元地球与数字孪生:思想突破、技术变革与范式转换

数字孪生在航天、工业制造领域已应用了20多年,但引入海洋科学还是首次。通过数字孪生技术,实现真实地球与虚拟地球的融合,构建一个真实地球与数字地球的虚实共同体,这里称为“元地球”。本文介绍了元地球与早期提出的数字地球、虚拟地球、玻璃地球、智慧地球的本质区别,进而突出元地球理念或思想上的巨大突破。基于现今元宇宙BIGANT技术体系,构架跨越地球各圈层的实时、全天候、立体观测感知系统,打通地球系统各圈层动力学模拟隔阂,实现超越现今地球,再现深时地球,实现时空穿越,从而集数字地球、虚拟地球、玻璃地球、智慧地球、现今地球、深时地球的特性于一个共同体,这个深时的虚实共同体就是元地球。这一理念必将催生新的技术范式变革,进而超越现实地球、虚拟地球,开启人类认识地球、探测地球、开发地球的全新方式。在实现研究范式转换的同时,推动元地球的多场景应用,这也必将催生未来的万亿新产业。

渤中凹陷中生界火山岩储层裂隙发育程度实验研究:以安山岩为例

渤海湾盆地中生界火山岩发育广泛,但含油气性横向变化较大,失利井较多,勘探风险大,了解火山岩潜山储层内部裂隙发育程度及规律可为中生界火山岩潜山勘探提供理论依据。本文选取中生界安山岩,开展不同构造环境下岩石微裂隙发育程度实验,分析安山岩在不同应力状态下微裂隙发育规模、频率以及微裂隙空间分布,探讨张性和压性构造应力环境下中生界火山岩微裂隙发育能力及空间展布规律。实验结果表明:安山岩在压性和张性环境下均有微裂隙发育;安山岩在较低的压应力作用下产生大量微裂隙,微裂隙发育规模不随应力增大而升高,其原因可能是安山岩本身含有大量先存构造缝、溶蚀缝和溶蚀孔,受较小的应力后“再活化”产生微裂隙;结合渤中凹陷的构造演化过程,安山岩经历了燕山早期北东向压扭、中期伸展,燕山晚期右旋压扭及喜山期伸展,导致其内部裂隙较为发育,其运储能力提升,具备成为优质储层的基本条件。

逆冲-走滑作用叠加的复合构造变形机制砂箱模拟研究:以张家口-蓬莱断裂带渤海段为例

逆冲构造体受走滑作用影响形成新的复合构造体系在自然界中较为常见。新生代以来张家口-蓬莱断裂带渤海段的左旋走滑运动,改造了渤海湾盆地内燕山期挤压运动形成的逆冲构造。北西向的张家口-蓬莱断裂带渤海段受新生代以来太平洋板块俯冲驱动,与共轭的北东向郯庐断裂带共同控制了渤海湾盆地现今的构造样式,同时又是地震多发区和油气聚集区。本文通过砂箱模拟实验,研究不同走滑速率不同基底强度条件下,逆冲推覆构造受走滑作用改造的复合构造演化机制。实验结果显示,在挤压背景下,实验模型中先产生一系列的逆冲断层,形成逆冲推覆构造和冲起构造;叠加走滑作用后,走滑断层切割先存逆冲断层,具有明显的负花状构造特征。剖面上看,走滑速率越大,则断层数量越多,断层断距更大,花状构造更为复杂。在局部塑性基底模型中,无叠加的走滑构造区可形成断陷。结合研究区构造演化过程,模拟结果与张家口-蓬莱断裂带渤海段构造演化过程具有一定相似性,尤其沙北断裂、沙东断裂内部花状构造发育最为典型。走滑断裂对构造圈闭具有一定的控制作用,本模型可对逆冲叠加走滑复合区域的构造演变及动力机制分析提供参考和借鉴。

