海洋Re、Mo和U对氧化还原环境的指示作用

氧化还原敏感微量元素 Re、Mo 和 U 主要依靠扩散作用通过沉积物—水界面,在不同氧化还原条件下的沉积物中自生富集,Re在轻度还原的次氧化沉积环境中富集,Mo在还原性更强的硫化环境中富集,而 U 具有较宽的富集沉积深度区间。Re、Mo和 U 独特的地球化学行为使其可用于指示海洋环境的氧化还原状态,其在沉积物中的自生富集程度与沉积时所处的氧化还原条件具有良好的相关性：Re、Mo 和 U 在氧化沉积环境(Re/Al<1.3×10^-7,Mo/Al<0.4×10^-4)和季节性缺氧区覆盖的沉积环境中富集程度较小,在常年性缺氧区覆盖的沉积环境(U/Al>5×10^-4,Mo/Al>5×10^-4)和硫化沉积环境(Mo/Al>5×10^-4)中富集程度较大。除依据其地球化学行为特征和相对富集程度进行定性分析之外,还可以结合元素富集系数(TM_EF<1 表示亏损,TM_EF>1 表示富集,TM_EF     

干湿循环与初始静偏应力耦合作用下城市污泥固化土动力累积变形特性

城市污泥固化土用作路基填料,对于节约工程成本、保护环境等具有重要意义。本文以城市污泥固化土为研究对象,利用DDS动三轴仪,从干湿循环次数、初始静偏应力、动应力3个方面研究其对累积塑性应变及动强度特性的影响。试验结果表明:在干湿循环单独作用下,土体累积塑性应变随干湿循环次数的增加先增大后趋于稳定,但与初始静偏应力耦合作用下对土体累积塑性应变的影响不太显著。动应力对其影响较大,且存在临界值:当动应力小于临界值时,累积塑性应变呈现出先增大后逐渐稳定的趋势; 当动应力大于临界值时,累积塑性应变在达到某一振次后快速增大,土体迅速产生变形破坏。干湿循环与初始静偏应力都会降低土体的动强度,但干湿循环在达到10次后,动强度将趋于平稳,不再受其影响。通过回归分析,建立了考虑干湿循环次数、初始静偏应力及动应力等因素影响的城市污泥固化土稳定型累积塑性应变模型,并验证了其可行性。     

伟晶质岩浆的同化混染与分离结晶(AFC)作用及铀成矿效应:以纳米比亚湖山铀矿为例

纳米比亚湖山铀矿位于达马拉造山带的中央南部地区,工业铀矿物为晶质铀矿,属于伟晶岩型铀矿床。关于不同矿石中铀元素的富集与沉淀机制还存在一定争议。为了揭示伟晶质岩浆演化与铀矿化作用的关系,本文对矿区内不同矿物组成的伟晶岩型矿石开展了岩石和矿物地球化学研究。野外及镜下鉴定结果显示,矿化伟晶岩可以分为“简单类型”矿体和“复杂类型”矿体。前者具有正常的花岗伟晶结构,晶质铀矿均匀分布于造岩矿物之间,矿化程度低到中等;后者表现出非均匀的结构特征,且矿化程度极高,晶质铀矿在成因上与大量黑云母团块有明显的空间联系。地球化学研究表明:在“简单类型”伟晶岩中,铀元素主要通过伟晶质岩浆的分离结晶作用富集;“复杂类型”伟晶质岩浆的演化则明显受控于同化混染作用,其铀矿化为岩浆同化混染与分离结晶(assimilation-fractional crystallization,AFC)作用产物。具体而言,外来基性组分(FeO,MgO,TiO₂,MnO)的混入导致“复杂类型”熔体中矿物的结晶顺序发生改变,长石类矿物的“延后”结晶为黑云母提供了更加有利的结晶空间和条件,促使黑云母以团块状聚集的形式产出。黑云母的大量析出会引发残余岩浆中UF_m^4-m络合物的水解,导致晶质铀矿在团块黑云母内部或周围沉淀。因此,本文有关“简单类型”和“复杂类型”产铀伟晶岩的研究,有效地揭示了岩浆演化过程与铀矿化机制,丰富了伟晶岩型铀矿床理论,为后期勘查开发提供了科学依据。     

