青藏高原现代冰川冰缘区形变研究综述

冰缘区系冻融作用强烈的冻土区,易发生地表隆沉、失稳滑移等形变,是冰川灾害的物源区。系统解析冰缘区活动层水-热-力效应引起形变的作用机制,对研究冰缘区地表形变类型和冰川灾害防治具有重要意义。当前青藏高原发育现代冰川冰缘区面积1.05×10^(6) km^(2),其中在过去几十年由于冰川退缩新增冰缘区面积约0.15×10^(5) km^(2)。冰缘区在气候、地形和现代冰川作用的综合影响下,产生以冻胀融沉为机理的垂直形变和以重力运移为主导的水平形变。未来研究应利用多源数据,结合冰缘区历史地表形变环境及致灾过程,借助人工智能实现现代冰川冰缘区地质灾害高效识别和预测预报,完善现代冰川冰缘区形变的监测-模拟-预测体系,为区域防灾减灾提供基础数据与理论支撑。

降雨诱发浅层冻土区边坡土剥落颗粒流模拟:以G214线典型冻土区路基边坡为例

为明确降雨诱发浅层冻土区边坡土剥落机理,以G214线典型冻土区路基边坡为例,基于颗粒流和等效降雨法,模拟不同坡度和冲刷速度下边坡坡面土的剥落过程,从边坡形态、颗粒运移规律、力链演化规律和剥落量等方面详细进行探究。结果表明:浅层冻土区边坡土受到雨水冲刷后,仅在坡面浅层部位出现坑槽,并提出边坡形态系数(τ)来定量化表征边坡形态的凹凸程度。边坡形态总体变化态势可概括为:笔直平坦(1.0≤τ<1.40)、粗糙不整(1.40≤τ<1.50)和凹凸不平(1.50≤τ)。土颗粒间接触力演化主要发生在降雨冲刷作用初期,冲刷过程中接触力演化特征并不明显。随循环次数增加,冲刷速度越大接触数量总体越少,但最终稳定状态下的接触数量近乎相同。此外,边坡浅层土在冻融循环作用下结构疏松是导致冻土区坡面土易被雨水冲刷剥落和坡面易形成冲沟的本质原因。

季冻区露天矿山边坡稳定性分析及加固措施研究

季节性冻土区露天矿边坡受不良地质作用影响及恶劣环境影响,不断出现变形、裂缝、滑移等病害,严重威胁矿山开采安全。基于图木尔廷—敖包锌矿东边坡失稳,开展了季冻区露天矿山边坡稳定性影响因素的研究,主要包括不良地质作用、冻融循环作用、开采爆破振动、水的直接作用等4个方面。在分析计算基础上,提出了包含削坡减载、边坡加固、疏排水工程及坡表喷涂和覆土的综合加固整治方案。经验算,按照设计方案进行加固后,能够有效提高东边坡的稳定性,解决困扰多年的东边坡稳定难题。达到从根本上消除安全隐患、保障矿山可持续开采的目的。

长江源区退化高寒草甸植物和土壤化学计量特征

为了探究草地退化对高寒草甸植物和土壤碳(C)、氮(N)、磷(P)化学计量特征及植物群落内稳性的影响,以长江源多年冻土区未退化、中度退化和严重退化高寒草甸为研究对象,测定了不同退化程度高寒草甸植物群落叶片和土壤C、N、P含量,分析了其化学计量比及植物群落内稳性特征,以期为科学调控退化高寒草甸植物修复进程提供依据。结果表明:1)随着退化程度加剧,植物群落叶片C和N含量呈现先降低后增加趋势,土壤C和N含量呈现降低趋势,叶片P含量呈增加趋势,土壤P含量呈现先降低后增加趋势。2)未退化和严重退化阶段植物群落叶片N:P均大于16,植物群落倾向于受P限制;中度退化阶段植物群落叶片N:P小于14,植物群落倾向于受N限制。3)同一退化程度高寒草甸优势种间N:P也有较大差异,意味着不同物种可能受到不同营养元素的限制。4)植物群落叶片N和N:P表现出稳态型,P表现出绝对稳态型。本研究结果表明,未退化和严重退化阶段植物倾向于受P限制,中度退化阶段植物倾向于受N限制;在多年冻土区高寒草甸植物群落中,叶片N和P均具有较强的内稳性。