洋-陆转换带类型与成因机制

洋-陆转换带是被动陆缘的特殊构造,是伸展背景下大陆岩石圈与大洋岩石圈相互作用的关键区域,对于理解和认识大洋和大陆的地球动力过程、机制尤为关键。基于不同的被动陆缘类型,本文总结了不同类型被动陆缘的洋-陆转换带分类及特征,同时探讨其成因机制。根据大陆边缘类型,洋-陆转换带可以划分为四类,火山型被动陆缘中以海倾反射层和下地壳高速体为特征的洋-陆转换带、非火山型被动陆缘蛇纹石化地幔橄榄岩出露的洋-陆转换带、异常减薄洋壳组成的洋-陆转换带、强烈减薄陆壳为主的洋-陆转换带。洋-陆转换带成因模式取决于不同类型被动陆缘的伸展破裂过程,火山型被动陆缘起源于主动的火山裂谷,通过热作用来减薄岩石圈的底部进而发生地幔熔融,产生溢流玄武岩,浅表形成海倾反射体,下地壳表现为高P波速度异常且巨厚的高速体。非火山型陆缘的岩石圈横向伸展与深度相关,岩石圈变形既有均一纯剪切变形(均匀伸展)也有不对称的简单剪切变形(拆离断层)。

黏滑实验的震级评估和应力降分析

本文通过三种结构模型的黏滑地震模拟实验,利用高频速度连续观测系统获得了地震失稳过程的速度特征,讨论了最大位移量的选取方法,估算了实验室黏滑型地震的矩震级,探讨了黏滑类型、应力降大小与震级的关系.结果表明,黏滑型地震的应力降过程可能包含一次到多次高频振荡,对应若干次黏滑子事件.高频振荡的摆动幅度很大,包含有多种频率成分,峰值速度0.003~0.008m·s-1.初步估计黏滑型地震的震级范围为-4.4^-3级,断层构造面的差异对各种黏滑模型的地震震级分布有明显影响.总体来看应力降与地震震级没有明显相关性,决定地震震级的主要因素应当是震源尺度.

多通道动态应变观测系统在地震模拟实验中的应用

为了研究实验变形失稳过程中的应变场快速调整阶段和岩石结构破坏过程中的复杂变形场,将高速、高分辨率、多通道的应变观测技术引入构造物理实验,搭建了用以观测瞬态变形场的多通道动态应变观测系统,形成了16Bit分辨率、96通道、3.4kHz采样速度、1με分辨率且连续记录的应变观测系统。通过观测断层失稳过程高速滑动阶段和裂纹扩展过程的力学场时空变化,发现断层粘滑失稳过程的演化具有3个特征阶段:预滑动阶段、高频震荡阶段和低频调整止滑阶段。每个阶段的持续时间、应变速率、频率特性、振幅等都具有自身特点;三维断层扩展模型的实验结果显示,岩桥区断层贯通是一个快速过程,先多点局部扩展,后跳跃式连接。在断层贯通之后,样品整体崩垮之前,存在一个相对稳定的阶段,持续时间为几十ms。多通道动态应变观测系统填补了在地震模拟与岩石力学实验中应变观测频带的空缺,可以获得高密度、高精度的动态应变场,进一步研究瞬态应变场演化与应变波时空过程,为理解从缓慢递进变形到突发失稳释放过程提供了技术支持。

区域加载过程与发震断层变形演化的实验研究

使用双剪粘滑模型模拟自发地震和诱发地震的区域加载过程,利用应变观测系统多点连续观测发震断层附近的局部应变变化。在应力与应变空间上描述了地震过程的区域应力路径和局部应变路径。结果表明,局部应变路径与应力宏观路径的形态差异较大,但两者的转换阶段对应,存在一定映射关系。断层局部变形路径的走向标明了断层所处在的变形阶段。自发地震的应变路径可以划分为3个部分:应变积累阶段、剪应变的线性偏离阶段和失稳滑动阶段。诱发地震的应变路径包括4个阶段:正斜率的应变积累阶段、负斜率的稳态滑动阶段、亚稳态应变僵持阶段、扰动失稳滑动阶段。自发地震与诱发地震有各自的路径模式,可以从应变路径上判别断层稳定性与可能的地震类型。

