Simultaneous operation of opposing reaction mechanisms: The influence of matrix heterogeneity on post-kinematic garnet crystallization in an inverted metamorphic sequence

Metapelites from the inverted Barrovian sequence in the Sikkim Himalaya (northeast India) are shown to be largely continuous with respect to their bulk rock compositions, microstructures and pressure–temperature–time–deformation (P–T–t–D) histories. However, the upper garnet–lower staurolite zone demarcates a region of microstructurally anomalous post-kinematic garnet populations contained within strongly segregated matrices. The different microstructures within samples from this region cannot be attributed to differences in their thermobarometric histories or bulk compositions, but are instead interpreted to represent an otherwise unexposed level of the Daling Group that is now exposed along a post-metamorphic thrust splay. These heterogeneous samples contain several discrete garnet populations that progressively crystallized with increasing P–T. Garnet populations that experienced the most protracted growth now form complex polycrystals that exhibit crystallographically controlled and morphologically irregular interfaces adjacent to micaceous and quartzofeldspathic domains respectively. Electron backscatter diffraction indicates that these polycrystalline garnet structures contain numerous coalesced porphyroblasts that are structurally uncorrelated across their grain boundaries. However, a crystallographically preferred orientation at the polycrystal scale is interpreted to derive from epitaxial crystallization of early-formed garnet porphyroblasts on precursor mica. Later-nucleated porphyroblasts within polycrystals preferentially concentrated towards quartzofeldspathic domains, with the overall nucleation distribution likely controlled by a complex interplay between chemical heterogeneities, strain partitioning and epitaxial crystallization. The subsequent growth of these polycrystals was equally spatially heterogeneous; it was moderated by differences in the efficiency of grain boundary transfer between quartzofeldspathic and micaceous domains that precluded thin section-scale chemical equilibration. In contrast to samples from Sikkim containing more typical porphyroblastic populations in continuous and disseminated matrices, heterogeneous availability of garnet-forming components within this strongly layered matrix is shown to have resulted in grain-scale variations in growth rates and the spatial juxtapositioning of interface-controlled microstructures and locally equilibrated chemical compositions with those that were transport controlled.     

Spectral analysis of nonlocal regularization in two‐dimensional finite element models

Strain‐softening in geomaterials often leads to ill‐posed boundary‐valued problems (BVP), which cannot be solved with finite element methods without introducing some kind of regularization such as nonlocal plasticity. Hereafter we propose to apply spectral analysis for testing the performance of nonlocal plasticity in regularizing ill‐posed BVP and producing mesh‐independent solutions when local plasticity usually fails. The spectral analysis consists of examining the eigenvalues and eigenvectors of the global tangential stiffness matrix of the incremental equilibrium equations. Based on spectral analysis, we propose a criterion for passing or failing the test of constitutive regularization in the context of BVP. If the eigenvalues of the tangential operator are all positive then the regularization succeeds, otherwise it fails and may not prevent artificial mesh‐dependent solutions from appearing. The approach is illustrated in the particular case of a biaxial compression with strain‐softening plasticity. In this particular case, local softening plasticity is found to produce negative eigenvalues in the tangential stiffness matrix, which indicates ill‐posed BVP. In contrast, nonlocal softening plasticity always produces positive eigenvalues, which regularizes ill‐posed BVP. The dominant eigenvectors, which generate localized deformation patterns, have a bandwidth independent of mesh size, provided that the mesh is fine enough to capture localization. These mesh‐independent eigenmodes explain why nonlocal plasticity produces numerical solutions that are mesh‐independent. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

