穿地壳岩浆系统改变岩石圈流变和热结构

以山东东部穿地壳岩浆系统为例,通过研究岩石圈流变结构和热结构,结合已有野外探勘及地球物理数据,对山东东部地壳演变进行还原和解释,并且进一步建立穿地壳岩浆系统的岩浆深部热效应模型,考察岩石圈深部动力学演化机制。初步估算靶区地温,对山东东部地区超过6 km岩石圈结构及其地热储集体展布进行预测,进一步阐述山东东部深部地热储集体形成理论模型。结果表明:华北克拉通太古宙形成具有稳定刚性的陆壳,花岗岩主要以未变质或浅变质的表壳岩为主;中生代以来受华北克拉通基底不稳定,经历强烈构造-岩浆活动,产生强烈构造变形,岩石圈地幔发生拆沉和置换;晚中生代山东东部由于深部构造活动剧烈,穿地壳岩浆沿大型断裂上涌至喷出地表,伴随热隆效应及同化混染;岩石圈厚度减薄,地幔上涌至上、中地壳,伴随表壳岩熔融,其中富含不相容的放射性元素随岩浆再次上涌,不断向浅部地壳输送生热的放射性元素,从而使得岩石圈热结构及流变结构改变。

岩石结构面Grasselli二维粗糙度指标优化及其JRC估算

采用只考虑迎剪侧表观倾角而忽略内部起伏角的Grasselli二维形貌参数θ_(G)来估算结构面粗糙度系数JRC仍有待改进。从θ_(G)的物理意义出发,发现爬坡区内部凸起高度对粗糙度的贡献可表示为其在总爬坡水平距离上的坡角,所有爬坡区提供的坡角之和定义为结构面内部起伏体粗糙贡献,将结构面迎剪侧表观平均倾角θ_(G)和爬坡区内部平均坡角θ_(H)叠加,提出岩石结构面粗糙度新指标θ_(C)。通过获取十条标准JRC剖面线的θ_(C),分析其与JRC之间的关系,建立基于θ_(C)的JRC估算式。计算不同采样间距和不同采样方向下的新指标θ_(C),结果显示θ_(C)具有分形特征且能够反映结构面形貌各向异性。进一步将JRC估算式应用于JRC-JCS模型,通过对比已有研究得到的试验结果以及不同抗剪强度模型的预测效果,验证基于新指标θ_(C)估算的JRC可以准确预测结构面峰值抗剪强度。最后,对二维指标θ_(C)进行三维拓展,提出三维粗糙度新指标(θ_(C))_(3D),并通过结构面形貌各向异性表征验证了其合理性。

月球和火星重力场与岩石圈结构研究进展

月球和火星与地球相邻,是人类探索宇宙的始发站.对月球和火星的岩石圈结构开展深入研究,不仅可以揭示其壳幔系统组成和结构,而且有助于认识它们的起源和热演化历史,也能为地球起源和演化研究提供重要参考.近年来,随着国际深空探测的蓬勃发展,月球和火星重力场模型的精度与分辨率越来越高.基于重力数据的月球和火星岩石圈结构研究取得了一系列重要科学进展.本文简单介绍了月球和火星的探测计划和重力场模型,进而详细介绍了利用重力数据在月球和火星岩石圈结构研究中取得的成果.最后,本文对月球和火星岩石圈结构研究进行了总结和展望,提出了突破重力场在行星岩石圈结构研究中不确定性的方法,希望能对推动月球和火星重力场探测及岩石圈结构的研究进程提供帮助.

岩石结构面直剪力学特征的颗粒流宏细观分析

目前,由于颗粒尺寸和位置随机分布而产生的粗糙度,导致在模拟过程中出现应力集中现象,从而无法利用PFC2D准确模拟岩石结构面的剪切力学行为。为了避免以上弊端,采用结构面两侧颗粒组接触判别法分别对倾角为20°和30°的三角形单锯齿结构面进行不同法向应力下的直剪模拟。模拟结果与物理试验结果基本吻合,表明此模拟方法可以真实模拟岩石结构面剪切力学行为。为了进一步验证此模拟方法在天然结构面模拟试验中的可行性,利用PFC2D对Barton标准十条节理轮廓线模型进行不同法向应力下的直剪试验,模拟结果与理论值吻合,表明模拟方法具有可行性,为剪切破坏过程和机理分析提供可靠的理论依据,为研究粗糙结构面强度特征提供了一种思路。

