岩浆底侵的热-流变学效应及对峨眉山大火成岩省的启示

岩浆底侵在大陆地壳的形成和演化过程中起着非常重要的作用。本文基于二维热传导方程模拟不同规模的地壳底侵产生的热-流变学效应,以及幔源岩浆温度和含水量对底侵厚度的影响;并以现有的岩石地球化学分析、深部地球物理探测结果为约束,模拟了峨眉山大火成岩省内带幔源岩浆底侵对应的地表热流随时间演化,探讨了形成幔源岩浆底侵的潜温和初始熔融的深度制约。结果显示:1)幔源岩浆底侵引起的热扰动的耗散时间取决于岩浆底侵的初始厚度。以幔源岩浆侵入温度为1300℃,20km厚的地壳底侵为例,热扰动完全耗散需经历约150Myr;而5km厚的地壳底侵,只需经历50Myr热扰动已基本耗散殆尽。2)在初始阶段,岩浆底侵会造成岩石圈强度的显著降低;随着热耗散的进行,岩石圈强度会逐渐恢复;在热扰动耗散殆尽之后,岩石圈强度反倒比底侵前的岩石圈强度更大。这表明岩浆底侵不但可以导致地壳增厚,还会最终导致岩石圈的强化。3)温度对地壳底侵厚度的影响比含水量的影响要大得多。将我们的模型应用于峨眉山大火成岩省,结果表明内带地壳底侵的热耗散需持续上百个百万年,岩浆潜温超过1500℃,初始熔融深度超过200km。     

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。     

膨胀土工程地质特性研究进展

根据近年来国内外学者围绕膨胀土工程地质特性取得的研究成果,着重从胀缩性、裂隙性、超固结性、强度、渗透性、微观结构及工程处治技术等几个方面总结了该课题的研究现状及进展,得到如下认识:（1）胀缩性主要取决于强亲水性黏土矿物含量、水/力边界条件及初始状态,在干湿循环条件下具有不可逆性,关于胀缩机理学界存在不同的观点;（2）裂隙性是膨胀土区别于一般土体的显著特征之一,裂隙的存在会极大破坏土体的整体性,弱化力学性质,是许多工程地质问题的直接或间接原因,裂隙形成过程与膨胀土矿物成分、微观结构和干燥过程中的内应力发育状态有关;（3）超固结性使膨胀土具有较大结构强度和水平应力,易在开挖过程中引起较强的卸荷效应,是促进边坡失稳的重要因素;（4）膨胀土的强度随干湿循环次数增加而逐渐降低,并最终趋于稳定,其中裂隙发育和土结构调整在此过程中起关键作用;（5）渗透性在很大程度上受裂隙的控制,但目前关于两者之间的定量关系还缺少系统研究;（6）微观结构反应了膨胀土的形成条件和应力历史,是决定其宏观物理力学性质的主要因素,开展微观结构研究是掌握膨胀土宏观性质本质规律的重要途径。在工程处治技术上,本文重点介绍了近些年发展起来的膨胀土路堤物理处治技术和路堑边坡柔性支护技术。最后,针对该课题的研究现状,笔者提出了今后的研究重点和方向,主要包括胀缩性和力学性质的各向异性、裂隙形成的力学机理、裂隙形态特征与工程地质特性之间的定量关系、宏-微观力学模型耦合问题及多场耦合作用下膨胀土工程性质响应特征等。     

反倾岩坡倾倒变形结构面影响效应研究

为探究斜坡内赋存不同角度裂隙对反倾岩质斜坡倾倒变形影响效应,设计9组底摩擦试验,对比无裂隙、含一组陡裂隙和一陡一缓两组裂隙的3种类型试验,并研究不同裂隙角度对破裂面影响效应。研究发现:陡倾裂隙倾角的变化对岩坡变形及主破裂面形态有明显规律性影响,陡倾裂隙倾角越陡,发生倾倒破坏的初始破坏部位逐渐偏浅,破坏面积相对减小,破裂面从近直线型逐渐转变成近弧形;缓倾裂隙的赋存,使陡倾裂隙顺尖端开裂增长并且相互沟通形成贯通的破裂面过程更加快捷;主破裂面上覆层状岩体在倾倒变形时,会在其中部产生反向弯曲折断;通过定量分析,发现随着陡倾裂隙倾角增大,岩坡倾倒变形破坏幅度降低,而主破裂面无论是长度还是反映迹线复杂度的分维值亦随之降低。     

太古代片麻状花岗岩浅埋隧道变形破坏及地面塌陷分析——以集宁隧道为例

浅表古老花岗中浅埋隧道常处于拉张应力状态而拱顶下沉,波及地表产生地面塌陷,影响工程稳定及人员安全。以集宁隧道为例,采用工程地质调查、室内力学试验、围岩稳定计算相结合的方法,从太古代集宁片麻状花岗岩风化壳分带、岩体结构控制和岩体质量分级方面研究围岩变形破坏特征。花岗岩中-微风化特性、大部分隧道位于地下水位以下,节理裂隙夹泥,变形破坏以多组节理切割下块体掉落和塌方为主要形式。在花岗岩古风化壳与上第三系泥岩交界处出现差异变形和不均匀沉降。浅埋隧道段塌方发展到地表形成4个长轴与隧道轴线一致的椭圆形塌陷坑。现场应力监测结果显示顶拱接触压力小于自重应力,侧压力更小,对顶拱稳定不利。为保证施工人员和机械设备安全,在此区段采取针对块体稳定和塌方的加强支护措施,取得较好效果。     

