影响露天采坑边坡稳定性因素具有复杂性和模糊性, 采用数学及力学的分析方法较难有效评价其稳定性。根据露天采坑的实际工程特点, 在现场勘查和研究的基础上, 确定了包括地形地貌、地质构造、岩体性质、赋存环境4个一级评价指标, 17个二级评价指标, 建立了基于因素空间的露天采坑边坡稳定性评价模型。首先利用层次分析法和熵权法计算主客观权重, 赋予露天采坑边坡稳定性影响因素的组合权重。进而利用未确知测度理论构造测度函数, 计算评价边坡稳定性的单因素测度矩阵, 通过因素合成完成因素空间的降维, 生成合因素测度向量。最后采用置信度识别准则实现对露天采坑边坡的稳定性评价, 并以辽宁齐大山露天铁矿东帮典型边坡剖面为例, 将因素空间评价结果与极限平衡法和有限差分法计算结果进行对比分析, 对所建边坡评价模型的可靠性进行验证。结果表明: 因素空间模型评价结果与现场情况基本吻合, 且与极限平衡法、有限差分法计算结果相一致, 验证了所建因素空间评价模型的准确性与科学性; 综合分析了因素空间评价结果和其他方法计算结果, 给出了4个边坡剖面的防护及治理建议。因素评价模型简化了边坡稳定性评价过程, 提高了模型评价结果的精度, 可为同类型地质条件露天采坑边坡稳定性评价工作提供一定借鉴。

随着钻探技术向深部地层发展, 研究钻进过程中钻头与深部复杂地层的动态特性及参数响应规律成为研究中的重难点。采用数值模拟和响应面分析相结合的方法, 研究了聚晶金刚石复合片(PDC)钻头与典型复合地层在钻进破坏过程中的动力学特性, 并对其进行了参数分析; 以带倾角的软硬交错地层作为典型复杂地层为研究对象, 基于Abaqus建立了全真尺寸的PDC钻头与软硬交错地层之间的动态破坏有限元仿真模型, 得出了钻头在钻进过程中受到地层反力的动态特性; 通过正交试验进行了数值仿真试验, 研究了在不同的地层参数及钻进参数下PDC钻头的动力学特性; 采用单一因素分析法和响应面分析法对钻进参数及地层参数与钻头受到地层反力之间的关系进行了建模与辨识, 得到了多参数下钻头受到的地层反力变化趋势及回归模型。研究结果表明: 软硬地层倾角越大, 钻头受到的地层反力平均值和冲击峰值亦越大。随着地层软硬程度比的增大, 钻头受到的平均反力和峰值反力大幅增长。在一定范围内, 增大转速会降低钻头受到的反力冲击。研究成果可以为深部复杂地层钻进时钻头反力的预测提供依据, 同时对深部复杂地层钻进轨迹控制起指导作用, 对地质深部钻进有重要意义。

近些年, 隧道爆破施工向纵深延伸的趋势日渐显著, 而深埋引水隧洞中的层状岩体在爆破施工中对掏槽质量的影响是爆破施工的关键。为研究深埋层状围岩中爆破所在位置对掏槽爆破效果的影响, 以秘鲁圣加旺(San Gabán)水电站引水隧洞爆破开挖工程为依托, 利用ANSYS/LS-DYNA建立了三维有限元数值计算模型, 分析了掏槽爆破产生的损伤区域, 提出了优化方案并进行了现场试验。研究结果表明: 层状围岩分界区域对掏槽爆破产生的岩石损伤范围存在一定影响, 离层状围岩分界区域越近岩石损伤的范围越小; 为增加掏槽爆破的损伤区域, 爆破所在位置要与层状围岩的分界区域保持一定的距离; 对优化后的爆破方案进行了现场试验, 取得了较好的爆破效果。利用数值模拟根据岩石损伤演化规律对掏槽孔位置进行优化, 可提高隧道施工的经济性与安全性。

近年来冻土区实际桥梁结构的震害已经表明, 冻土的存在会增加桥梁基础的土体侧向刚度, 可能会使桥梁结构出现更为严重的地震损伤, 然而目前缺乏关于地震作用下冻土桥梁结构的冻土-桩相互作用效应以及相应地震响应规律的研究。基于所提出的高效非线性数值模型来考虑地震作用下的冻土-桩基础相互作用效应, 推导了冻土深度与地表温度的关系, 给出了冻土层的p-y弹簧非线性数值模拟方法, 并选择了多条地震实测记录, 研究了地震作用下不同冻土深度对规则桥梁墩柱以及支座地震响应的影响规律。结果表明, 本研究所采用的高效非线性数值模型较好地模拟了冻土下桥梁结构的抗震性能, 且所建立的冻土p-y弹簧曲线具有很好的准确性。当峰值加速度(PGA)较小时, 冻土对于桥墩墩底曲率的增幅达20%, 而当PGA较大时, 冻土可增加桥墩曲率响应(达185%), 使桥墩更易进入屈服。当冻土深度较小(温度等于-5℃)时, 支座位移有较大的增加, 增加了地震作用下主梁的落梁风险, 且冻土可使地震作用下结构体系的最不利部位发生转移。研究结果可为我国冻土桥梁结构的抗震性能与相应的抗震设计方法研究提供必要的理论基础与数据支持, 这一基础性工作对于推动我国冻土区桥梁工程防灾减灾的发展与工程应用具有重要意义。