渭河盆地岩石圈热结构模拟及其对地热系统热源机理的启示

深部温度场与岩石圈热结构特征是认识地热系统深部热源机理的重要途径。本文在系统分析渭河盆地及其邻区现今大地热流特征基础上,基于旬邑—西峡宽角反射/折射地震测深剖面揭示的地壳分层结构,采用二维有限元方法,对渭北隆起、渭河盆地以及北秦岭构造带的深部温度场和岩石圈热结构开展数值模拟研究,在此基础上分析渭河盆地地热系统深部热源机理。结果表明,旬邑—西峡剖面上大地热流介于57.6~75.7 mW/m^(2)之间,平均为(70.4±4.7)mW/m^(2);地幔热流在29.5~38.6 mW/m^(2)之间,平均值为34.1 mW/m^(2);莫霍面温度变化范围约在600~740℃之间;“热”岩石圈厚度约为95~110 km。从渭北隆起—渭河盆地—秦岭造山带,大地热流、莫霍面温度和地幔热流值表现出低→高→低的变化规律,相应地“热”岩石圈厚度则表现出厚→薄→厚的变化趋势。渭河盆地地壳厚度减薄明显,莫霍面温度显著高于渭北隆起和秦岭造山带,暗示着渭河盆地地壳活动性显著。然而,从渭北隆起—渭河盆地—秦岭造山带,“热”岩石圈厚度变化范围不大,且渭河盆地内的壳幔热流比接近1.0,表明深部活动并不强烈,这符合被动裂谷的深部温度场和岩石圈热结构特征。在印度板块和欧亚板块碰撞的远场效应下,渭河地区地壳伸展减薄,在重力均衡作用下上地幔隆升,高温的幔源物质沿深大断裂上涌加热上地壳,与地壳放射性产热一起为地热系统提供热源。

岩石-锚固剂结构水化失稳微观力学特性

为研究岩石-锚固剂结构水化失稳微观机制,基于泥岩锚固试样SEM试验与纳米压痕试验,分析了不同含水率下岩石-锚固剂结构微观力学性质演化规律。结果表明:干燥条件下岩石-锚固剂结构完整性好,界面呈一定宽度的黏结区域。随含水率增大,结构内出现溶蚀孔洞与裂隙,黏结区域范围缩小,饱和含水率下岩石-锚固剂结构脱黏失效。低含水率下,受各组分间力学性质差异影响,压痕数据离散性较大。高含水率下,各组分间胶结能力劣化,结构整体力学性能降低,数据离散性变小。水化损伤加剧使泥岩胶结结构失效并导致宏观破坏,而锚固剂会填充水化作用下界面产生的微孔隙,使其力学性能相对岩石部分有一定提升,故界面微观参数衰减幅度小于泥岩部分。

川滇地区岩石圈温度、化学组分结构研究及对岩石圈减薄过程的认识

川滇地区地处中国大陆西南,对其岩石圈结构的研究是认识该地区构造演化过程的基础.由于不同研究方法存在各自的局限性,导致其所获得的岩石圈结构和可能的构造演化过程仍存在争议.岩石圈温度、化学组分结构是深入认识这些争议性问题的基础.本文基于热动力学模拟和概率密度反演的方法,联合瑞雷面波相速度频散曲线、大地水准面高、地形和地表热流等观测资料,反演了川滇地区岩石圈的温度、化学组分结构.结果表明,川滇地区岩石圈呈现南薄北厚的趋势,其中印支块体岩石圈较薄,为60~80 km,相对起伏较小;川滇菱形块体、江南造山带西缘岩石圈自南(~80 km)向北(~200 km)递增;松潘甘孜块体保持较厚的岩石圈根(~240 km).印支块体与江南造山带西缘岩石圈地幔以过渡型和难熔型的橄榄岩为主,仍存在部分古老难熔的岩石圈地幔物质;而川滇菱形块体内部为饱满型岩石圈地幔,表明古老、难熔的岩石圈地幔被新的地幔物质所取代.根据现今川滇地区岩石圈温度、化学组分结构,我们推测川滇地区南部的印支块体受印度板块与亚欧板块南北向碰撞的影响,导致该区域岩石圈增厚,并发生以拆沉作用为主的减薄过程,但岩石圈地幔仍以古老难熔的地幔物质为主;拆沉作用所导致的热地幔物质上涌使得川滇菱形块体古老难熔的岩石圈地幔物质由南往北逐渐为新的地幔物质所取代,形成了现今饱满型岩石圈地幔,热侵蚀作用在川滇菱形块体岩石圈减薄过程中占主导地位.

