东太平洋多金属结核中铁、锰元素的分形演化及其意义

运用分形理论,通过建立不同的相空间,计算了东太平洋多金属结核中的铁、锰元素的时间序列在各相空间中的关联分维,并与其在沉积物岩心中的关联分维进行了对比.通过研究发现,多金属结核中铁、锰元素和沉积物中Fe₂O₃及MnO在分形演化过程中均存在分维吸引子,认为沉积物中的Fe₂O₃和MnO可以用3个变量来描述,它们可能代表了火山、生物和陆地的三种来源,而描述结核中的铁、锰元素却需要14个变量,反映多金属结核中铁、锰元素的来源和/或赋存非常复杂,至少有14个因素在起作用,可能暗示了结核在形成过程中存在复杂的生物化学作用,为多金属结核的生物成因提供了间接的数学证据,同时也合理解释了结核生长结构所具有的自相似韵律现象.     

岩体结构面各向异性变异系数的尺寸效应研究

岩体结构面的各向异性与尺寸效应特征对其力学性质影响较大,综合考虑两者之间的相互关系对工程岩体稳定性评价具有重要意义。全面分析不同尺度结构面的各向异性分布,提出考虑正交方向三维形貌参数的各向异性变异系数AVC3D。通过渐进覆盖法统计4组天然岩体结构面10种不同采样尺寸的各向异性变异系数及其尺寸效应规律。结果表明：各向异性变异系数均随结构面尺寸增大而减小至定值,其与结构面尺寸具有较好的负对数函数关系;通过归一化处理,各向异性变异系数与结构面尺寸呈现较好的线性函数关系,表明各向异性变异系数具有分形结构,分维数D可以实现其尺寸效应的规律统计。该方法揭示了影响结构面形貌特征方向性变化的最大有效倾角 和粗糙系数C的增长幅度会随采样尺寸增大趋于稳定的变化机制,体现了当结构面达到各向异性尺寸效应的阈值后,会呈现出稳定的各向异性规律。     

分形岩石裂隙中渗流扩散运动的试验研究

由于存在大量粗糙不规则裂隙,使得岩体中流体运动极为复杂。针对天然粗糙岩石裂隙渗流试验存在物理模型隐蔽性和不可重复性等难点,基于三维Weierstrass-Mandelbrot分形函数构建了粗糙节理面的裂隙通道,采用3D打印技术获得了透明精细的裂隙模型,使用微流体控制仪研究了不同试验条件下的裂隙渗流扩散运动,分析了裂隙通道流量与压力水头、裂隙宽度和分形维数之间的关系。研究结果表明：与平行板立方定律近似,在分形裂隙中,裂隙通道流量与压力水头成线性关系;单宽流量与裂隙通道的宽度成近似的三次方关系;考虑分形维数影响时,相同条件下流过裂隙通道的流量随着分形维数的增加而增加;粗糙裂隙渗流立方定律可采用与分形维数相关的幂指数函数进行修正。     

土石混合体分形几何特征与强度演化特征

针对土石混合体的结构性特点,以含石量为20%、30%、40%、50%、60%的土石混合体为研究对象,基于多重分形原理研究多重分形特征,研究分形维数与强度之间的关系。研究表明,土石混合体具有双重分形特征,不同尺度条件下具有不同分形指标,包括块石粒度、土体粒度以及平均粒度等分形维数,与含石量相关。单轴压缩试验表明,抗压强度随含石量增加呈现先增大后减小的趋势,根据单维分形特征,确定最优含石量约为40%。建立了含石量、不同分形维数指标与抗压强度之间的关系,分析了双重因素综合影响下抗压强度的变化特征,确定了含石量与分形维数之间存在最优区域。     

基于分形理论的板块形态重建

全球板块重建的精细化和区域化是当前研究的热点领域之一。值得注意的是,针对重建板块形态分布规律的研究,尚未充分展开。在大数据背景下,本文根据已有板块重建模型,对中生代以来的重建板块的形态,进行了分形维数分析,并结合斑岩型铜矿床的频数分布规律,讨论了分形维数和斑岩型矿床频数对板块重建整体性评估的意义。研究结果表明,自250 Ma以来的地质历史时期,全球重建板块形态的分形维数具有先下降后上升的特点,在65 Ma达到最小,可能代表了由Pangea超大陆向未来超大陆Amasia的转换。此外,全球斑岩型铜矿床的频数异常与板块重建形态的分形维数异常具有良好的对应关系,表明板块运动过程中产生的快速形变与斑岩型铜矿床形成之间具有密切的联系。该结果可能将为整体性评估重建板块形态的真实性提供一个全新的方法,特别是对约束古老板块的形态方面,具有一定的科学价值;同时,也能为斑岩型铜矿床的成因,提供对照参考的数据基础。     

基于震灾图像维度分析下景观带毁损程度评估的探讨

地震灾害是所有自然灾害中破坏程度最为严重的灾害之一,当景观带遭到地震破坏时,景观带中的规则建筑结构发生改变,景观带毁损程度评估是城市避震减灾体系研究的重点内容,因此对景观带中规则建筑毁损程度研究有重要意义。为深入探讨景观带毁损程度评估的问题,基于震灾图像维度分析下对景观带毁损程度的评估方法进行尝试。根据规则建筑震灾图像质量,按图像维度的变化特征对规则建筑结构的破碎程度进行划分,获取破碎概率分布,根据破碎概率划分最佳阈值,采用分数维方法提取图像维度特征,根据提取到的规则建筑震灾图像维度特征,将毁损的规则建筑空间自相关程度转换成正态分布曲线,进而构建评估模型对规则建筑毁损程度进行评估。针对实例分析,实现基于震灾图像维度分析下景观带毁损程度评估方法并进行了探讨。     

