基于微观尺度的页岩损伤破裂数值试验

为正确认识下寒武统页岩微观尺度破裂特征及声发射信号演化规律，基于数字图像处理技术对含石英充填的页岩进行非均匀性表征，采用岩石真实破裂分析系统RFPA2D-DIP建立数值模型，模拟页岩在不同围压作用下的破坏过程。试验结果表明:在微观尺度结构下，页岩破裂模式大致可归纳为3种形式，分别为倒V形（0、2 MPa）、V形（6 MPa）和倒Z形（10 MPa）。由于石英矿物颗粒分布不规律且具有非均匀性，导致应力分布对页岩微观结构产生显著差异。单轴时，累计声发射（简称AE）表现为“平缓-线性-平缓-稳定”模式；围压为2 MPa时，累计AE表现为“平缓-非线性-激增-平缓-稳定”模式；围压为6、10 MPa时，累计AE表现为“平缓-非线性-稳定”模式。页岩的破裂模式和微观结构破坏规律为页岩气的压裂开采提供重要的理论指导。      

海域地质岩心钻探关键技术分析与应用

海域固体矿产资源勘探、开发是海洋开发和利用的重要组成部分。本文主要从钻探设备、工艺、安全等方面对海域地质岩心钻探工程技术进行分析，总结了相关技术措施：一是除依据地质要求选择常规钻探设备外，要依据海域环境特点，选择安全可靠的钻探平台；二是钻孔结构设计、钻进方法、冲洗液等均应符合海域特点和要求；三是必须坚持安全第一原则，编制安全应急预案等。通过山东莱州三山岛北部海域金矿勘探项目应用实例，证实了海域地质钻探工程技术的适应性。     

扎鲁特地区无烟煤分子结构特征和模型构建

为了构建内蒙古扎鲁特地区无烟煤的分子结构模型，采用工业分析、元素分析、核磁共振碳谱、高分辨率透射电镜和X射线光电子能谱等测试方法对该地区无烟煤的分子结构进行研究。结果表明无烟煤分子结构中以芳香碳为主，脂肪碳以短烷基侧链和环烷烃为主。煤分子结构中氧原子主要以酚羟基和醚氧基的形式存在，氮原子主要以吡咯型氮和吡啶型氮的形式存在，硫原子主要的赋存形态是硫醇硫酚。结合由核磁共振碳谱测得的煤结构参数和由高分辨率透射电镜测得的芳香环尺寸和含量，构建了无烟煤大分子平均结构模型。对构建的模型进行了结构优化与能量分析，发现煤分子结构的芳香片层趋于平行排列，非键结势能中的范德华力是保持煤结构稳定的主要因素。本研究为采用分子动力学模拟从分子尺度研究扎鲁特地区无烟煤在石墨化过程中，其芳香碳层的拼叠过程及其反应路径提供了模型基础。      

胶东金翅岭金矿床黄铁矿原位微量元素和硫同位素特征及对矿床成因的指示

位于招远-莱州金成矿带中西部的金翅岭金矿床是胶东地区典型的石英脉型高品位金矿，但其成矿流体来源和矿床成因一直存在争议.在详细的矿相学和黄铁矿显微结构研究基础上，利用LA-ICP-MS技术原位分析与成矿有关黄铁矿的微量元素特征，结合原位硫同位素分析成矿流体来源，为进一步认识矿床成因提供制约.成矿阶段的黄铁矿划分为2种类型（PyI和PyII），PyI产在石英-黄铁矿阶段，PyII产在石英-多金属硫化物阶段，伴随大量可见金的出现.根据背散射的核-边结构，PyII可细分为含有较多硫化物的核部PyIIa和表面较为干净的边部PyIIb，但二者有明显溶蚀结构.LA-ICP-MS分析结果显示PyI含有一定量的Au（< 0.015×10-6~2.18×10-6，均值0.62×10-6）和As（78.98×10-6~857×10-6，均值542×10-6），但Pb、Zn等其他元素含量较低.核部PyIIa和PyI微量元素分布特征较为相似，但Au（< 0.015×10-6~0.59×10-6，均值0.11×10-6）和As（0.62×10-6~198×10-6，均值35.81×10-6）的含量相对下降.边部PyIIb较核部PyIIa明显富集Au（< 0.015×10-6~19.71×10-6，均值5.91×10-6）和As（399×10-6~18 153×10-6，均值6 412×10-6），且Au与As表现出良好的正相关性.PyI和核部PyIIa原位δ34S的分布范围较为一致，集中在3.0‰~4.9‰；而边部PyIIb的原位δ34S值较高（5.2‰~6.6‰）.根据黄铁矿结构、微量元素和硫同位素特征，推断在主成矿期富34S和富Au-As的热液流体加入形成了边部PyIIb且与核部的PyIIa发生了交代作用，同时大量可见金直接从热液中沉淀形成.该研究表明多期次富Au-As成矿流体的注入可能是高品位石英脉矿床形成的主要机制.      