胶东金矿成矿深度的构造校正测算及成矿预测

成矿深度测算对于矿床学理论研究和深部找矿都有重要意义。经典的成矿深度“压力/比重”计算方法,缺乏考虑构造应力在成矿过程中的影响。前人按照“压力/比重”的计算方法,提出胶东蚀变岩金矿是6 000~8 000 m深的元古宙成矿,石英脉型金矿是深度在3 000 m左右的中生代成矿,并据此建立了金矿垂直五层楼的分带模式。依据该模式指导的深部预测勘查效果不好。“成矿深度构造校正测算”是近几十年逐渐成长起来的一个新方法,即先减去“构造附加压力”后再进行成矿深度测算。本文介绍“成矿深度构造校正测算”的计算方法,指出其应用条件和预测意义。开展成矿深度构造校正测算需要以下条件:(1)确定成矿模式;(2)开展野外构造变形岩相测量;(3)测量岩石矿物应变,恢复成矿构造应力场,计算构造附加静水压力;(4)测算成矿深度。根据“成矿深度构造校正测算”方法已经获得胶东多个典型金矿成矿深度的测算结果:(1)夏甸金矿成矿深度为-1 979.51~-3 014.72 m;(2)焦家金矿成矿深度为-1 632.4~-2 331.6 m;(3)大尹格庄金矿成矿深度为-2 775.4~-4 164.5 m;(4)新城金矿成矿深度为-1 781.29~-2 750.0 m;(5)玲珑金矿成矿深度为-720.55~-3 454.97 m。根据以上典型金矿成矿深度的测算结果,本文认为胶东金矿属于深-1 000~-4 500 m的浅成热液剪切带型矿床,由此推断胶东典型金矿矿体主要部分仍然赋存在深部。按照“构造校正测算”方法得到的成矿深度,结合地质、物探和化探信息,预测金矿发育“深部第二富集带”,已经得到胶东金矿勘查工作的证实。     

长江口沉积物-水界面砷的迁移转化机制与微生物调控分析

为探析长江口沉积物-水界面砷的迁移转化机制,本文分析了2019年夏季长江口4个站位上覆水和间隙水中总As浓度及形态的剖面变化特征,耦合氧化还原敏感元素(Fe、Mn和S)的剖面变化剖析了沉积物-水界面砷循环的Fe-Mn-S控制机制,同时结合砷相关功能基因探讨了沉积物-水界面砷迁移转化的微生物调控过程,估算了沉积物-水界面总As的扩散通量。结果表明,除A7-4站位外,长江口其他3个站位间隙水总As以As³⁺为主要存在形态,且总As浓度均在上覆水中为最低值(0.748~1.57 μg·L^-1),而在间隙水中随着深度增加而逐渐增加并在6~9 cm深度达到峰值(7.14~26.9 μg·L^-1)。间隙水总As及As³⁺浓度的剖面变化趋势与溶解态Fe²⁺、Mn²⁺相似,其均在中间层出现高值,说明沉积物Fe/Mn还原带砷的释放可能是随固相Fe(Ⅲ)或Mn(Ⅳ)的还原而转移到间隙水中的。氧化层和Fe/Mn还原带过渡区间隙水砷浓度与砷异化还原菌功能基因arrA和arsC丰度存在对应关系(除A1-3站外),说明砷异化还原菌将溶解As⁵⁺或固相As⁵⁺还原为溶解As³⁺可能是该过渡层砷迁移转化的另一重要过程。硫酸盐还原带的间隙水总As和As³⁺浓度降低,但由于间隙水的低S^2-浓度不利于砷硫化物生成,因此深层间隙水砷可能与铁硫矿物结合而被移除。底层环境氧化还原条件是影响沉积物-水界面砷迁移转化的重要因素,随底层水DO浓度的降低,砷迁移转化更倾向于微生物还原控制。长江口沉积物-水界面总As的扩散通量为1.18×10^-7~2.07×10^-7 μmol·cm^-2·s^-1,均表现为沉积物间隙水中总As向上覆水释放,即沉积物是研究区域水体总As的来源之一。     

考虑动态泥膜效应的盾构开挖面稳定理论研究

泥水盾构工法被广泛应用于高压富水复杂地质环境中修筑隧道,其中开挖面稳定控制是工程成败的关键,在盾构掘进时,由于刀盘不断旋转切削地层,开挖面上的泥膜处于“形成―破坏―再形成”的动态循环过程,泥膜透水性增强,这种动态泥膜作用下开挖面的稳定如何评价有待于进一步探索。对此,对泥水盾构掘进过程中的动态泥膜进行了分类,提出了考虑盾构运动和泥浆渗滤特征的动态泥膜理论。在此基础上,采用空间离散法将泥水压力引入旋转体模型,建立了考虑动态泥膜效应的开挖面稳定力学模型,提出了泥水盾构动态掘进过程中开挖面临界泥浆压力及泥浆支护效率评估方法,研究指出：当盾构在强渗透性地层中掘进时,在尽量提高泥浆成膜率的同时,应注重泥浆黏度调节,充分发挥渗透力支护作用,同时可适当提高盾构掘进速度并降低刀盘转速,有利于开挖面稳定控制。以泥浆成膜率、等效渗透系数为依据给出了泥浆支护效率设计图,研究工作对盾构掘进支护压力控制和泥浆配置有一定的借鉴意义。     