开挖条件下含陡倾结构面顺层岩质边坡破坏模式与稳定性预测

顺层岩质边坡易发生失稳破坏,当边坡中发育有顺坡向陡倾结构面时,更不利于边坡稳定。以贵州某水电站大坝左岸含陡倾结构面顺层边坡为例,在综合分析地质条件及开挖扰动的基础上,结合离散元软件UDEC,分析了边坡的变形破坏模式和稳定性。研究结果表明,边坡可能发生的变形破坏模式主要有滑移、拉裂—滑移两种;自然状况下及开挖后,边坡都有沿断层f_9、卸荷裂隙L_1及岩层面发生滑移的趋势,且工程开挖导致边坡沿该结构面发生内部滑动;对边坡采用预应力锚索加固后,变形得到有效控制,位移数值计算值与实际监测值基本吻合。     

ScCO2-H2O作用下不同煤级煤化学结构变化的实验研究

超临界二氧化碳（ScCO₂）–H₂O–煤地球化学反应可造成煤物理结构和化学结构的改变,对煤层注CO₂增采甲烷的有效性尤为关键。为了探讨ScCO₂-H₂O-煤反应对不同变质程度煤化学结构的影响,选择3个不同煤化程度煤样,在自主研制的ScCO₂-H₂O-煤地球化学反应模拟实验装置中模拟1000m埋深条件下煤样与ScCO₂和去离子水反应240h,并对反应前后的煤样分别进行了X射线衍射和拉曼光谱实验,对比分析了反应前后煤样晶体结构和碳有序度的变化特征。测试结果表明:ScCO₂-H₂O反应破坏了煤的晶体完整性和碳有序度,改变了煤的大分子结构,且对低阶煤和中–高阶煤具有不同的影响,反应提高了低阶煤的平行定向程度,使其结构更加紧凑,减小了面网间距,而使中–高阶煤中无序单元增加,面网间距增大。该研究结果为CO₂-ECBM项目实施中ScCO₂-H₂O作用对煤储层吸附解吸特征和孔渗特征影响的研究奠定了微观尺度基础。      

矿山采动垮塌机理及隐患结构探查

为了实现地下矿山采动垮塌区域边缘矿体的安全回采,首先采用数值模拟方法进行采动垮塌机理研究,确定垮塌区域大致范围,然后在垮塌区边缘矿体内部掘进巷道对隐患结构进行超前探测,进一步探明隐患结构分布情况,最后通过钻探对数值模拟和超前探测结果进行验证并注浆加固.研究表明:采空区两帮为充填体、上部为矿体时,其采动垮塌破坏机理可以概括为"两帮下部三角形平动-两帮上部圆弧形转动-顶板楔形垮塌-两侧采场条形滑移-上部采场整体下沉".通过对数值模拟、超前探测和钻孔验证的综合运用,可以实现对垮塌区域隐患结构的精确探查和控制.     

湖州“4·9”强对流天气特征分析

利用NCEP再分析资料、常规气象资料、自动观测站资料和多普勒雷达等资料,分析了2019年4月9日发生在湖州地区的强对流天气过程。结果表明:500~700 hPa低槽配合强冷空气东移南下,中低层850 hPa切变东伸发展,西南暖湿气流加强,是这次强对流天气发生的有利天气背景场。上中层干冷、下层暖湿的温、湿场配置,为强对流的发生提供了大量不稳定能量;850 hPa以下冷空气渗透对不稳定能量的爆发起到了触发作用。强对流云团具有回波悬垂特征,出现的低悬强回波中心是高效率降水回波的标志,对短时强降水有指示意义。     

结合Ka和X波段双偏振雷达对北京一次锋面降雪过程雪带的观测分析

本文设计了中国科学院大气物理研究所位于同一观测站内的一部单发双收Ka波段双偏振雷达和一部双发双收X波段双偏振雷达高效结合观测的方法,并首次将Ka和X波段双偏振雷达结合应用在降雪过程的观测中,对2019年2月14日锋面气旋系统在北京地区降雪过程中雪带的形成、发展、消亡过程的宏微观结构进行了分析。结果表明,雪带的垂直结构符合以往对层状云垂直分层的物理认识,类似但不同于雨带由凝结增长层、丛集层、淞附层、融化层组成的四层结构,雪带只包含由上层“播种”至下层的冰晶形成的凝结增长层、丛集层和淞附层三层。由于各层水平风速不同,雪带的三层结构并非垂直排列。多个雪带不断生成发展维持降雪,直至冰晶凝结生长层变空,云从冰晶凝结生长层分裂为多层云后各自消散。证明了Ka和X波段双偏振雷达结合的必要性和高效性,丰富了对锋面气旋系统雪带的认识,补充了Ka波段和X波段雷达对降雪的观测研究。