摘要：不同元素在离子交换树脂的分配系数是元素纯化和分离的基础,不同酸中各元素分配系数差异可用于设计高效的元素提纯流程,从而被广泛应用于现代高精度同位素分析。本文以AG®50W-X8阳离子树脂为研究对象,以分配系数(Kd)作为量化指标,通过系统实验研究不同元素在该树脂中的分配行为。在前人研究基础上,本实验增加了元素数量和酸的种类,涵盖了金属、类金属、非金属和稀土元素。结果表明:在盐酸和硝酸介质中,几乎所有元素的Kd都与酸度呈负相关,当酸度达到6mol/L时,除Th和Ca以外的所有元素都会被酸洗脱。稀土元素(REEs)和高场强元素在0.1~0.5mol/L稀硝酸和稀盐酸中强烈吸附在树脂上;而一些过渡金属、类金属和非金属元素(如Mo、W、Re、Ir、Sb、Ge、As、Se、Te等)在酸溶液中会形成含氧阴离子,不与阳离子树脂发生吸附。Al、Fe、Se、Pd、Cd、In等元素在盐酸中易与氯离子形成配位化合物或离子团,导致这些离子在盐酸中的分配系数显著降低。在硝酸和盐酸与氢氟酸的混合酸中,除稀土元素外,绝大部分元素随酸度增加Kd迅速降低。稀土元素在盐酸-氢氟酸混合介质中,随着盐酸的浓度增加(从0.1mol/L盐酸-0.2mol/L氢氟酸至6mol/L盐酸-0.2mol/L氢氟酸),稀土元素分配系数(KdREE)具有先增加后降低的趋势。氢氟酸的加入可显著降低Be、Al、Sc、Fe、Sn、Th、U、Ti、Zr、Hf等元素在稀盐酸和稀硝酸中的分配系数,使这些元素几乎不与树脂发生吸附。本研究揭示了不同酸介质中各类元素在阳离子交换树脂上的分配行为存在差异,尤其是氢氟酸的加入可显著改变高场强元素、部分过渡金属和稀土元素的分配系数,为应用该树脂开发和优化适用于高精度金属稳定同位素分析的元素提纯流程(如Li、Mg、K、Sr、Ce、U等)提供了数据支撑,并可有效地减少后续实验设计的工作量。

摘要：近年来,为解放底板高承压灰岩水上煤炭资源,华北煤田普遍采用地面定向钻技术,对太原组薄层灰岩进行区域性注浆加固改造(习称“底板区域治理”),以全面封堵灰岩岩溶裂隙并阻断垂向导水通道。该技术中,与浆液扩散范围(半径)密切相关的“水平分支孔”孔间距设计问题,一直备受学界和业界的广泛关注。皖北矿区底板区域注浆工程量大,特别是深部资源开采,将有数十亿元的注浆工程,有必要查清浆液扩散范围真实数据。为此,以皖北矿区恒源煤矿为研究基地,依托Ⅱ63采区底板区域治理工程,设计并实施浆液扩散范围示踪试验,在中间的水平分支孔(Z8-7)投放荧光剂(示踪剂),在两侧的水平分支孔(Z8-6、Z8-8)以及交叉分支检测孔(Z8JC)取岩屑样鉴别荧光水泥,以获得浆液扩散范围,进而在浆液扩散影响因素分析基础上,构建恒源煤矿底板区域注浆治理浆液扩散范围计算公式。结果表明:①综合岩屑现场及室内鉴别结果分析,获得恒源煤矿Ⅱ63采区底板区域注浆浆液扩散范围为38.3~44.0 m,且水泥分布密集区在水平分支孔浆液扩散范围30 m以内,该区域内注浆效果最佳。②通过现场岩屑快速鉴别与室内岩屑精准鉴别,取得的浆液扩散范围基本一致,证明了荧光示踪浆液扩散范围的有效性。③通过对比分析,认为在计算参数、边界约束等符合实际注浆工况条件下,浆液扩散范围理论计算和数值模拟结果,与现场示踪试验实测结果较为接近。④利用示踪试验过程中的压水试验及注浆参数、钻遇构造及水文地质响应等数据,考虑重力、构造、地下水径流等因素影响,借助SPSS非线性拟合软件,得到恒源煤矿Ⅱ63采区底板区域注浆浆液扩散范围计算公式。⑤基于恒源煤矿受注层实际地质、水文地质条件,利用拟合的浆液扩散范围计算公式得出Ⅱ63采区Z8场地浆液扩散范围为37.8~42.9 m,与浆液扩散范围示踪试验实测结果相近,计算公式可在类似条件下推广应用。本次煤矿底板区域注浆浆液扩散范围现场示踪工程试验,不仅取得了浆液扩散范围的真实数据,而且阐明了浆液扩散与多种地质、水文地质因素之间的内在联系,揭示了超深、超长定向钻注浆浆液扩散机理,构建了浆液扩散范围计算公式,为类似条件下底板区域治理工程水平分支孔孔间距的合理设计提供了参考依据。

