测主要由于“中更新世气候转型”时期巴士海峡下面的海槛抬升到接近目前~2600m的深度时, 才开始形成.      

末次冰期南海南部暴露的巽他陆架是大气碳汇?

在约10万年的冰期-间冰期旋回中,大气CO_2浓度与温度存在几乎同步的周期性变化:间冰期的CO_2浓度约为280×10~(-6),冰期逐渐下降,至盛冰期达到最低(约180×10~(-6)),冰消期又快速回升。关于冰期大气CO_2的去向,前人的许多研究表明,冰期的海洋是个巨大的碳汇,而陆地碳储量在冰期是下降的。从海洋和陆地碳库整体的变化来看,似乎冰期大气CO_2浓度的下降完全可以用海洋碳库的增加来解释,甚至陆地碳库还是大气的源。但通过分析各种地质证据与数值模拟结果,发现末次冰期南海南部暴露的巽他陆架上分布着广阔的热带森林,这意味着,末次冰期暴露的巽他陆架可能具有较强的储碳能力,与冰期陆地的碳源角色相反。因此,为更准确了解碳循环与气候变化,未来的研究需要对陆地碳库进行有效细分,定量描述各区域在碳循环中的角色。     

深海记录中的热带过程及其周期性

地球运行轨道参数包括偏心率、斜率和岁差, 在地质时期分别具有413ka和100ka、41ka、23ka和19ka的周期, 它决定地表太阳辐射在不同纬度和季节的周期性变化.太阳辐射变化中, 岁差周期最为明显, 斜率周期在中高纬度比较明显, 而偏心率周期本身作用微弱, 主要通过调控岁差周期的变幅影响气候.传统的地球轨道驱动理论认为, 北半球高纬的太阳辐射决定全球冰量和地表的气候变化, 轨道周期可能线性地反映到气候变化的周期中去.实际的深海记录反映的情况并非如此, 尤其在热带海区, 气候替代性指标的周期性与太阳辐射的周期性既存在相似性, 也存在较大区别.相似性在于, 热带海区的气候替代性指标均表现出较强的岁差和斜率周期, 而且通常情况下岁差周期的强度要高于斜率周期的强度, 说明热带海区的气候变化受控于岁差调控的太阳辐射的变化; 区别性在于, 热带海区气候替代性指标通常表现出较强的不容忽视的100ka、413ka的偏心率周期和10ka左右的半岁差周期, 而且100ka、413ka的偏心率周期还是季风系统的典型周期, 说明热带海区的气候变化并不是简单的线性响应太阳辐射的变化, 也不完全受北半球高纬的控制, 而是具有自身的特性.      

从40万年长偏心率周期看米兰科维奇理论

新生代至前寒武纪海相和陆相沉积记录显示,405 ka长偏心率周期贯穿整个地质历史,从陆地季风降水到大洋碳循环都有表现,是地球表层系统中水循环和碳循环的基本节拍,不仅可用作基本的地质计时单位,还是低纬过程的重要特征之一.现有的地质记录表明405 ka长偏心率周期存在被隐匿或被破坏的现象,火山岩浆活动释放CO₂、生物圈重大变革和冰盖增大事件等都可以造成405 ka长偏心率周期的隐匿,这为揭示地球表层系统重大变化提供了一个新的切入点.通过研究405 ka长偏心率周期的演变特征和破坏机制,可望穿越暖室和冰室期,建立起完整的气候演变理论.最后对我国开展天文旋回研究力争走到世界前列提出了建议和展望.      

