从平衡-封闭-静态转向非平衡-开放-动力学研究-热液矿床成因的若干新概念概述

热液金属矿床成因研究过程中,观测与实验始终是密切结合的。上世纪70年代,平衡热力学的实验数据的快速积累,使人们用热力学理论计算可以预测和反演矿石和岩石的成因。但是,没有矿物-水溶液的反应速率数据,又没有与流体力学的结合,搞清楚矿石成因是困难的。七、八十年代,开始研究矿物与水溶液的反应动力学实验。科学家们开始瞄准了从平衡-封闭-静态转向非平衡-开放-动力学研究的这个大方向。1992年我们建立地球化学动力学开放研究实验室。研究高温高压矿物与水反应速率,发现固液的开放体系的自组织现象。实验发现温度影响矿物的各个元素反应速率改变,发现在跨越水临界态时矿物与水反应速率涨落、在近临界的气-液两相不混溶区一些金属进入气相、超临界流体的氧化作用及特别的溶剂性能影响矿物溶解性质。实验证实:临界态区流体与矿石成因有关。水岩相互作用的反应动力学实验温度从低温到550度,揭示矿石的金属来源、迁移、金属与蚀变分带机制。一大批大于300度的矿物与水反应动力学实验在国际界是少有报道的。九十年代,超高压的科学发展,与同步辐射光源的技术进步的结合,使固体地球科学又迈向了地球深内部。我们发展了高温高压流体性质的原位直测(测量850℃水溶液)红外谱,发现深部流体的新性质:气液两相流体的新结构,在临界温度区(300~400℃),水分子氢键网络的破坏受压力影响不大(23MPa~3GPa),同时,出现水的高电导率。研发新仪器为开放-流动-非平衡的反应动力学实验与极端条件下物质性质的直接观测结合,在科学前沿领域开辟了创新道路。     

压力对辉长岩矿物反应和部分熔融影响的实验研究

本文在高温高压条件下,开展了辉长岩矿物反应与部分熔融实验,利用偏光显微镜与扫描电镜对实验样品微观结构观察,研究实验中的新生矿物与熔体的分布;通过电子探针分析熔体成分特征。实验结果表明,在低压(300MPa)条件下,静压和塑性变形实验样品中,单斜辉石以固体反应方式生成橄榄石,在高压(1300MPa)塑性实验中所有实验样品都没有发现新生矿物颗粒,这与相图中低压条件下斜长石与橄榄石稳定共存,而高压下斜长石-辉石稳定共存相吻合。高压塑性变形条件下,单斜辉石和黑云母首先发生部分熔融,随着温度增高,斜长石逐渐参与熔融,熔体呈薄膜状分布在矿物颗粒边界,熔体成分依赖于参与熔融的矿物成分,表明出现的熔体为非平衡熔融结果。     

高山区雪堆储雪的实验和模拟计算

随着全球气候变暖,滑雪运动呈现出对气候变化高度的敏感性和依赖性,各地滑雪季将不同程度地缩短。储雪作为一种应对气候变化的方法在雪务保障中逐渐得到研究和应用。在新疆阿勒泰地区吉木乃县开展储雪实验,应用谐波反应法研究了雪堆融化量与外界空气温度、太阳辐射和绝热保温结构热学性能之间的定量关系。实验中,覆盖两层绝热保温材料雪堆1的平均融化量为18.0 kg·d^-1（相当于初始质量的0.85%）,未覆盖绝热保温材料雪堆2的平均融化量为120.8 kg·d^-1（相当于初始质量的6.67%）。模拟期间观测到的雪堆1质量减少了1 438.0 kg,对应的模拟值为1 520.8 kg。谐波反应法可以为评价绝热保温结构的热学性能和提前确定储雪量提供重要的参考依据。由于许多物理过程都未考虑,导致模拟的雪堆融化量与实际融化量之间存在不确定性。雪堆所用绝热保温结构的性能可以用反射率、总传热系数、衰减度和延迟时间来衡量。     

HONO在γ-Al2O3(110)表面非均相氧化SO2机理的第一性原理研究

为研究亚硝酸(HONO)在γ-Al_2O_3(110)表面非均相氧化SO_2的机理,基于密度泛函理论(density functional theory,DFT)的第一性原理计算了SO_2和HONO在γ-Al_2O_3(110)表面的吸附机制和氧化机制。结果表明,SO_2以分子的形式吸附在完整或缺陷的γ-Al_2O_3(110)表面,而HONO仅在完整表面上以分子的形式存在。表面氧缺陷的存在不仅会增强SO_2和HONO的吸附强度,而且能诱导HONO在含氧缺陷表面的分解(HONO→NO+·OH)。通过局域态密度(partial density of states,PDOS)和Mulliken电荷布局分析表明,HONO的分解遵循Haber-Weiss机制。当SO_2和HONO共同吸附在氧缺陷表面时,HONO分解产生·OH,氧化SO_2形成HOSO_2团簇分子。该研究不仅有助于理解HONO在矿物氧化物表面氧化SO_2的作用,而且为解释大气硫酸盐气溶胶的形成提供了理论依据。     

