气溶胶吸收及气候效应研究的新进展

最新研究结果表明仅关注气溶胶大气顶辐射强迫是不够的,特别是对于在短波辐射区域存在较强吸收的气溶胶类型,如烟尘、沙尘气溶胶。INDOEX实验表明来自印度次大陆的吸收性气溶胶产生的地表辐射强迫在量值上是大气顶辐射强迫的3倍左右,二者的差额以大气辐射加热的形式出现。气溶胶吸收通过加热气溶胶层所在大气,减少地表太阳辐射,影响地面蒸发,改变大气稳定度,从而影响水分循环。另外气溶胶的吸收对云产生“燃烧效应”,从而可能导致云量下降。鉴于气溶胶吸收的重要性,气溶胶吸收问题是当前气溶胶气候效应研究的一个热点问题。尽管关于气溶胶的吸收问题以及与之有关的气候效应还存在很大不确定性,根据观测事实或模拟结果得出的结论差别明显,但勿庸置疑的是气溶胶吸收是一个急需深入探讨的课题。由于我国北方地区春季沙尘活动十分频繁,而东部地区由于能源结构以及能源利用效率等问题致使气溶胶中吸收性成分（碳黑）含量偏高,一些资料分析以及模式研究结果均表明我国发生了一些有别于全球或其他地区的独特气候变化现象,初步分析表明气溶胶吸收在其中可能发挥了一定作用,因此加强我国气溶胶吸收特性的观测和理论研究,结合全球或区域气候模式,深入认识我国气溶胶辐射强迫、气候效应具有重要的科学意义,另外对于评估我国近年来采取的一些卓有成效的污染控制措施的环境和气候效应也是必不可少的。     

Two-dimensional Numerical Modeling Research on Continent Subduction Dynamics

Continent subduction is one of the hot research problems in geoscience. New models presented here have been set up and two-dimensional numerical modeling research on the possibility of continental subduction has been made with the finite element software, ANSYS, based on documentary evidence and reasonable assumptions that the subduction of oceanic crust has occurred, the subduction of continental crust can take place and the process can be simplified to a discontinuous plane strain theory model. The modeling results show that it is completely possible for continental crust to be subducted to a depth of 120 km under certain circumstances and conditions. At the same time, the simulations of continental subduction under a single dynamical factor have also been made, including the pull force of the subducted oceanic lithosphere, the drag force connected with mantle convection and the push force of the mid-ocean ridge. These experiments show that the drag force connected with mantle convection is critical fo     

岩体质量对地下工程开挖效应的影响研究

以西北某大型水电站地下厂房洞室群为例．在地质调查的基础上,对洞室群围岩岩体质量进行了分析评价。而后,运用数值模拟手段研究了岩体质量不同时．洞室群开挖效应——二次应力场、位移场和破坏区的差异．较全面地讨论了岩体质量对洞室群开挖效应的影响。     

岩石圈—软流圈物质循环促进大陆增生的新方式

大陆动力学研究地球内能量和物质的运动和伴随的信息传播,上地幔中的软流圈是地球内部的物质运动的关键部位之一。由于观测的技术方法少,人类对软流圈内部的地质作用过程所知甚少。在青藏高原,过去地震波三维层析成像的分辨率不高,难以对地壳上地幔构造进行准确的定位。我们收集和整理了地方地震台的数字化观测数据,使地震体波三维层析成像的准确度大大提高,为解决软流圈的地质构造准确成像提供了新的可能性。根据地震体波三维层析的成像结果,在古特提斯洋和特提斯洋俯冲板块前沿的软流圈底部410 km间断面上方,存在反映古大洋俯冲板块的高速体,它们在青藏高原、苏鲁和伊朗都有出现。清晰和稳定的高波速异常的位置表明,特提斯洋俯冲板块现在已经拆沉在软流圈的底部,古特提斯洋俯冲板块也可能曾经拆沉在软流圈的底部。对比青藏高原和苏鲁的地壳上地幔波速结构推测,拆沉造成软流圈中的轻元素物质上涌,进入大陆岩石圈,造成岩浆活动。上涌还使碰撞造山带地壳厚度减小,而岩石圈厚度增加。大约100 Ma后,俯冲下去的大洋残块会被软流圈物质磨蚀交代,使岩石圈厚度增加, 形成大陆下方的大陆根,造成大陆克拉通化和体积增生。大洋板块俯冲后在软流圈拆沉是岩石圈—软流圈物质循环的一种重要方式,对软流圈中物质均衡和体积稳定也起重要作用。     

