海底沉积物孔隙压力原位长期观测技术回顾和展望

海底沉积物孔隙压力对海底地质灾害过程反应敏感,是表征海床稳定性的一个重要指标,通过海底沉积物的孔隙压力观测可以判断海床的稳定状态,对于海底地质灾害预测预警具有重要意义。海底沉积物孔隙压力观测存在(1)超高背景压力下的高精度测量;(2)贯入过程传感器超量程破坏;(3)系统长期供电及传感器漂移;(4)深海海底布放和回收等技术难点。国际上海底孔隙压力观测技术从20世纪60年代开始发展,逐渐形成了系列核心监测技术和成熟的商业化设备产品。挪威岩土工程研究所NGI与美国伊利诺伊大学共同研发的NGI-Illinois压差式孔隙压力观测系统,是已知最早的海底沉积物孔隙压力观测设备。此后,美国地质调查局USGS、美国桑迪亚国家实验室、英国牛津大学等相继研发了不同结构的观测设备,覆盖浅海到深海。其中,英国海洋科学研究所研发成功的深海孔隙压力原位长期观测设备PUPPI是一个重要的历史节点,该设备能够在6 000 m水深的环境中连续运行一年,成为当时最成功的海底孔隙压力观测设备,其现代化的设备结构和设计理念被后续的观测设备广为借鉴。21世纪以来,得益于海洋科学技术的整体进步,国际孔隙压力观测技术发展呈现加速趋势。法国海洋开发研究院IFREMER研发的Piezometer系列孔隙压力观测探杆,代表了当今世界的先进水平,可能是目前应用次数最多的海底孔隙压力观测设备。我国在深海探测、观测技术领域起步较晚,在深海沉积物孔隙压力原位长期观测技术方面几乎空白,发展很不成熟。其中,中国海洋大学、自然资源部第一海洋研究所等单位进行了较多的探索性研发工作。近年来,以港珠澳大桥建设、南海天然气水合物试采等为标志的大批国家级海洋建设项目如火如荼,深海油气矿产资源开发、深海天然气水合物开采利用等海洋新兴产业快速起步,深海孔隙压力原位长期监测关键核心技术等“卡脖子”问题仍然突出,严重制约了我国海洋工程产业发展的步伐。因此,迫切需要发展具有自主知识产权和关键核心技术的国产深海沉积物孔隙压力原位长期监测技术。本文回顾了国际、国内海底孔隙压力观测技术的相关研究进展,旨在分析总结孔隙压力观测技术及其应用中涉及的一些核心技术和亟待解决的关键问题,以期为我国该项技术的发展和应用提供借鉴。     

长乐—南澳构造带泉港临头片麻状英云闪长岩中岩浆绿帘石的发现及其地质意义

岩浆绿帘石能够作为压力计反映岩体侵位深度,进而可估算地壳抬升剥蚀速率及地壳演化历史,因而引起了人们的研究关注。在长乐—南澳构造带泉港临头地段发现了片麻状英云闪长岩中的岩浆绿帘石。该地段是我国当前报道岩浆绿帘石的第5处产出地,但在东南沿海地区尚属首次发现。含岩浆绿帘石的片麻状英云闪长岩形成于早白垩世(K₁),以钙性(C,Peacock碱钙指数)、中钾钙碱性系列(MKCA)、准铝质和弱过铝质、钙碱性系列(CA,Miyashiro SiO₂-FeO^*/MgO)为主,具镁安山岩系列(MA)性质,呈奥长花岗岩演化趋势(Tdj);轻稀土(LREE)较富集,铕负异常不明显;微量元素呈现较大的钽(Ta)、磷(P)和钛(Ti)负异常,显示出造山带火山弧花岗岩的特征。片麻状英云闪长岩中绿帘石岩相学特征显示,黑云母和自形的绿帘石分布于斜长石的隙间,为典型的填间结构;绿帘石与黑云母相互接触、相互包裹,是一起从富水的晚期岩浆中结晶出来的原生矿物,不是交代斜长石的岩浆期后的次生矿物。绿帘石电子探针分析结果显示Ps值为24~29,TiO₂含量均小于0.1%。综合绿帘石岩相学与化学特征知悉,泉港临头片麻状英云闪长岩中的绿帘石为岩浆绿帘石。岩浆绿帘石形成压力约870 MPa,深度为25~32 km,而现今东南沿海陆壳厚度约30 km,据此推测,早白垩世(K₁)时东南沿海陆壳厚度为55~62 km;早白垩世(K₁)之后,地壳可能经历了多次抬升。     

