中国CO2地质封存与可持续发展

在全球气候变暖的自然趋势下,推行CO2地质封存项目对减缓气候变暖进程和我国实施可持续发展战略具有重要意义。本文概述了CO2在地质储层-盖层系统中的两种捕获机制:一是通过地层构造压力、地下水动力、流体密度差、盖层岩石毛细管压力及矿物(煤层)吸附等共同作用的物理捕获机制,另一种是通过水岩化学反应进行固碳的化学捕获机制。归纳了有利于长期安全封存CO2的地质条件和水文特征,结合文献资料指出我国CO2有效地质封存总容量可供中国CO2地质埋存使用1 000年以上。并从科学技术能力、人才储备、经济成本及效益预算、管理和运营体制等方面进行论证,认为我国实施CO2地质封存项目是切实可行的。结合我国不合理的能源消费结构及全球气候变暖、环境恶化可能产生的后果,阐述了CO2地质封存对我国实现节能减排、低碳经济等可持续发展战略的深远意义。建议我国尽快组织开展CO2地质封存相关科学理论、封存技术及基本框架和配套政策、法规研究,为我国应对全球气候变化提供足够的技术和人才储备。

地下采矿诱发山体崩滑地质灾害研究现状与展望

地下采矿活动诱发的山区崩滑地质灾害已经对人类活动带来了重大影响。针对采动滑坡地质灾害的发生机制,总结了近年来国内外的主要研究工作与成果,并分别从现场监测、物理模型实验研究和数值模拟实验研究3个方面对采动滑坡失稳机理进行了归纳和总结,得出如下认识:(1)已有的研究对小规模不充分开采引起的山体移动规律研究不清楚。认为地下开采作用仅是影响坡体稳定的一个因素,忽略了地下采矿活动本身各因素如开采方式、采空区处理技术等不同的影响;(2)现场监测方面多为地表的监测数据,缺少矿井上下的对照监测资料,即地下采空区的扩展过程与岩层移动监测数据之间的对应关系;(3)已有的模拟研究基于地质背景、本构及参数等因素的假设,对地质模型的刻画过于简化,得出的也多是一些趋向性的基本认识。在后续的研究工作中应将重点着眼于地下开采作用的细化研究,加强对地下采空区的调查和对采空区上覆不同埋深处岩体变形的监测,并建立更能反映真实地质条件的大规模精细三维数值模型。

CO2地质封存工程的潜在地质环境灾害风险及防范措施

CO2地质封存技术虽是有效减排CO2和提高石油、天然气等能源采收率的技术手段,但目前该技术尚处于发展阶段。CO2地质封存工程可能诱发一些潜在的地质环境灾害风险,如浅层地表垂向差异变形、可能诱发的断层活化及地震事件、CO2逃逸导致淡水含水层的污染、CO2泄漏富集危害附近人类健康和局部生态系统等。本文分析了上述潜在地质环境灾害风险及灾害诱发模式,并从科学选址、风险评估、工程监管、监测预警、应急补救等角度提出了具体的防范措施和工程指导原则,对CO2地质封存技术的安全性评估和工程实施阶段的风险管理具有重要的现实意义。

基于矿物结构与钻探的花岗岩地质强度指标研究及应用

受Hoek对泥砂岩地质强度指标(GSI)图研究的启发,在野外工作和室内试验的基础上,尝试建立一个基于矿物结构与钻探的花岗岩GSI量化取值图:(1)该图引进岩石矿物结构、完整岩芯长度、节理条件等参数来对GSI取值进行量化;(2)用典型完整岩芯照片代替GSI取值图里岩体结构的素描图,并结合野外岩芯RQD、采芯率、岩体结构等特征对该照片进行描述。根据Hoek-Brown准则,利用该GSI图计算出花岗岩的弹性模量E,其与勘察单位给出的E值最小误差为0.11 GPa,说明该图具有一定的科学性,可用于钻探的场地花岗岩体力学参数估算。