干湿循环作用可促使片岩边坡岩体力学性能劣化、稳定性降低, 进而诱发滑坡、崩塌等地质灾害。以湖北十堰地区广泛分布的云母石英片岩为研究对象, 分别对不同干湿循环作用下云母石英片岩试样开展了单轴压缩试验和电镜扫描测试, 揭示了其抗压性能劣化规律及机理。结果表明: 在干湿循环作用下, 云母石英片岩抗压强度和弹性模量劣化效应明显, 前期劣化速率较快、劣化幅度较大, 后期劣化速率减缓、幅度降低; 宏观破坏模式受到片理面的控制作用而逐步增强, 由"X"型、"Y"型破坏逐渐演变为沿片理面的剪切破坏; 微观结构表现为片状矿物颗粒不断剥落、颗粒化, 微裂隙、孔隙逐渐发育、扩展贯通; 干湿循环作用使得云母石英片岩产生次生矿物、离子和岩屑并不断离开岩石, 促使片理、微裂隙等结构面扩展开裂、岩石结构松散, 进而使得云母石英片岩整体力学性能劣化。研究成果可为片岩边坡稳定性分析及治理工程设计提供理论依据。

工程建设是诱发滑坡的主要原因和风险承灾对象，其中坡脚的开挖对斜坡的稳定性产生了较大的影响。在万州区内的顺层斜坡区，泥岩、页岩等软弱夹层在自然条件与工程活动共同作用下渐进破坏，导致滑坡大范围发生，造成无法挽回的经济损失，因此需要对滑坡的破坏过程进行分析与讨论。根据调查万州铁峰乡典型顺层岩质滑坡，建立了降雨与工程活动作用下滑坡演化过程的地质力学模型。通过环剪实验获得软弱泥化层的力学参数，应用FLAC3D模拟了滑坡在人工开挖和降雨条件下滑动面的剪切变形，与刚体极限平衡法相结合分析了滑坡稳定性的变化趋势，并结合野外调查结果进行了对比验证。计算结果表明，软弱夹层经历了自然缓慢软化和人工开挖快速软化2个阶段，受剪切位移控制，属于应变软化模型，强度随剪切位移增大而不断衰减，在达到某一临界位移时强度快速衰减，进而转化为滑动面，降低了斜坡稳定性。研究区内的麦地坪滑坡大变形出现在坡脚开挖后的降雨期，与实验分析结果相符。实验和模拟结果与野外调查相匹配，验证了建设区顺层岩质滑坡地质力学模型的合理性，研究结果对于顺向坡的建设活动和防灾减灾具有指导意义。

黄泥扁滑坡是一个小型中层土质滑坡，已出现滑移的迹象，急需对其进行支护治理，分析该滑坡的破坏机理、验证现有的支护结构是否满足滑坡的稳定性要求以及探索合理且有效的支护部位和支护形式具有十分重要的意义。基于MatDEM建立了黄泥扁滑坡在20年一遇洪水位下的三维模型，模拟了滑坡在无支护、挡土墙支护、挡土墙和抗滑桩共同支护3种情况下的变形，并根据位移场分析了不同支护方案的支护效果。模拟结果显示：①该滑坡在无支护的情况下处于不稳定状态；②在无支护的情况下，滑体从滨河路的坡脚处剪出，在有挡土墙支护的情况下，滑体从快速通道的坡脚处剪出，表明现有的挡土墙支护结构并不满足滑坡的稳定性需求，需要对快速通道的坡脚进行重点支护；③采用抗滑桩对快速通道的坡脚进行支护，并在抗滑桩之间加设挡土板，此方案不仅在很大程度上提高了滑坡的整体稳定性，而且有效地解决了部分土体从桩间滑落的问题。研究成果可以为后续的工程设计、施工等提供一定的参考，同时也验证了MatDEM在滑坡分析中的适用性。

在当今城市景观提质改造活动积极开展的背景之下，滨水或水域古建筑多面临着清淤的现实需求。为有效保护古建筑，需要充分考虑清淤对古建筑地基变形的影响。以某软土地基古石桥为例，建立了桥体与场地地基土层的三维模型，研究了清淤深度、清淤坡肩宽度和清淤坡比3个参数对软土地基古石桥位移和应力分布的影响规律，并进一步分析了清淤对古石桥地基变形影响的机制。研究结果表明：①清淤开挖效应主要表现为引起桥体及邻近区的土体位移、改变应力分布和导致邻近区土体出现塑性区3个方面，使得古桥自身及其邻近区土体处于更为复杂的应力场与位移场之中；②不同清淤参数对古桥及其邻近区地层位移场和应力场的影响以及影响程度存在差别，清淤深度主要影响土体的位移变化幅度，清淤坡肩宽度控制着清淤效应的波及范围，清淤坡比和清淤坡肩宽度共同影响着土体位移曲线形态的变化和塑性区的发展；③在实际清淤工作中，清淤参数的设置除了需要满足工程可行性与经济性的要求之外，还应当合理确定清淤参数、控制清淤开挖对相邻古建筑的影响程度，在确定设计清淤深度时需要综合考虑清淤坡肩宽度和清淤坡比。研究成果对古建筑的清淤工作有实际指导意义。

