《地球物理学报》2023年第12期目录及简介
《地球物理学报》创刊于1948年,记载了我国地球物理科学事业发展的光辉进程。本刊由中国科学院地质与地球物理研究所和中国地球物理学会联合主办,是有关地球物理科学的综合性学术刊物。主要刊登固体地球物理、应用地球物理、空间地球物理和大气、海洋地球物理以及与地球物理密切相关的交叉学科的研究论文。着重报道创新性研究成果。
《地球物理学报》是地学领域中具有代表性的期刊之一,已列入中国自然科学核心期刊。目前有多种著名国际检索系统检索本刊,如SCI、SA、CA、“全俄科学情报研究所文摘杂志”、日本“科学技术文摘速报”、“世界译文索引”、“乌利希国际期刊指南”、“水科学文摘”、“TULSA石油文摘”、“美国地质文摘”、“法国文献通报”等。国内有关检索机构均收录本刊,如《中国科技论文统计源数据库》、《中国科学引文索引数据库》等。
期刊目录
精彩看点
01
周 旭等:MJO与中间层-低热层风场潮汐DE3季节内变化性的关联
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本文结合TIMED-TIDI卫星与流星雷达子午链风场观测数据,分析了中间层-低热层(MLT)区域非迁移潮汐DE3的季节内变化性及其与对流层MJO的可能关联。结果揭示了DE3风场潮汐广泛存在显著的宽频带季节内变化信号,且强度存在季节依赖。纬向风DE3潮汐(DE3-U)季节内变化在北半球冬季具有较强幅值,可达季节平均的1~2倍,而在其他季节通常在20%以内。 结合MJO指数进一步讨论了不同季节下DE3-U对MJO的响应。统计结果表明,在影响较大的北半球冬季,DE3-U通常在MJO第4—6位相时有更大的幅值(+10%~+40%),而在其余位相时更小(-10%~-40%)。这表明对流层与MJO相关的对流活动通过潜热释放的纬向变化可影响高空大气非迁移潮汐的强度。
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02
胡连欢等:北京上空中小尺度电离层扰动特征
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本文采用电离层测高仪数据对北京上空中小尺度电离层扰动进行了事例分析和统计研究。利用PDI电离层测高仪的快速扰动探测数据,分析了2017年11月13日北京上空典型的中小尺度电离层扰动事件。结果表明,电离层测高仪直接观测的电离层频高图上的V形(或U形)下降结构,是中等尺度电离层扰动的一种“显式”特征。 小尺度电离层扰动主要出现于较低的高度,并不伴随着电离层频高图上显著的异常结构。通过统计2010—2021年电离层频高图数据中的电离层异常描迹事件,分析了北京上空中等尺度电离层扰动的发生率特征。以这些特殊描迹为特征的电离层扰动主要是白天现象,且冬季的发生率显著高于其他季节。其发生率与太阳活动呈反相关,即太阳活动较强时中等尺度电离层扰动的发生率较低,与地磁活动的相关性尚不十分明确。
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03
常克文等:火星磁鞘区反射拾起氧离子事件分析
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火星逃逸层中性成分经光致电离、电荷交换和电子碰撞产生新生离子,新生离子随即被太阳风和火星磁鞘电磁场拾起,称为“拾起”离子。已有观测表明拾起氧离子(O+)在朝向火星沉降途中会被反射,但发生反射的空间位置和反射机制尚不十分明确。若反射离子持续进入探测器,将为我们追踪反射发生的空间位置提供重要机遇。本文将报道这样一个观测实例,2016年9月25日04 : 18 : 30—04 : 24 : 54 UT期间,火星大气和挥发物演化任务(Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN,MAVEN)运行在-E半球(对流电场E指向火星)的磁鞘区,轨道高度逐渐降低,持续观测到背离火星运动的O+(103~104 eV)束流,即正在反射的拾起O+。 反射拾起O+大致可分为两部分:相空间密度较高、能量较低的部分是由磁鞘拾起O+被反射后形成;相空间密度较低、能量较高的部分则源于太阳风拾起O+发生反射后形成。我们推断反射发生在感应磁层边界附近的强磁场区域。
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04
陈伟鑫等:基于人工神经网络和随机森林方法的L1点处太阳风速度重构与预测
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太阳风是由太阳大气膨胀形成的等离子体流,它能够将太阳的物质和能量传递到地球空间环境中。剧烈的太阳风暴能够引起地球空间天气中灾害性事件,而太阳风参数作为表征太阳活动的重要指标,对太阳风关键参数进行重构和预测,有助于理解地球空间天气演化的重要机理和规避或减轻灾害性空间天气。本文以1963—2018年的地面观测数据(Kp指数、Dst指数、AE指数、F10.7和太阳黑子数)作为输入,通过特征选取技术对输入参数进行筛选,然后利用人工神经网络和随机森林两种算法分别对日地L1点处(第一拉格朗日点)的太阳风速度进行重构和提前3小时预测。结果表明,两种算法均能在测试集中有效重构和预测太阳风速度的变化情况,其中人工神经网络的性能更好,重构结果与观测值之间的均方根误差和皮尔逊相关系数分别为~58 km·s-1和~0.84,预测结果与观测值之间的均方根误差和皮尔逊相关系数分别为~61 km·s-1和~0.82,而随机森林的性能分别为~63 km·s-1和~0.81以及~64 km·s-1和~0.80。 我们进一步利用所训练的模型对2015年3个强磁暴事件期间的太阳风速度变化进行定量分析,人工神经网络在预测中表现出了较好性能。本文建立的太阳风速度重构和预测模型可以被用于以太阳风参数作为驱动的空间天气建模研究。
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05
单雨龙等:机动式激光测风雷达三维风场反演模型仿真研究
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激光测风雷达具有探测精度高、环境适应性好等优点,发展其机动式应用技术,在军事保障、抢险救灾、海洋调查等领域具有广阔应用前景。雷达在机动条件下工作时,会由于载体的运动及倾斜造成数据探测误差,且不同光束之间的实际探测仰角不一致,导致无法基于传统VAD算法反演大气三维风场。本文研究探索了激光测风雷达机动探测条件下的数据订正算法,及同一组VAD扫描中光束仰角不同条件下的三维风场反演算法,并通过数值仿真试验对算法进行验证。结果表明,数据订正算法能够有效订正载体运动带来的雷达探测误差,数据反演算法能够有效反演得到三维风场,但同一组VAD扫描中光束仰角差越大,三维风场反演误差越大。
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06