工程地质岩组与岩体质量分级在岩石工程中应用对比

在多不良地质体存在条件下,不同建设阶段岩体质量级别判别结果常会出现较大差别,成为岩石工程建设中争论焦点之一。岩体质量分级可给出相应力学参数,但对复杂地质体的变形破坏模式难以区分,影响到合理的开挖和支护方案的制定。结合岩石工程目标,在地层岩性对比和相应物理力学特性区分基础上,划分出的工程地质岩组,成为了工程地质条件评价、分区和工程规划的重要基础。在岩石地下工程设计和施工中还需有岩体质量分级作为依据。前者是以岩体工程地质力学观点为基础的较大范围的定性分类,抓住地质体关键内因之一的岩体地质建造和构造改造来分类,有利于得出相应变形破坏模式;后者以单指标或多指标来计算评判岩体质量好坏,包括了工程岩体本身和所处地质环境因素。在岩石工程不同阶段和不同层次上,它们的依据和应用各有所长,对工程地质问题的大尺度超前预报和工程设计起着不同作用,而又有一定的交叉和重叠,结合起来运用可发挥合理解释变形破坏模式和对比不同阶段判别结果的工程效果。结合雁门关隧道工程,给出它们的应用情况对比,以便于其在不同工程建设中更好地区别运用。

玉树Ms7.1地震灾区灾后重建工程地质与水文地质条件分区评价

研究玉树地震灾区4县27乡镇的灾后重建工程地质与水文地质条件,选定了地形地貌、地层岩性、水文地质条件、场地地震烈度4个因素作为评价分区指标,构建了单因素指标评价准则,并利用层次分析方法确定了各因素的权重。在此基础上,结合模糊数学理论与方法,分别给出了基于自然单元、乡镇以及各乡镇工程建设用地、特别是极重灾区结古镇镇址的工程地质与水文地质评价结果。结果表明,除奔达乡、真达乡、洛须镇、正科乡、尕多乡等5乡镇所在地分布在工程地质条件较差和极差区,不具备重建工程地质与水文地质条件外,其余各乡镇所在地均处于工程地质较好和良好区,具备重建工程地质及水文地质条件。结古镇原镇址85%的建筑用地分布在工程地质与水文地质条件比较好的地区,只有零星的建筑用地分布在工程地质与水文地质条件较差和极差区,活动断裂穿越,距离地质灾害易发地较近,重建时要注意避让。

汶川地震极重灾区地质背景及次生斜坡灾害空间发育规律

5·12汶川大地震造成大量的次生斜坡灾害,本次研究区域为汶川大地震的11个重灾区,包括汶川、北川、青川、安县、平武、茂县、江油、彭州、什邡、绵竹、理县等市县。通过对重灾区航片、卫片、雷达图像的解译研究发现,重灾区次生斜坡灾害的主要灾种表现为崩塌、滑坡以及崩塌、滑坡高速运动解体形成的碎屑流(个别地方由于水的参与表现为泥石流)以及它们堵江形成的堰塞湖。研究发现地震次生斜坡灾害的发育具有明显的丛集性规律。从区域上看,次生斜坡灾害明显呈带状,沿龙门山断裂带展布,并主要受北川—映秀断裂控制。各灾种的发育在不同地段发育的规模、频率差别较大。以灾害分布面积来排序,汶川县灾害面积最大,为131.55km2,其次为北川县,为45.57km2,其余9个县(市)灾害面积相差不大,均介于6～17km2,其中理县灾害面积最小,为6.25km2。各灾种的发育在不同地段发育的规模、频率差别较大。青川县、平武县灾种主要为滑坡,汶川县、茂县、安县、理县灾种主要表现崩塌转化的碎屑流,北川的主要灾种则为碎屑流,其次为滑坡,什邡、彭州、绵竹、江油等地主要灾种为崩塌。灾种发育的这种地域性差别主要受控于地层岩性,除此而外,还与构造特征、地形地貌等因素紧密相关。研究表明:岩性对灾害种类的展布有决定性控制作用。统计发现,岩性越坚硬,崩塌、碎屑流发育率越高,滑坡则在软岩地区、较软岩地区和较坚硬区发育率最高,泥石流则在软岩地区最为发育。地形地貌对次生斜坡灾害的发育有重要影响,统计表明,崩塌、碎屑流以及泥石流在1200～2000m坡段范围内发育率最高,其次为800～1200m坡段;而滑坡则在800～1200m坡段范围发育率最高。对坡度而言,除11°～20°坡度范围外,崩塌和碎屑流的发育率总体具有随坡度增高而增大的特点;而滑坡和泥石流的发育率呈现典型的单峰特征,在1°～20°范围内发育率最大。坡向对地震次生斜坡灾害的发育影响不明显。地震次生斜坡灾害的发育规律表明,地震斜坡灾害的发生主要受控于活动构造本身,并沿活动构造呈带状展布,同时受场地条件如岩性、地形地貌等因素的强烈控制。

