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    日前,中国地质调查局青岛海洋地质研究所“海底冷泉拖曳式快速成像设备研制及应用”海上调查团队返回青岛码头,结束长达2个多月的海上实验和渤海、黄海实地调查工作,外业调查取得初步成果。

    该项目隶属于国土资源部公益性行业科研专项,由青岛海洋地质研究所承担,哈尔滨工程大学、国家海洋技术中心和中国海洋大学协作实施。项目目标是研制、集成一套用于考察船拖曳调查的海底冷泉快速成像系统,在拖曳的条件下能够实现对海底冷泉的快速成像,可以通过图像辨识海底冷泉的位置、冷泉气泡群的宽度、高度与形态。据悉,海底冷泉是一种发育于俯冲带,超高压盆地的断裂带等,以大量气流体由海底喷入上覆水体而形成气泡群为标志特征的海洋地质现象,其与海域油气、水合物勘探、全球气候变化和极端条件下的生物群落等密切相关,特别是对海域油气与水合物勘探意义重大,是目前地球科学的研究热点。

    该海底冷泉拖曳式快速成像系统是通过分析冷泉气泡的声学特性,建立冷泉气泡群的散射模型,研究声学散射的频率选择特性,计算冷泉气泡散射强度。信号处理中采用带通采样、正交变换获得回波强度声图像,然后通过幅度加权的预成波束形成声学回波图像像素值,通过扇形变换得到声学图像。该系统声源模块由四个不同频率的换能器组阵,可以适应不同水深作业;实时处理成像模块系统集成了数据融合技术,可以对气泡群进行高效成像;同时集成了后期处理软件,可以对气泡进行进一步分析和解释。项目组经过两年的攻关,完成了样机的研发和系统集成。

    本次外业调查经过前期充分的准备,项目组于2017年9-10月份选择水深较大的老铁山水道开展了海试工作。海试使用船载空压机持续产生气泡并通过高压管沉放到海底(水深40m-70m),形成模拟冷泉,拖体穿越冷泉区进行往返观测,观察成像质量。气管经过特殊设计,可以同时形成多个气泡,出气量可以自由控制。经试验,该设备对海底冷泉成像效果良好,可以通过图像辨识海底冷泉的特征参数,可以反应气泡群的波阻抗特征及声学散射特征,达到了预期目标,标志着项目装备研发取得成功,同时海底冷泉探测又多了一个新方法,对冷泉研究具有重要意义。

    根据施工设计,项目组分别对渤海和黄海成山头两个设计靶区进行了冷泉调查。外业组克服了海况较差,设备拖曳难度大等挑战,在工作中不断改进调查设备和工作方法,顺利完成了本次调查任务。

    利用空压机产生模拟冷泉

    海底冷泉快速成像设备

    渤海实际调查发现的海底冷泉

    前期调试设备

    海底冷泉拖曳式快速成像设备研制项目海试获得成功

    中国地质调查局自然资源实物地质资料中心不断创新工作思路与方法,利用研究级偏光显微镜显微图像采集技术和计算机技术搭建数据积累和识别平台,实现了斜长石测量与鉴别技术由传统的人工鉴定方式向数字化图文参数计算定量分析的技术升级。

    斜长石为岩浆岩和变质岩的主要造岩矿物,是岩石分类命名的重要标志,斜长石成分的变化能够反映出岩石的形成和演化规律,对了解岩石成因和探索找矿方向具有指导意义。此次创新的斜长石测量与鉴别技术分为两个步骤,首先由偏光显微镜对斜长石变化图像及多种参数精准采集,再通过计算机编写程序对采集的图像参数进行读图、序列图切换、斜长石颗粒不同光性一致性观察,进而自动计算出变化角度,切换石膏试片图片,最终确定消光角度,在成分关系曲线图中对应出斜长石成分性质。

    2022年度,实物资料中心已完成5x物镜的单偏光、正交偏光、石膏检板的全幅面和360度间隔1度动态采集,视场张数共计43211张,拼接整幅大薄片图294张,单张图像分辨率2448x2048。

    该方法打破了传统薄片鉴定方法对于应用场景和范围的限制,易于操作,大大提升了对于薄片样本的利用率,实现了斜长石测量与鉴别工作的提质增效,同时对推动实物地质资料数字化及应用的发展有积极作用。

     

     
    薄片斜长石测量与鉴别实现技术升级

     

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    “一带一路”倡议,为各国在能源领域技术的交流和合作搭建了合作平台,也为我国地质矿产资源开发带来新机遇与新挑战。聚焦国家重大需求,服务国家重大战略,地质调查在国民经济发展中作用越发突出。多少年来,地质工作者行宿苍野,踏遍群山,探寻宝藏,为新中国的开发建设做出了卓越贡献,也在古老的丝绸之路上留下了地质工作者的足迹。

     