考虑结构面蠕变特征的隧道围岩长期变形研究

在断层破碎带发育地区,岩石结构面蠕变变形影响着隧道运营安全。首先推导了岩石结构面西原蠕变模型有限差分格式;然后基于FLAC3D的Interface单元,采用自定义本构模型的接口,编写西原蠕变模型的动态链接库,实现了隧道围岩结构面蠕变变形数值模拟;接着开展了岩石单节理面蠕变变形验证模拟;最后结合宜昌成品油管道翻坝项目七里村1号隧道工程,利用新开发模型模拟了运营1、5、10、20 a后的隧道围岩长期变形行为。结果表明:(1)新开发模型预测的隧道围岩蠕变变形与解析解是一致的,最大误差小于2%;(2)隧道围岩蠕变变形数值计算结果与现场监测值之间的偏差较小,证明了蠕变模型的可靠性;(3)隧道开挖后,围岩变形较大,随着时间的推移逐渐减小,1 a后位移趋于稳定;(4)隧道运营1~10 a内无明显破坏,运营20 a后出现了集中于拱脚部位的破坏区,且拱脚处应力集中,因此应加强对拱脚的初期支护;(5)低强度和弱膨胀性特征的泥钙质砾岩使得隧道开挖变形较大,在上方断层长期蠕变作用下,隧道拱顶持续向下变形,造成隧道变形较大。

南海岩石圈结构与油气资源分布

南海是中国唯一发育有洋壳的边缘海,是世界四大海洋油气聚集中心之一。油气勘探表明,南海的油气田分布在北部、西部和南部陆缘沉积盆地内,而大中型油气田集中分布在西部海域盆地中,自北而南有莺歌海—琼东南盆地、万安盆地、湄公盆地、曾母盆地和文莱—沙巴盆地,且以含气为主,含油次之。此外,这一区域深水区还存在多个潜在的大型含油气盆地。研究发现,南海的油气分布与深部岩石圈结构有密切关系。在构造上,南海的含油气盆地位于岩石圈块体边缘或之上,受控于大型岩石圈断裂的发育与演化。在油气富集的盆地中,莫霍面显著凸起,与盆地基底形成镜像,地壳厚度最薄处仅数千米厚,热流值明显较周围地区高,热岩石圈厚度大大减薄。地震层析成像结果反映,这些盆地深部发育一条规模宏大的北西向上地幔隆起带,自红河口向东南穿越南海西部海盆,一直延伸到婆罗州东北部地区,在宏观上控制了南海的油气分布与富集。

中国兴蒙—吉黑地区岩石圈结构基本特征

兴蒙—吉黑地区岩石圈由额尔古纳、兴安、松嫩和佳木斯4个古陆块及完达山中生代大陆边缘增生杂岩构成。Nd同位素模式年龄显示,佳木斯陆块时代最老,1500～2200Ma;额尔古纳陆块次之,1000～1600Ma;兴安和松嫩陆块具有相同的Nd模式年龄,500～1200Ma。地球化学示踪分析表明,该区古生代时表层地壳的Nd同位素模式年龄以中元古代为主,而中生代花岗岩的Nd同位素模式年龄主要为新元古代,表明该区深部地壳的年龄较表层地壳的年龄年轻,显示出该区地壳具有下新上老的年龄结构。Os同位素分析同时证明,该区岩石圈地幔也多表现为年轻性质。地震(Vp)速度结构显示,该区岩石圈结构在垂向上具有两个明显的特征:一是与传统意义上的地震岩石圈概念明显不同,该区岩石圈地幔的低速带没有稳定连续的顶界面,低速异常顶界面深浅不一,与高速异常体犬齿交错,某些构造单元之下的低速异常直达Moho,但底界面却十分稳定,深度为230～240km;二是“立交式”速度结构,表现为在地壳范围内,速度等值线总体呈北东向展布;岩石圈地幔的速度等值线呈北北西-近南北向展布;低速异常圈层的速度等值线为近东西向展布。

大别造山带岩石学结构和热结构及其地质意义

岩石学结构和热结构表明大别碰撞造山带是由两个不同岩石—构造单元叠置形成,代表两个深部地壳物质剖面。本文通过对高压、超高压岩石形成过程中岩石物理(密度)性质分析,指出大陆长英质地壳自身在特定岩石学结构情况下可以俯冲至地幔深度。低温、快速折返是缺乏同碰撞和碰撞后花岗岩类的主要原因。“浮沉子效应”是超高压岩石形成和折返的力学机制。