杨宗儒等:跨光谱的地表参数对微波近地面通道正演模拟的影响分析
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获取与卫星观测同步的地表温度是全地形卫星近地面微波探测数据同化成功的关键所在。为了进一步提高在复杂下垫面上先进技术微波探测仪(Advanced Technology Microwave Sounder,ATMS)近地面通道正演模拟精度,针对ATMS原始数据(Sensor Data Record,SDR)与可见光/红外辐射计(Visible and Infra-Red Radiometer,VIRR)反演产品数据不能同步获取的问题,本文基于像元匹配技术实现了卫星序列间观测数据的交叉配对,利用跨光谱的反演地表温度作为正演ATMS陆面近地面通道的观测辐射的下边界参数,进而对正演辐射、基于ECMWF全球气候第五代大气再分析产品(the Fifth Generation ECMWF Reanalysis for the Global Climate and Weather,ERA5)地表温度的模拟值与典型下垫面探测数据开展了误差分析与验证,为下一步的ATMS陆面近地面通道的同化提供技术支撑。
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07
肖 圳等:参考声速剖面误差对主动式声呐定位影响仿真分析
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参考声速剖面误差是制约水下定位精度最棘手的误差源。目前国际上主要存在声速剖面校正和传播时间校正这两类主动式声呐定位方法。本文提出了主动式声呐观测的信号传播时间追赶仿真算法,构建了带周期函数的经验正交函数声速场建模方法,实现了主动式声呐观测及水下定位海洋误差仿真,开展了声速剖面校正法和传播时间校正法两类定位模型对比分析。结果表明,虽然两种方法都具备良好的声速误差补偿效果,但两者仍存在毫米级差异;此外,海面测线构型优化有助于削弱参考声速误差影响。
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08
王 旭等:各向异性和倾斜界面介质中P波质点运动的理论模拟与应用
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P波质点运动已经成为研究地震台站下方浅部地壳S波速度结构的一种重要手段。然而,现有研究主要基于水平层状各向同性介质的假设,对于各向异性和倾斜界面对P波质点运动的影响仍缺乏系统研究。本文通过理论模拟初步研究了各向异性和倾斜界面情况下的P波质点运动特征。模拟结果表明,各向异性和倾斜界面会使P波质点运动随反方位发生周期性变化,而且这种变化具有频率依赖性,反映了结构的垂向变化。 四川盆地是研究青藏高原生长与物质外向逃逸的重要场所。本研究以盆地内部的宽频带流动地震台站S124为例,探讨利用P波质点运动研究浅部地壳各向异性和界面几何结构的可行性。研究结果显示,台站下方~4-5 km以浅的地壳具有明显各向异性(~20%),且其快轴方向(近东西向)与川中走滑断裂带走向一致。这表明研究区浅部地壳的变形模式可能主要受到断裂构造的控制。本研究的理论模拟和初步应用均表明,利用不同频率P波质点运动的反方位变化能够有效约束浅部地壳的各向异性和/或界面几何结构。
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09
刘煜杭等:基于时间域半空间Green函数建立的边界积分方程及其在动态破裂模拟中的应用
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研究地震断层的自发破裂传播可以为通过震源过程了解地球介质应力状态提供理论基础,有助于理解震源破裂的机理和规律,在震源动力学研究中具有重要的地位。边界积分方程方法是研究地震断层破裂传播问题的常用方法之一,在处理复杂断层系统方面具有优势。本文从半无限空间Green函数的时间域积分形式解出发,推导出离散化的边界积分方程积分核,并将其分别应用到平面断层和弯折断层两种断层模型的动力学破裂过程的模拟中。模拟结果表明,当破裂传播到自由表面处时,会产生反射震相,反射震相与直达震相的耦合效应会导致自由表面处的破裂传播速率明显加快,同时这种耦合效应也可以促进破裂在断层弯折部位的传播。 对于断层有一定埋深的情况,自由表面对破裂过程的影响较小,因而自由表面的效应仅在断层直接与地表相交或者断层上沿距离地表很近时需要纳入考虑范围。本文将自由表面的影响加入到断层的自发破裂传播研究中,有助于更真实地了解复杂断层系统中的动力学破裂过程。
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10
李少为等:东昆仑断裂带托索湖段现今形变特征及其与2021玛多地震相互作用
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东昆仑断裂带作为孕育强震和协调青藏高原内部构造变形的大型走滑断裂带,其现今震间闭锁情况与运动学特征一直备受关注。前人通过野外地质考察以及传统大地测量技术初步厘定了东昆仑断裂带的长期滑动速率,但受限于观测台站的空间分布,难以得到精细化的东昆仑断裂带托索湖段及其次级断裂的现今运动特征。本文利用覆盖东昆仑断裂带托索湖段2015—2021年Sentinel-1升降轨数据获取了高空间分辨率的沿断层走向震间形变速率场,结合螺位错模型和马尔科夫链蒙特卡洛方法反演得到了该段断裂现今精细化的震间滑动速率和闭锁状态。研究结果表明,东昆仑断裂带托索湖段处于断层锁定状态,闭锁深度分布在8~29 km区间,断层深部滑动速率分布在6~9 mm·a-1范围内。 最后,本文基于库仑应力变换探讨了2021玛多地震与东昆仑断裂带的相互作用,发现东昆仑断裂带震间运动对玛多地震无明显应力加载作用,而玛多地震却促进了东昆仑断裂带花石峡至阿尼玛卿山南缘、玛沁—玛曲段的应力积累,其潜在地震危险性值得关注。
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11
李孟洋等:基于程函方程的初至P和sPg波走时联合地震定位方法
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由于初至波到时对震源深度敏感程度低,导致初至波到时定位难以获得可靠的震源深度信息。为了提升震源深度的定位精度,前人提出深度震相走时约束。深度震相定位方法利用深度震相对震源深度敏感的性质测定震源深度,极大的提高了震源深度的精确度。深度震相定位方法中,理论走时常在层状模型中计算获得,当实际地下结构与层状模型之间存在较大差异时,由深度震相方法测定的震源深度将会偏离真实深度。为了提高震源深度的测定精度以及减小速度模型误差对地震定位的影响,本文使用快速行进法求解程函方程获得非均匀模型中的初至P和sPg震相走时,并联合这两种走时开展重定位研究。 以2022年四川泸定MS6.8地震为例的合成数据测试和实际定位结果显示,本文基于程函方程的初至P和sPg波走时联合地震定位方法能显著提高地震定位的精度。