某Cr(Ⅵ)污染场地修复的PRB反应材料及结构设计研究

渗透反应格栅(permeable reactive barrier,PRB)在国外被广泛应用于场地尺度的地下水污染修复,因其无须外源动力、不占地面空间、运行成本低等优势在国内受到广泛关注。不同场地水文地质条件、污染物类型、污染羽分布具有差异性,前期场地调查、反应材料的筛选、反应墙尺寸结构的设计对于PRB的有效运行至关重要。本文以PRB修复河南某Cr(Ⅵ)污染场地为例,详细阐述场地调查、材料筛选、材料反应参数确定、PRB结构优化等方面的研究过程及成果,可为后续PRB修复技术的应用提供参考。研究结果表明:PRB修复技术适用于该场地,铸铁与活性炭混合材料为最佳修复材料;反应门长40 m(反应材料厚2 m,上下游分别为2 m厚砾石层),东西两侧隔水墙长为60 m的U型漏斗-门系统型PRB,可有效捕获并修复污染羽,工程成本远低于连续反应墙式PRB,为该场地修复最优PRB结构类型。     

方解石与含硅流体的水-岩反应实验及其对“硅化碳酸盐岩”储层成因的启示

近年来的油气勘探表明, 含硅热液是碳酸盐岩层系中一种重要的溶蚀性流体, 查明其与碳酸盐岩的水-岩反应机理是揭示“硅化碳酸盐岩”储层发育机制并实现储层分布预测的基础和关键问题之一。文章采用熔融毛细硅管和水热反应釜为反应腔,开展了200~375℃范围内方解石和含硅流体的水岩反应实验。利用原位拉曼光谱技术在线描述反应过程中体系组成的变化,对于淬火后的固相样品,则采用扫描电镜—能谱分析进行形貌观测和成分鉴定。首先,查明了含硅流体与方解石脱碳反应发生的温度条件。方解石和含硅流体在275℃以上反应形成CO₂,固相为非硅灰石的钙硅酸盐,其结构有待进一步揭示。该结果表明单纯的硅质组分难以在储层温度条件下与灰岩发生反应;其次,提出高盐度、富CO2流体作用是造成灰岩溶蚀的重要因素;最后, CO₂的存在能够促进硅质（含石英）沉淀。在上述实验认识的基础上,结合前人研究结果探讨了塔里木盆地顺托果勒地区“硅化碳酸盐岩”储层的发育机制。含硅热液沿深大断裂上移,途径震旦系—下奥陶统白云岩层系,其中的硅质组分将与白云石反应形成富镁硅酸盐和CO₂。CO₂是重要的酸性组分,有利于鹰山组碳酸盐的溶蚀和孔隙的保存。流体温度和压力的降低以及CO₂的存在促进了石英沉淀,并形成了大量的石英晶间孔隙。     

水平地震作用下无锚固储罐应力与应变响应分析

在考虑地基与储罐相互作用的情况下,采用有限元法对储罐在水平地震荷载作用下的应力及应变反应进行了数值计算。对3×104m3和2×103m3罐壁应力及应变的分析结果表明:环向、轴向应力及应变的分布形式呈现出明显的下部大上部小的特点,在偏底部的位置出现应力和应变的峰值;储液罐在水平地震作用下“象足”变形是由纵向压应力达到屈曲临界应力导致的屈曲破坏,不是强度破坏,即破坏属于失稳破坏而非强度破坏。     

钢框架-钢筋混凝土剪力墙结构的地震能量反应分析

以17个钢框架-钢筋混凝土剪力墙混合结构为样本,选取结构自振周期T和结构刚度特征值λ作为分析参数,分析它们在不同类型地震动下的地震能量反应。研究表明,混合结构体系在地震作用下总输入能的大小主要与结构的自振周期以及地震动类型有关,剪力墙与钢框架之间的刚度关系对总输入能影响不大;总输入能等效速度谱的形态受地震动类型的影响很大,同一地震动作用下,幅值与等效速度谱值之间基本能够维持线性增长的关系,但随着结构塑性发展的加剧,这种线性增长关系的离散度会变大;在结构自振周期不变化的前提下,结构的滞回耗能比以及底部剪力墙承担滞回耗能的比例都会随结构刚度比的增大而减小。     

钢筋混凝土渡槽结构地震反应数值分析

首先介绍了钢筋混凝土渡槽结构在地震荷载作用下的分析理论,根据这些理论建立了渡槽结构的动力有限元分析模型,分别采用干模态法、附加质量法和ALE法考虑渡槽结构液固耦合作用,通过具体的工程算例,对钢筋混凝土渡槽结构进行了不同工况下的数值模拟研究,包括混凝土非线性材料分析、渡槽结构静水与动水响应分析、渡槽结构自振特性分析和槽墩的能力曲线分析。研究表明,考虑固液耦合作用的渡槽实体有限元模型能较好地模拟渡槽结构地震反应,并得到相应的渡槽结构地震反应规律。     

按新旧规范设计的多层住宅砖房地震易损性的对比

本文采用概率方法借助于拉丁超立方采样技术和非线性地震反应时程分析对按现行规范设计的多层住宅砖房的地震易损性进行分析,并与按上一代规范设计的多层住宅砖房的地震易损性分析结果[1]进行了比较,为进一步研究这类结构的地震安全性、未来地震的损失预测以及防震减灾对策奠定基础。