古尔班通古特沙漠及周边区域冬季大气边界层高度对地表积雪的响应

古尔班通古特沙漠是中国唯一冬季存在长期积雪的沙漠,在此特殊地理环境下,沙漠及周边区域冬季雪深和边界层高度的时空变化特征和相互关系尚未明确。本文利用1980—2019年SMMR（Scanning Multichannel Microwave Radiometer）、SSM/I（Special Sensor Microwave/Imager）、SSMI/S（Special Sensor Microwave Imager/Sounder）被动微波遥感雪深数据、古尔班通古特沙漠腹地雪深观测数据和ERA5再分析资料（the Fifth Generation ECMWF Reanalysis）边界层高度数据,分析了沙漠及周边区域冬季雪深和边界层高度的时空变化特征与相互关系。结果表明：古尔班通古特沙漠及周边区域冬季雪深年均值为8.45 cm,整体呈现东北部和南部积雪较深,其他区域积雪较浅并呈现出由沙漠中心区域向四周逐渐减少的特点,雪深在古尔班通古特沙漠及其东北、南边的邻近区域呈升高趋势,剩余地区呈下降趋势。古尔班通古特沙漠及周边区域冬季边界层高度年均值为105.54 m,呈现东南部和西北部高,中心沙漠区域、东北部、西南部较低的特点,边界层高度在沙漠及周边区域升高而其他区域降低。古尔班通古特沙漠的冬季雪深和大气边界层高度时空变化整体呈负相关,其中93.17%以上的沙漠区域呈负相关,平均相关系数为-0.32,最大相关系数绝对值为-0.58,空间相关系数为-0.42（P<0.05）。     

基于单、双重渗透介质降雨边界处理的改进

在降雨入渗模拟中,现有研究无法准确实现复杂降雨条件下降雨边界在流量与压力两类边界之间的双向动态转换。基于饱和?非饱和渗流理论,将降雨补给流量与实际入渗流量的差值作为两类边界动态转换的判别条件,改进了单重渗透介质降雨边界动态转换控制方程,并进一步提出了双重渗透介质降雨边界处理方法及控制方程,在此基础上进行了数值试验及工程实例验证。结果表明：改进的降雨边界动态转换控制方程克服了传统降雨边界只能实现流量到压力边界单向转换的局限性,可准确实现流量边界与压力边界的双向动态实时转换;案例边坡的降雨入渗模拟结果说明了改进后降雨边界的正确性和工程适用性。     

基于边界位移法的地下结构推覆试验可行性研究

地震过程中地下结构变形主要受周边土体变形控制。基于该思想,现已提出一种在土?结构有限元模型侧边施加土体变形的地下结构抗震简化分析方法——边界位移法,但缺乏相关试验研究。为探索土体侧边施加推覆位移的试验方法可行性,以自行研制的岩土综合试验模型箱为试验平台,以1:10缩尺的大开车站区间隧道为研究对象,开展了大型土?地下结构系统推覆试验。通过应变、位移和应力的分析,揭示了试验过程中地下结构及周边土体的反应特性。结果表明：由于土体材料的强非线性特征,土体侧边施加的倒三角形变形在传递过程中会产生衰减,地下结构受到剪切变形和挤压变形的耦合作用;中柱与底板交接处是整体结构中的抗震薄弱位置;水平基床系数与土层位移水平及结构侧壁的破坏阶段相关;结构整体刚度大于等代土体,两者的侧向变形比值小于1。随着推覆水平增加比值逐渐增大,通过变形特征能够量化土?结构相互作用,有效填补了土?结构相互作用系数试验研究的空白。试验方法与结论,对地下结构抗震分析及推覆试验可行性研究具有重要指导意义。     

有机污染物在含土工膜复合隔离墙和含水层系统的运移半解析模型

为评估土工膜与土-膨润土组成的复合隔离墙对有机污染物的防污性能,建立了污染物在源区域发生降解扩散时透过复合隔离墙的一维瞬态扩散模型。通过拉普拉斯变换和Talbot数值反演获得了模型解。第3类入流边界条件下,考虑源区的扩散和降解时,第1类隔离墙(土工膜/土-膨润土)和第2类隔离墙(土-膨润土/土工膜/土-膨润土)100 a的击穿浓度分别较源浓度恒定时减少了59%和53%。由于假设土工膜渗透系数高于10^–12 m/s,污染物在复合隔离墙中的对流作用不能忽略,因此,采用第2类复合隔离墙使土-膨润土能更好地发挥主导隔离作用。将土工膜的渗透系数从10^–10 m/s减少到10^–16 m/s,第1类复合隔离墙的击穿时间从26 a增加到188 a,第2类复合隔离墙的击穿时间从32 a增加到81 a。利用抽水井调整墙体内外为负水头差及提高源区的污染物降解能力,可使隔离墙的防污性能得到较大提升。     