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12
朱雨菲等:基于深度学习的2D-3D地下密度异常体反演方法
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地下密度异常体反演需要由二维数据反演三维结果,为了高效、高精度地反演地下异常体的位置及密度信息,本文提出2D-3D InvNet深度学习反演方法。方法的编-解码器结构,在编码阶段利用二维卷积网络结构提取地表重力异常及重力梯度异常数据信息,解码阶段利用三维卷积网络结构恢复异常体地下形态,实现了二维和三维网络结构的结合。为了精确地反演异常体密度,提出利用加权均方误差(WtdMSE)作为损失函数,同时为了更好地评估反演结果,引入核密度函数作为评价手段。与均方误差(MSE)相比,利用WtdMSE作为损失函数对异常体密度的反演结果更为准确,异常体所在区域的密度误差减少50%以上。对理论样本的反演结果表明,2D-3D InvNet在准确反演异常体地下位置的同时,也能给出准确的密度信息。应用此方法对西澳大利亚Kauring地区实测数据进行反演,我们成功获得了此区域地下异常体的密度分布。理论与实际应用结果表明,2D-3D InvNet深度学习方法稳定且具有较强的泛化性能,能在无需规定限制条件的情况下快速获得准确的反演结果。
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张康华等:动态触发对断层亚失稳过程影响的实验研究
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为探究动态应力扰动对断层亚失稳过程的影响,本文基于实验室地震研究方法,对准静态加载下的断层施加动态应力扰动,模拟不同应力状态下断层的地震动态触发过程,利用高速摄影和数字图像相关方法(DIC)观测动态触发地震的全过程。研究结果表明,当动态扰动恒定时,对于在亚失稳之前触发的事件,其破裂模式取决于初始的应力水平(τ/σn,剪应力/正应力):当应力水平较低时(τ/σn<0.42),破裂发生之后无法持续传播,形成自停止破裂,破裂速度(V)相对较低;而当应力水平较高时(τ/σn>0.42),断层更加接近临界状态,易产生完全破裂,破裂速度较高。整体而言,破裂长度随着初始应力水平的提高而增长,直至发生完全破裂。而当断层进入亚失稳阶段后,可以看到明显的成核阶段,在此期间施加的动态扰动均能触发整个断层的破裂。失稳时的应力降及破裂速度均高于亚失稳阶段之前的动态触发事件,甚至能触发超剪切破裂。此外,应力降(Δτ)随着初始应力水平的提高呈增加趋势。以上结果表明,动态触发地震的破裂特征与断层所处的应力状态存在对应关系。本研究系统性地揭示了动态触发地震的破裂特征,既丰富了地震亚失稳理论研究,也为利用动态触发地震的震源特征推测断层应力状态提供实验依据。
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周万里等:化学组分结构研究及对岩石圈减薄过程的认识
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川滇地区地处中国大陆西南,对其岩石圈结构的研究是认识该地区构造演化过程的基础。由于不同研究方法存在各自的局限性,导致其所获得的岩石圈结构和可能的构造演化过程仍存在争议。岩石圈温度、化学组分结构是深入认识这些争议性问题的基础。本文基于热动力学模拟和概率密度反演的方法,联合瑞雷面波相速度频散曲线、大地水准面高、地形和地表热流等观测资料,反演了川滇地区岩石圈的温度、化学组分结构。结果表明,川滇地区岩石圈呈现南薄北厚的趋势,其中印支块体岩石圈较薄,为60~80 km,相对起伏较小;川滇菱形块体、江南造山带西缘岩石圈自南(~80 km)向北(~200 km)递增;松潘甘孜块体保持较厚的岩石圈根(~240 km)。 印支块体与江南造山带西缘岩石圈地幔以过渡型和难熔型的橄榄岩为主,仍存在部分古老难熔的岩石圈地幔物质;而川滇菱形块体内部为饱满型岩石圈地幔,表明古老、难熔的岩石圈地幔被新的地幔物质所取代。根据现今川滇地区岩石圈温度、化学组分结构,我们推测川滇地区南部的印支块体受印度板块与亚欧板块南北向碰撞的影响,导致该区域岩石圈增厚,并发生以拆沉作用为主的减薄过程,但岩石圈地幔仍以古老难熔的地幔物质为主;拆沉作用所导致的热地幔物质上涌使得川滇菱形块体古老难熔的岩石圈地幔物质由南往北逐渐为新的地幔物质所取代,形成了现今饱满型岩石圈地幔,热侵蚀作用在川滇菱形块体岩石圈减薄过程中占主导地位。
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徐伟进等:中国大陆基于BPT模型的时间相依地震危险性分析
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概率地震危险性分析是地震区划图编制、重大工程场地地震安全性评估以及地震风险管理等领域的重要依据,地震时间活动性模型则是概率地震危险性分析的主要理论基础。本研究中基于布朗过程时间(Brownian passage time(BPT))模型,计算了不同情况下中国大陆特征地震震源区时间相依的地震发生率,采用概率地震危险性计算方法,选择合适的地震动模型,评估了中国大陆地区时间相依的地震危险性,并与基于泊松模型的地震危险性做了比较。结果表明,时间相依的地震活动特征对概率地震危险性具有显著影响,在那些地震离逝时间相对较长,离逝率较大(大于1)的震源区,时间相依的地震危险性结果相较于基于泊松模型的地震危险性结果显著增大,增大幅度最大可达50%以上。相反,在那些刚发生地震不久,地震离逝时间较短的震源区,时间相依的地震危险性结果相较于泊松模型显著减小,减小幅度最大可达50%左右。 地震复发间隔的变异系数对地震危险性结果也有显著影响,选择合适的变异系数对时间相依地震危险性分析十分重要,后续应该加强对地震复发间隔不确定性的研究。研究结果还表明,时间相依的地震活动特征对不同超越概率下的地震危险性结果的影响是一致的,不随超越概率水平的变化而变化。本文研究结果对地震风险管理、地震保险以及相关防震减灾政策的制定等方面具有重要的应用价值。
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张献兵等:北京地区高风险断裂及其强地面运动模拟
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北京地区历史上发生多次破坏性地震。在未来50年超越概率10%的中国地震烈度区划中,北京地区烈度为Ⅷ度。北京邻区强震对北京地震烈度的影响已经有一些研究。然而,如果北京地区的断裂发生强震,其地震烈度将有多大?又是如何分布?这是防震减灾所关注的问题。北京活断层研究表明,黄庄—高丽营等断裂具有第四纪分段活动特征。本文首先用有限元方法对北京地区活动地震断裂地震安全度进行评估,确定了黄庄—高丽营断裂(北段)是其中地震安全度相对最低的断裂;然后在此断裂上设定一个MS7.2的情景地震,使用可以考虑真实起伏地形影响的任意曲线网格有限差分方法模拟了这个设定地震在北京地区引起的强地面运动特征和烈度分布细节。强地面运动模拟结果表明,峰值速度PGV>0.7 m·s-1的区域集中在沿断裂东侧的8~9 km宽的条带内,最大值达1 m·s-1;烈度分布显示断裂周围20 km内大都超过Ⅷ度。 本文结果可为防震减灾提供参考依据。