基于Sentinel-2A/B的新疆典型城市不透水面提取及空间差异分析

随着城市化进程加快,自然地表物理结构及属性的变化使得城市不透水面不断增加,进而造成城市土地覆盖类型剧烈变化,极大地影响着其环境质量和生态循环。因此,探讨不透水面的空间变化规律,对建设生态、和谐、宜居城市变得极为重要。本文选取新疆维吾尔自治区（简称新疆）典型城市（乌鲁木齐、喀什、哈密及克拉玛依）主城区为研究区,通过对Sentinel-2A/B影像L2范数归一化处理,结合增强型归一化差值不透水面指数ENDISI（Enhanced Normalized Difference Impervious Surface Index）,采用最大类间方差法（OTSU）自适应确定阈值,提取2017年和2019年新疆典型城市不透水面。结果表明：L2范数归一化处理与ENDISI结合能较好的突显不透水面与非不透水面的差异;OTSU自适应确定的阈值能够很好的区分不透水面,经示例验证（2019年乌鲁木齐主城区）,不透水面提取结果总体精度为86.60%,Kappa系数为0.73。通过对不透水面空间差异分析可知：从剖面线角度分析得出乌鲁木齐北部、喀什中部和北部及哈密中东部和北部ENDISI指数值均显著增加,而克拉玛依北部和中西部区域ENDISI指数值增加较少;从不透水面盒维数分析中得出,新疆典型城市的盒维数值均呈增加趋势,城市结构复杂度不断增强,其中哈密盒维数值最大,乌鲁木齐盒维数值最低,且哈密的盒维数值变化幅度最大,克拉玛依的盒维数值变化最小。本文可为新疆典型城市内涵式发展提供科学指导,为干旱区城市生态环境保护提供理论依据。     

遗址土劣化进程中微观结构变化的类比研究

长期的风化会使遗址土体劣化,进而威胁到遗址本体的安全,但在自然条件下这一演化过程尚不明确。遗址土体微观结构的变化是该过程的重要体现,研究选取风化条件近似而暴露时间不同的黄土质边坡作为类比对象,采用扫描电镜法（SEM）和压汞法（MIP）分别对表部以及内部土样的微观孔隙结构进行观察和量测。试验结果表明,表部土体微观结构的变化程度大于内部土体,并呈现一定的规律性;与内部土体相比,表部土体的土颗粒排列为致密的叠片状;其孔径分布为双峰模式,团聚体内孔隙占比较大;随着风化时间的增长,表部土体的孔隙总体积和表面分形维数逐渐减小,导致孔壁粗糙程度降低,减小了颗粒间的摩擦,在宏观上容易诱发土体表层的剥离损耗或其他病害。     

冲击荷载下玄武岩纤维水泥土吸能及分形特征

为研究玄武岩纤维对水泥土冲击破坏过程中能量吸收及碎块块度分布特征的影响,采用Φ50 mm变截面霍普金森压杆（split Hopkinson pressure bar,简称SHPB）试验装置对不同玄武岩纤维掺量的水泥土进行了冲击压缩和动态劈裂试验,分析了冲击荷载作用下玄武岩纤维掺量与水泥土吸收能、破坏形态和分形维数 的关系,试验结果表明：随着玄武岩纤维掺量的增加,水泥土吸收能呈先增大后减小的趋势,超过最佳掺量后,由于纤维-纤维薄弱面的存在,水泥土吸收能减少;冲击破坏后水泥土破碎块度分布是具有统计意义上的分形,冲击压缩试验中水泥土破碎块度平均粒径随玄武岩纤维掺量的增加而不断增大,对应的 值总体上呈现不断减小的趋势;在动态劈裂试验中,玄武岩纤维掺量在0～2.0%范围内,水泥土破碎块度平均粒径呈现上升趋势, 值不断减小,玄武岩纤维掺量超过2.0%后,平均粒径有所降低,对应 值增大。玄武岩纤维水泥土吸收能和 值之间有着密切的联系,冲击压缩试验中,吸收能在分形维数为2.20～2.26范围内呈先增大后减小的趋势,而在动态劈裂试验中,吸收能在分形维数为1.85～2.20范围内总体呈现下降趋势,两者具有一定的负相关性;合适掺量的玄武岩纤维对水泥土动态特性起着积极作用,通过试验得出玄武岩纤维的合适掺量为1.5%～2.0%。     

新疆巴里坤鸣沙山风成沉积物粒度特征

对新疆巴里坤鸣沙山风成沉积物粒度进行了分析,并对其特征进行了探讨。结果表明：巴里坤鸣沙山风成沉积物以中沙为主,分选较好,偏度值接近0,峰态很窄。概率累积曲线揭示风成沉积物碎屑颗粒的主要搬运方式为跃移,所占比例为40%~95%。沿沙脊-山坡-山脚的方向,平均粒径逐渐变大,分选性变差,蠕移组分含量增加。粒度具有分形特征,分维值平均为0.94,与常见碎屑物质相比,处于较低的水平。分维值与标准偏差显著相关,说明分选程度会对分形特征产生影响。