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    地球矿藏的勘探开发利用是人类文明存续发展变革的根本保障和直接动力。回顾丝绸之路上为数众多勘探成果,白家咀子地区铜镍矿的发现一举摘掉了我国贫镍国的帽子,打破西方国家对我国镍矿资源的封锁,在我国地质勘探史上留下浓墨重彩的一页。

     

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    时间追溯到57年前,在年轻的地质队员汤中立带领下,甘肃省地质局祁连山地质队(今甘肃省地矿局第六地质队)深入祁连山腹地,从永昌白家咀子的一块孔雀石中发现线索,点燃了中国镍工业的希望。195810月,经取样化验,证实为含铜镍的超基性岩体,19591月开始进行铜镍矿普查勘探,随之而来的,是对矿区长达15年之久艰苦卓绝的地质勘探工作。


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    地质队员借助现代的实验室仪器,在这些一眼望去殊无二致的岩石中分辨矿物。图片采自白家咀子铜镍矿标本光片在反射光下的显微图像,乳黄色的镍黄铁矿与粉褐色的磁黄铁矿、深黄色的黄铜矿共生,磁铁矿早期溶蚀粒状后期细脉状穿插于黄铜矿中。金光灿灿的海绵陨铁结构,是原生富矿体的标志,鉴定为超基性岩型硫化镍富矿。

     

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    岩石标本中存在透明矿物元素。混合岩在40倍正交偏光显微镜下观测显示,石英、长石和角闪石特征明显,由鳞片状浅橙黄-褐黄色集合体交代板粒状形态的是长石,左上石英颗粒间板状长石见弱聚片双晶。右半侧带有贝壳光泽的区域主要为角闪石,较强绿帘石化、弱绿泥石化、碳酸盐化。石英、长石与角闪石均为铜镍矿中常见脉石矿物。


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    透辉蛇纹石岩在10倍正交偏光显微镜下显示为鳞片柱粒状变晶结构,早期成矿的辉石经蚀变被其他矿物取代,这些矿物颜色鲜艳,主要由绿帘石、纤闪石、方解石、蛇纹石等成分组成。其中不规则分布的黑色斑点为金属矿物,为成岩及蚀变时产生,具有较为鲜明的含矿指向性。

     

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    地质队员还发现,岩浆的贯入式矿体形成块状特富矿,光片下可见交代-团块状构造,金属矿物黄铁矿、磁黄铁矿、赤铁矿、黄铜矿占90%以上。金川铜镍矿不仅规模巨大,主元素品位高,而且含有钴、铂、钯等近二十种伴生矿,稀有贵金属储量居全国之最,综合利用经济价值相当可观。

     

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    截至1973年,地质队累计投入钻探工作量18.5万余米,浅井、平巷近万米,采集各类样品数万个,通过各种测试比较,查明该矿床为巨形超基性岩硫化铜镍矿床,在世界同类铜镍矿床中仅次于加拿大萨德伯里矿,居世界第二,亚洲第一。这个重大发现震惊了整个中国!


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    为更好的开发利用镍矿资源,加速西北地区矿业经济发展, 19812月,国务院设立金昌市,至此,又一个西部重镇走进人们视线,成为新中国成立后矿产资源勘探助推地区经济发展的城市典范,在丝路之上展翅待飞。

     

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    来自金川集团公司2003年的一份矿区地质勘探报告显示,镍矿资源储量占全国总储量60%以上,可利用镍储量的90%以上,从1981年到2003年,矿区累计开采矿石量3410.2万吨,其中镍金属量58.3万吨,出矿品位1.7%

     

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    直至今日,在金川铜镍矿床地底深处,这块国家宝藏所在地,仍继续着开采作业,源源不断地为国家建设输送珍稀矿产品。地质工作者用生命勘探出的国家宝藏,为新中国的开发建设做出了不可磨灭的贡献。我们相信,地质之光将继续闪耀在中华文明复兴之路的一带一路之上。向在一带一路上奋斗、奉献、牺牲的地质先辈致敬!

     

     

    中国地质调查局办公室

    中国地质调查局资源评价部

    中国地质调查局发展研究中心

    中国地质调查局国土资源实物地质资料中心

     

     

    “一带一路”地质宝藏(一)

    摘要:自20世纪50年代以来,由于过量抽取地下水,西安城区先后出现了14条地裂缝,其规模 之大和危害之重在世界上独一无二。通过野外调查、室内大型物理模型试验和数值模拟研究,提出 了西安地铁地裂缝综合减灾技术,为我国地裂缝发育区城市轨道交通建设提供地质依据。