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梁 皓等:基于支持向量机算法的地震事件分类研究——以东北地区为例
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台网的加密使我们可以监测到更多类型、更小的地震事件,地震震源分类对地震危险性评估、区域构造研究和诱发地震的孕震机制都具有重要意义。在传统的地震监测中,技术人员通过P波极性、频谱特征和矩张量等参数识别地震事件的类型,这种识别方法依赖人工经验且较难实现自动化。本文以东北地区天然地震、爆破以及塌陷事件为例,提取三种事件P波和S波在频率域和时间域的典型物理特征,利用支持向量机(Support Vector Machine-SVM)方法对特征进行训练,对事件进行机器学习分类识别。东北地区事件的分类结果表明,该方法可以有效的完成三分类识别,准确率达到99.2%,爆破、塌陷、天然地震三种类型的F1分数分别为98.99%、97.85%和100%。同时该方法具有较好的泛化能力,基于东北地区的训练模型,甘肃地区塌陷识别准确率为84.9%,内蒙古地区爆破识别准确率为86.6%。 本研究显示支持向量机方法在少样本量的地震事件类型多分类中有较好的实际应用前景。
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王贵玲等:我国陆区地壳生热率分布与壳幔热流特征研究
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本文依托CRUST1.0模型与地质资料,将中国陆区在平面上划分为19个构造区,在垂向上将这些区域从第四系沉积物至上地幔的地层划分为8个圈层,确定了这些圈层的分布范围和厚度。在全国范围内实测放射性生热率数据664组,收集地壳放射性生热率及U、Th、K元素含量数据约1000组,系统地完成了上述区域各圈层的放射性生热率填图,统计得出我国陆区上、中、下地壳生热率的平均值分别为1.31 μW·m-3、0.57 μW·m-3与0.22 μW·m-3。在此基础上,结合最新的全国大地热流测量数据(1503组)完成了我国陆区地壳-地幔热流分布的研究。研究结果表明,我国陆区qc/qm>1的面积占80.1%、qc/qm>1.2的面积占65.8%。 除我国东部、中部的一些盆地之外,在我国陆区大部分地区,地壳均为大地热流的最主要热源。地壳各圈层中,基底层至中地壳为地壳的主要的产热区域,贡献了平均约50%的大地热流值。本文以面积加权计算得我国陆区地壳热流平均值为39.1 mW·m-2,其中青藏高原最高、东南沿海次之,两者分别得益于较大的地壳厚度与较高的基岩地层生热率。我国陆区地幔热流平均值为29.7 mW·m-2,与全球地幔热流平均值接近,其中东部沿海地区、环鄂尔多斯地区、藏滇地热带分布区较高。地壳热流、地幔热流的高值区与我国的主要地热资源分布区均具有较好的一致性。
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杨 鹏等:青藏高原东南部楚雄盆地构造-热演化史及其与油气关系
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楚雄盆地作为青藏高原东南部重要的中生代含油气叠合盆地,其演化历史复杂,后期改造强烈,热演化史研究薄弱。恢复楚雄盆地构造-热演化史对系统评价盆地油气资源和深入认识青藏高原东南部的构造变形过程有重要意义。本文研究在楚雄盆地全盆地系统采集了裂变径迹样品,分析确定了盆地的抬升过程,结合大量镜质体反射率(RO)、包裹体测温等古温标,系统恢复了楚雄盆地构造-热演化史。 裂变径迹研究结果表明楚雄断裂以西靠近哀牢山—红河断裂带地区的冷却年龄在41.9~72.7 Ma之间,主要为始新世41.9~55.5 Ma;楚雄断裂以东冷却年龄在20.0~38.4 Ma之间,主要为渐新世-早中新世。楚雄盆地抬升过程总体具有西早东晚的特征,主体部位20~38.4 Ma以来有一次快速抬升冷却过程。楚雄盆地三叠系热演化程度高,RO异常高值与火成岩活动密切相关。热演化史研究表明三叠系最大古地温在上新世之前达到,最高古地温梯度可达30℃·km-1。三叠系烃源岩在侏罗纪开始生烃,白垩纪为主要生烃期,古新世-始新世主要为过成熟生干气阶段。渐新世以来盆地整体抬升,地层温度降低,生烃作用减弱。楚雄盆地构造-热演化史除了受火成岩影响外,还与印度和欧亚板块的碰撞及哀牢山—红河断裂带的活动密切相关。
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武金辉等:数值模拟研究二叠纪峨眉山玄武岩浆在四川盆地的热效应
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四川盆地是我国重要的含油气盆地,其西南部位于峨眉山大火成岩省的外带,二叠纪峨眉山玄武岩浆对四川盆地热历史及烃源岩热演化的影响一直备受关注。近年来,盆地古温标结果揭示出盆地在二叠纪存在高古热流(75~85 mW·m-2),甚至部分点位存在超高古热流(97~114 mW·m-2),被认为和峨眉山玄武岩浆的热效应有关。为了解这些高-超高古热流的成因机制,以及溢流到地表的玄武岩浆对二叠系及以下地层和烃源岩的热影响,本文采用二维有限元方法对二叠纪峨眉山玄武岩浆的热效应进行了模拟,得出如下结论 :(1)置于岩石圈底部的地幔柱头高温异常体和挤入地壳底部的高温玄武岩浆在短期内(4 Ma内)对地表热流的扰动分别小于5 mW·m-2和20 mW·m-2,均无法解释四川盆地二叠纪的异常古热流。(2)古热流与侵入到地壳内部的岩浆有关,中心在7~17 km深度的不同形态的岩浆都有可能造成高或超高古热流的形成,引起超高古热流的水平状岩浆囊厚度在2~10 km,表层距地表在6~12 km之间。(3)地表岩浆越厚、下伏地层越浅,岩浆对该地层产生的热扰动越大,其中烃源岩所受影响也越大。(4)相变热的存在对二叠系和奥陶系地层不可忽略,如300 m厚岩浆产生的相变热可以使二叠系地层额外增温达55℃。
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21
姚 勇等:青藏高原拉萨地块中部上三叠统多布日组沉积岩古地磁研究及其构造意义