郯庐断裂带的岩石圈结构及其成因分析

横穿郯庐断裂带的五条地学断面揭示,断裂带两侧地壳结构明显不同,这是平移运动造成不同块体拼合的结果。早白垩世走滑期的岩浆活动,指示当时断裂带切入了壳-慢边界。这表明断裂带在走滑中切穿了整个地壳,莫霍面当时应为平缓的大型拆离面,壳一幔之间发生了显著的失耦。断裂带在晚白垩世-早第三纪的伸展活动中,软流圈发生了强烈的上隆,岩石圈出现了显著的细颈化,属于纯剪切伸展模式。在晚第三纪以来的挤压活动中,浅埋软流圈背景上较高的上地幔温度,使郯庐断裂带成为岩石圈薄弱带,从而发生了较强的逆冲活动和大规模幔源玄武岩浆的喷发。

格尔木－额济纳旗地学断面走廊域地壳－上地幔岩石学结构与深部过程

基于岩石学研究与地球物理场的结合，提出了祁连山、柴达木与北山３个地区的壳幔岩石学结构．认为造山带加厚的下地壳与山根带分别由高压麻粒岩相与榴辉岩相岩石构成，对断面走廊域进行了岩石学填图．探讨了山根的形成与不对称、陆壳物质的分异与新莫霍界面的形成、造山岩石圈增厚机制、岩石围拆沉与玄武岩岩浆底侵作用等．讨论了青藏高原南、北缘岩石图增厚机制的差异及其岩石学标志．

岩石结构面注浆加固抗剪特性试验研究

为了研究破裂岩体结构面的注浆加固效果,并揭示其加固实质和作用机制,对单轴压缩试验形成的破裂岩样结构面粗糙度进行了测量与研究;通过破裂岩样结构面注浆加固的剪切试验,分析了注浆对结构面强度和刚度等力学特性参数的影响;通过锯齿形模型化结构面注浆前后剪切试验,分析了锯齿形结构面的力学特性及注浆加固对模型化结构面的影响。研究结果表明,同种岩样压裂后结构面粗糙度系数JRC相近,其数值约为8～10,具有可复制性;注浆后结构面残余强度、剪切峰值强度及上升段斜率均有明显提高;注浆后岩体中结构面的刚度也得到了明显改善;通过理论分析,给出了结构面刚度的理论拟合公式;结构面的剪切峰值强度及残余强度随着锯齿形齿数的增多明显提高,注浆加固后,结构面剪切峰值强度、黏聚力都有不同程度的增大,而内摩擦角变化不大。

应用Adobe Photoshop定量分析岩石结构

岩石薄片定量研究中常用的有肉眼估计、比较图表估计、数点法和图像分析四种定量或半定量分析方法,但Adobe Photoshop比一般的图像分析软件更能迅速、详细和准确地对岩石结构进行定量。其原理是利用Photoshop软件强大的选取功能,对各结构组分进行精细选取,查看选区像素值和总像素值的比值即可得到各自所占百分含量。因此,能定量分析碳酸盐岩中的颗粒、胶结物和孔隙含量,及各种矿物含量和各类孔隙的面积百分含量,继而可定量化分析碳酸盐岩的成岩和孔隙演化历史。其它岩石类型与此类似。川东北PG2井的实例分析表明,Photoshop定量分析法具有很强的实用性和准确性,可广泛应用于各类岩石结构的定量化研究。

南北构造带岩石圈结构与地震的研究

南北构造带是中国大陆东西部大地构造的主要分界,也是大陆内部强烈地震发生的主要地区之一.2008年汶川MS8.0地震发生后,在南北构造带及周边地区进行了大量的野外科学考察、深部地球物理探测和流动地震观测,在岩石圈结构与构造、强震发生的深部构造环境和动力学过程等方面获得了重要的进展.本文综述近年来发表的一批研究成果,包括岩石圈结构的深部地球物理探测和成像,地震层析成像,地震各向异性和壳幔变形,与近期发生的强烈地震相关研究,以及与大陆动力学有关的研究等.自2000年以来,我国建成了具有1000多个地震台站的国家和区域地震台网.它们在实时为地震监测服务的同时,其产出的海量数据还提供用于地球科学研究.一批作者在国内外发表了研究成果,大大提高了对南北构造带的认识.我们虽然取得许多共识性的重要成果,但是也存在一些问题,发现不同作者的结论是相互矛盾的.其原因之一可能是,现有台网的数据成像分辨率和精度仍不足以识别在地壳深处的细节,例如在孕震尺度概念下的地震危险区.加强流动地震观测,提高台站分布的密度,取得高可信度的目标模型是解决问题的重要方面.近年来"中国地震科学台阵观测"计划在南北构造带上实施的大型流动台阵观测,结合固定地震台网的资料,加上高分辨率深部地球物理探测,以获得高可信度的地壳上地幔三维精细结构及物性成像,是提高地震科学和大陆动力学研究水平的一个有效途径.