塔里木盆地一次“东灌”沙尘暴大气边界层特征

利用探空、NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料、地面气象站观测资料,对新疆塔里木盆地2014年10月28—29日的沙尘暴天气过程前、中、后大气稳定度、混合层厚度、风、温、湿廓线等边界层特征量进行分析。结果表明:此次天气过程为欧洲脊东移,推动西西伯利亚低槽快速进入北疆地区,随后东移翻越东天山进入南疆,造成"东灌"沙尘暴天气;沙尘暴造成边界层特征量表现为K指数减小,沙氏指数增大,理查逊数减小,混合层厚度降低等特征;风向由偏西风转为偏东风,风速则在静风转为30 m/s的偏东急流;温度为沙尘暴之前为贴地逆温,之后大气混合比较均匀,相对湿度为先增加后减小,沙尘暴天气是一个降温增湿的过程,边界层风、温、湿廓线都打破了原有分布规律;沙尘暴过程是大气不稳定层结变为稳定层结的过程。     

江苏沿海近地层风阵性及台风对其影响

为了研究风阵性特征,尤其是在受台风影响时湍流特征对安全开发利用风能资源的影响,利用江苏沿海5座测风塔2009年6月—2012年11月的梯度风观测数据,分析了近地层风阵性基本特征,并筛选了7个对江苏产生较大影响的台风,包括罕见的正面登陆台风达维（1210）,分析台风影响下风阵性特征。研究发现:江苏沿海地区低层的风脉动性比高层强,10 m高度的年平均阵风系数和湍流强度分别为1.50和0.20;海陆分布明显影响风阵性,离岸风的湍流强度明显大于向岸风;当风速等级小于6级时,风阵性随风速增大而一致性减小,之后则稳定少变;在台风中心附近,受风速、风向快速多变的影响,湍流强度和阵风系数均远大于台风外围和没有台风影响的情况,湍流强度和阵风系数在30~50 m高度之间增加,在6~7级风时出现风阵性的局部峰值区。     

济南边界层风廓线雷达与L波段雷达大风探空测风对比

基于相同站点的济南边界层风廓线雷达(WPR)和L波段雷达大风探空测风(以下简称LW)资料,采用相关、拟合、廓线分析等方法,系统地对比两者大风(≥10.8 m·s~(-1))数据的各统计特征、相关性、时空变化规律的异同。结果表明:(1)两者u分量、v分量、风向、风速的相关系数分别为0.973、0.965、0.994、0.665,标准偏差分别为2.04 m·s~(-1)、2.88 m·s~(-1)、10.82°、2.53 m·s~(-1),大风数据相关性总体较高,且相关系数风向优于风速的、降水样本优于非降水的,表明WPR观测大风数据可信、降水期间WPR水平大风数据可以使用。(2)两者大风风向、风速基本一致,但在低层差异较高层的大,尤其是340 m及以下高度层更显著,降水、非降水、全部样本在2980、1900、2740 m以下WPR风向值均略小于LW,而在1300、2740、1660 m以下WPR风速值均略大于LW。(3)两者资料互补性总体较好,大风风向、风速、v分量差值随高度变化符合对数律递增或递减规律,但u分量需分段拟合;在进行回归方程求算和资料互补时,应考虑差异随高度等的变化。     

基于风廓线雷达的对流边界层高度的确定

大气边界层高度对于天气、气候和大气污染研究是一个至关重要的参量。对流边界层(Convective Boundary Layer,CBL)顶部的夹卷过程造成温度和湿度垂直梯度增强,导致这一层的折射率结构常数C■变高。C■的这种垂直分布特征经常被用来定位出CBL高度Z_i。本文利用2010年7—8月天津大港的风廓线雷达数据推断出CBL高度Z_i,对于多重C■峰值或不明确的C■峰值,本文改进了对Z_i的测定,分别讨论了C■最大后向散射法与C■和垂直速度方差(σ■)相结合的新方法的适用性。研究显示:(1)C■廓线具有单峰时,最大后向散射强度法能正确估计CBL高度,这种情况往往对应的是晴天。CBL上存在的残留层或云层引起的温湿起伏变化导致C■廓线具有双峰甚至多峰时,最大后向散射强度法可能会错误估计CBL高度;(2)C■和σ■结合的方法不仅与晴天时C■最大后向散射法有较好的一致性,而且可以将CBL造成的C■峰值从云层造成的C■峰值中区分出来,从而正确估计CBL高度;(3)一般而言,对流边界层中存在有明显的、破碎或者分散不明显的云时,C■和σ■结合的方法都能较好地识别出CBL对应的C■峰值。但由于边界层中的情况极为复杂,C■和σ■结合法也会因不同的原因而错误估计CBL高度。