从哥伦比亚超大陆裂解事件论古/中元古代的界限

国际前寒武纪地层表中始终把古/中元古代的界线置于1. 6Ga,我国则一直将这一界线置于1. 8Ga。存在认识分歧的根本原因是对1. 8Ga前后时期地质事件及其性质的理解与认识的差异或偏颇。本文通过阐述1. 8～1. 6Ga期间地质事件及其性质,重点分析和讨论古/中元古代(界)界限的划分及相关地质事件的标志与意义。大量的地质资料显示,超大陆从1. 8～1. 75Ga开始裂解,形成一系列的陆内盆地,如北美(劳伦古陆)的Thelon盆地、澳大利亚北部的Leichhardt超级盆地、南美巴西圣弗兰西斯科盆地、华北南缘的熊耳裂谷盆地以及扬子地块西南缘的东川盆地等。在这些盆地形成的早期沉积了冲积扇相、河流相的碎屑岩,之后伴有较广泛的火山岩喷发,中晚期从河流相、湖相碎屑岩沉积过渡到浅海碳酸盐台地沉积,反映一个拉伸裂解的过程。在复原的哥伦比亚超大陆内,广泛分布有1. 78～1. 72Ga的非造山花岗岩,包括AMCG组合(斜长岩、纹长二长岩、紫苏花岗岩和花岗岩)、环斑花岗岩、A型花岗岩等,以及广泛分布的基性岩墙群。这些岩浆岩都反映了拉伸裂解的地球动力学背景。在1. 8～1. 6Ga,不论是沉积事件还是岩浆事件,绝大部分与超大陆的拉伸裂解有关,并未显示造山作用、大陆固结和克拉通化的特点,用固结纪来概括这一阶段地质事件的性质并不合适。哥伦比亚超大陆上的许多盆地在1. 6Ga左右经历了一次广泛的抬升,使沉积作用短时间间断,之后原有盆地继续发展,接受了更广泛的沉积,这种沉积作用可以一直延续到1. 4～1. 3Ga左右。与裂解有关的岩浆事件也以幕式方式从1. 78Ga一直断续持续到1. 4～1. 32Ga左右。从1. 8Ga(或1. 78Ga)到1. 4～1. 3Ga,不论是盆地的沉积事件还是与裂解有关的岩浆事件,基本是连续的。以1. 6Ga作为年代界线划分古/中元古代,人为地隔断了连续的沉积事件和岩浆事件,显然与"尽可能少地截断沉积作用、火成侵位或造山运动的主要序列"的前寒武纪地层划分原则相悖。连续的裂谷盆地沉积事件和非造山岩浆事件可以追溯到1. 8Ga(或1. 78Ga)。因此,我们建议将古/中元古代的界线置于1. 8Ga或1. 78Ga。考虑到裂谷作用的本质是在已有超大陆或克拉通的基础上盖层的发育过程,因此我们建议将～1. 8Ga或1. 78～1. 4Ga都归入盖层系。     