    1.项目概况

    西安市位于汾渭盆地西部,新构造活动强烈,地裂缝地面沉降灾害十分严重。自20世纪50年代以来,在西安城区发现的地裂缝已达14条之多,延伸长度超过100km,覆盖面积约150km2,其活动时间之长和规模之大,在国内尚属罕见。地裂缝严重影响着西安城市建设与人居安全,给城乡建设带来了重大经济损失,成为举世闻名的城市地质灾害,尤其是对目前西安地铁工程建设带来了巨大挑战(图1)。2008—2014年,长安大学开展了“汾渭盆地地裂缝成因与减灾综合研究”、“地裂缝地面沉降工程致灾机理与防治对策的物理模拟试验研究”等多项地质调查项目,对汾渭盆地地裂缝地面沉降成因及减灾进行了连续系统研究,尤其是地裂缝对重大工程一西安地铁工程建设的危害及防治研究取得了一系列原创性重要成果,成功解决了城市轨道交通建设中的地裂缝难题。

    2.成果简介

    (1 )合理地确定了西安地铁设计使用期100年内地裂缝最大位错量。同时,根据空间活动特征建立了地裂缝三维位移运动模式,提出了地铁与地裂缝交会处的隧道抗裂预留位移量计算公式。通过现场调查,结合西安地裂缝长期监测、观测资料,在现今活动速率和最大历史位错量的基础上,确定了100年使用期内地铁工程穿越地裂缝地段的最大垂直位移量设计值(H)分为2个等级:①地裂缝活动微弱或不活动且呈隐伏状态的按照H=300mm设防;②地裂缝活动明显且具有地表变形迹象的地段按照H=500mm设防。提出了地裂缝活动性参数及隧道抗裂预留位移量计算公式,为西安地铁隧道穿越地裂缝带的结构设计和预留净空提供了重要设计依据。

    (2)科学地确定了地裂缝地段地 铁隧道结构纵向设防长度。地铁隧道穿 越地裂缝带的纵向设防长度,实际上是隧道穿越地裂缝活动影响区时结构上需要采取特殊措施处理的纵向长度。针对《西安地裂缝场地勘察与工程设计规程XDBJ61-6—2006 )中缺乏地裂缝地 段地铁隧道设防问题,通过大型地裂缝活动物理模型试验和数值计算,确定了地裂缝上、下盘影响范围分别为17.5m和12.5m,提出了地铁隧道穿越地裂缝带的 结构纵向设防长度。

    (3 )开发了地裂缝减灾大型物理模 拟技术,模拟再现了地裂缝危害地铁隧道的力学机制。通过明挖隧道、暗挖隧道、盾构隧道正交和不同角度斜交穿越地裂缝带等多种工况的大型物理模型试验(图2)和数值仿真模拟,再现了地裂 缝活动时地铁隧道的变形破坏过程,发现了地铁隧道的4种变形破坏模式,即拉裂破坏、拉张一扭剪破坏、剪切变形破坏和扭转剪切变形破坏,首次揭示了地裂缝危害地铁隧道的力学机制。

    (4)提出了地铁隧道平行地裂缝带穿越上、下盘时的安全避让距离及其判断标准。针对西安轨道交通多条线路近距离平行地裂缝带从其上、下盘穿越的情况,建立了地铁隧道近距离平行活动地裂缝带的安全避让距离的判断标准为:

    ①隧道结构侧向水平位移不超过2cm;

    ②隧道结构内力在允许的安全范围内,即不出现塑性变形或脆性开裂。根据上述标准认为,西安地铁隧道近距离平行地裂缝带进行结构设计时上盘安全避让距离可按照30m考虑。

    (5)解决了地铁隧道结构适应地裂缝的变形的结构防治措施问题,建立了地铁工程防治地裂缝病害的技术体系。大型物理模型试验和数值仿真模拟研究表明地裂缝作用下地铁整体式和盾构隧道变形破坏是必然的。针对地裂缝对地铁隧道的危害,提出了隧道结构“分段设变形缝、柔性接头连接、局部扩大断面和封闭的防水结构”等适应地裂缝变形的隧道结构形式(图3),并实施了分段设缝的明挖箱形隧道、浅埋暗挖马蹄形隧道穿越地裂缝带等多种工况的大型物理模型试验和数值仿真模拟。结果证明,分段设缝柔性接头的分段隧道具有很好的适应地裂缝大变形的能力,从而验证了所提结构措施方案的适宜性与安全性,并已应用于西安地铁工程设计和施工中,解决了国际上首例地铁工程的地裂缝减灾技术难题。

    上述成果已被应用至西安地铁穿越地裂缝带的结构设计中,首创性地解决了地裂缝环境下地铁隧道结构措施防治的重大工程技术难题。

    3.成果意义

    地裂缝研究成果直接应用于西安地铁工程建设中,成功地解决了西安地铁隧道防治地裂缝灾害的系列重大技术难题,实现了国土资源大调查项目服务国家重大工程建设和国民经济建设的目的,为国家和西安市经济建设做出了重要贡献,推动了我国缓变型地质灾害的研究发展,取得良好的社会经济效益。(长安大学彭建兵 黄强 兵卢全 中供稿)

    地裂缝研究为城市轨道交通建设保驾护航