透明质酸联合宫腔镜手术在人流术后宫腔粘连中的效果研究

目的探讨透明质酸联合宫腔镜手术在人流术后宫腔粘连治疗中的效果。方法选取2008年1月至2011年9月于本院进行治疗的46例人流术后宫腔粘连患者为研究对象,将其随机分为对照组和观察组各23例,对照组单纯进行宫腔镜分离手术,观察组则在对照组的基础上加用透明质酸进行治疗,后将两组患者的一次治疗总有效率、并发症发生率、再次粘连发生率及满意度进行对比。结果观察组在一次治疗总有效率、并发症发生率、再次粘连发生率及满意度方面均较对照组优势明显,两组比较,P<0.05,均有显著性差异。结论透明质酸联合宫腔镜手术在人流术后宫腔粘连治疗中的效果更好,也能有效防止其再次发生。

LEEP刀在宫颈上皮内瘤变中的效果及安全性研究

目的探讨LEEP刀在宫颈上皮内瘤变中的效果及安全性。方法选取2009年4月至2011年9月于本院进行治疗的66例宫颈上皮内瘤变患者为研究对象,将其随机分为对照组和观察组每组各33例,对照组进行CKC进行治疗,而观察组则采用LEEP术进行治疗,后将两组患者的手术时间、出血量、并发症发生率及术前、术后的QOL评分进行评估及对照分析。结果观察组的手术时间、出血量、并发症发生率及术后的QOL评分均显著优于对照组,经分析比较,均为P<0.05,均有显著性差异。结论 LEEP刀在宫颈上皮内瘤变中的效果及安全性均较为显著,可以在宫颈上皮内瘤变中推广应用。

断层失稳滑动瞬态过程的实验观测与分析

地震过程伴随着岩体的破裂与断层的摩擦滑动失稳过程。断层的扩展与失稳过程一直是地震学研究的基本问题，观测变形过程物理场演化特征，建立失稳模式，对于理解和认识地震机制具有重要的参考和应用价值。

B超引导宫腔镜下绝经后困难取环的效果观察

目的探讨B超引导宫腔镜下绝经后取环的效果。方法选取2009年6月至2011年12月的52例绝经后困难取环妇女为研究对象,将其随机分为对照组和观察组各26例,对照组均采用宫腔镜取环,观察组则在B超引导下进行宫腔镜取环,后将两组患者的取环成功率、操作时间、出血量、并发症发生率及满意情况进行对照分析。结果观察组的取环成功率、操作时间、出血量、并发症发生率及满意情况均明显优于对照组,经分析比较,P均<0.05,有显著性差异。结论 B超引导宫腔镜下绝经期取环的效果更好,安全性也较高,临床广受欢迎。

全球早古生代造山带(Ⅱ):俯冲-增生型造山

全球早古生代增生造山带极其发育,主要分布在古亚洲洋南北两侧、Iaeptus洋南侧、Rheic洋北侧和环冈瓦纳大陆地带,其中原特提斯洋封闭的产物主要发育在中国境内,大量微陆块在早古生代可能都是冈瓦纳北缘的俯冲-增生带中的重要组成。增生造山带中组成复杂,具有沟-弧-盆体系、海山、洋壳等残存记录,尤以榴辉岩发育为特征,增生造山成为早古生代古亚洲洋和特提斯洋构造体系的显著独特特征。早古生代末中亚早古生代造山带多为微陆块增生造山阶段,沟-弧-盆体系发育,具有增生-软碰撞造山的特点,发生时限较晚,为早古生代末;原特提斯洋中的西昆仑、东昆仑、柴达木北缘、南阿尔金、北阿尔金与北祁连、北秦岭等围限或夹杂的微陆块在早古生代具有相同的增生造山过程,整体是向南俯冲线性增生到冈瓦纳大陆北缘,现今多次重复是早古生代弯山构造所致。400 Ma左右,南部古特提斯洋和北部勉略带的打开,导致其北漂,经复杂变形改造,它们现今为一巨型弯山构造横亘在中国中部,对中国构造格局影响最为重要。