川东红星地区上二叠统吴家坪组海相富有机质页岩是四川盆地页岩气勘探的重要接替领域，目前已取得勘探突破，但如何实现规模增储、效益开发亟待攻关。基于岩石学、地球化学和含气性等测试分析资料研究了川东红星地区吴家坪组页岩源、储品质特征，探讨了优质储层发育控制因素。结果表明：吴家坪组页岩有机质类型较好，以Ⅱ₁型干酪根为主，具有高TOC含量、高碳酸盐含量和高含气量的特征。页岩w(TOC)普遍介于1%~11%之间，均值6.89%；岩性以硅质页岩和混合页岩为主，其次为灰质页岩，整体脆性矿物含量较高；储层有机质孔发育且物性较好，孔隙度普遍介于2%~5%之间，均值3.1%。研究区富有机质页岩的分布明显受沉积环境的控制，火山活动、古气候以及古生产力共同影响了页岩中有机质的富集与分布。

准噶尔盆地吉木萨尔凹陷是我国页岩油成功勘探的代表性地区之一，但至今对页岩油富集层段二叠系芦草沟组的沉积相认识还存在分歧，存在浅湖与半深湖-深湖2种不同观点，并将其中的砂岩夹层识别为三角洲前缘远砂坝、浅湖滩坝沉积。通过岩心观察和砂岩粒度、测井相、储层物性分析等方法对二叠系芦草沟组沉积相特征进行了研究。研究结果表明，研究区湖盆内部以半深湖-深湖背景下湖底扇发育为特征，以细粒浊流为搬运-沉积机制；以透镜状-波状层理泥质粉砂岩-粉砂岩为主要岩相类型，其次是平行层理粉砂岩、递变层理粉砂岩和块状-递变层理细砂岩；其粒度累计概率曲线呈以悬浮总体为主的平滑上拱式，在C-M图上样品点分布于递变悬浮段。湖底扇包括席状朵叶、重力流水道-天然堤微相，分别表现为反、正沉积旋回。发育于湖底扇(尤其是广泛分布的席状朵叶微相)内部较多的粉-细砂岩夹层，以及作为细粒沉积中外源碎屑颗粒来源的浊流活动，造就了“甜点”储层“低黏土、高斜长石”矿物含量特点和溶蚀孔隙的大量发育，从而提高了细粒储层的储集性。本研究总结了细粒湖底扇的沉积物粒度细、砂层薄和频繁发育等特点，指明了“甜点”储层分布于细粒湖底扇发育的层段和地区，对研究区页岩油勘探具有指导意义。

核磁共振(NMR)及CT扫描技术对致密砂岩储层评价正发挥越来越重要的作用。以杭锦旗地区下石盒子组盒1段致密砂岩储层为例, 基于NMR及CT扫描系统探讨了致密砂岩中不同类型孔隙的响应特征及流体识别能力。结果表明, 测试样品的孔隙度主要分布在1.7%~10%, 气测渗透率主要分布在0.1×10^-3~1.4×10^-3 μm², T₂弛豫时间截止值主要分布在1~14 ms, 平均值为6.11 ms, 属于典型的低孔、低渗型致密砂岩储层。根据离心前饱和分量T₂弛豫时间曲线, 盒1段储层孔隙类型为双峰型(左峰为主, 右峰不明显), 包括3个亚类: 微孔-小孔型、小孔-中孔型、微孔-小孔-中孔型, 所对应的T₂弛豫时间区间分别为0.1~10, 1~100, 0.1~100 ms。三维CT扫描结果显示, 小孔-中孔型储层的物性特征最好, 其次为微孔-小孔-中孔型储层, 而微孔-小孔型储层的物性相对较差。T₂截止值与样品可动流体含量负相关。盒1段可动流体孔隙度与渗透率具有良好的正相关性, 反映可动流体含量受储层渗透率与喉道显著影响。盒1段致密砂岩储层中可动水饱和度主要分布在4%~9%, 平均值为5.8%。开发实践显示, 盒1段原始可动水饱和度较低, 具有较大开发潜力, 从侧面证实了NMP和CT扫描技术结果的准确性。

珠江口盆地惠州凹陷始新世发育多个不同类型的转换斜坡(或称为构造转换带), 位于惠州26洼和西江30洼之间的HZ25转换斜坡控制并发育了一套大型近源辫状河三角洲体系。基于新处理的三维地震、钻(测)井、岩心及相关分析化验资料, 详细分析讨论了转换斜坡型辫状河三角洲砂体沉积特征。研究表明, 晚始新世时期气候炎热潮湿, 东沙隆起通过HZ25转换斜坡向惠州26洼输送充沛的物源碎屑, 发育厚层辫状河三角洲成因砂体, 粒度概率曲线和C-M图显示典型牵引流态特征; 砂岩以岩屑砂岩为主, 岩性粒度较粗、分选差, 磨圆度为棱角状-次棱角状; 岩心显示多期次冲刷界面、高角度斜层理、楔状交错层理等强水流动力沉积构造及间断性正韵律。转换斜坡是物源水系主要的运输通道, 辫状河三角洲向前推进距离约8 km, 整体形态为向北东方向展布的坨状或朵叶状。受控于转换斜坡古地貌格局, 辫状河三角洲具有水动力强、距物源较近且物源供给充足的特征, 砂地比平均值约52%。辫状河三角洲前缘砂体是优质储层发育带, 转换斜坡及其控制的厚层优质砂体耦合形成良好的地层-岩性圈闭, 是惠州凹陷深层主要勘探对象。研究区辫状河三角洲整体为一套低孔、低渗储层。辫状河三角洲前缘储层由于泥质杂基含量低, 分选改造中等, 以显孔-原生孔为主, 孔隙连通性较好, 是下一步油气优先勘探评价的对象。