V形切槽巴西圆盘法测定岩石断裂韧度K_(IC)的实验研究

采用国际岩石力学学会岩石断裂韧度建议测试方法(ISRM)[1]提出的V形切槽巴西圆盘试样(CCNBD),测试了一种泥质砂岩的I型断裂韧度值,给出了一套试样切割制备方案,从试验现象角度分析了该泥质砂岩的断裂力学特性,讨论了该试样类型的有效尺寸和断裂机制,并指出了该方法的特点和优劣性,得出如下结论:(1)该类岩石试样测得的I型断裂韧度值对CCNBD试样直径尺寸变化具有较大的敏感性,并且直径大于ISRM建议方法中最小有效直径(75mm)的试样测试结果更为稳定;(2)CCNBD试样断裂机制表现为以拉张应力(间接拉伸)作用为主,兼有一定的韧带面内剪切作用的应力状态下I型裂纹扩展模式;(3)V形切槽巴西圆盘方法具有试样加工工艺简单、能承受较大临界载荷、测试的I型断裂韧度值较稳定等优点,但其没有考虑断裂过程区(FPZ)的非线性问题,建议对该方法进行非线性修正图解方案研究,以达到更准确测定岩石断裂韧度的目的。

中国西南地区某些地震区未来震情研判

运用孕震断层多锁固段脆性破裂理论与相关预测方法,对原已划分的中国境内及周边地震区边界进行了重新厘定,并新增加了10个地震区.本文重点对中国西南地区未来震情进行研判,并给出这些地震区未来震情的四要素预测结果.分析表明:得荣地震区即将有大震发生;中缅边境地震区2、中缅边境地震区3未来将有大震或巨震发生;白玉地震区、开远-蒙自地震区、昌都地震区、云龙地震区、聂荣-巴青-左贡地震区、中缅边境地震区1、下关-楚雄地震区将有强震发生;弥勒-丘北地震区与曲麻莱以北地震区将有中强震发生;由于对鲜水河地震区的边界调整,本文也对其未来震情进行了重新分析.此外,本文也分析了福贡地震区、曲靖地震区、噶尔-革吉地震区、日喀则地震区、盐源地震区、丽江地震区与昭通地震区的地震危险性.本文研究结果可供有关部门参考.

中国新疆及邻区某些地震区未来震情研判

本文运用孕震断层多锁固段脆性破裂理论与相关预测方法,对新疆及邻区的某些地震区边界进行了修正,对未来震情进行了重新研判并给出了这些地震区未来震情的的四要素预测结果.结果表明:新源-阿拉木图地震区即将有巨震发生,中吉边境地震区即将有大震发生,哈密-阿勒泰-厄斯克门地震区未来有大震或巨震发生,博湖、库尔勒、拜城、与昆仑山口西地震区未来有强震发生,若羌地震区未来有中强震发生.本文研究结果可供有关部门参考.

地质灾害危险性评价因子对格网大小的敏感性与误差分析

格网单元是利用地理信息系统(GIS)进行地质灾害的危险性评价时广泛采用的一种评价单元。对研究区进行格网划分之后,需计算每一格网单元的评价指标值,并进行叠加分析,进而划分危险性等级。但是,格网大小的确定目前仍依赖于专家经验,缺乏定量的计算模型。本文以湖北省恩施市为例,选取了地质灾害危险性评价中常用的评价因子和指标,分析了格网大小对各评价指标的影响机理,为格网大小的定量计算提供了科学依据。

基于正交设计的模型试验相似材料的配比试验研究

在前人相似材料研究的基础上,应用正交设计方法,以(铁粉+重晶石粉)/骨料、铁粉/(铁粉+重晶石粉)、黏结剂浓度、石膏含量为4个因素,每个因素设置5个水平,设计了25组材料配比方案,进行了称重、单轴压缩、劈裂和直剪试验,获得了不同配比相似材料的密度、抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比、内摩擦角和黏聚力等物理力学性质指标。试验结果表明:不同配比相似材料的物理力学参数分布的范围较大,能够满足不同性质岩体模型试验对岩体相似材料的要求;采用极差分析法分析了各因素的敏感性,发现(铁粉+重晶石粉)/骨料对试件密度、内摩擦角起主要控制作用,黏结剂浓度对试件的抗压强度、抗拉强度、弹性模量、黏聚力起主要控制作用;并作出了各因素对相似材料物理力学参数影响的直观分析图,分析了各因素对相似材料参数的影响规律。