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拉萨地块晚古生代至早新生代期间的演化历史对理解青藏高原的形成和演化至关重要。本文报道了青藏高原中部申扎地区上三叠统多布日组沉积岩的古地磁学、岩石磁学和岩相学分析结果。岩石磁学结果显示红层、灰岩和灰绿色砂岩分别以赤铁矿,赤铁矿与磁铁矿,以及磁铁矿为主要载磁矿物。岩相学结果表明红层、灰岩和灰绿色砂岩中的磁性矿物主要为自生成因。对60个采点(602块样品)进行系统热退磁实验,结果揭示出多布日组沉积岩的特征剩磁方向在地理坐标系下为Dg=13.9°,Ig=38.9°(α95g=0.9°),在地层坐标系下为Ds=16.7°,Is=8.4°(α95s=1.5°)。进一步对其特征剩磁方向进行逐步褶皱展平检验,结果显示精度参数k的极大值在9.9%展平状态下最大,对应的特征剩磁方向为D=14.4°,I=35.9°(α95=0.9°),古地磁极为72.9°N,216.2°E(dp=0.6°,dm=1°)。这一古地磁极与拉萨地块54~47 Ma的古地磁极接近,表明其重磁化时间可能发生在54~47 Ma期间。结合前人获得的拉萨地块新生代早期古地磁数据以及同期的欧亚大陆古纬度数据,我们推断拉萨地块在56~44 Ma时相对欧亚大陆发生了1676±577 km的南北向构造缩短。
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许 祥等:联合地震初至走时与早至波形的深度学习速度建模
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地震初至走时和早至波形数据含有丰富的速度结构信息,被广泛用于地震速度建模。采用初至走时建模稳定,但精度不足;而地震波形速度建模虽然精度较高,但稳定性较低。联合采用初至走时和早至波形可能有助于同时提高速度建模的稳定性和精度,但走时和波形的物理意义不同,在数据结构上存在明显差异,难以直接在常规层析成像或波形反演中联合。本文提出联合地震初至走时与早至波形的深度学习速度建模方法,通过对特征数据集的异构数据进行维度变换,使初至走时和早至波形以不同通道输入到深度神经网络,形成相对应的速度模型映射。 数值实验结果表明,该方法实现了初至走时和早至波形在速度建模中的优势互补,其建模精度优于仅采用初至走时及仅采用早至波形的深度学习建模方法和层析成像方法。利用异构数据开展深度学习速度建模的思路,对联合其他数据开展高精度速度建模也具有借鉴意义。
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吴 杰等:分布式声波传感VSP数据中的光缆耦合噪声局部稀疏优化压制方法
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分布式声学传感系统在采用光纤采集垂直地震剖面(Vertical Seismic Profile,VSP)时,受到光缆与井壁耦合不良等因素影响,地震数据会受到能量较强的光缆耦合噪声干扰。全局稀疏优化方法在压制光缆耦合噪声时未考虑有效信号和光缆耦合噪声的时变特性,影响了噪声压制效果。本文提出了一种基于局部稀疏优化的光缆耦合噪声自适应压制方法。该方法针对每道地震数据在时窗长度选择范围内综合计算每个时窗长度下的有效信号和光缆耦合噪声的稀疏度,进而选择稀疏度最优下的时窗长度,最终采用形态成分分析方法在最优时窗内实现VSP数据中光缆耦合噪声的稀疏优化压制。 模型算例和实际算例的结果均表明本文所提方法优于全局稀疏优化方法。
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贺艳晓等:饱和碳酸盐岩地震频带弹性参数响应的实验机理分析研究:压力与孔隙流体影响
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目前,国内尚缺乏系统开展针对深层碳酸盐岩储层的地震频带岩石物理实验测试研究。厘清深层油藏开发中因流体流动而引起的储层压力场与孔隙流体性质变化对地震频带弹性参数影响机制,在一系列地球物理应用中具有十分重要的意义。通过开展跨频带(地震低频+超声高频)弹性参数实验测试,本文系统研究了压力与孔隙流体对深层碳酸盐岩弹性模量及其衰减的影响机制。 针对中低孔渗碳酸盐岩储层岩芯,分别测量了其在干燥、饱和盐水与甘油下的弹性参数,分析了弹性模量对压力与频率敏感性。干燥岩芯杨氏模量频变特性显著低于饱和流体岩芯实测数据,且饱和甘油岩芯模量及其衰减均高于饱和盐水测量结果。部分饱和盐水岩芯的地震频带实测结果表明,杨氏模量与泊松比均随含水饱和度升高而增大,其频散程度却略有降低。此外,基于干燥岩芯弹性参数不依赖频率的前提,受迫振动法低频实验所得岩石弹性模量和衰减数据与三孔隙类型喷射流模型预测结果相一致,证实喷射流是引起复杂孔隙微观结构储层岩芯频变黏弹性响应的主控因素。
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杨 鑫等:基于孔隙网络模型的非牛顿流体驱替模式研究
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本文提出了一种考虑了流体可压缩性与非牛顿流体剪切流变性的非稳态孔隙网络模型,用以研究非混相驱替中的毛管指进、黏性指进和两者之间的过渡区这三种不同的驱替模式。通过在孔隙网络模型中饱和非牛顿流体,研究不同注入毛管数和不同黏度比情况下的注水驱替模式。结果表明,非稳态孔隙网络模型可以模拟再现三种不同的流体驱替模式,并提出特征前缘流量用于区分三种驱替模式。 毛管指进的入口压力的相对波动较大且手指的无序生长会抑制前缘的移动速度,因此特征前缘流量变化较小。黏性指进会抑制指进横向生长和向入口方向的流动,入口压力在突破时快速降低。在过渡区,驱替流体倾向于占据由更大半径孔喉组成的少量路径,并以更大的特征流量向出口处快速突破,导致更细的手指与较低的驱替效率。本文还对比了被驱替相为牛顿流体时的情况。结果表明,剪切流变性会减弱被驱替相黏性阻力的影响,从而使得过渡区的范围更宽。本研究有助于更好地研究复杂流体间黏性力与毛管力对驱替模式的影响,对于提高油气采收率和二氧化碳地质封存效率具有现实意义。
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王 珣等:最优系数有限单元法色散介质GPR频率域正演模拟
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工程实际勘探对象如土壤、岩石等多为色散介质,雷达波在其中传播时易发生衰减与畸变,应用常规有限单元法(Finite Element Method,FEM)方法进行数值模拟时,存在数值频散现象。为此,作者以色散介质为研究对象,开展最优系数有限单元法探地雷达(Ground Penetrating Radar,GPR)频率域正演。首先,分析了有限元质量、刚度矩阵的约束条件对有限元求解精度的影响,基于归一化相速度与1的误差最小策略,利用最小二乘法,仅需三个优化参数求取最优的有限元刚度矩阵与质量矩阵。四种不同方法的频散曲线分析及精度对比实验结果表明,优化矩阵在单位波长仅需4.8个网格点下便可达到误差小于0.2%的精度;而一致、集中和折衷矩阵不仅需要更多的网格点,且误差较大。然后,将精确完全匹配层(Exact Perfectly Matched Layer,EPML)吸收边界条件引入最优系数频域有限单元(Finite Element Frequency Domain,FEFD)算法中,简化了吸收参数优化过程,取5层即可达到常规完全匹配层(Perfectly Matched Layer,PML)的10层的吸收效果,能够有效提升正演效率。并将基于EPML的最优系数有限单元法算法引入到城市道路病害模型正演中,实验表明:本文算法能有效压制频散并实现实际色散介质高精度模拟,模拟结果更接近波在地下介质中的实际传播特性。