南海打开模式：右行走滑拉分与古南海俯冲拖曳

南海作为东亚大陆边缘最大的边缘海,位于太平洋、印澳和欧亚三个板块的夹持之下,处于特提斯构造域和太平洋构造域的联合作用部位,是揭示新生代两大动力学体系交接转换特征的良好场所。南海海盆为菱形洋盆,包括西北次海盆、东部次海盆和西南次海盆,均在古近纪—中中新世形成,同时伴随着南海北部、西部和南部盆地群发育,盆地边缘油气资源丰富,被称为第二个"波斯湾"。本文搜集了前人对南海洋盆深部形态、磁条带、转换断层等成果,以及南海周边盆地群的沉积体系、沉积相、不整合面相关资料,综合对比了南海北部、西部和南部盆地群的沉积序列、沉积相、沉积厚度,厘定了盆地群断裂体系、断裂组合特征,揭示了南海北部、南部盆地群及西部盆地群中的中建南和万安盆地都是在右行右阶走滑拉分背景下形成的。北部盆地群新生代古近系西厚东薄,新近系东厚西薄,NNE—NE向断裂体系活动早期西强东弱,而晚期东强西弱,从西向东依次停止。同时指出,南海是在NNE向断裂体系右行右阶走滑拉分和古南海俯冲拖曳的联合作用下打开:于34~32 Ma西北次海盆和东部次海盆受控于NNE向断裂的右行右阶走滑拉分作用,沿着NNE-SSW方向开启;32~23 Ma,NNE向走滑断裂活动自西向东逐步停止;于23 Ma左右,"消失"的南海以西的NNE向走滑断裂完全停止活动,同时由于婆罗洲地块逆时针旋转,古南海的俯冲带走向由近E-W向变为NE向,俯冲板块拖曳力也转变为NW-SE向并且占据主导地位,在拖曳力作用下礼乐—巴拉望地块后缘陆壳伸展,导致西南次海盆打开,东部次海盆的扩张方向由NNE-SSW转变为NW-SE向。于15Ma,礼乐—巴拉望地块与婆罗洲地块碰撞,南海停止扩张。

全球早古生代造山带(Ⅲ):华南陆内造山

华南早古生代加里东期变形、岩浆、沉积等特征表现为陆内造山带特征。通过对加里东期角度不整合分布、褶皱、断裂逆冲极性等特征的分析,发现大明山、大瑶山地区EW轴向的寒武系褶皱不对称性和角度不整合空间上向北的拓展变新规律,指示晚寒武世—早奥陶世的由南向北推覆挤压可能是云开、滇—桂北越地块依次向北推挤的结果;从全球背景看,可能和华南陆块南部一些地块与冈瓦纳大陆北缘依次碰撞接触导致的远程陆内效应有关。然而,湘赣边境、桂北元宝山及越城岭地区的早古生代NE向褶皱不对称性指示向西拓展,这可能是由于华夏地块与扬子地块在晚奥陶世—早志留世沿郴州临武断裂陆内收缩挤压的结果,其全球背景可能和华南陆块顺时针旋转与冈瓦纳全面碰撞相关。总之,加里东期构造运动总体由南向北、由东向西渐新,变形强度由强到弱的特征,反映华南陆内碰撞造山事件的根本原因是其与冈瓦纳北缘碰撞的远程效应。450~420 Ma华南已经属于冈瓦纳北缘一部分。

区域加载应力与断层带周边应变场分析

断层两侧应力的积累与释放是产生地震的直接原因，因此在活动断层周边建立了大量的地应变观测站。地壳里面包含有多种结构面，各种力学性质不同的岩石以某种叠加层序或侵入关系混杂在一起，它们必然影响变形场的形态与变化。因此，区域变形场的时空演化进程与地震的关系表现出非常复杂的模式。单个应变测量点的应变状态是否受控于一个统一的动力学过程，从多个测点能否推测出区域应力状态，成为一个重要的问题。在实验室地震模拟实验中，经常用岩石摩擦粘滑过程来重现浅源地震机制。实验室模拟与野外观测的不同之处在于精确知道对实验样品的加载过程、加载量和加载方向等条件，可以全面对比研究局部变形与宏观加载之间的关系。本文从加载条件相对确定的地震过程物理模拟实验出发，讨论地震过程中区域应力场的演化过程以及局部变形行为之间的关系。同时引入应力空间的概念，试图在应力与应变空间上对比分析区域加载应力路径和地震断层带周边应变路径两者之间的关系，阐释地震过程的发生机理以及变化规律，为现场地应力观测以及区域应力研究提供物理模拟依据和参考。