长江源区北麓河流域退化高寒草甸植物群落特征和土壤特性

生态系统退化严重威胁着全球生态和环境安全,充分认识退化过程和机理是开展和实现退化生态系统修复的关键。以往大部分高寒草甸退化相关研究缺乏长期的观测资料,难以合理分析退化的形成过程和机理。以具有长期观测资料的长江源多年冻土区北麓河流域未退化和退化高寒草甸为对象,根据研究区实际,探讨了草地退化下植物群落结构特征和土壤理化特性的变化及其相互关系,为查明多年冻土区高寒草甸退化机理和退化草地修复提供理论依据。结果表明:1)退化使地上和地下生物量显著降低,植物群落优势物种由浅根系的莎草科植物向深根系的杂草类植物转变;2)Shannon-Wiener多样性指数和物种丰富度指数呈单峰变化趋势,即在中度退化阶段显著增加,但在严重退化阶段显著降低;3)退化后,土壤容重、pH和总磷显著增加,但硝态氮、铵态氮、速效氮、总氮和有机碳呈降低趋势;4)冗余分析结果显示,群落生物量与土壤有机碳、总氮、硝态氮、铵态氮、速效氮和速效磷呈正相关,Shannon-Wiener多样性指数和物种丰富度指数与粉粒、水分和pH负相关,速效氮、速效磷、土壤水分对植被生物量和物种多样性的解释率分别为57.8%、27.3%和9.9%。因此,长江源多年冻土区退化高寒草甸植物生长可能主要受速效养分限制,在对其的修复过程中,应首先考虑土壤养分的恢复。

基于优化SVM的粗粒土路基冻胀特性影响因素敏感性分析

为准确掌握寒区粗粒土路基冻胀变形特性,基于室内模型试验研究了初始含水率、冻结温度、细粒含量以及冻融循环次数对粗粒土路基冻胀位移和冻结速率的影响;提出了基于PSO-SVR优化的SVM支持向量机预测模型对粗粒土路基进行冻胀位移值预测。通过对单因素样本输入数据进行扰动,以输出变量值的波动情况作为各因素对路基冻胀敏感性大小的判断依据。结果表明:影响粗粒土路基冻胀位移各因素的敏感性依次为初始含水量>细粒含量>冻结温度>冻融循环次数;粗粒土路基的最大冻胀位移与这4个因素呈一次线性函数关系,快速冻结期冻胀速率与4种因素呈正比关系。

青藏铁路沿线多年冻土区天然气水合物的地质、地球化学异常

通过对青藏铁路沿线多年冻土区重点地段野外冻胀、坍塌、冷泉冒气现象的观测及对低空大气、冷泉气体、表层冻土沉积物、地下冰等不同介质中气体的地球化学分析,发现部分冻土区如托纠山、昆仑山口、雁石坪等地区存在着明显的地质地球化学异常。这些气体地球化学异常可能主要是由青藏高原多年冻土区不同类型的断裂作用把深部气体带至浅部冻土沉积物中形成的,另一部分可能与浅部有机质转化成烃的作用相关,还有一部分可能与冰川发生位移造成的烃类气体聚集体重新分配有关;地质异常现象可能与该区构造热活动或天然气水合物形成的演化有关。对比前人的模拟计算结果,本次地质地球化学异常区的冻土厚度基本能满足天然气水合物形成的温压条件,这些异常可能与天然气水合物有关。

