地震—电离层圈层耦合机理研究进展及问题思考

电离层探测是近年来发展比较迅速的地震电磁监测手段之一,为地震短临监测预测提供了新的技术思路和方法。本文回顾总结了21世纪以来基于地震电离层异常研究发展而来的多种圈层耦合机制,主要介绍了3类可实现数值模拟计算的耦合理论模型,包括附加直流电场模型、声重波和电磁波传播模型,并通过与实测数据对比分析了现有模型的矛盾和不足。最后综合现有观测系统,探讨了未来地震电离层耦合机理发展的主要思路和方向。      

含陡缓倾结构面反倾岩坡折断面演化特征的离心试验研究

为研究含陡缓倾结构面的反倾岩坡在自重条件下的折断面演化特征,以苗尾水电站右坝肩倾倒变形体为地质原型,通过在坡体内不同部位预置切割岩层的非贯通裂缝开展离心模型试验,模拟反倾岩坡在自重条件下的折断面演化特征。研究表明：（1）含陡缓倾结构面的反倾岩坡破坏以折断面的形成为标志,折断面的形成分为3个阶段：初期（0～40g,g为重力加速度）为局部岩层断裂阶段,以岩层局部断裂及后缘岩层前倾为主要破坏特征,坡体表面位移变化量较小;中期（40g～80g）主折断面形成阶段,坡体深部结构面自上而下断裂扩展连接形成主折断面,坡体表面位移变化量约占总位移量的3/4;后期（80g～120g）为多级折断面形成阶段,以坡体内部断裂岩层应力重分布为主要变形特征,坡体表面位移基本保持不变。（2）结构面间岩桥断裂具有瞬时性,但折断面的形成是渐变发展的过程,主要受陡倾结构面控制,主折断面处裂缝应变量最大,受力方式最为复杂,次级折断面处裂缝应变量次之。（3）基于断裂力学,简化了复杂应力状态下含结构面的反倾岩坡压剪断裂判据和岩层不平衡力公式,揭示了主折断面处岩层不平衡力呈现由坡体高度1/3处向坡底和坡顶两侧变小的规律,折断面的形...     

动力扰动作用下多功能岩石结构面剪切试验装置研制与应用研究

动力扰动是导致岩石结构面滑动失稳进而触发地震、岩爆等强动力型地质灾害的重要诱因。为研究动力扰动作用下岩石结构面力学响应及其活化致灾机制,自主研制了动力扰动作用下多功能岩石结构面剪切试验装置。该装置主要包括用于施加准静态荷载、多种法向边界条件、复杂波形宽频率动力扰动荷载（0.5～50 Hz）及宽频剪切速率（0.000 1～10 mm/s）的法向和切向加载系统,施加冲击动力扰动荷载的摆锤冲击系统,开展循环往复剪切试验的剪切盒,数据采集和控制系统。通过控制软件编程,可开展不同剪切速率下恒定法向荷载、恒定法向刚度、卸法向荷载、变法向刚度和动态法向荷载条件下岩石结构面单调或循环剪切试验,静载叠加动载剪切试验,速率和应力阶跃试验和摆锤冲击剪切试验等。应用该装置开展了初步的试验研究,验证了试验过程中该装置具有良好的稳定性和准确性。该装置的研发对认识动力扰动作用下岩石结构面的响应特征,深入理解地震、岩爆等强动力型地质灾害的岩石结构面活化失稳触发效应及致灾机制具有重要的科学意义和工程价值。     

地下浅部异质体对表面波场谱扰动分析

均匀半无限体中表面源激发近表面波场由瑞利波主导,当浅部存在异质体,前行瑞利波发生散射,异质体周围表面波场响应谱发生变化。当异质体长度相对波长较大时,由异质体上方表面质点响应谱提取绕射波频散曲线可分析异质体与周围介质刚度差异对绕射波传播特性的影响。与含软层或硬层半无限体中瑞利波特性比较,可以发现绕射波具有与瑞利波类似的传播特性。异质体上方谱变化特征与异质体和周围介质间刚度差异有关,本研究基于异质体绕射波与入射瑞利波位移结构差异解释谱变化现象。结果表明：异质体上方谱与周围谱明显不同,在偏移距−波长域,相对于前方波场,软质体上方谱密度整体呈减弱趋势,硬质体上方谱密度整体呈增强趋势。根据谱密度变化对应偏移距、波长及谱密度强弱,可以预估异质体在传播方向的位置、埋深,并识别异质体类型。     