摘要：近年来,岩屑录井在“华北型”煤田底板灰岩层注浆加固工程中发挥了重要作用。然而,现有的岩屑录井仅停留在颜色、颗粒大小及形貌特征等物理指标的识别上,难以精准判层,钻孔设计“顺层率”难以保障,制约着底板灰岩水害区域治理效果。基于石炭纪太原组薄层灰岩及其碎屑岩夹层的元素地球化学差异特点,选取淮北煤田桃园煤矿为研究区,对太原组上段薄层灰岩L_(1)灰~L_(4)灰地层(注浆治理目的层为L_(3)灰)垂直钻孔岩心进行取样,利用X射线荧光光谱仪(XRF)定量测定了薄层灰岩及其夹层的主量元素背景值,通过聚类分析、因子分析等数理统计手段建立薄层灰岩主量元素地球化学识别模式;同时对地面定向钻水平分支孔岩屑同样开展主量元素测试,并基于已建立的地球化学识别模式进行岩屑层位源解析以及识别模式验证。结果显示:高CaO丰度、烧失量(LOI)可以作为注浆加固改造目的层L_(3)灰的特征指标,MgO(0.5%±)、MnO(0.03%±)、P_(2)O_(5)(0.08%±)丰度可作为注浆目的层上覆标志层J3的识别指标;聚类分析识别模式可有效区分太原组一灰~三灰(L_(1)灰~L_(3)灰);以元素因子得分建立的识别模式可以将太原组碎屑岩夹层与薄层灰岩进行有效区分;以岩样地球化学背景值运行判别模型得到的Fisher判别方程对注浆目的层L_(3)灰岩屑来源解析的准确率为100%。基于上述认识,论证了以确保设计“顺层率”为目标的水平分支孔岩屑地球化学源解析方法应用之可行性,进而提出了一种地面定向钻“顺层率”控制技术方案。本研究基于元素地球化学理论,对地面定向钻岩屑携带的特征地球化学信息进行了目的层层位辨识,在现场快速定量测试技术手段的支持下,可为解决华北型煤田底板灰岩水害区域注浆改造顺层难题提供了新的思路。

摘要：帕米尔构造结断裂发育,强震频繁,一直是大陆动力学研究关注的重点区域。位于帕米尔内部的公格尔拉张系是中、东帕米尔内部最重要的张性断层之一,对其现今构造形变进行研究,对于探讨帕米尔内部的现今变形状态、动力学机制、强震活动及灾害防御都具有重要意义。本文处理了2018—2022年2个轨道的Sentinel-1 SAR数据,获取了研究区高密度三维形变速率场,并结合库伦应力讨论了研究区地震危险性。结果表明,在东西方向上,公格尔拉张系的木吉断裂存在约10 mm/a的右旋走滑,昆盖山南麓断裂和公格尔山断裂的拉张速率分别约为11和5 mm/a,慕士塔格断裂几乎不作拉张运动;垂直方向上,木吉断层南盘抬升7 mm/a,北盘抬升3 mm/a,昆盖山南麓断裂、公格尔山断裂和慕士塔格断裂的两侧均存在一定程度的抬升,约为3 mm/a;静态库伦应力表示,公格尔拉张系北段为未来强震的危险区。

摘要：准确的风场数据对于平流层飞艇实现长时间驻空任务有着重要的安全保障作用。针对20 km高度处空气稀薄的特点,为实现平流层飞艇航行环境的风场探测需求,设计了波长为532 nm的直接探测多普勒光纤激光风速仪。使用双通道法布里-珀罗标准具为鉴频器和波长可调谐的脉冲光纤激光器,完成了系统的结构设计。系统参考了相干测风激光雷达的光路设计,采用收发合置的望远镜设计方案,无探测盲区,接收视场角较小,提高了全天探测的性能。利用液晶相位延迟器的光束偏振特性可实现光路探测方向的控制。以最小的风速探测误差为标准,通过仿真分析选取了法布里-珀罗标准具的各项参数,并对系统的风场探测性能进行了分析。仿真过程中,激光器的平均功率为500 mW,积分时间为10 s,距离分辨率为100 m,分析结果表明,风速误差在500 m探测距离内小于1 m/s,计算得出的风向误差在风速大于10 m/s的情况下,其风向精度优于5°。