古/中元古代界线:1.8Ga

年代地层表是我们描述地球历史演化的时间框架,也隐含着我们对地球演化过程的基本认识,承载着一系列核心科学问题。现有的国际前寒武纪地质年表存在不少问题,还没有被普遍接受的新方案。在现行国际地层年表(IUGS 1989—2004)中,20～18亿年被称为造山纪,18～16亿年被称为固结纪,16～14亿年被称为盖层纪,也即:造山运动结束到盖层发育之间的过渡时期为固结纪,而将盖层的广泛发育作为中元古代的开始。在我国,由于"吕梁运动"是华北克拉通结晶基底最终形成的标志性构造-热事件,此后发育以长城系-蓟县系-青白口系为代表的地台型沉积盖层,因此我国地质界一直以长城系的底界代表中元古代的开始,并根据"吕梁运动"结束时间,将古/中元古代的时间界线置于18亿年。2012年国际地层委员会提出了一份全新的全球前寒武纪地质年代表划分建议方案,其中2060～1780Ma阶段被称为古元古代哥伦比亚纪,主要以Columbia超大陆的聚合为特征;而之后17. 8～8. 5亿年的近10亿年间,则被定义为罗迪尼亚纪,代表了从Columbia超大陆裂解到Rodinia超大陆聚合的漫长阶段。即这一新建议方案的古/中元古代界线为17. 8亿年,与我国学者长期以来所坚持的古/中元古代分界是基本一致的。在华北克拉通,"吕梁运动"的结束时间在～18亿年,此后整体处于多期裂解的陆内伸展环境,长城系-蓟县系基本上属于连续的陆表海沉积。近年来的研究表明,燕山地区长城系的底界年龄约为17亿年,长城系与蓟县系的分界则为16亿年。如果一味按照现行国际地层划分方案,其古/中元古代的界线(16亿年)将对应于长城系-蓟县系的分界,华北克拉通这套盖层型沉积将被人为分割为两部分,这显然是很不合理的。值得注意的是,在华北克拉通中部吕梁地区发育的小两岭组火山岩和在其南部地区发育的、也是世界范围内同时期最大规模的火山活动——熊耳群火山-沉积岩系,是华北克拉通结晶基底之上最早发育的盖层沉积,其起始形成时间约为18亿年。这与新建议的古/中元古代分界非常接近。从全球地质演化来看,从18到16亿年,造山作用结束,Columbia超大陆开始裂解,岩浆作用方式和岩浆岩组合类型及其地球化学特征发生明显改变,如斜长岩、环斑花岗岩在世界主要克拉通均有发育。与此同时,稳定沉积盖层开始广泛发育,条带状铁建造(BIF)消失,代之以鲕状或粒状矿物集合体组成的浅海富铁沉积,另外海相硫化物沉积、有核原生生物等也首次出现。所有这些都标志着,在此前后,地球岩石圈、水圈和大气圈均发生了重大转折,生物圈也进入新的演化阶段,标志着地球进入"中年期"演化阶段。虽然地球演化发生重要转折的根本原因和细节还有待进一步深入探讨,但这一转变的起点或最重要的时间点,无疑就在18亿年前后,因此,本文认为,应将其作为全球古/中元古代的时间界线。     

大别造山带在大陆裂解、地壳的俯冲-折返及山根垮塌期间的多期部分熔融作用

大别造山带发育了与大陆俯冲-折返和碰撞造山等相关的不同构造岩石单位.针对存在的问题,本项研究开展了宿松变质带、中大别超高压带和北大别杂岩带等不同俯冲岩片花岗质岩石的野外地质调查以及岩石学、元素-同位素地球化学和锆石年代学等方面系统研究.研究结果表明:（1）宿松变质带花岗片麻岩的原岩时代包括晚太古代（2.5~2.7 Ga）和新元古代（770~830 Ma）两大类,其中新元古代花岗片麻岩的原岩是由经历了~2.0 Ga变质作用的晚太古代岩石在新元古代大陆裂解过程中发生重熔作用形成的;（2）首次揭示中大别花岗片麻岩至少包含两种不同的原岩时代（~750 Ma和780~800 Ma）与岩石成因,并在三叠纪俯冲-折返期间经历了~230 Ma和~220 Ma两期部分熔融作用;（3）北大别混合岩中发育折返早期（209±2 Ma）因高温减压而引起的黑云母脱水熔融以及山根垮塌期间（110~145 Ma）有水加入的加热熔融（水致熔融）形成的多种浅色体;（4）发现并限定了北大别变质闪长岩是在燕山期山根垮塌期间,由三叠纪深俯冲的新元古代镁铁质下地壳岩石发生部分熔融作用而形成的.因此,这为大别造山带在新元古代大陆裂解、印支期地壳的俯冲-折返及燕山期山根垮塌期间发生的多种部分熔融作用提供了新的制约.      