深埋隧道炭质板岩微观结构及单轴压缩试验研究

炭质板岩隧道施工过程中受高地应力、地下水冲刷和施工扰动等因素影响,从细观角度分析其微裂隙变化规律具有重要意义。在实际工程现场选取炭质板岩试样,采用扫描电子显微镜(SEM)进行背散射分析,确定其组成元素;进行X射线衍射仪分析,利用MDI Jade 6软件处理,得到矿物成分及其含量;通过不同含水条件下炭质板岩单轴压缩实验得到不同含水量下的应力应变曲线、各阶段的变形特征及破坏规律。结果表明:炭质板岩中主要有石英、白云母及钠长石,其组成物质完全解理易形成贯穿裂隙;炭质板岩达到最大峰值强度前近于弹性变形。随浸水时间增长,炭质板岩应力应变曲线四阶段逐渐明显,且峰值后应力跌落减缓。主要力学特性表现为:矿物间结构由于水的润滑作用,水楔作用及潜蚀作用遭到破坏。岩石弹性模量、单轴抗压强度显著降低,泊松比、峰值应变略有增大,宏观表现为裂隙角度变缓。     

不同非感应起电及感应起电参数化方案对青海东部一次雷暴云电荷结构影响的数值模拟研究

本研究利用加入起电、放电参数化方案的数值模式（Weather Research and Forecasting Model（Version 3.7.1），WRF3.7.1_ELEC），通过设计五组不同非感应起电及感应起电参数化方案敏感性试验，对发生在青藏高原东北部青海大通地区的一次雷暴过程进行模拟研究，对比分析了不同非感应起电机制及感应起电机制对雷暴云电荷结构的影响.结果表明：在雷暴云发展旺盛阶段，Saunders（S91）、Riming Rate（RR）、和Saunders和Peck（SP98）三种非感应起电方案模拟的雷暴云最低层均为负电荷区，而混合方案（Brooks and SP98，BSP）模拟的雷暴云最低层为正电荷区，主电荷区自下而上为"+-+-"排列的四层电荷结构.与甚高频辐射源定位法推算的结果对比，BSP方案模拟的本次高原雷暴云电荷结构更接近实际情况；几种不同非感应起电方案模拟的主电荷区外围与主电荷区电荷结构不同，说明在雷暴发展的不同阶段雷暴云的电荷结构是不同的；几种非感应起电方案模拟的电荷结构不尽相同，主要是由于霰、冰和雪粒子在不同高度所带电荷的极性及电量的大小不同，霰粒子的电荷密度对低层的影响较大，冰粒子和雪粒子的电荷密度对中上层的影响较大；加入感应起电机制后，雷暴云电荷结构分布几乎没有变化，但能使雷暴云发展旺盛阶段低层和中层的正负电荷区电荷密度有所加强.     

全球地磁感应测深数据三维反演

全球地磁感应测深能获得地幔转换带及下地幔上部的导电结构.但目前稀疏的地磁台站分布及部分台站的观测数据稳定性较差,影响了三维反演对地下电性结构的分辨力和反演可靠性.为此,区别于传统的L2-范数反演方法,本文提出并实现了基于L1-范数的地磁测深响应三维反演技术.在反演中,利用L1-范数度量数据预测误差,降低"飞点"数据的影响,将相关系数较小的C-响应估计也纳入反演数据中.三维正演模拟采用球坐标系下的交错网格有限差分法,反演采用有限内存拟牛顿法.文中利用指数概率密度分布函数构造非高斯噪声的合成数据,并采用棋盘模型对反演方法的可靠性进行了验证.之后,我们将本文提出的三维反演方法用于全球129个地磁观测台站的C-响应数据反演,结果表明在地幔转换带深部,中国东北地区为高导电异常,南欧和北非则均为高阻;夏威夷在900km以下为高导;菲律宾海及以东地区在转换带表现为明显的高阻,这些结果与前人研究结果一致.由于采用了更多的台站数据,我们的反演结果还发现一些新的异常:南美洲南端,转换带表现为明显的高导;澳大利亚东南部,地幔转换带深部,也存在一个明显的高导异常,这些异常分布和地震层析成像的低速区一致.因此,L1-范数三维反演能够充分利用全球C-响应数据信息,提高地磁测深对地球深部电性结构的分辨能力,更好的研究全球地幔电性结构.     

频率域海洋可控源电磁垂直各向异性三维反演

地层宏观电性各向异性会对可控源电磁响应产生重要影响.由于海底地层电性结构常表现为电导率各向异性，若仅对海洋可控源电磁（MCSEM）数据进行常规各向同性反演，有可能无法获得准确的反演解释结果，从而削弱MCSEM技术的可靠性.本文实现了电导率垂直各向异性（VTI）条件下频率域海洋可控源电磁数据三维反演算法.其中，三维正演采用基于二次场控制方程的交错网格有限体积法，并利用直接矩阵分解技术来求解离散所得的大型线性方程组，有利于快速计算多场源的响应.反演采用具有近似二次收敛性的高斯牛顿算法对目标函数进行最优化.最后，对具有VTI电性各向异性特征的盐丘构造模型的MCSEM合成数据分别进行了电导率各向同性和垂直各向异性三维反演，结果表明：各向同性三维反演算法无法对受VTI介质影响的MCSEM数据进行正确的反演解释，而垂直各向异性三维反演能够获得更为可靠的地下电阻率结构和异常体分布，展现出对海底电性各向异性结构更为优良的反演解释能力.     

球坐标系下三维大地电磁正演研究

大地电磁正演理论研究热点一直以来主要集中在如何提高计算效率和精度，但在剖面足够长、探测深度足够大的情况下，传统的笛卡尔坐标系数值模拟方式难以准确拟合地球曲率形态.本文研究了基于球坐标系的三维大地电磁正演，推导了交错网格有限差分三维正演公式，与一维解析解和三维标准模型测试对比，验证了正演算法的正确性.通过理论模型计算，对比分析球坐标和笛卡尔坐标系正演结果表明：球坐标系模拟更合理，避免了传统笛卡尔坐标拉伸投影所引入的误差，可代替目前的笛卡尔坐标模拟方法.基于球坐标和笛卡尔坐标系的三维大地电磁正演响应值随着频率变低差异越明显.球坐标和笛卡尔坐标计算结果差异度与频率、模型结构和电阻率有关.本文模型计算结果在数万秒周期处已出现接近10%的差异，对于较大尺度的长周期大地电磁，地球曲率的影响不能忽略.