新生代以来底栖有孔虫碳氧同位素变化在偏心率长周期上的相位关系及其指示意义

新生代以来地球气候依次经历了两极无冰、单极有冰和两极有冰的气候状态,对比研究这些不同气候背景下地球气候的演化历史可以为我们全面理解新生代气候演化的驱动机制提供新思路。为了探索偏心率长周期上(400 ka)气候变化与冰盖演化和碳循环之间的关系,汇总了新生代以来全球大洋10个站位底栖有孔虫成对的δ¹⁸O和δ¹³C记录,采用交叉小波、瞬时相位和滤波方法,分析了它们在偏心率长周期上的相位关系。分析结果表明,新生代大部分时段底栖有孔虫δ¹⁸O和δ¹³C在偏心率长周期上都具有较高的相关性,但是晚中新世到早上新世相对较弱。新生代底栖有孔虫δ¹⁸O在偏心率长周期上略领先δ¹³C的变化。古新世-始新世无冰期,偏心率长周期上底栖有孔虫δ¹⁸O和δ¹³C接近同相位,主要由轨道驱动的降水变化引起的营养盐-生物泵和陆源碳输入控制,该过程强调碳循环的低纬驱动。渐新世-中新世南极有冰的气候状态下;δ¹⁸O和δ¹³C的相位关系及其驱动机制与古新世-始新世类似,这表明南极冰盖对碳循环和气候变化的影响有限。此外,中新世冰盖变化引起的海平面升降导致陆架碳酸钙在冰期-间冰期旋回上的变化是促使中新世底栖有孔虫δ¹⁸O和δ¹³C在偏心率长周期上趋于同相位的一个重要原因。在中中新世气候适宜期,偏心率长周期上δ¹³C短暂领先δ¹⁸O的变化可能是由于火山除气作用导致CO₂大量入侵海-气系统所致;约13.8 Ma东南极冰盖扩张之后,偏心率长周期上δ¹⁸O开始领先δ¹³C的变化,并且相位差逐渐增大;表明东南极冰盖扩张足以通过调节大洋环流、海平面、生产力、陆源碳输入和陆地植被进一步影响大洋碳循环和气候变化。上新世以来偏心率长周期上δ¹⁸O领先δ¹³C变化,并且相位差达到了新生代的最大值(约100 ka),表明两极冰盖的大幅度生长,已经深刻影响了碳循环和气候变化。

     

新生代的气候节律:赤道太平洋IODP320、321航次

新生代以来,地表气候在大趋势上逐渐变冷,并呈现出冷暖交替的变化节律.影响气候变化的因素主要包括太阳辐射量和地内气候系统的反馈效应.揭示气候变化的最终规律需要更准确的天文计算和更长、更可靠的气候替代性指标的重建.综合大洋钻探计划IODP 320、321航次在东赤道太平洋钻取了一系列保存完好、连续的深海沉积钻孔,为揭示新生代气候演变的规律提供了良好的研究材料.从全球视野的角度研究古海洋学和古气候学问题是揭示气候演变规律的良好方法,值得中国研究者借鉴.     

关于修正型Szasz—Gamma算子的局部饱和定理

研究了修正型Ｓｚａｓｚ－Ｇａｍｍａ算子的逼近性质,利用改进的Ｂａｊｓａｎｓｋｉ－Ｂｏｊａｎｉｃ抛物线技巧,建立了该类算子的局部饱和定理。     

基于基态修正模型的矢量数据增量更新机制研究

针对矢量数据库的数据更新及更新后历史数据维护等一系列问题, 设计实现了一种基于基态修正扩展模型的增量更新方法, 以当前最新矢量数据库的状态作为基态, 用增量信息来记录变化信息并驱动基态更新, 以多级差文件形式保存新旧基态间的数据差异, 形成历史数据以供检索回溯。在此基础上, 进行了增量更新存储模型和技术流程设计, 给出了增量信息和差文件对应的数据结构, 开发了矢量数据库更新原型系统, 较好地实现了矢量数据库的增量更新。     

岁差驱动的全新世热带太平洋—印度洋水汽输送

大洋内部蒸发、水汽输送和降水过程构成了全球水文循环的主体,但长久以来对全新世大洋内部水文循环的演变历史和驱动机制缺乏认识。利用全球热带海区98个站位混合层浮游有孔虫壳体的δ¹⁸O和Mg/Ca温度记录,计算了全新世以来表层海水δ¹⁸O以及海水剩余δ¹⁸O的波动历史。发现最显著的特征是全新世以来热带西太平洋和东印度洋表层海水剩余δ¹⁸O具有不同的变化趋势。早—中全新世时期(11.5～6.0 ka BP),热带西太平洋表层海水剩余δ¹⁸O比东印度洋偏重约0.2‰,而晚全新世(2.0～0 ka BP),两个海区的重建值几乎相同。结合同位素数值模拟结果,发现岁差通过一系列机制控制了两个大洋不同的剩余δ¹⁸O变化信号。早全新世较低的岁差值可以驱动西太平洋往印度洋的大气水汽净输送并降低印度洋降水同位素,同时强盛的南亚季风通过河流体系向孟加拉湾倾注了大量陆地冲淡水。这些机制都有利于东印度洋海水剩余δ¹⁸O出现相对负偏移信号。但较低的岁差值导致开放的西...