南科大发表论文揭秘

近期，南方 科技 大学副校长兼教务长、环境科学与工程学院讲席教授、美国国家工程院院士张东晓课题组针对自然界广泛存在的力学非连续结构面的演化这一古老但富有挑战的力学问题，通过自主构建新的计算力学模型，阐明多尺度裂缝扩展及相互作用力学机理，相关系列成果发表在地球科学领域顶级期刊 Journal of Geophysical Research-Solid Earth 和 Geophysical Research Letters 上。 图1 页岩生烃诱导的复杂三维非平面裂缝网络仿真结果 长期以来，地壳内流体驱动的裂缝扩展力学机理备受地球科学、能源、矿业等领域学者关注。与之密切相关的自然现象包括冰川融水诱导冰架坍塌、岩浆入侵引起岩墙的扩展、雁列型断层及裂缝的演化、烃源岩自然生烃导致的裂纹扩展等。与能源、矿业产生密切联系缘于水力压裂技术的广泛采用，大规模水平井分段压裂技术促成了美国页岩气革命，改变了美国的能源格局。该技术在我国四川涪陵、威远、焦石坝等国家页岩气主力产区获得成功实践，有利于缓解我国能源供需矛盾并有效保障我国能源安全。此外，深层地热和天然气水合物的开采、二氧化碳地质封存潜力评估、深部金属矿床开发等均涉及裂缝扩展问题。因此，研究流体驱动的裂缝扩展对于理解地壳内多尺度力学结构面的演化规律、高效清洁开发非常规能源具有重要意义。 基于断裂力学、岩石力学、渗流力学等力学原理，推导并构建全新的复杂裂缝扩展计算力学模型，该模型对于简单币形裂缝在断裂韧性主导和粘性主导区域，获得了与经典解析解相一致的预测结果，主要的特色在于实现了对具有复杂形态裂缝（任意三维曲面裂缝）扩展过程的精确追踪，同时体现流体流动、岩体变形、裂缝起裂与扩展、裂缝应力干扰等多物理场的耦合控制作用。相关成果以“Hydromechanical Modeling of Nonplanar Three‐Dimensional Fracture Propagation Using an Iteratively Coupled Approach”为题，发表于Journal of Geophysical Research-Solid Earth。 图2三维非平面裂缝扩展计算力学模型示意图及模型验证结果 以烃源岩生烃诱发裂缝扩展为研究对象，通过数值模拟手段系统研究多条裂缝扩展过程。回答了生烃过程中为什么会产生三维非平面交叉裂缝网络，发现了三维曲面裂缝力学相互作用的不同表现形式，阐明了多条三维裂缝扩展过程中出现交替式、差异性、扩展速度渐变性等扩展行为背后的力学机理。该成果为深入理解烃源岩内部复杂力学结构面的形成过程、高速渗流通道的空间拓扑结构特征提供了新方法和新思路。相关成果以“Development of 3-D Curved Fracture Swarms in Shale Rock Driven by Rapid Fluid Pressure Buildup: Insights From Numerical Modeling”为题，发表于Geophysical Research Letters。 图3 烃源岩生烃过程不同初始裂缝形态下的三维缝网扩展数值模拟结果 环境学院研究副教授李三百为系列论文的第一作者，张东晓为系列论文的通讯和共同通讯作者，美国莱斯大学教授、美国国家工程院院士Abbas Firoozabadi为第一项成果的共同通讯作者。南科大为该论文的第一单位。该系列成果的开展和完成得到了国家自然科学基金项目的支持。JGR: Solid Earth论文链接： 论文链接：

近日，南方 科技 大学环境科学与工程学院教授傅宗玫课题组在环境科学领域期刊 Environmental Science & Technology 发表“Efficient atmospheric transport of microplastics over Asia and adjacent oceans”一文，揭示了大气输送是陆地-海洋微塑料的重要传输路径。 微塑料一般指尺寸小于5 mm的塑料颗粒，其化学性质稳定，可在环境中长期存在。环境微塑料的快速累积已成为当前最紧迫的环境问题之一。该研究发展了一个区域气象-微塑料模型（WRF-MP），考虑了尺寸、形态对微塑料空气动力性质的影响。研究发现，线状（纤维）和碎片状的微塑料粒子受空气拖曳力较大，一旦进入大气可停留较长时间，可在大气中水平输送超过1千公里。相对而言，球状微塑料粒子在大气中更容易沉降。研究估算，亚洲及其邻近海域大气微塑料的年排放量分别为31万吨和6万吨。 该研究进一步指出，从亚洲陆面排放到大气中的微塑料有1.4% 通过大气输送沉降到海洋表面，其余沉降在陆面。陆地到海洋的净大气输送通量为每年3.9千吨，是前人估算的亚洲河流入海微塑料输送通量的两倍。该研究阐明了尺寸和形状对微塑料空气动力学的影响及对微塑料大气输送的影响，也为区域和全球尺度微塑料污染的源-汇估算提供了重要参考。 傅宗玫课题组研究助理教授龙鑫为论文第一作者，傅宗玫为论文通讯作者，南科大为论文第一单位。本研究得到了国家自然科学基金、广东省基础和应用基础研究基金和深圳市 科技 创新委员会的大力支持。计算资源由南方 科技 大学计算科学与工程中心提供。 论文链接： 供稿：环境科学与工程学院 通讯员：晏梓添 主图：丘妍