中国扬子板块早寒武世发育一套富含有机质的黑色岩系, 黑色岩系不仅是烃源岩, 而且与众多金属、非金属矿床的形成有关, 但关于影响其有机质富集的主控因素尚存在较大争议。对贵州铜仁坝黄地区牛蹄塘组黑色岩系样品进行了总有机碳(TOC)、主量、微量及稀土元素测试, 解析了其有机质的分布规律、影响因素及其富集机理。研究结果表明: 黑色岩系有机碳含量从底部→下部-中部→上部呈现出高→低→高的变化趋势; 氧化还原指标Ni/Co、V/Cr、V/(V+Ni)和U/Th及判定盆地水体滞留程度的指标Mo/TOC, 分别指示了牛蹄塘组底部与上部富含有机质的炭质页岩、富多金属元素页岩形成于贫氧-缺氧、中等-强局限滞留环境, 而下部-中部磷矿层则形成于贫氧-富氧、中等滞留的沉积环境; δCe表明研究区在早寒武世经历过一次海侵-海退的过程; Ba_bio揭示了牛蹄塘组底部与上部的高古生产力以及下部-中部的中等-高古生产力; Ti/Al指示整体较弱的陆源输入; 稀土元素配分模式、δEu异常以及La/Yb-REE图解说明磷矿层和富多金属元素页岩层受到了热液活动的影响, 热液活动为富多金属元素页岩层有机质的富集带来了丰富的营养物质和还原的沉积环境, 而磷矿层形成于海平面上升期, 洋流上涌导致沉积环境充氧, 不利于有机质的保存, 故下部-中部磷矿层有机质含量较低。总之, 中等-高的古生产力是有机质富集的重要基础, 热水活动为局部地层(富多金属元素页岩层)有机质的富集创造了有利条件, 陆源碎屑输入对有机质富集的影响较小, 而最终制约牛蹄塘组黑色岩系有机质富集的主控因素是普遍还原滞留沉积环境, 有机质的富集更倾向于"保存模式"。

镜面反射是岩层滑动过程中形成的光滑表面, 具有一定的金属和玻璃光泽以及反光特性。在一些断裂带中, 这些光滑的表面也被称为断层镜(FMs)。镜面反射可见于多种类型的岩石中, 在泥岩、砂岩、页岩、煤层、碳酸盐岩、硅酸盐岩等地层中均有发现, 不同岩性的镜面形成机制存在差异, 但镜面的形成均与岩层滑动有关。因此, 与岩层滑动相关的应力、滑动速率、滑移距以及温度等对镜面形成均有重要影响。黔北安场向斜龙马溪组页岩中发育大量镜面反射, 为了查明这些镜面反射形成的影响因素及其与页岩含气性之间的内在联系, 通过大量文献阅读系统总结了镜面反射的发育特征和形成机制及其对流体渗流和页岩气保存条件的影响。结果表明: ①应力、滑动速率、滑动位移和温度对镜面反射的形成具有重要影响; ②镜面反射的形成取决于应力与滑动速率的组合形式, 高速高应力条件下更容易形成镜面反射; 低速低应力条件下, 即使滑动位移很大也不会形成镜面反射; ③相同应力和滑动速率条件下, 总体上滑动位移会促进镜面覆盖率增加, 镜面覆盖率甚至能达100%;④温度促使岩石颗粒由脆性转变成塑性, 在一定程度上能防止岩石颗粒发生脆性破裂, 进而烧结岩石颗粒, 促使镜面反射的形成; ⑤镜面粗糙度极低, 一般处于微米级别, 平均粗糙度振幅仅几个微米; ⑥形成镜面的裂缝以及滑移距, 明显改善了页岩气的渗流, 页岩气的加速散失可能导致其较差的含气性。因此, 在缺乏顶底板条件时, 镜面反射可能是导致页岩含气性较差的重要原因之一。

煤中关键金属是矿产资源勘探开发的新领域。目前对华北板块南缘早二叠世煤中微量元素赋存特征及主控机制研究较少, 制约了关于该区煤沉积物源、沉积环境的认识以及煤的清洁高效利用。基于X射线衍射(XRD)、X射线荧光光谱(XRF)、电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)等分析方法, 对华北板块南缘早二叠世中煤矿物学与煤地球化学特征进行了研究。结果表明, 华北板块南缘早二叠世煤中矿物主要发育高岭石、伊利石、铵伊利石、绿泥石和方解石等, 主量元素以SiO₂, Al₂O₃与CaO为主。煤层样品中Li元素相对富集, 质量分数为54.5×10^-6~116×10^-6(均值76.83×10^-6); Zr、Th元素轻微富集, 质量分数分别为34.14×10^-6~160.73×10^-6(均值73.81×10^-6)和3.22×10^-6~17.79×10^-6(均值7.85×10^-6); 其他元素质量分数接近或低于世界硬煤平均值, 其中Co、Zn、Rb、Cd和Cs等元素明显贫化。通过相关性分析与地球化学解释得出以下结论: ①华北板块南缘早二叠世煤中Li元素主要赋存于高岭石等黏土矿物中, 其含量主要受控于陆源碎屑; ②受华力西构造运动影响, 北部阴山古陆中元古代钾长花岗岩与石炭系本溪组古风化壳铝土矿被抬升风化剥蚀, 并成为华北板块南缘早二叠世煤的主要供源区; ③泥炭沼泽水介质偏咸与缺氧还原的沉积环境有利于Li元素被高岭石等黏土矿物吸附并沉积聚集。