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王洪华等:基于非分裂CFS-PML边界条件的频散介质GPR时域有限元模拟
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通过数值模拟研究探地雷达(GPR)高频电磁波在频散介质中的传播规律,对提高实测资料的解释精度具有重要意义。复频移完全匹配层边界条件(CFS-PML)以其优越的吸收特性被广泛用于一阶电磁波动方程的GPR时域有限差分数值模拟中,其实现过程大都涉及电磁场的卷积计算,辅助变量较多,降低计算效率。为此,本文从复拉伸坐标系下的Debye频散介质电磁波动方程出发,通过合理构造辅助微分方程,推导了二阶Debye频散介质电磁波动方程的非分裂CFS-PML边界条件实现公式,避免了电磁波场的分裂和卷积计算。在此基础上,利用Galerkin法和Newmark-β差分法推导了基于非分裂CFS-PML边界条件的GPR有限元方程及其时域差分离散格式。两个GPR模型的模拟结果表明:本文提出的基于辅助微分方程的非分裂CFS-PML边界条件实现方法可有效地吸收大角度入射的低频虚假反射波,提高模拟精度;相比于非频散介质,高频电磁波在频散介质中传播衰减更强、子波持续时间增大、分辨率和传播速度降低、直达波和反射波的主频更小,分析结果有助于提高实测GPR资料的解译精度。
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THE
END
排版:岳豪勃(吉林大学地球科学学院)
校对:邱梓惠(中国科学技术大学地球和空间科学学院)
《地球物理学报》2023年第10期目录及简介
《地球物理学报》(ISSN:0001-5733)创刊于1948年,记载了我国地球物理科学事业发展的光辉进程。本刊由中国科学院地质与地球物理研究所和中国地球物理学会联合主办,是有关地球物理科学的综合性学术刊物。主要刊登固体地球物理、应用地球物理、空间地球物理和大气、海洋地球物理以及与地球物理密切相关的交叉学科的研究论文。着重报道创新性研究成果。
《地球物理学报》是地学领域中具有代表性的期刊之一,已列入中国自然科学核心期刊。目前有多种著名国际检索系统检索本刊,如SCI、SA、CA、"全俄科学情报研究所文摘杂志"、日本"科学技术文摘速报"、"世界译文索引""乌利希国际期刊指南"、"水科学文摘""TULSA石油文摘"、美国地质文摘"、"法国文献通报"等。国内有关检索机构均收录本刊,如《中国科技论文统计源数据库》,《中国科学引文索引数据库》等。
期刊目录
精彩看点
01
王敬之 等: 等离子体层嘶声散射辐射带电子的损失时间尺度建模研究
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等离子体层嘶声(Plasmaspheric hiss)是地球辐射带中的一种常见哨声模波动,主要存在于等离子体层中。嘶声波可以通过回旋共振散射辐射带电子,在辐射带槽区的形成过程和反转能谱的演化过程中具有重要作用。因此,在辐射带动态建模中需要考虑嘶声波的作用,常用的方法是在辐射带电子扩散方程中加入嘶声波导致的损失项,用损失时间尺度(loss timescale)代表电子损失的快慢。本文基于等离子体层嘶声对辐射带电子的投掷角散射系数模型计算了嘶声波导致辐射带电子损失的时间尺度 。建立了包含L(范围为3~6)、冷等离子体参数α*(范围为3~30)以及电子能量(范围为1 keV~10 MeV)的电子损失时间尺度参数化模型。 基于该模型,可以快速计算电子在嘶声波散射效应下的损失时间尺度。通过与卫星实际观测的电子损失时间尺度对比,验证了本文建立的嘶声波损失时间尺度模型的合理性,可为实现辐射带的快速建模提供有利支持。
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02
吕佳锟等: 电场驱动的日冕数值模拟中时变边界条件研究
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时变边界条件的处理对于数据驱动的日冕太阳风建模研究十分重要。本文基于特征边界条件,将松弛型无反射边界处理应用到三维磁流体力学(Magnetohydrodynamics, MHD)方程中,发展出一种自洽的、以切向电场作为数据驱动的时变边界条件,并将其应用于时变日冕太阳风的模拟中 。为验证该时变边界条件的有效性,本文连续模拟研究了2187—2189三个卡林顿周的日冕太阳风结构。通过将模拟结果与SOHO、STEREO等卫星的观测结果进行对比研究,发现基于该时变边界条件的日冕太阳风的模拟可以较好地反映出日冕太阳风的大尺度结构及其演化过程,且模拟得到的太阳风参数与卫星观测结果较为吻合。说明本文所发展的时变边界条件可以有效地模拟数据驱动的时变日冕太阳风。
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03
晏红明 : 2021/2022年东亚大陆冬季前暖后冷的环流差异及其成因
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2021/2022年冬季东亚大陆地区整体以偏冷为主,气温季节内变化显著,前冬(2021年12月1日—2022年1月26日)气温偏高,后冬(2022年1月28日—2月24日)气温偏低;气温变化的空间差异较大,呈现出显著的北暖南冷特征,尤其在冷时段,南部地区气温偏低幅度比北部地区大1℃左右。本文利用逐日中国观测站点资料和NCEP/NCAR、ERA5等再分析资料分析了2021/2022年冬季东亚大陆前暖后冷的可能原因,发现与冬季气候密切相关的西伯利亚高压、东亚冬季风、平流层极涡、高原高度场、西太平洋副热带高压、东亚高空西风急流、北半球平流层环状模(NAM)等大尺度环流系统均发生了显著的转折性变化,直接导致了东亚大陆冬季前暖后冷的季节变化,但乌拉尔山高压在冷暖时段的变化差异并不明显。另外,赤道中东太平洋冷海温和北大西洋暖海温在后冬的加强变化通过对大气环流的强迫影响,对2022/2021年后冬冷时段冷空气的加强和低温冷事件的发生起到了十分重要的作用。
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04
宦越洋等: 顾及次优噪声模型的GNSS坐标时间序列噪声模型选择