地震作用下岩质边坡动力响应特性及变形破坏机制研究

以汶川地震诱发大型岩质边坡为研究对象,基于相似理论,采用室内大型振动台模型试验,通过输入不同频率、不同持时以及不同幅值的正弦波,研究顺层及均质结构岩质边坡的动力加速度响应特征及动力输入参数对边坡动力特性的影响。试验结果表明,模型边坡动力加速度分布存在明显的而非线性高程放大特性及非线性趋表特性;且边坡对加速度的放大存在高度效应,即边坡中上部大约3/4坡高以上对水平加速度放大明显,而中下部对竖直加速度放大明显;受地形作用影响,边坡坡脚对加速度具有明显的抑制作用;地震波输入的动力参数对加速度动力特性有影响,地震波频率对加速度影响最为明显,边坡动力加速度随频率的增加而呈非线性增大的趋势,当地震波频率接近边坡模型自振频率时影响最大,且频率的增加改变坡体内加速度的分布特征;动力加速度随边坡输入加速度峰值的增加而增加,但幅值的变化并不改变加速度在坡体内的分布;地震波持时对动力加速度影响轻微。边坡坡体结构是影响其动力特性的重要因素,顺层结构边坡由于存在大量的结构面其动力加速度放大系数要高于均质结构边坡15%左右。

唐家山滑坡成因机制与堰塞坝整体稳定性研究

根据唐家山滑坡的地质背景,研究滑坡及堰塞体工程地质特征,分析唐家山滑坡类型及发生的地质成因机制;基于唐家山堰塞体的岩体结构稳定性分析、宏观现象监控与地表位移监测,研究堰塞体的整体稳定性。研究得出如下结论与启示:(1)唐家山滑坡属于基岩顺层滑坡,是典型的地震诱发高速滑坡,滑坡滑动带可能发育在层间剪切带,滑坡区发育的构造背景为复式倒转背斜的一翼。(2)唐家山堰塞体整体结构以块状岩体为主,上覆风化松散堆积物,整体地质稳定性较好;堰塞体地表位移监测显示,泄洪对地表位移有影响,最大位移约140mm,随后位移增量较小,目前处于稳定状态。(3)应注重地震诱发滑坡→堰塞湖→溃决→洪水的"多米诺"链式灾变研究;应注重含层间剪切带斜坡的工程地质调查分析和地震滑坡危险性研究。

渤海湾盆地中、新生代岩石圈热结构研究

本文以浅部沉积盆地热历史恢复结果为基础,结合地热学的有关理论计算得到渤海湾盆地中生代以来不同地质时期壳幔热流配分及莫霍面温度。结果显示,渤海湾盆地在早白垩世晚期和古近纪中晚期达到两次地幔热流与地表热流之比高峰,其两期地幔热流占地表热流比例都超过65%。莫霍面温度在早白垩世晚期、古近纪中晚期及新近纪早期(仅在临清坳陷、沧县隆起和冀中坳陷)出现3次高峰,其温度分别为900～1100℃、820～900℃和770～810℃。本文的研究不仅揭示出白垩纪是渤海湾盆地岩石圈热结构的重要转型期,即由三叠纪和侏罗纪的"冷幔热壳"型转变为白垩纪以来的"热幔冷壳"型的岩石圈热结构,还揭示出渤海湾盆地在早白垩世晚期和古近纪中晚期发生两期强烈的构造裂陷作用。因此,本文的研究可以为中国东部大陆岩石圈地球动力学的研究提供地热学参数。

岩石静态和准动态加载应变率的界限值研究

为研究岩石材料静态和准动态加载试验的应变率界限值,以若干硬岩试件在不同应变率加载条件下的试验数据为基础,借助统计学理论与方法,定量分析岩石动态抗压强度与静态抗压强度之比值与应变率的相关性大小,得到硬岩试件的强度参数与应变率之间的规律性关系,进而得到岩石材料静态和准动态加载试验的应变率界限值,即加载应变率<5×10-4s-1时为静态试验,此时均保持在1.00附近,近似为常数,岩石强度与应变率无相关性;5×10-4s-1<<102s-1时为准动态试验,此时与应变率为幂函数关系,岩石强度与应变率表现出较强或显著相关的特性。