摘要：大气湍流的光学特性在大气科学和光电工程应用研究中有重要影响。鉴于实际大气条件的复杂多变和实验条件的限制,在实验室内建立可控的、有限尺度的人工湍流模拟装置作为大气湍流的替代者,已成为相关研究的重要技术途径,在自适应光学技术中的相位模拟、自由空间光通信等光电工程设计中发挥了重要作用。目前,对海洋湍流中的光传播与成像、新兴光电工程的大气影响、特殊结构光束的大气传播的研究也借助于湍流模拟装置。为了充分发挥实验室湍流模拟装置的优势,本文深入分析了实验室人工湍流模拟装置的性能及其局限性。实验室内产生的人工湍流无疑可以用于探索一种随机介质对光传播影响的定性甚至半定量规律。但必须注意到:有限空间内产生的湍流只有在远离边界的较小空间内才具备均匀各向同性的特性,采用各向同性湍流统计理论分析湍流模拟装置中的全路径光传播效应是不严谨的。如果以此类装置研究光传播的定量规律,必须首先根据光电应用场景设计具有光学相似性的模拟装置,然后清楚了解湍流装置内的湍流特性的空间结构,并据此开展理论分析。

摘要：星载测风激光雷达可以提供全球范围高实时性、高精度、高分辨率的大气风场信息,已经被认为是解决全球化风场观测的最佳手段。我国也在积极开展星载多普勒测风激光雷达相关研究工作。针对400 km高度的卫星轨道,设计并研制了一套多普勒直接测风激光雷达光学接收机,结合双边缘检测原理和星载平台相关技术参数,对Fabry-Perot标准具的主要参数进行设计。为了满足星载平台对稳定性和小型化的需求,接收机中主要光学元件之间采用分子粘接方式紧密连接。整个光学接收机集成在450 mm×300 mm×80 mm密闭箱体中,内部光学元件采用倒插方式沉入接收机壳体的凹槽内,整体结构稳定可靠,集成度高。通过改变激光波长的方式扫描Fabry-Perot标准具的透过率曲线,对所研制的接收机进行了性能测试。并由透过率曲线的实测参数对接收机的测风性能进行仿真,仿真结果显示在30 km处的最大风速误差为2.94 m/s。并进一步分析了接收机带宽增宽对测风精度的影响,分析结果显示带宽偏差为0.43 pm时,会引起1 m/s的风速误差增量。

摘要：深海原位核探测谱仪采集数据时,上位机软件配置和读出谱仪以及显示、保存和分析数据是重要问题。针对深海原位核辐射探测的特点和实际软件需求,设计了集成谱仪控制和读出、数据显示和分析功能的谱仪软件。谱仪读出上,基于MODBUS设计了谱仪通信协议,定义了谱仪工作模式和硬件统一接口,并实现了RS-485和雷电接口的谱仪驱动;数据显示上,设计了基于XAML的谱仪软件界面;数据分析上,基于小波变换和期望最大算法设计了能谱的寻峰拟合与核素识别算法。通过连接深海原位核探测谱仪采集并分析U-Ra平衡源和已知的深海岩石放射样品的方式,对软件功能进行测试。结果表明,软件能够实现谱仪的配置和读出以及数据的显示和分析,数据分析效果好于谱分析软件InterSpec。

摘要：川西甲基卡锂矿3211 m科学深钻位于青藏高原东缘鲜水河断裂及川藏铁路附近,是目前青藏高原上最深的科学钻孔.利用此深钻观测深部物理场和浅部环境的变化过程,对于研究青藏高原地壳活动、川藏铁路场地稳定性和生态环境保护等均具有重要意义.采用分布式光纤传感(distributed fiber optic sensing,DFOS)技术,我们研发了高强度、耐高温的特种传感光缆,成功植入甲基卡锂矿深钻中,建成了世界上海拔最高和深度最大的光纤观测孔,实现了应变、温度、振动、水分等多物理量的分布式原位观测.本文是甲基卡光纤观测孔第一阶段的成果,包括岩体热导率的原位测定、钻孔回填过程的分布式声波振动(distributed acoustic sensing,DAS)观测、地震监测与地震成像等方面的初步进展.研究表明:DFOS应用于深钻全断面多物理量观测是可行的,它完全能适应深钻高温和高压的观测环境,并具有长距离、实时、连续分布式观测的优势;将分布式温度传感光纤、应变传感光纤和声波传感光纤集于一根传感光缆的设计思路保障了深钻传感光缆的安装质量,并为DFOS技术应用于地球物理和地质工程的多物理场观测开辟了广阔的应用空间.

摘要：背景噪声地震学利用地震台站记录的背景噪声信号计算台站之间的互相关信息,以此推演地质结构信息,近年来广泛应用于地球结构和油气勘探等领域。地震噪声数据处理往往需要通过预处理计算来减少仪器、地震信号的干扰,这一过程需进行多种信号处理计算。随着我国地震台站布设的推广,地震波形文件持续积累,预处理计算的耗时大大增加。针对计算耗时问题,基于图形处理器异构计算平台,提出了一种并行地震噪声预处理算法。并行算法在台站、时间和分段3个维度设计了并行计算框架,针对预处理中的计算过程实现了计算核函数,并且通过分批计算实现了对大批量文件的自适应处理。实验结果表明,并行预处理算法取得了约95倍的加速比,且具备良好的并行性。