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在全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)坐标时间序列噪声建模领域,选择合适的噪声模型对GNSS坐标时间序列的速度信号提取具有重要价值。长期以来,研究者专注于建立最优噪声模型来描述GNSS坐标时间序列中的噪声成分,却往往直接忽略与最优噪声模型性能接近的次优噪声模型。本文选用8种常见的噪声模型,使用极大似然估计法估计模型参数,以赤池信息量准则作为评价准则来选取噪声模型。 实验数据采用中国区域12个国际GNSS(International GNSS Service,IGS)服务基准站36个坐标分量及全球范围内50个IGS基准站150个坐标分量的坐标时间序列。结果表明,超过半数的测站坐标分量上存在与最优噪声模型性能接近的次优噪声模型。在此基础上中国区域的IGS站,在东方向有14%的次优噪声模型拥有比最优噪声模型数值更大的速度不确定度,在北方向和垂直方向,这一值分别为33%和63%。而对于全球范围的IGS站,这一值分别为31%、39%和48%。因此在GNSS坐标时间序列噪声模型选择过程中,充分考虑与最优噪声模型性能接近的次优噪声模型有助于获得到更保守的估计结果。
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05
魏恋欢等:基于时序SAR数据的长白山天池火山活动研究
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本文面向长白山天池火山活动分析需求,对现有的时序合成孔径雷达干涉测量形变监测方法及火山点源模型进行了改进,提出了一套适合长白山的火山监测方案。 首先,针对植被覆盖度高、形变监测受植被失相干影响大的问题,提出了基于归一化植被指数约束的时序InSAR形变监测方法,并利用2004—2010年间的33幅Envisat ASAR影像,提取了长白山天池火山口及周边区域的精确地表形变参数。其次,系统分析了火山地表形变场与雷达视线向之间的立体几何关系,建立了具有普适性的由火山水平形变和垂直形变到LOS向的投影转换关系式,基于LOS向形变的点源模型,反演了长白山天池火山扰动期结束前后的各时段的岩浆房参数。最后,基于改进后的点源模型反演结果,正演了天池火山地表形变场,并将正演结果与地震监测、流体地球化学监测资料进行对比分析,精确评估了长白山天池火山扰动期结束前后岩浆房的变化情况,探讨了长白山天池火山活动由强转弱的过程。本文的研究结果表明,2004—2010年间天池火山岩浆房先经历了短暂的膨胀,以2004年9月8日 的ML3. 7地震为转折点,地震后开始进入逐步收缩状态,直至2008年趋于稳定。
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06
高天扬 等: 利用接收函数、背景噪声频散和Rayleigh波ZH振幅比联合反演青藏高原东北缘及周边地区地壳结构
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本文对在青藏高原东北缘及邻近地区架设的571套宽频带流动地震台站记录到的连续波形数据进行处理,通过联合反演P波接收函数、背景噪声频散和Rayleigh波ZH振幅比,获得了研究区高分辨率三维地壳S波速度(VS)结构。研究结果显示,松潘—甘孜块体和西秦岭造山带以及北祁连造山带下方15~40 km的深度范围内存在很显著的S波低速异常体。其中,松潘—甘孜块体和西秦岭造山带下方的低速异常体很可能与部分熔融有关,且造成部分熔融的原因除了剪切加热外,还有可能是软流圈物质上涌和地壳内部的放射生热。而北祁连造山带的低速异常体则可能由地表隆升和地壳增厚所造成。阿拉善块体内部分布有很多不太显著的低速异常体,这可能与阿拉善块体经历了复杂的构造变形有关。在银川—河套地堑下方20~35 km的深度范围内同样观测到了相对不太显著的低速异常体,这更可能与基性岩浆的底侵作用有关。
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07
张致伟等: 2022年6月1日四 川芦山MS6.1地 震的发震构造与力学机制探讨
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2022年6月1日17时00分08秒(北京时间)四川雅安市芦山县发生MS6.1地震,此次地震是继2008年汶川MS8.0、2013年芦山MS7.0地震后发生在龙门山断裂带的又一显著地震,与后者在空间上仅相距9 km。为揭示此次地震的发震构造特征及其与2013年芦山MS7.0地震的关系,进而理解龙门山断裂带强震孕育动力学过程与地震危险性,本文采用CAP全波形反演方法计算了芦山MS6.1地震的震源机制解,利用多阶段定位法对2013年芦山MS7.0地震以来余震区地震进行了精确定位,并基于库仑应力讨论两次地震的应力触发关系。 结果显示,芦山MS6.1地震的震源机制解为:节面Ⅰ的走向、倾角和滑动角分别为221°、40°和105°;节面Ⅱ的参数为22°、52°和78°,矩心深度14 km,震源机制断层面解呈现一组与龙门山断裂带性质接近的节面。反演给出的P轴方位角为120°,倾角为6°,反映了此次地震主要受NWW-SEE向水平挤压应力作用,与龙门山断裂带南段背景构造应力场一致。 地震精定位结果显示芦山MS6.1地震序列发生在2013年芦山MS7.0地震发震断层北西侧的一条倾向南东的反冲断层上,据此可判断震源机制解的节面Ⅱ为发震断层面。在此基础上,通过指定发震与接收断层,计算获得2013年芦山MS7.0地震对此次MS6.1地震所在断层的最大库仑应力加载值可达1.5 MPa,说明前者对后者有显著的触发作用。
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08
沈 琳等: 2021年5月21日青 海玛多MW7. 4 地震及余震序列应力降时空分布与孕震环境
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2021年5月21日发生在青藏高原巴颜喀拉块体内部的玛多MW7.4地震是继2008年MW7.9汶川地震之后在中国陆区发生的最大地震。由于玛多地震发生在板块内部滑移速率较缓慢的次级断裂上,该地震成为研究巴颜喀拉块体内部地震危险性的典型震例。 通过计算2021年玛多地震序列中震级大于2.5的地震应力降,我们调查了该地震序列应力释放的时空演化规律。首先,利用已有的青藏高原及其周边地区宽频带Lg波衰减模型,对玛多地震序列产生的地震Lg波观测数据进行了传播路径衰减校正,获得119个地震事件的Lg波震源谱;然后,通过将理论震源函数与观测数据拟合,获得对Lg波标量地震矩、拐角频率和高频下降率的估计;最后,根据标量地震矩和拐角频率计算了2021年玛多地震序列的应力降。结果表明,2021年5月21日玛多地震主震应力降为22 MPa,余震序列的应力降分布范围为0.08~7.5 MPa、中位数为0.39 MPa,平均值为0.88 MPa。应力降与震级具有较强的正相关关系,说明该地区的地震活动可能并不遵从地震自相似理论。换言之,大小地震具有不同的破裂动力学性质。玛多地震序列应力降变化反映了断层面上的应力释放过程具有强烈的非均质性。 主震发生之后余震应力降显著降低,但其间仍夹杂着少数具有较高应力降的事件。这些高应力降事件所在区域与主震后破裂面上的闭锁和应力集中区域相对应。