中纬度带天然气水合物地球化学勘查技术

祁连山冻土区木里地区天然气水合物矿藏是迄今为止在中纬度带首次发现的水合物矿藏,为了研究中纬度带水合物地球化学勘查技术,选择木里矿区作为方法技术的试验区。试验指标内容有土壤顶空气、酸解烃、碳酸盐和甲烷碳同位素。研究表明:祁连山木里天然气水合物矿藏存在明显的近地表地球化学异常;由甲烷碳同位素和烃类组成判断地表油气化探异常为热解成因,指示该区天然气水合物成藏物质来源于油气和煤成气。进一步研究了中纬度带冻土区天然气水合物成藏模式,指出该区进行天然气水合物勘探的同时应进行石油和煤成气的综合勘探。

青藏高原冻土区灌注桩入模温度对地温场的影响分析

以热传导理论为基础建立了冻土区单桩地温场的热分析模型,然后以青藏高原清水河某地段夏季施工为条件,考虑实际气温和地温的初始条件,用有限元方法计算了混凝土入模温度从5℃提高到12℃时桩周地温场的变化,分析提高混凝土入模温度对桩的自然回冻时间及施工进度可能造成的影响,所得结论可为冻土区钻孔灌注桩施工进度安排提供参考。

多年冻土区管道的失效形式及监测技术

随着开发和利用高寒及多年冻土区油气资源的热潮来临,多年冻土区管道建设的步伐必将加快。由于管道与冻土间存在着强烈的相互作用,冻土的冻胀和融沉对管道运行具有严重的不利影响,对管道实施先进高效的监测技术是保证管道安全运行的有效措施之一。分析了冻胀和融沉对管道的破坏机理,研究了多年冻土区管道的主要失效形式和产生机理,指出产生翘曲上拱和折皱的根本原因是管道承受的轴向应力过大。最后,提出了对多年冻土区管道实施监测的主要内容,即自然环境监测和管—土相互作用监测。

青藏高原乌丽冻土区过成熟烃源岩原始有机质类型讨论

为了查明青藏高原乌丽冻土区高成熟烃源岩的原始有机质类型,对采自乌丽水合物试验孔ZK1及周边钻孔的岩心样品进行了测试。测试结果显示,研究区烃源岩干酪根显微组分以镜质组为主,含量为79.68%～83.62%,惰质组含量为14.19%～18.35%,干酪根类型为Ⅲ型。从烃源岩生物标志化合物来看,Pr/nC17与Ph/nC18的值分别为0.29～1.05和0.57～1.56,C23三环萜烷/C30藿烷值为0.47～2.23,且C27/C29甾烷值为0.64～1.35,干酪根类型可能为Ⅱ1型或Ⅱ2型。考虑到研究区烃源岩处于过成熟演化阶段,通过综合分析,认为研究区烃源岩的原始有机质类型可能为混合型,部分有机质可能主要来源于水生生物。

祁连山永久冻土带天然气水合物钻探工艺与应用

大量的研究和钻探取样证明,不仅海洋深处存在着天然气水合物,陆地永久冻土带也存在天然气水合物。从目前的地质探测技术发展现状看,确定冻土层水合物的储藏深度、含量等物理化学特性还必须靠取样钻探技术。论述了全球陆地永久冻土带天然气水合物的钻探现状,介绍了陆地永久冻土带天然气水合物取心钻具的结构设计、试制过程和在海拔4200m的青海祁连山地区进行永久冻土带天然气水合物钻探技术研究过程中取得的成果。

青海木里冻土区水合物稳定带的特征研究——模拟与钻探结果对比

基于青海木里冻土区的气体组成、钻孔泥浆的温度测量数据等对该区水合物稳定带的顶底深度进行了模拟计算,并将计算结果与钻探揭示的水合物产出深度进行了对比.模拟计算的水合物顶深在148.8～122.7 m间,底深在324.6～354.8 m间,水合物厚度在175.8～232.2 m间,钻探揭示水合物及其异常产出在133～396 m间层段,两者具有可比性,彼此结果基本一致,显示模拟手段可以很好地服务于水合物稳定带顶底深度的预测.气体组成、冻土深度、冻土层内地温梯度、冻土层下地温梯度等是影响木里冻土区水合物稳定带顶底深度的主要敏感因素.