水合物储层伺服降压开采模型试验研究

深海水合物赋存于一定的温度和压力环境下,降压开采时降压速率对分解产气速率和储层变形特性影响显著。利用浙江大学自主研发的水合物降压开采试验装置,通过伺服控制降压速率,初步开展了水合物储层模型降压开采试验,研究了储层温度场、孔压场、产气量等的响应特性,探讨了降压速率对产气效率和储层变形特性的影响规律。试验表明：水合物竖井降压开采时,开采井周围储层温度率先下降,分解域由井周逐步向周围发展。适当提高降压速率能够提高储层开采效率,但降压速率过快时易导致水合物重生成,反而不利于水合物高效持续稳定开采,开采时应选择合理的降压速率以达到最优产气效率。开采过程中根据储层孔隙与外界连通程度,储层孔隙状态可分为完全封闭型、局部封闭型和开放型3种类型。储层开采试验完成后,浅层土体出现 3 种不同变形特征的区域：I 区为井周土层,呈漏斗型下陷;II 区土层平坦,无明显扰动痕迹;III 区为边界土层,该处水气产出受阻导致部分气体向上迁移引起土丘状隆起带出现。这些变形特征与气体在储层中的迁移路径和运移模式相关。通过相似性分析,给出了模型与原型分解时间和产气量等的对应关系。     

基于单三轴试验与直剪试验的层状软岩模拟

为探究模型试验中层状软岩模拟方法,依托九绵高速层状软岩隧道现场取样的室内试验结果,多次试验确定重晶石粉、石英砂、石膏粉、滑石粉和水的最优配比以模拟软岩基体,采用带孔薄膜模拟层理弱面的黏结作用,并通过直剪试验确定孔隙率,最后对不同层理角度与层理厚度的试样开展直剪与单、三轴试验以反映各向异性情况。结果表明：软岩基体模拟最优配比为0.55:0.15:0.07:0.06:0.17,重晶石粉对强度及破坏变形起决定作用,含量过低易压溃,含量过高产生上下贯通裂缝;采用30%孔洞率的薄膜模拟层理效果最佳;土样强度随层角呈U形变化,层厚减小（不小于2 cm）,强度减小。直剪试验中,45º层理剪切面朝层理方向倾斜,90º层理导致剪切面上下产生裂缝与碎裂,单三轴结果中,0º层理会产生小角度倾斜裂缝,45º层理产生垂直层理面的斜裂缝及二次破裂,90º层理产生顺层理的竖向劈裂;与现场结果对照后确定最优层厚为 3 cm,对层角与层厚的直剪与单三轴试验结果整体一致,揭示土样孔隙压密闭合−弹性−塑性胀裂破坏−徐变的过程。     

洞穴滴水、石笋中元素及元素比值对气候环境变化响应的研究进展

滴水/石笋元素是除δ18O和δ13C,研究气候环境变化的又一重要代用指标。外界气候环境变化通过改变表层岩溶带和岩溶含水层中的水文环境,甚至洞穴环境,进而影响元素的溶解、运移和沉淀过程,从而使得滴水/石笋中元素表现一定的变化规律。本文通过分析影响洞穴滴水元素及元素比值变化的因素：元素来源、水—岩相互作用和滞留时间、差异性淋滤、先期碳酸盐沉淀及分配系数的基础上,从元素对岩溶区“二元结构”和极端天气/气候事件响应的角度,探讨了滴水/石笋中元素的气候环境指示意义。取得了以下认识：① 强降水带来的冲刷作用和溶解作用,促进土壤和基岩中元素、胶体和天然有机质（NOM：Natural Organic Matter）等物质在短时间内快速溶解和运移,使滴水中元素含量增加;但随着降水增多带来的稀释作用,使得滴水/石笋中Mg,Sr和Ba等元素含量降低,因此,单一元素的解译较为复杂;② 基岩/溶液中元素溶解和沉积的差异,导致元素相对含量的变化,使得元素X/Ca值对外界环境的响应具有一致性,尤其是Mg/Ca和Sr/Ca值：在干旱条件下,降水减少导致方解石先期沉积（PCP：Prior Calcite precipitation）作用增强,使Mg/Ca和Sr/Ca值增大。但目前存在着一些问题：① Mg/Ca和Sr/Ca值变化对强降水事件的响应并不明显,可能与新、老水混合及元素溶解过程中的溶解比例差别不大有关;② 多源、多期混合水源会导致洞穴滴水元素对极端事件响应减弱;③ Mg/Ca和Sr/Ca的变化为解释δ18O的“雨量效应”及“源效应”提供了见解,但元素变化能否反映季风强度的变化,仍有待进一步的研究。基于以上认识,笔者提出开展更加系统的大气—土壤—包气带—洞穴的监测;开展更高分辨率、更长时间尺度的洞穴监测;开展多区域、多洞穴系统对比研究来更加深入地开展洞穴石笋元素研究。     

沉积盆地走滑构造的力学机制和变形特征

走滑构造是地壳上最重要也是最复杂的构造之一,尽管经历了长期研究历史,但在其某些特征方面还存在着不确定认识。笔者等基于力学和脆性破裂理论以及安德森断层模式,分析了走滑构造的成因类型及相关构造的几何学特点。在总结走滑构造基本特征的基础上,说明了沉积盆地中大型走滑构造是基底先存断层或薄弱面复活形成,局部有新生型的,提出了准摩擦滑动的概念。明确了直扭、压扭和张扭的含义,并将亚简单剪切应用于分析断层活动。细化了各种构造的发育顺序,讨论了不同性质构造的形成条件,强调了构造几何关系与走滑带应力性质的关系。归纳了花状构造形成的构造部位,明确了走滑构造带结构及其主控因素,并用于地表和地下走滑构造的识别。