岩石结构面力学原型试验相似材料研究

基于岩体结构面抗剪强度机制及相似材料的选择原则和要求,研制以高强水泥、硅粉、高效减水剂、标准砂、水等原料混合而成的模拟材料,并利用其制得的试样及结构面模型进行大量物理力学试验的对比分析,研究结果表明:相似材料的抗压强度与原岩结构面相近,调整不同混合材料的配合比,相似材料可以覆盖中低强度的岩石类型;利用相似材料及多尺度试样模具可制作与原岩结构面表面形态及起伏度近似一致的模拟结构面;利用模拟结构面代替原岩结构面进行直剪试验,模拟结构面表面的磨损程度、粗糙度系数衰减规律及破坏形式均与原岩结构面相似,且模拟结构面抗剪强度直剪试验结果与理论计算值相差不大;模拟材料具有物理力学性能稳定、制作方便、成本低廉的优点,可代替原岩结构面进行不同尺寸、可重复性的破坏性试验。

岩石弱面结构对井壁稳定性的影响

文章在连续介质力学井壁稳定性分析的基础上 ,采用简化的岩石软弱面地质模型和力学模型 ,计算分析了岩石软弱面产状、摩擦系数对直井和斜井井壁稳定性的影响。结果表明 ,相同作业条件下 ,岩石软弱面的稳定性明显低于基质岩块的稳定性 ,当井周围存在裂缝或节理等软弱面时 ,井壁的稳定性将受到软弱面的影响而明显降低 ,岩石软弱面摩擦系数增大 ,软弱面的稳定性必然增大。斜井条件下 ,井壁失稳的位置和失稳的程度都与软弱面的产状密切相关 ,直井条件下 ,井壁垮塌的方位将可能偏离原地最小主应力的方位 ,而主要取决于软弱面的产状。

华南及其海域三维速度分布特征与岩石层结构

利用华南（包括台湾省）及其邻近地区地震台网记录到的５１４个区域地震和７１６个远震事件的１９７７７条Ｐ波到时数据，用地震层析反演方法重建了华南及其海域（１８．０°－３１．５°Ｎ，１０６．５°－１３０°Ｅ）的三维速度图像。结果表明：１．华南及其海域地壳和上地幔广泛存在显著的横向不均匀性，它不仅出现在海域和陆区不同构造之间，同时也出现在陆区不同构造单元之间及其内部．２．地壳上部速度图像呈现出陆区和海域的速度差异：海域表现为低速，陆区的大部分表现为高速，而地处陆缘海的长乐－南澳断裂带恰好对应于陆区高速和海域低速块体分界处。陆区的一些主要断裂带几乎都显示在速度梯度带上．３．１１０ｋｍ深度处的速度图像表明，华南海域普遍显示低速；陆区除东南沿海褶皱系和华南褶皱系西部为低速外，均为高速．说明海域和陆内活动区在这一深度处已有软流层显示。４．研究区域内岩石层厚度变化显著，在陆区，扬子准地台与较为活动的褶皱系相比，具有较厚的岩石层。华南褶皱系内部岩石层厚度也十分不同，其东北部岩石层厚度大于西南部，说明华南褶皱系内部活动程度不同，东北部相对稳定，西南部较为活动。台湾以东沿大陆架、大陆坡岩石层逐渐抬升，至海洋下方变得很薄，软流层顶部?

静动态加载下岩石结构破坏时的能量分析

设计了岩石孔洞结构试件,对其分别进行静态加载和动态冲击实验,对试件的破坏模式进行理论上的预估计,观察了破坏现象的差异.分别实测了结构的输入能与储存的可释放应变能,利用表面能的概念分析并计算了破坏过程中的耗散能;通过能量守恒原理对破碎后岩石颗粒的飞溅速度进行了初步估计,理论估计值与实验中通过高速摄像机所捕捉到的速度值基本吻合.