位于南秦岭武当地区的杀熊洞铌-稀土矿床是我国典型的碳酸岩-碱性岩型铌-稀土矿床, 虽已有不少研究, 但对于该矿床中铌的富集、结晶及后期流体改造矿物学方面的研究仍较为薄弱, 制约了铌富集机理的精细刻画。采用偏光显微镜、光学阴极发光和背散射电子进行了详细的岩相学观察, 查明了矿物的结构、组分和共生关系, 并用电子探针分析了2类烧绿石的成分, 探讨了铌富集机理。研究表明: 杀熊洞碳酸岩-碱性岩杂岩体发育有一套完整的蚀变辉石岩-正长岩-碳酸岩岩性组合, 三者在空间上紧密共生。杀熊洞杂岩体中铌矿物主要为烧绿石, 主要在岩浆演化最晚期的碳酸岩相中结晶, 为碱性岩浆演化晚期富集的产物。烧绿石包括原生(Pcl1)和蚀变(Pcl2) 两种类型, 前者呈自形、粒度大、发育震荡环带, 被认为是直接从碳酸岩熔体中结晶的岩浆烧绿石; 而后者则为原生烧绿石被热液交代后形成, 其形状不规则, 在背散射电子(BSE)图像中表现为不均匀的亮白色。利用电子探针对两类烧绿石进行了原位成分分析, 两类烧绿石的B、Y位置分别以Nb、F元素为主导, 而A位置以Ca为主导, Na次之, 因此将大部分烧绿石定名为氟钙烧绿石, 少数定名为氟钠烧绿石。两类烧绿石的Nb与F均存在较好的线性正相关关系, 说明氟作为挥发分, 可能对Nb在碱性岩浆-热液体系中的富集起到了关键的作用, 与前人实验模拟结果一致。另一方面, 两者也存在一定成分差别, 与原生烧绿石相比, 蚀变烧绿石具有明显较低的Nb₂O₅、CaO、Na₂O、F等以及较高的UO₂、Ta₂O₅、SrO、SiO₂等含量, 这些差异说明交代烧绿石的流体具有更富Sr、Si和U但贫Na和Ca的特征。此外, 在交代过程中, 局部存在明显的铌活化与丢失。

复兴屯矿床是近年来在内蒙古自治区科尔沁右翼前旗地区的勘探找矿工作中发现的大型银铅锌多金属矿床。鉴于该矿床的研究非常薄弱, 开展其成矿元素赋存特征、沉淀机制及矿床成因类型等问题的研究可为该矿床的成因研究提供理论依据。以复兴屯银铅锌多金属矿床不同阶段形成的闪锌矿为研究对象, 开展了矿相学、矿物主量元素和微量元素组成的研究, 探讨了成矿元素的沉淀机制和矿床的成因类型。结合野外调查和室内矿相学观察, 将复兴屯矿床的成矿过程划分为3个成矿阶段: 铜锌硫化物阶段(Ⅰ阶段)、铅锌硫化物阶段(Ⅱ阶段)、银锌硫化物阶段(Ⅲ阶段)。电子探针分析结果表明, 闪锌矿中Fe含量变化较大, Fe含量与Zn含量呈明显负相关关系。LA-ICP-MS分析结果表明, 由Ⅰ阶段到Ⅲ阶段, 闪锌矿中Fe, Mn, In含量逐渐降低, Ga, Ge, Sb含量略有增加。结合激光剥蚀曲线与元素间相关性图解, 元素Fe, Mn, Cd, Cu, In和Ag以类质同象形式赋存于闪锌矿之中; Pb以显微包裹体形式存在, 而Bi和Sb主要赋存于闪锌矿的方铅矿显微包裹体中。闪锌矿的微量元素组成还表明, 成矿过程中周期性的压力波动导致了闪锌矿中韵律环带的形成, 成矿流体的多次减压和降温是复兴屯矿床主要的矿质沉淀机制。综合矿床地质特征和闪锌矿微量元素特征, 我们认为复兴屯矿床为中硫化型浅成低温热液矿床。

针对可地浸砂岩型铀矿潜在铀储层预测、铀源评价而言, 明确赋矿砂体的物源是关键。海力锦铀矿床位于松辽盆地南部, 赋矿砂体为上白垩统姚家组灰色砂岩。系统采集了该矿床内16个钻孔中的26件样品, 首次对姚家组灰色、褐红色、褐黄色砂体展开了碎屑岩岩石学、地球化学及锆石年代学分析工作。测试结果表明, 这套多色砂岩在铀工业矿孔、矿化孔及无矿孔中整体表现较为一致, 均具高SiO₂, 相对较低的Al₂O₃、Fe₂O₃、MgO、MnO、Na₂O、TiO₂, 地球化学分类属于岩屑砂岩、亚岩屑砂岩类, 指示源岩可能为酸性岩类; 化学蚀变指数(CIA)值为62.93~83.46(平均74.08), 成分变异指数(ICV)值为0.4~1(平均0.6), 推测其经历过半干旱-半潮湿气候背景下的中等化学风化作用影响; 根据源岩属性判别其母岩主要为长英质(酸性)岩石, 且源区构造背景属于被动大陆边缘环境; 碎屑锆石U-Pb测年显示谐和年龄主要集中分布在3个年龄区间, 分别为180~110, 320~230, 2 536~1 738 Ma。结合岩石地层划分、盆缘岩浆岩年代以及区域构造演化特征, 推断海力锦地区姚家组下段沉积物最有可能来源于大兴安岭南缘的林西地区。