全球早古生代造山带(Ⅳ):板块重建与Carolina超大陆

古元古代与显生宙的板块构造特征和旋回演化过程具有明显区别,反映出地质记录为两种不同的板块构造体制。早古生代为这两个时期的过渡阶段,其构造过程研究与板块重建是地球板块构造旋回机制和周期分析的关键。本文采用综合集成的方法,在总结对比罗迪尼亚超大陆裂解以来全球早古生代主要碰撞造山带的地质事件基础上,分析早古生代碰撞造山带的演化特征,总结出与冈瓦纳大陆拼合、劳俄大陆拼合、古中华陆块群增生相关的7期碰撞-增生造山事件群:Brasiliano、东非、Kuunga、东亚与原特提斯洋和古亚洲洋演化相关的的加里东期造山事件、经典加里东造山、中欧加里东造山、Appalachian造山。再在这7期造山事件群基础上,结合古地磁、古生物、古地理等资料,重建了新元古代-早古生代末全球板块的拼合过程:罗迪尼亚超大陆从新元古代的~950 Ma开始经历了3个阶段裂解,此时存在泛大洋、莫桑比克洋和古太平洋3个大洋,随后615~560 Ma Iapetus洋打开,~560 Ma波罗的陆块与西冈瓦纳裂离导致狭窄的Ran洋打开;~540 Ma南半球Brasiliano、东非和Kuunga造山运动导致冈瓦纳大陆分阶段最终完成拼贴;~500 Ma冈瓦纳大陆北缘西段的微陆块群局部向北裂离,导致Rheic洋和Tornquist洋打开,并于~420 Ma随经典加里东造山带和中欧缝合带形成导致Iapetus洋闭合,此时斯瓦尔巴特和英国可能位于格陵兰地盾东南缘,同时冈瓦纳大陆北缘东段华北为代表的微陆块基本拼合在冈瓦纳大陆北缘;此外,虽然425 Ma西伯利亚板块有远离聚合了的劳俄大陆的趋势,但晚奥陶世-早泥盆世南美和北美板块靠近,北美板块与环冈瓦纳北缘西段的地体拼合碰撞。在大约400 Ma时,南、北美洲的混合生物群和古地理重建显示两者非常接近,因此,推测此时存在一个初始的逐步稳定的超大陆的可能,本文称为Carolina超大陆,因为Carolina造山带是这个超大陆最终拼合的地带。并据此判断超大陆旋回为7亿年。

前寒武纪地球动力学(Ⅵ):华北克拉通形成

华北克拉通研究近20年来取得一系列重大进展,但是还存很多遗留问题待解决。本文首先探讨了华北克拉通前寒武纪构造单元划分中存在的问题,据此提出了动态构造单元划分原则,并初步动态划分了古—中太古代、新太古代、古元古代、中—新元古代的构造单元,从而确定了不同时期构造格局演变过程。基于新的划分方案和华北克拉通记录的一系列前寒武纪大量重大地质事件,侧重探讨了不同演化阶段的独特构造样式、构造体制机制转变,基于华北克拉通一些太古宙陆核刚性化完成于25亿年,而显著的线性裂谷带或活动带最早出现于22亿年,因此,提出华北克拉通初始板块构造机制起始于新太古代末期的论断,本文约束了区域性垂向构造向区域性水平构造转换的相关构造证据。最后,本文基于长期构造解析的研究,系统论述华北克拉通于18.5亿年的最终集结过程。

