Micromechanical approach to swelling behavior of capillary-porous media with coupled physics

A detailed multiscale analysis is presented of the swelling phenomenon in unsaturated clay-rich materials in the linear regime through homogenization. Herein, the structural complexity of the material is formulated as a three-scale, triple porosity medium within which microstructural information is transmitted across the various scales, leading ultimately to an enriched stress-deformation relation at the macroscopic scale. As a side note, such derived relationship leads to a tensorial stress partitioning that is reminiscent of a Terzaghi-like effective stress measure. Otherwise, a major result that stands out from previous works is the explicit expression of swelling stress and capillary stress in terms of micromechanical interactions at the very fine scale down to the clay platelet level, along with capillary stress emerging due to interactions between fluid phases at the different scales, including surface tension, pore size, and morphology. More importantly, the swelling stress is correlated with the disjoining forces due to electrochemical effects of charged ions on clay minerals and van der Waals forces at the nanoscale. The resulting analytical expressions also elucidate the role of the various physics in the deformational behavior of clayey material. Finally, the capability of the proposed formulation in capturing salient behaviors of unsaturated expansive clays is illustrated through some numerical examples.     

Preaching to different choirs: How to motivate dismissive,uncommitted, and alarmed audiences to adapt to climate change?

People vary considerably in terms of their knowledge, beliefs, and concern about climate change. Thus, an important challenge for climate change communicators is how to most effectively engage different types of audiences. This study aimed to identify distinct audience segments that vary in terms of their values, beliefs, and responses to climate change and determine for each segment which specific message attributes increased motivation to engage in climate adaptation. A sample of 1031 Australian residents (aged 18–66 years) completed an online survey assessing their values, beliefs, and behaviors related to climate change, and recording their responses to a broad range of climate change adaptation messages. Latent profile analysis identified three distinct audience segments: alarmed (34.4%), uncommitted (45.2%), and dismissive (20.3%). Sixty climate change adaptation messages were coded in terms of the presence/absence of six attributes: explicit reference to climate change, providing specific adaptation advice, strong negative emotive content, emphasis on collective responsibility, highlighting local impacts, and underscoring financial impacts. Participants viewed a random sample of six messages and rated the extent to which each message motivated them to seek out more information and immediately respond to the climate change threat portrayed in the message. Multilevel modeling indicated messages that included strong negative emotive content or provided specific adaptation advice increased adaptation intentions in all three audience segments. Omitting any mention of climate change and emphasizing local impacts increased adaptation intentions in dismissive audiences. Implications for tailoring and targeting climate change adaptation messages are discussed.     

“东方之星”客轮翻沉事件周边区域风灾现场调查与多尺度特征分析

2015年6月1日21:30左右长江湖北监利段发生"东方之星"客轮翻沉特大事故。本文根据事发周边陆地区域现场天气调查结果,结合卫星和雷达观测资料分析认为,6月1日21:00-21:40左右事发江段和周边区域发生了下击暴流导致的强烈大风灾害,最强风力超过12级,并具有空间分布不连续、多尺度和强灾害时空尺度小等特征。事发周边区域北部受中气旋影响陆地区域(顺星村、老台深水码头、四台村养猪场附近、新沟子养鸡场附近等)灾情较南部阵风锋及其后侧下击暴流影响的陆地区域更为显著。综合雷达观测资料和现场调查资料分析判断多数调查点灾害为显著微下击暴流所致,其中老台深水码头有龙卷发生的可能。导致此次风灾的强对流风暴气流具有显著的多尺度性;事发周边区域北部的四台村养猪场附近树林中同时发生了多条相邻的微下击暴流条迹,呈现出辐散和辐合交替分布的特征,展示了此次强对流风暴中大气运动的复杂分布特点。虽然下击暴流会伴随中小尺度的涡旋特征,但此次现场调查发现的与下击暴流相联系的辐合特征水平尺度仅几十米,远小于弓形回波两端的书挡涡旋或者中涡旋等几千米级的水平尺度。     