复杂深海工程地质原位长期监测系统研发与应用

海底滑坡、浊流等深海底地质灾害严重威胁海洋工程安全,是国家深海开发亟待解决的风险问题。为避免深海海底地质灾害对海底工程造成危害,解决深海海底地质灾害监测预警的难题,我们研发了一套复杂深海工程地质原位长期监测系统。该系统通过声学、电阻率、超孔隙水压力等方法监测深海海底沉积物的物理力学性质变化,实现了对深海海底地质灾害的监测和预警。该系统主要包括海床基搭载平台、监测系统、通信控制系统、供电系统等。其中监测系统主要通过原位长期监测海底沉积物的电阻率、声学、超孔隙水压力等的变化来获取海底沉积物的物理力学性质变化;通信控制系统可以实现海底到海面,再到陆地的双向通信和数据传输。其中供电系统通过独特设计的海水电池工艺,可以满足该系统在海底长期工作一年的电量需求。复杂深海工程地质原位长期监测系统已完成了近海测试,并搭载“海洋地质六号”“东方红三号” “张謇号”等科考船在南海进行了多次远海海试,获取了丰富的实测数据。电阻率监测系统采用温纳法滚动测量,测得的水土界面位置平均电阻率为0.207 Ω·m。超孔隙水压力监测系统采用开放式结构的压差式光纤光栅孔压测量方法,监测到孔压观测的4个标志性阶段:(1)贯入过程引起的超孔隙水压力累计,峰值为34.942 kPa,历时0.182 h;(2)贯入完成后累积的超孔隙水压力衰减,衰减到9.973 kPa,历时为0.810 h;(3)环境应力引起的超孔隙水压力实时响应,超孔隙水压力的变化范围为8.327~14.384 kPa;(4)残余孔隙水压力平均值为11.150 kPa。声学监测系统采用两个一发三收模式,测量的海水平均声速为1 533 m/s,测量的海底沉积物自上而下的平均声速依次为1 586、1 587、1 784、1 735、1 831 m/s。复杂深海工程地质原位长期监测系统的成功研制将显著提升目前海洋工程地质原位长期观测的技术能力,解决复杂深海工程地质评价及地质灾害监测预警的技术难题。     

Evaluation of the benefits of facility for disaster mitigation based on the risk of debris flow

Landslides - Numerous collapses and landslides caused by the Wenchuan earthquake provide abundant loose materials for a large number of debris flows that occurred after the earthquake. Most of the...     

Preliminary analyses of landslides and sand liquefaction triggered by 22 May, 2021, Maduo Mw 7.3 earthquake on Northern Tibetan Plateau,China

During the Maduo Earthquake (MDEq) (M_w 7.3), which occurred on 22 May 2021 in the northern Tibetan Plateau, coseismic surface ruptures, numerous land liquefaction instances and landslides, were triggered along the NW strike of the?~?160 km long aftershock zone. We performed three times emergency field surveys (22 May to 3 Jun., 28 Jun. to 14 Jul., 8–24 Oct., 2021) with unmanned aerial vehicle (UAV) orthophoto and digital elevation model (DEM) data. We found a discontinuous coseismic surface rupture zone along with loose sediment, severe sand liquefaction regions with an area of?~?10³ km² along the Yellow River and its tributaries. More than 23 coseismic landslides had been checked with relative small-size volume for limited local terrain relief. Three of those landslides had relatively small source areas and volumes and affected relatively large areas. We identified numerous tension cracks in and around the trailing edges, which could trigger more landslides in the future. Further detailed research into the occurrence of these three landslides will reveal the failure mechanism of the earthquake (shaking)–freeze–thaw effect–rainfall disaster chain. Here, we present basic information to aid the overall understanding of the preliminary characteristics of coseismic earthquake-triggered landslides, sand liquefaction, and possible follow-up disasters.