郯庐断裂带对鲁西隆升过程的影响:磷灰石裂变径迹证据

郯庐断裂带(TLFZ)是一条贯穿华北的NNE向巨型断裂带。新生代以来,在郯庐断裂带的两侧及其内部发生了显著的伸展构造变形,形成了泰安-莱芜-蒙阴NW向断陷盆地群,并使鲁西块体发生了急剧的陆内伸展隆升。本文在前人研究的基础上,分别在鲁西沂山、徂徕山和蒙山三处进行了大量的样品采集,总计完成了25个样品的测试,获得了一系列新的磷灰石裂变径迹(AFT)年代学结果。结合前人已发表的裂变径迹结果,对鲁西地区新生代与伸展变形有关的剥露-隆升作用的时空分布特征、隆升剥露模式及隆升幅度进行分析,并揭示郯庐断裂带在鲁西新生代热隆升过程中的影响。主要认识有:1)新生代以来,鲁西主要经历了始新世-早渐新世和新近纪以来两期快速剥露-隆升阶段。2)始新世-早渐新世主要表现为幕式差异性快速剥露-隆升,鲁西南受NW向断层控制形成向北、向东的掀斜抬升作用,鲁西北受NE向断裂控制,形成向北、向西的掀斜抬升作用。新近纪以来,进入相对低速区域性剥露-隆升阶段。3)AFT模拟显示,与始新世-早渐新世的幕式快速剥露-隆升相比,中新世以来,鲁西剥露-隆升速率相对减小,但剥蚀量剥露-抬升量较大。故鲁西整体抬升于中新世以来。4)结合前人研究成果,新生代以来,鲁西宏观上受郯庐断裂带伸展活动影响,越靠近郯庐断裂带剥蚀量越大,局部受NW或NE向断裂控制。

全球早古生代造山带(Ⅰ):碰撞型造山

自新元古代罗迪尼亚超大陆裂解以来,早古生代是板块构造运动活跃时期,具有板块运动速度较快、构造格局不稳定、块体之间相互作用复杂多变等特征,造山带演化极其复杂,导致全球早古生代古大陆重建现今仍较模糊。特别是,早古生代末450~400 Ma存在全球性准同时的造山运动,已经出现俯冲增生、碰撞、陆内3种类型的全球尺度造山带。本文侧重论述全球早古生代碰撞类型造山带的特征,总结典型碰撞造山带最新的年代学、变质、变形和岩浆作用特征及其时空分布。早古生代全球碰撞型造山带主要分布在南半球的泛非造山带和北半球的加里东期造山带,分别与南方冈瓦纳大陆和北方劳俄古陆的初步集结密切相关,早古生代碰撞造山主要体现在大陆块之间的碰撞作用为特征。这些早古生代碰撞造山带具有近似的碰撞年龄,大致相同的演化过程。其中,南方大陆主体碰撞完成于540 Ma,而北方大陆主体集结完成于420 Ma,从全球构造意义上可能意味着全球一个420~400 Ma的超大陆初步形成。

那丹哈达地体及周缘中生代变形与增生造山过程

东亚陆缘中生代增生造山过程及变形响应一直以来都是中国区域地质研究的重大课题,也是东亚地质构造演化的一个难点和热点。其中一个最为关键的科学问题就是,古太平洋板块(Izanagi)何时开始启动俯冲?对中生代东亚大陆边缘产生何种影响?那丹哈达地体出露于中国东北,为一套构造混杂岩系,是中国境内由古太平洋板块俯冲-增生形成的唯一证据,为解决这一问题提供了可能。本文通过总结大量前人最新的岩石学、同位素年代学、沉积岩石组合、主干断裂、岩浆活动、古生物及古地磁等资料,试图厘定那丹哈达地体构造属性、增生过程、拼贴时间以及古太平洋板块开始俯冲的时间,并与周缘地体进行对比。结果表明:(1)那丹哈达增生杂岩分为饶河杂岩和跃进山杂岩,饶河杂岩具有洋岛玄武岩(OIB)的特征,不是前人认为的蛇绿岩,可称之为洋岛(海山)杂岩;跃进山杂岩具有洋中脊玄武岩(MORB)的特征,是典型的蛇绿岩,同时暗示古太平洋板块可能于晚三叠世开始启动俯冲,并在136~131 Ma期间就位于现今位置。(2)那丹哈达与日本丹波—美浓—尾足地体都是侏罗纪增生楔,在沉积岩石组合和年龄、放射虫类型及分布、地质构造等特征上都非常相似,在中新世日本海打开之前应是一个统一的超级地体。