遥感模式分类中的空间统计学应用——以面向对象的遥感影像农田提取为例

如何有效地从遥感图像中提取所需信息,是遥感图像处理和应用的关键,而尺度选择问题一直是影响遥感信息提取精度的关键问题之一。本文论述了利用空间统计学方法解决遥感影像模式分类中的尺度问题的理论基础。针对面向对象影像分析问题,将影响遥感影像多尺度分割的尺度分割参数概括为空间属性分割参数、光谱属性分割参数和影像对象面积阈值参数,并分别提出了基于统计学的尺度参数估计方法。以SPOT-5影像面向对象农田提取为例,基于变异函数方法进行了尺度优选试验,系列尺度分类试验结果表明基于空间统计学尺度估计得到的尺度分割结果进行分类能得到最高的精度,进而证明了基于空间统计学方法进行面向对象信息提取尺度估计的有效性。该方法是完全数据驱动的方法,基本不需要先验知识参与。不同于以往分割后评价的尺度选择方法会占用大量计算资源且耗费大量时间,本文提出的方法不仅能在一定程度上保证面向对象信息提取的精度,而且在一定程度上也提高了面向对象信息提取的效率和自动化程度。     

一种四叉树和测地线活动轮廓模型相结合的海陆影像分割方法

海陆影像分割对于后续的海岸线提取、潮间带地形反演、海岸演化状况分析等都具有十分重要的意义。本文在分析了四叉树、测地线活动轮廓(GAC)模型和Canny边缘检测算子等在海陆影像分割中优缺点的基础上,提出了一种四叉树、Canny算子和GAC模型相结合的海陆影像分割方法。该方法综合利用上述各方法的优点,将Canny算子边缘检测结果融入到基于四叉树初分割的GAC模型中,重构边界停止函数,演化水平集方程,实现海陆影像分割。试验结果表明,该方法具有海陆影像分割速度快、精度高、可靠性强和自动化程度高等优点,对于弱边缘以及严重凹陷边缘,都能实现自动和准确分割。     

ECM算法的多视SAR影像分割

多视SAR影像像素强度通常建模为Gamma分布,其形状参数为常数(视数)。实验表明,多视SAR影像分割时,设Gamma分布的形状参数为变量可取得更好的分割结果。由于Gamma分布中形状参数以Gamma函数的形式出现,利用EM算法求解时无法获得形状参数的解析解。为此,本文提出了一种基于Expectation/Conditional Maxinnization(ECM)算法的多视SAR影像分割方法。利用ECM算法估计最大化后验概率条件下的Gamma分布参数及表征最优多视SAR影像分割的标号场实现。采用模拟和真实多视SAR影像验证提出算法。实验结果表明,Gamma分布的形状和尺度参数均能快速收敛到稳态值,且以此得到各同质区域的Gamma分布曲线可以很好地拟合其直方图。通过对分割结果的定性和定量分析,可知提出算法具有有效性和可行性,且优于EM算法。     

基于神经网络的页岩微纳米孔隙微结构分析的正则化和最优化方法

页岩气成藏机理与页岩内部孔隙结构紧密相关,对页岩孔隙结构的研究成为页岩气勘探开发技术中至关重要的一环。页岩内部不同结构体组分对X-射线的吸收能谱不一样,这样就导致观测数据是由不同页岩组分衰减不同波段的X-射线构成的。经过对CT图像分割,能够获得页岩微孔结构的图像,尤其是获得有机质中孔隙类别、形状、尺寸、空间分布、连通特性。本文利用同步辐射X射线扫描重构的页岩CT数据,研究并设计基于多能CT图像的神经网络图像分割技术和算法,以期得到页岩体三维结构特征及空间分布,可以为建立有机质种类和无机矿物组成与微纳孔隙特征的联系以及最终实现页岩气的资源储量评估和勘探开发提供技术支持。     