岩石泊松比与内摩擦角的关系研究

在纯张破坏时的泊松比与内摩擦角关系式基础上,推导出纯剪破坏时的泊松比与内摩擦角关系式,定义由泊松比与内摩擦角确定的剪破坏、脆性剪破坏、塑性剪破坏与张破坏及流动变形破坏分布区域。根据试验数据分析,确立张剪破坏与剪张破坏的线性分界线,建立脆性剪破坏判别条件半经验关系式。据此关系式,进行泊松比与内摩擦角的互算、单试样抗剪强度的计算及岩石细观破坏类型的分区。与岩石三轴压缩试验资料进行对比分析,解释岩石试样破坏类型发生的力学机制。实例表明,用泊松比计算单试样抗剪强度的方法具有实用价值,而且利用岩石破坏类型分区图可辅助预测岩石可能的破坏方式与类型。

岩石单轴压缩条件下裂纹扩展试验研究——以片状岩石为例

为研究片状岩石渐进性破坏,首先对其应力门槛值:裂纹起始应力σci、裂纹破坏应力σcd、单轴抗压峰值强度σf及相互间的关系进行系统的总结和论述。基于片状岩石——丹巴二云英片岩单轴压缩试验轴向应力-轴向/径向应变曲线,首次将岩石渐进性破坏过程应力门槛值分析应用于片状岩石,得出加载方向与片理面方向平行、垂直和成30°夹角3种加载条件下的应力门槛值,并将其与其他岩石种类的应力门槛值研究结果进行比较。结果表明裂纹扩展过程与岩石种类有关,不同岩石矿物颗粒、胶结状况、片理面发育情况等因素都会影响岩石的渐进性破坏过程,从而对应不同的应力门槛值范围。二云英片岩的试验结果直接表明,由于片理面的发育,片状单轴压缩条件下的裂纹扩展过程存在显著的各向异性,这一特点显著区别于其他种类岩石,在地下工程开挖中应对其进行具体的量化分析,以指导开挖设计和支护加固。

地面电磁探测系统(SEP)研究

近年来,大地电磁法作为深部找矿与地球电性探测的感应类电法有了迅猛的发展,国内电磁法仪器基本上都是美、加、德三国地球物理公司所生产,中国已进口了几百套这些设备.随着中国国力的增强,地面电磁探测系统的自主研制被提到议事日程.从2010年开始,中国科学院地质与地球物理研究所牵头,联合中科院院内及高校等单位在国土资源部探测技术与实验研究专项(SinoProbe)中承担了《地面电磁探测(SEP)系统研制》项目的研究,目前已取得阶段性成果.本文详尽地论述了大地电磁法仪器发展现状、系统研究目标和总体设计,SEP发射系统、感应式磁传感器、分布式电磁数据采集系统、3DEM数据正反演成像软件和可视化数据管理软件、SEP系统集成和野外测试结果,最后对地面电磁探测系统研究进行了讨论、总结和展望.

地震纵横波时差耦合作用的斜坡崩滑响应研究

运用离散元数值模拟技术,对北川新中崩滑体在具地域性和空间非均质性的地震纵横波时差耦合作用下产生崩滑破坏的动力全过程进行了研究,确定了该斜坡体在强震动力作用下产生崩滑破坏的形成机制及主控因素。研究表明:①对于新中崩滑体的先期崩滑破坏而言,由于其距离初始震中较远,故源自初始震源的地震纵横波到达该斜坡体的时差较长,为约15.21 s,而该斜坡体在地震纵波作用于斜坡体后8 s后即开始破裂,故其先期崩滑破坏是受到地震纵波产生的水平与竖向拉裂耦合作用所致,并以水平拉裂作用占优,而后期的抛射及运动过程则是受到地震纵横波的耦合作用所致;②对其发生先期崩滑的主控因素言,在地震构造组合机制、岩体结构与构造、斜坡岩体风化程度及物理力学参数等因素既定的情况下,地震纵波产生的水平与竖向拉裂耦合作用是诱发斜坡体产生初期崩滑破坏的主控因素,而斜坡所处地形(如高程差、沟谷延伸方向)则是促使破坏后的斜坡体形成后续碰撞解体及碎屑流等运动过程的控制诱发因素;③该斜坡体动力响应特征值的放大效应表明,其放大系数值从大到小依次是水平加速度>竖向加速度>水平速度>竖向速度,该结果与斜坡体发生先期崩滑破坏的形成机制及主控因素相符合,即地震纵波产生的水平加速度起到了优势破坏作用。以上研究为强震动力作用下的斜坡体先期崩滑破坏提供了新方法。