水平分层胶结充填体损伤本构模型及强度准则

以矿山分层充填为背景,针对水平分层充填体,提出了初始分层损伤、荷载损伤与总损伤的概念;利用损伤力学理论,考虑分层效应,建立了充填体损伤演化及本构模型;基于全微分方法构建了考虑分层效应的充填体强度准则。开展了不同分层充填体力学特性试验。研究结果表明：所建立的分层充填体损伤本构模型及强度准则理论曲线与试验曲线高度吻合,验证了模型的正确性;初始分层损伤随分层数增多,呈现 的二次多项式递增,分层效应与荷载耦合作用劣化了充填体总损伤;充填体总损伤率呈先增大后减小趋势。在峰值之前,分层数越多,则总损伤率越大;而峰值之后,分层数越多,则总损伤率越小,且总损伤率最大值随分层数增多而增大。     

考虑土拱效应的管棚合理间距计算方法

管棚作为隧道安全穿越不良地质地段的超前支护结构,依靠土拱效应发挥其支护作用,管棚间距与成拱效应密切相关。通过引入合理拱轴线,并考虑侧向土压力的影响,结合管棚间土拱破坏条件给出了管棚合理间距的计算方法,通过凤咀江隧道工程实例和离散元对比分析,验证了计算方法的合理性。进一步分析了管棚间距随管棚所处位置的变化规律以及管棚直径、土体参数等对管棚间距的影响规律。结果表明：当侧向土压力系数较小时,拱腰至边墙处管棚间距可适当调大;当侧向土压力系数较大时,拱顶至拱腰处管棚间距应适当减小。管棚间距随管棚直径和土体黏聚力的增加而线性增加,且与土体内摩擦角数呈正相关关系,随内摩擦角增大,对管棚间距的影响也越来越大。     

华北新构造：印欧碰撞远场效应与太平洋俯冲地幔上涌之间的相互作用

作为大陆内部典型的伸展断陷区和强震活动区,华北地区处于东部太平洋板块俯冲构造和西部印欧大陆碰撞构造的双重大地构造背景之下,其新构造运动相当复杂:西部沿鄂尔多斯地块周缘两个地堑盆地系引张伸展断陷作用、中部太行山块体的局部断陷和整体隆升、东部华北平原区和渤海湾海域区的区域沉降,南缘沿秦岭构造带的左旋走滑拉张活动,东缘沿郯庐断裂带的右旋挤压走滑活动。这些不同类型的断裂构造在晚新生代的阶段性活动,产生了复杂的构造地貌组合特征。综合研究发现,华北晚新生代经历了3期伸展断陷-挤压隆升演化阶段:新近纪晚期(10～2.5 Ma)、早中更新世和晚更新世以来。地壳引张应力方向或NW-SE、或NE-SW向;地块隆升导致湖盆的消亡,挤压应力方向为NE-SW至W-E向。研究认为,华北地区新构造受两个岩石圈构造过程的相互影响:印欧碰撞产生的远程效应和东部岩石圈地幔的上涌。一方面,青藏高原东北缘地块的持续推挤及其构造应力向东的传递导致鄂尔多斯地块反时针旋转和秦岭山地的向东挤出逃逸,这个挤出构造动力学统治了华北地区晚新生代的引张伸展、斜张走滑和挤压变形。尤其是,新近纪晚期强烈的NW-SE向地壳伸展变形与青藏东缘挤出造山作用同步(10～9 Ma至4.2 Ma);上新世末期(约2.5 Ma)、晚更新世早期(约200～70 ka)和晚更新世晚期—全新世(约20 ka以来)3次构造挤压事件与青藏高原东缘构造事件基本对应。另一方面,岩石圈地幔上涌主导了华北东部平原区的区域地壳沉降,同时伴随着早、中更新世的5期幔源火山活动。这两个岩石圈构造作用力此消彼长,深刻统治着华北地区新构造与现今活动构造以及地震构造。