考虑岩体应力的结构面中应力波传播特性分析

应力波在含结构面岩体中的传播一直是岩石动力学的一个重要课题。深部岩体应力会影响岩体结构面的力学特性,进而影响应力波的传播规律。基于时域递归分析方法,首先对考虑岩体应力情况下应力波与非线性岩体结构面的相互作用进行了分析,推导出了波的传播方程。研究中假定岩体结构面法向满足非线性双曲变形模型（Barton-Bandis模型,简称B-B模型）,切向满足库仑滑移模型。其次,对一些特殊情况,如结构面水平或垂直分布、波阵面水平分布等,进行了计算模型和波的传播方程的简化分析。通过对比,发现岩体应力对应力波的传播特性有明显的影响。最后,参数研究分析了岩体应力特性、节理特性及入射波频率等对透、反射系数的影响规律。     

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。     

基于EIGEN-6C2重力场模型反演青藏高原地壳结构

重力数据是地下场源产生的重力场的叠加, 包含了地下从浅部到深部的丰富信息.高阶卫星资料的丰富为青藏高原深部构造研究提供了重要资料.基于EIGEN-6C2模型作为原始数据, 首先对青藏高原布格重力异常和均衡重力异常分别作1~5阶尺度分解, 得到不同尺度重力异常的分布特性, 探讨不同空间尺度反映的地壳构造意义.其次, 基于径向对数功率谱估计平均深度方法理论, 进一步研究1~5阶细节反映的场源深度.再次, 利用Canny算子的多尺度边缘检测识别和分析重力异常中表现不明显的断裂, 定位断裂在地表的位置, 识别青藏高原内部断块边界, 完成活动块体和次级块体的划分.最后, 对布格重力异常进行沉积层及岩石圈改正, 采用Parker-Oldenbarg三维位场反演法反演青藏高原莫霍界面起伏.      

龙门山晚新生代地表剥蚀量的定量估算

龙门山是青藏高原周边山脉中地形梯度变化最大的山脉.利用数字高程模型(digital elevation models, DEM),采用三维残余面法恢复龙门山晚新生代古残余面DEM,并与现代地形面做差值运算,得到研究区域的剥蚀量地形,进而定量估算青衣江、岷江、沱江和涪江主要水系流域晚新生代的地表剥蚀量.结果表明:龙门山晚新生代地表剥蚀总量为80 500~92 800 km3;岷江流域对龙门山地区剥蚀量贡献率约33.9%~37.1%,其次为涪江(33.6%~38.4%)、青衣江(24.1%~31.9%),沱江流域贡献率为0.4%~0.6%;类似2008年“5·12”汶川地震的次生灾害引发的地表快速剥蚀,是青藏高原东缘龙门山造山带晚新生代地表剥蚀的主要原因.      

单轴压缩下龙马溪组页岩各向异性特征研究

层状页岩的各向异性在页岩气开采中十分重要,以龙马溪层状页岩为研究对象,对不同层理方向取芯、平行于层理面取芯的页岩进行了电镜扫描和单轴压缩试验。结果表明:页岩的微观描述、单轴压缩参数各向异性明显;应力-应变曲线属于Ⅱ类曲线,且5个阶段不明显;破坏类型主要有3种:0°~15°时为竖向劈裂型张拉破坏,30°~60°时为沿层理弱面的剪切滑移破坏,75°~90°时为穿切层理面的剪切破坏,取芯角度不同,对应的曲线之间差异较大。与层理面成30°时单轴抗压强度最小,0°和90°附近相对较大;弹性模量和纵波波速相关性较好,都随着角度的增加而减小;平行于层理面取芯的样品其横观各向异性不明显,可近似看作横观各向同性体;微裂隙发育、独特的破坏类型是造成各向异性的主要原因。     

叠前逆时偏移去噪波场分离法与其他方法的比较

基于双程波动方程的逆时偏移(RTM)具有原理简单、无倾角限制、具有可以适用于速度任意变化的模型,对各类波正确成像等优点,但采用互相关成像条件会产生严重的低频噪声问题。笔者分析低频噪声的产生机制后提供了一个有效的波场分离去噪方法,将震源和检波点波场分离成不同方向的单成波分量,只对有效路径上的分量进行互相关成像,从而达到去除噪声的目的。并通过模型测试对比了坡印廷矢量滤波、拉普拉斯滤波、波场分离滤波这三种方法的去噪效果,结果表明基于波场分离的去噪方法效果更好。