沉积盆地现今地温场反映了地球内部各种动力学过程之间的能量平衡状态, 既是了解大陆岩石圈构造变形及演化等大陆动力学问题的重要窗口, 也是开展区域地热资源潜力评价的基础。通过收集松辽盆地826口钻孔试油温度数据, 结合150个岩心样品热导率测试结果, 系统刻画了全盆地现今地温场特征, 基于深部温度预测技术计算了4 000 m深度内地层温度。结果表明, 松辽盆地现今地温梯度介于22.5~69.0℃/km之间, 平均值为44.0℃/km。中央坳陷区岩石热导率值比较集中, 大多介于1.60~2.40 W/(m·K)之间, 平均值为1.84 W/(m·K), 其中泥岩热导率最低, 平均值为1.77 W/(m·K); 粉砂岩热导率居中, 平均值为1.87 W/(m·K); 细砂岩热导率最高, 平均值为2.12 W/(m·K)。大地热流值介于35.0~98.8 mW/m², 平均值为76.9 mW/m², 为典型的"热盆", 平面上呈中部高、边部低的环带状展布特征。松辽盆地1 000 m深度的地层温度介于26.9~72.3℃, 平均值为47.9℃; 2 000 m深度的地层温度介于49.4~141.3℃, 平均值为91.9℃; 3 000 m深度的地层温度介于71.8~167.5℃, 平均值为135.8℃; 4 000 m深度的地层温度介于94.3~210.9℃, 平均值为179.8℃。综合分析认为, 太平洋板块向欧亚板块俯冲引发软流圈上涌, 区域岩石圈迅速减薄, 来自地幔的热量显著增加; 同时, 减薄的地壳更有利于地幔热量向上传导。盆地内广泛发育的NNE和NW向两组深大断裂系为地幔物质及热流上升提供了通道, 一部分地幔物质沿深大断裂熔融析离聚集在中下地壳内形成高导低速体, 持续加热地壳, 另一部分熔融物质经断裂系喷发形成新生代火山。盆地内广泛发育的花岗岩放射性元素衰变生热, 是松辽盆地内又一重要热源。此外, 松辽盆地不同构造单元地壳结构的差异是现今地温场不均匀性的重要原因, 基底和沉积层热导率的差异引起的热流"折射"效应, 促进了浅部热量的再分配, 形成了凹凸相间的热流分布格局。松辽盆地良好的储盖配置关系, 为热量的贮存提供了良好条件, 有利于松辽盆地地热资源的赋存与开发。

四川盆地二叠系栖霞组沉积古地貌对碳酸盐岩储层的展布和演化具有一定的控制作用。恢复并刻画川中高石梯地区沉积古地貌, 可以进一步认识该区域有利沉积相展布规律、预测优质储层的分布。在明确了三级层序划分的基础上, 利用地球化学元素比值、岩石学标志和测井标志在层序内建立了高分辨率层序地层格架, 识别出两种沉积微相: 滩核和滩翼; 计算了层序内地层厚度差异, 识别出不同类型的沉积序列, 计算了滩核/滩翼厚度比值以及Fe/Mn比值、MgO/Al₂O₃比值等地球化学参数。分析上述参数在平面上的特征并进行叠合, 恢复了研究区栖霞组沉积时期的古地貌特征。研究结果表明: 栖一段古地貌在西北部和南部较高, 在中部较低, 古地貌落差明显; 栖二段古地貌高地分布在研究区中部, 西部古地貌较低, 古地貌整体差异不大。根据古地貌恢复结果, 高石梯-磨溪地区在北东-南西方向形成浅水环带区, 发育颗粒滩, 南部发育局部微正向构造, 同样发育颗粒滩, 但微正向构造分布有限, 颗粒滩延伸范围因此受限, 未来勘探开发应围绕北东-南西方向的颗粒滩发育区域进行。

白垩纪时期, 我国中纬度地区广泛发育风成砂岩, 指示了副热带沙漠带的存在。对白垩纪风成砂岩的发育年代、分布范围、物质来源、所记录的古风向等方面的研究, 有助于重建东亚地区白垩纪不同时期的古地理和古气候特征。为此, 对湖北宜昌地区下白垩统五龙组(K₁w)中发育的一套巨厚的白垩纪砂岩开展了系统的野外沉积特征调查、室内粒度分析、石英颗粒表面微观特征的扫描电镜观察, 以及碎屑锆石U-Pb年代学研究, 探讨了其成因和物源特征。结果表明: ①该套砂岩分布于江汉盆地西缘白垩纪洪积扇的扇缘部位, 出露厚度超过40 m, 发育大型高角度交错层理, 其粒度组成十分均一, 其野外特征和粒度组成符合风成沙的特征; ②扫描电镜观察显示, 石英颗粒普遍磨圆较好, 表面发育碟形和新月形撞击坑, 以及溶蚀作用和沉淀作用导致的微观特征, 与风成砂的特征一致; ③该套砂岩的碎屑锆石年龄存在4个主要的峰值, 分别约为2.46, 1.85 Ga, 780, 170 Ma, 这些年龄峰值与秦岭-大别造山带及黄陵隆起之上沉积盖层的碎屑锆石年龄组成一致, 指示其物源可能主要来自黄陵隆起形成后其上覆盖的南华系-侏罗系的侵蚀物, 同时可能也混入了部分秦岭-大别造山带的物质; ④该套砂岩中最年轻的锆石年龄为(119.9±2.8) Ma, 指示该段地层的年龄不早于早白垩世晚期, 与湖北省地质调查院将五龙组划归下白垩统一致。上述结果指示着该套砂岩为早白垩世时期干旱气候条件下发育于干旱盆地洪积扇边缘的沙漠沉积, 指示着湖北宜昌地区在早白垩世副热高压的影响下已出现了地带性沙漠。