冻土天然气水合物开采技术进展及海洋水合物开采技术方案研究

调查发现,陆域永久冻土层及海域都存在着天然气水合物资源。我国2007年和2008年先后在南海海域及祁连山木里地区发现水合物实物样品。中国地质调查局于2010年开始实施冻土水合物试采技术研究及现场开采试验,2017年将在我国南海海域实施海洋水合物试采,相关准备工作正在进行中。本文介绍了陆域水合物试采进展及海洋水合物试采技术方案的构思。

多年冻土区沥青路面寿命周期费用分析

应用多种方法对多年冻土地区5种不同路面结构进行了寿命周期费用分析.结果表明,在贴现率为5%时,尽管沥青稳定基层结构的初建费用比其他结构大,但其寿命周期费用现值却比其他基层结构方案小,同时,在路面使用性能上,沥青稳定基层结构对冻土路基不均匀沉降具有较强的适应性,在防止路面结构水损坏方面具有明显优势.因此,综合考虑寿命周期费用、路用性能等方面,提出在多年冻土地区使用沥青稳定基层更为合理可行.

基于反演参数的多年冻土路基长期温度场预测

利用青藏铁路清水河试验段路基3 a的现场温度场及沉降监测数据,采用模拟退火算法改进的BP神经网络算法反演了冻土路基的热力学参数,并在反演参数的基础上应用有限元法模拟预测了冻土路基在不同保温处理方案下的长期温度场变化情况.结果表明:保温材料路基阴阳坡地的温度场差异小于素填土路基,多年冻土季节性活动层厚度也远低于素填土路基;保温材料路基施工后3 a内仍将发生冻融变形,形成路基病害,但破坏程度低于素填土路基;50 a后,保温材料路基将与青藏高原气候环境达到新的热平衡状态,施工对多年冻土造成的破坏可得到修复,路基稳定性良好,但素填土路基仍存在较厚的季节性活动层,这将会使路基发生严重的变形破坏;保温处理方案可较为有效地减少冻土路基的不均匀沉降.

动载下冻土区温度变化对桩基受力影响数值分析

为了研究温度变化对冻土区桩基础在地震荷载下特性的影响本文运用MIDAS/GTS有限元数值分析软件讨论了地震作用下不同温度对单桩基础受力性能的影响,并通过数值计算得出不同模型状况下的特征值、相对位移和弯矩曲线,并与实际值进行对比分析。结果表明,地震下温度升高会使桩基础反应变大,桩基础更容易失稳破坏。

祁连山多年冻土区天然气水合物的形成条件

祁连山多年冻土区面积约10×104km2,年平均地表地温为-1.5～-2.4℃,冻土层厚度为50～139m。区内侏罗纪小型含煤盆地广布,产有丰富的煤层气。南祁连盆地是一潜在的油气盆地,存在下石炭统臭牛沟组、下二叠统草地沟组、中三叠统大加连组、上三叠统尕勒得寺组4套烃源岩,具有良好的生油生气潜力。在木里煤田33号钻孔的冻土层内发现有连续逸出的高含量烃类气体,井口点燃即可燃烧,简易采气分析结果表明甲烷含量高达38.07%～75.9%。根据该钻孔的气体组分、年平均地表地温、冻土层厚度、地温梯度等数据分析,这里基本具备形成天然气水合物的温压条件,计算结果显示水合物稳定带的顶界和底界埋深分别为171m和574m,稳定带厚度为403m。

锚杆支护在多年冻土区矿井巷道中的应用

针对多年冻土区巷道围岩的特殊性,利用锚杆支护的作用原理,确定了支护参数,提出了施工中注意的问题,并进行了效果分析。

防冻型参比电极在冻土区阴极保护系统上的应用

针对目前常用参比电极(高纯Zn及Cu/CuSO4参比电极)在低温环境中基准电位不稳定的现状,研制了一套可应用于冻土区阴极保护系统的的新型防冻型Cu/CuSO4参比电极。通过与常用参比电极在实验室及现场对比,该电极在低温下性能稳定,设计结构合理,使用方便。