基于面向对象分类的稀土开采区遥感信息提取方法研究

离子吸附型稀土矿是我国宝贵的矿产资源,运用遥感影像分类技术提取稀土开采区可以准确地实现对稀土开采状况的监测,但仅利用光谱信息往往难以保证分类精度。本文以江西寻乌稀土矿区为研究区,以IKONOS影像为数据源,应用面向对象分类方法提取了稀土开采区的遥感信息。针对稀土开采区的分布特点,选择基于边缘的分割算法进行影像分割;结合地形信息、光谱信息及几何信息建立规则集,进行特征提取;最后采用隶属度函数法实现面向对象分类,并与传统的光谱角填图分类进行对比分析。研究结果表明,面向对象分类法提取稀土开采区的总体精度为92.49%,Kappa系数为0.857 6,与传统监督分类方法相比有了很大的提高。     

1948年川西理塘 M7. 3地震地表破裂特征及Riedel剪切构造分析

1948年川西理塘M7. 3地震是川滇菱形块体内部近一个世纪以来发生的震级最大的走滑型地震。在对此次同震地表破裂进行详细调查基础上,利用差分GPS对同震地表破裂带进行了精确测量与统计分析。结果揭示该地表破裂的现存长度为36 km,北端始于无量河以北,往东南沿藏坝盆地北东缘、德巫盆地东南缘,延伸至德巫乡北,分为南、北两段,而在交德附近存在约3 km长的地表破裂空区。对同震地表破裂的线密度和同震水平位错量进行分段统计后揭示,此次地震的宏观震中应位于德巫盆地中部交德东南约4~5 km处。对理塘同震地表破裂的Riedel剪切分析结果指示,该破裂带主要由R剪切组成,以发育雁列状排列的挤压鼓包(Push- up)为主要特征,伴有少量R′剪切与T裂缝,缺少P型与X型剪切。其中R剪切占95%以上,其在藏坝段(北段)的优势方向为318°,德巫段(南段)为315°,整条地表破裂带的R剪切平均方向为316°。同时发现,此次地震形成的雁列状挤压鼓包主要以平缓的“弧形”为主,这与1981年道孚MS 6. 9地震和2010年玉树MS 7. 1地震地表破裂带中出现大量反“S”形挤压鼓包有所不同,推断与走滑断裂滑动速率密切相关。沿强滑动速率走滑断层地震破裂带的Riedel剪切发育会更为完善,挤压鼓包也更发育,易形成反“S”形,反之则以平缓的“弧形”为特征。综合分析认为,1948年理塘同震地表破裂带的展布主要受藏坝盆地与德巫盆地控制,而且藏坝段(北段)与德巫段(南段)的R剪切方向存在偏差,这可能与两个拉分盆地的发育程度有关。     

塔里木盆地顺北地区11号走滑断裂带变形及其活动特征

塔里木盆地顺北地区发育大量走滑断裂带,并对油气的运聚成藏有重要控制作用。以顺北西部地区地震资料为基础,对顺北11号走滑断裂带的几何变形特征、活动性、活动期次及其形成机制等进行了分析。顺北11号走滑断裂带整体呈NNW走向延伸,具有垂向分层性和平面分段性。断裂带北段主体为压扭和张扭交互段,中段为两条次级断层控制的拉分地堑,南段由数条分支断层构成马尾状构造。顺北11号断裂带整体活动性由北向南减弱,运动学标志显示是一条右旋走滑断层。顺北11号断裂带主要经历了晚奥陶世和晚志留世-中泥盆世两期活动,部分地区的活动持续到石炭纪。顺北11号走滑断裂带的活动性和运动学特征与塔北地区NNW走向的走滑断裂体系比较相似,而不同于塔中地区的NE向左行走滑断裂体系。顺北11号走滑断裂带的形成主要受控于塔里木盆地北部天山洋多期俯冲挤压而产生的自北向南的挤压应力,断裂自北向南扩展延伸,类似于顺北5号走滑断裂带的北段。