古堆-南梁泉域位于山西省南部, 是一个深循环与浅循环共存、冷水系统与热水系统循环转化、多级次排泄的复合型岩溶水系统, 因长期不合理的开发利用, 泉域内出现了一系列岩溶水环境地质问题。以水文地质调查工作为基础, 综合采用地下水流场对比分析、水文地球化学及同位素分析、岩溶水资源评价等方法, 详细论述了古堆-南梁泉域内岩溶水环境问题现状及其成因, 并提出了泉源区生态修复与规划方案。结果表明: 受气候变化与人类活动的叠加影响, 系统内古堆泉、南梁泉、海头泉分别于1999年、1992年、2002年断流, 2013-2021年区域地下水位平均下降速度达2.53 m/a; 水化学、同位素分析结果指示了排泄区九原山附近松散岩类孔隙水越流补给量、三泉水库渗漏补给量对岩溶地下水的影响已不可忽略; 泉域内岩溶水超Ⅲ类水水质标准样品占比由2014年的62.5%升高至2021年的81.25%;泉源区0.904 km²范围可细分为核心保护区、水库蓄水区、一般保护区, 应分区进行生态保护与修复规划。研究结果可为山西省超采区综合治理、古堆泉水生态修复与保护工作提供基础依据。

结合水的含量及存在形式对红黏土的物理力学性质具有重要影响, 而红黏土宏观收缩会引起土粒、孔隙、结合水微观结构变化, 进而可能产生土体浅表层开裂引发渗透、失稳等工程地质问题。采用热重分析试验、BET测试试验、电镜扫描和Zeta电位试验对原状红黏土收缩过程中结合水的变化特征进行了研究, 建立了基于结合水膜均匀分布下的球状和薄片状黏土颗粒结构模型, 并推导出结合水膜厚度的计算公式。研究结果表明, 原状红黏土中的水分大部分以结合水的形式存在, 红黏土的收缩过程一直贯穿着弱结合水的损失, Zeta电位和比表面积不断减小, 结合水膜厚度也不断减小。研究结果揭示了红黏土失水收缩的内在机理, 可为解决环境工程地质问题提供理论支持。

土壤含水量信息对于自然生态修复、农田灌溉管理、土体工程建设等具有重要的意义, 电容式土壤水分传感器是获取该信息的主要途径之一。为准确校准电容式土壤水分传感器(以5TE设备为例)的土壤含水量观测数据, 开展了不同温度、含盐量、土壤含水量条件下的土壤介电常数、电导率和温度观测实验, 构建了基于随机森林机器学习方法的土壤含水量估计模型。结果表明: ①变温、变含盐量情况下, 土壤介电常数受含盐量和温度影响显著, 仅基于土壤介电常数的传统土壤含水量估计模型失效; ②以电容式土壤水分传感器观测的土壤介电常数、电导率和温度数据为输入, 基于随机森林机器学习方法的土壤含水量估计模型可有效改善土壤含水量估计结果(RMSE为0.05 m³/m³, R²为0.77;修正Topp公式的土壤含水量估计结果: RMSE为0.07 m³/m³, R²为0.54);③土壤电导率观测对土壤含水量估计最为重要, 介电常数次之, 温度最弱, 但均未达到可忽略不计的程度。研究成果可为电容式土壤水分传感器在变温、变含盐量地区的成功应用提供支撑。

砂土电阻率特性的室内试验研究成果被广泛用于野外高密度电法的成果解译中, 但测试条件的影响及电阻率与砂土特性关系曲线的野外应用需要进一步研究。为此研制了室内二电极电阻率测试装置, 以分析电流类型、交流电频率和电压及砂样不同粒径对电阻率-含水饱和度(ρ-S_r)、电阻率-孔隙水盐浓度(ρ-n)两对关系的影响。结果表明: 进行交流电电阻率试验时, 为减小电阻测试误差, 可选择设置电流频率10 Hz、输入电压1 V; ρ-S_r和ρ-n在交流电与直流电下均满足幂函数关系, 但直流电会使砂柱两侧电极在孔隙水盐质量浓度较高时发生电解反应, 建议选择交流电法开展电阻率试验; 当含水饱和度超过50%时, 砂样粒径引起的电阻率差异较小, 且电阻率不再随含水饱和度增大而明显减小, 保持相对稳定, 指示这一电阻率相对稳定的界面可能分布于含水饱和度约50%的包气带中而非潜水面; 当孔隙水盐质量浓度超过2 g/L后, 5种粒径的饱和砂样电阻率随孔隙水盐质量浓度增大不再明显减小。研究结果证实电阻率法易区分淡水和微咸水, 难以进一步细分盐质量浓度大于2 g/L的微咸水、咸水和卤水。