     

New insights into the occurrence of the catastrophic Zhaiban slope debris flow that occurred in a dry valley in the Hengduan Mountains in southwest China

Landslides - In 2019, the catastrophic Zhaiban slope debris flow (ZSDF) crushed an open road tunnel in Ganluo County, Sichuan Province, China, causing seven deaths and interrupting traffic flow for...     

中国东北地壳结构的地震层析成像

中国东北地区自晚古生代晚期以来,受古亚洲洋、蒙古—鄂霍茨克洋、太平洋构造域的叠加作用,壳幔结构极为复杂。本文收集中国东北地区国家地震台网接收的100 980个P波和91 030个S波到时数据,采用地震走时层析成像方法获得了该地区地壳P波和S波速度结构,进而获得了泊松比结构,用以探讨复杂的地壳结构。成像结果显示：中国东北地区地壳地震波速度结构呈明显的横向不均匀性,不同构造单元和构造单元内部都存在不同程度的不均匀性。松辽盆地整体上浅层地壳以低速异常为主,尤其是S波速度,但部分区域分辨率较低,中下地壳存在较大范围高速异常,推测与太平洋俯冲、后撤导致的岩石圈拆沉和热物质上涌等动力学过程有关;北部的大兴安岭重力梯级带和长白山一线主要表现为低速异常,表明具有大范围的岩浆作用,广泛岩浆作用为固体矿产资源的形成提供热源或物源;长白山、五大连池等近代活动的火山下方部分地壳区域均表现了较强低地震波速度和高泊松比异常结构特征,表明仍存在活动的可能。     

A micromechanics-based elasto-plastic model for granular media combined with Cosserat continuum theory

Acta Geotechnica - This paper is devoted to the micromechanical model of granular materials based on the Cosserat continuum theory. The generalised stress–strain relationships of a...     

Study on indium occurrence state and enrichment patterns in the Xianghualing Sn-Pb-Zn orefield in southern HunanSCIEI北大核心CSCD

In作为一种分散元素,通常极难形成独立矿床,而主要以伴生组分的形式赋存在锡多金属矿床中。香花岭矿田蕴藏着丰富的Sn、Pb、Zn等矿产资源,是我国潜在的In资源基地,但目前该矿田中In的赋存状态、分布规律及成矿潜力尚不清楚。鉴于此,本文以香花岭矿田3个典型锡多金属矿床(新风、铁砂坪、茶山)为研究对象,在野外地质及矿相学观察的基础上,采用ICP-MS、EPMA和LA-ICP-MS开展了全岩地球化学和闪锌矿元素地球化学研究。结果表明,In主要以类质同象的形式富集在闪锌矿中,可能的替代方式为In^(3+)+Cu^(+)2←→Zn^(2+)。不同矿床中In的富集程度明显不同,其中,新风最富In(平均品位213.7g/t),其次为茶山,而铁砂坪最贫In。发现当闪锌矿中Cd含量介于5000×10^(-6)~7000×10^(-6)区间时,对应的In含量最高(>1000×10^(-6))。3个矿床的闪锌矿均富集Fe、Mn、In等高温元素,显著亏损Ga和Ge等低温元素。通过对比发现,这些闪锌矿与典型中高温岩浆-热液矿床(如远端矽卡岩型矿床)中闪锌矿的元素地球化学特征相似,应用闪锌矿地质温度计估算的结晶温度为345~372℃,且新风闪锌矿温度略高。闪锌矿中In的含量主要受温度控制,越靠近岩体、温度越高的闪锌矿越富In。结合前人资料,估算香花岭矿田伴生In资源量超过15000t,潜在经济价值巨大,应予以回收利用。