煤层底板岩溶裂隙含水层导致底板突水问题受到广泛关注, 掌握含水层渗流特征是减少此类事故发生的关键, 而在此之前应首先建立合理的含水层模型。岩溶裂隙含水层具有裂隙和岩溶两种复合网络介质特征, 针对此类问题主要采用数值模拟方法进行研究, 而多数成果仅对含水层中的裂隙网络进行分析, 忽略了其中随机分布的溶孔等岩溶现象, 与实际情况差异较大。重点对灰岩含水层中随机分布的溶孔进行模拟, 并将其与裂隙网络模型结合, 得到准确度较高的灰岩含水层网络模型, 并将其数值化。为此选取了钻孔揭露及露头资料, 用AutoCAD软件描绘溶孔轮廓建立了溶孔形态库, 为溶孔的随机生成提供了足够的样本支撑, 溶孔样本足够多时, 溶孔形态库就具有很高的真实性; 其次利用多因素定向块体切割技术建立了溶孔储存空间, 随机从中提取溶孔, 按照一定比例缩放并置于储存空间内, 就可以实现随机溶孔模型的生成。随后将其与基于蒙特卡洛法生成的裂隙网络叠加, 从而得到具有一定溶孔率和裂隙密度、间距的灰岩含水层复合网络模型。最后基于AutoCAD软件将网络模型转化为FLAC^3D数值网格, 即建立灰岩含水层数值模型, 由此生成具有不同溶孔率和裂隙密度、间距的复合网络模型。对裂隙网络中的裂隙密度和延展性分别按低、较低、中等、较高、高进行分类; 将溶孔模型中的溶孔率设为0.05, 0.10, 0.15, 0.20, 0.25, 0.35。以高密度-低延展性裂隙网络为例, 选取了溶孔率为0.05和0.25的溶孔模型与其叠加, 对复合网格中的裂隙迹长、溶孔长轴比和倾角进行统计, 结果符合预期, 从而证明所生成模型的有效性。研究成果对于三维随机溶孔模型的建立具有一定参考意义, 为后续基于数值模拟分析岩溶裂隙含水层的渗流特征奠定了模型基础。

铜是我国国民经济建设重要的战略性金属矿产资源之一, 其国外进口依存度高, 因此铜矿的勘查和资源评估工作具有重要的意义。基于野外地质工作中所采集的地质勘探剖面及钻孔数据, 建立了滇西某铜矿区的三维可视化地质矿产模型, 并基于该模型估算了资源储量。计算结果表明: 全区矿石资源量为4 893.4万t, 铜储量为54.3万t。通过对比分析证实新地质矿体三维建模系统建立的模型及资源估算具有较高的可信度, 其多样化的分析板块及动态更新功能具有较为广泛的应用性, 能够运用于铜矿后续的钻探工程及资源量评估中。结合区域构造和矿床地质资料, 进一步分析了铜矿的成矿模式, 即后期火山气液充填交代富集改造为滇西某铜矿成矿的主要矿质来源, 构造运动对其控制作用明显, 主要体现在多旋回构造运动中形成的岩相古地理条件及后期断裂活动对容矿空间的改造。研究成果为进一步的勘查工作奠定了基础, 能够更好地指导找矿工作, 对相关类型多金属矿产的勘查和开采等实践应用亦具有借鉴意义。

四川盆地东北部蒲包山地区下三叠统飞仙关组礁滩储层的形成与发育是地质历史时期综合作用的结果, 因此储层评价时仅使用单一因素难免会产生偏差。采用k-means聚类分析和主成分分析相结合的方法对研究区储层进行了分类与评价。研究结果表明: 在已知蒲包山地区下三叠统飞仙关组礁滩储层的白云岩厚度、平均孔隙度以及储层有效厚度3种不同影响因素平面图的前提下, 对不同平面进行等大网格化, 提取不同影响因素的储层特征数据, 结合使用肘部法和轮廓法对储层特征数据进行分析并将储层划分成4种发育类型, 然后应用k-means聚类分析方法对已知的数据点进行类别属性分配; 使用主成分分析对不同储层特征数据进行降维处理形成一个新的综合参数, 参数贡献率达0.882, 按k-means的分类结果, 计算4种储层不同类型主成分分析综合参数的均值, 分别为0.404, 0.640, 0.716, 作为储层评价分区的分界点。最终使用此种量化的方法将研究区不同特征平面图合理融合在一起, 形成储层综合评价图。研究结果可有效地对研究区储层进行分类评价及有利勘探区预测。

地质勘查剖面图上地质体轮廓线分布稀疏, 难以满足复杂地质表面的三维形态重构建模。为此, 提出了一种基于最大相似度匹配轮廓线层间形态插值的三维地质隐式曲面重建方法。该方法首先采用模糊匹配算法, 生成相邻剖面地质体轮廓线顶点映射集; 然后通过计算匹配点相似度获取相似系数, 基于最大相似度匹配原则建立最佳轮廓线顶点映射; 最后基于轮廓线对应顶点计算层间梯度插值作为形态约束, 采用径向基隐式曲面重建方法实现地质体三维曲面重建。通过实例的地质体轮廓线三维隐式建模结果, 验证了该方法不仅可以实现形状大小各异的层间轮廓线形态插值, 同时能够有效克服隐式曲面重建中由于数据稀疏而引起的曲面过度光滑或不连续的现象, 可以为基于隐函数的复杂地质表面重建提供基础。