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09
李 成等:基于背景噪声方法的花岗岩型稀土矿地壳浅部结构特征及构造意义:以江西赣州安西矿区为例
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稀土资源是国家的战略性资源,在国民经济和国家安全等方面作用重大。目前,针对该资源的开发利用需要进一步加强勘探方法和成矿模式的研究。本研究在江西省赣州市安西镇稀土矿区10 km×6 km的区域内布设了一个约100台短周期地震仪器构成的面状台阵,以及两个48 m长各由25个短周期地震仪构成的线性台阵。通过背景噪声三维成像方法反演获得矿区地表至2.2 km深度的地壳浅部三维横波速度结构。 以典型花岗岩风化壳为例,使用面波的相移成像法,反演了从地表全风化层至约40 m深度的一维横波速度结构.以该一维速度结构为参考,使用噪声谱比法(HVSR)探测了矿区内的松散沉积厚度,并结合钻孔数据验证了该方法对花岗岩型风化壳基底面的有效探测。 综合上述结果,本研究通过三维横波速度结构圈定了安西岩体中稀土的成矿母岩(花岗岩)在上地壳的分布范围和形态,显示了安西岩体所处的丘陵盆地的构造背景为花岗岩型稀土矿成矿过程提供有利条件;结合HVSR结果、一维横波速度模型和钻孔数据,探测了富集稀土矿的风化壳从全风化层顶部至母岩的深度和结构,松散沉积厚度显示了矿集区和山区的沉积环境差异。 本研究可以为花岗岩型稀土资源的勘探提供一系列基于背景噪声地震学的方法和策略,建立了火山岩型风化壳的起源、发育和演化的构造模型,为该类稀土矿的深-浅部结构演化过程和构造活动影响研究提供参考。
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10
聂仕潭等:基于P波接收函数资料的华南大陆东部地壳结构研究
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华南大陆是由扬子块体和华夏块体拼合而成,并经历了多期次的后期改造,研究块体间的深部结构差异对于理解华南大陆的构造演化历史具有重要意义。本文基于布设在华南大陆东部的流动宽频带地震台阵资料,计算了远震事件的P波径向接收函数,并利用Pms谐波分析方法获得了地壳各向异性分布。 结果显示,研究区地壳各向异性具有明显的横向分段特征。 JSF (江绍断裂带)附近与断裂带走向一致的地壳各向异性快波方向指示断裂带可能切穿整个地壳。在大别造山带、扬子块体和华夏块体南部,地壳各向异性快波方向与区域主压应力方向近垂直,指示该区域地壳变形可能受菲律宾海板块俯冲和太平洋板片俯冲后撤的远程效应的影响。此外,本文利用新的H-κ-c叠加方法获得了测线下方地壳厚度及平均波速比。 结果显示,扬子块体的地壳厚度薄于两侧的华夏块体和大别造山带,速度比也较低(约1.7),指示地壳以长英质和酸性岩石为主。 Airy地壳均衡理论预测的地壳厚度指示29°N以南的地壳密度要低于以北的区域。以南的低密度及低波速比可能与菲律宾海板块北西向俯冲和太平洋板块西向俯冲后撤导致的地壳物质垂向分异拆沉有关。
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11
姚 琪等:基于数值模拟和地震活动性统计的混合地震预测:在中国地震科学实验场的应用
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地震数值预测是近年来最为前沿的科学研究问题之一,但是大部分地震数值预测的探索都受困于数值模拟步长的问题。本文引入混合预测方法,探索了较短预测时长的地震数值预测方法,并在中国地震科学实验场区中进行应用 。该混合预测方法主要建立在活动块体理论和构造力学分析的基础上,利用数值模拟推测未来长时间的应力变化量,并引入上一次7级地震之后数十年间,中等强度地震同震应力的影响,最后通过重分类和加权,在应力变化量上叠加年尺度小地震活动异常的统计,从而实现区域地震危险程度的混合评估。基于该方法,我们将地震数值预测的预测时间尺度缩短到年尺度,以年为单位滚动预测了中国地震科学实验场自2021—2030年或更长时间段内可能出现中强地震的区域。 2022年芦山6.1级地震、2021年漾濞6.4级地震、2021年泸州6.0级地震和2022年泸定6.8级地震均发生在危险性较高的区域,而2022年马尔康6.0级地震则不在预测区域内。本文展示的混合预测尝试为地震数值预测研究提供了一个可供参考的例证,也为解决数值预测步长控制难的问题提供了一个可能的探索途径。
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郝平 :数据不确定性与背景应力场差应力的可靠约束——以1992年Landers地震为例
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以1992年美国南加州Landers MW7.3地震为例,通过利用主震前后应力场和主震位错引起的应力变化来约束背景应力场差应力的方法,系统研究了数据不确定性与差应力约束可靠性的关系。通过实际地震数据结合数据模拟研究,发现由于数据的不确定性(主要是震源机制解不确定性和发震节面的难确定性),该方法得到的原始约束结果与真实差应力存在系统偏差,原始约束值不能反映真实的差应力水平。 数据模拟统计曲线表明,原始约束值和真实差应力存在两段线性关系:上升段和水平段,上升段对差应力有约束能力,水平段对差应力没有约束能力。利用上升段的线性关系对原始差应力约束值调整,得到的调整约束值在一定区间消除了与真实差应力的系统偏差。在不同的分析地点(分析点),本质上是主震位错引起的不同应力变化,数据不确定性对差应力约束结果影响也不同,不同分析点在差应力约束上有优劣性。本文采用Rv、Tv、λ等三个客观评价参数来挑选分析点,在 Rv ≤9,|Tv|≥17.5,λ<1的条件下挑选出24个分析点,得到Landers地震背景应力场差应力的最佳约束结果是-12.2±2.6 MPa。通过对评价参数的不同取值来检验约束结果的稳定性,以及通过数据模拟的综合分析来检验约束结果的可靠性,发现该最佳约束结果是稳定和可靠的。
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13
刘 恒等: 白鹤滩水库蓄水前后邻区地震活动与应力场变化特征
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水库诱发地震是水利水电工程和区域构造稳定性研究的重要内容。白鹤滩水库位于金沙江下游河段,地处小江断裂、则木河断裂和大凉山断裂等多条大型断裂交汇区域,属于地震高烈度区。2021年4月6日白鹤滩水库开始蓄水,本文利用小江断裂带中北段巧家台阵2020年1月—2021年12月地震记录,确定了水库邻区11477个地震事件,采用广义极性振幅技术反演获得了1.5级以上地震震源机制解654个 。对水库蓄水前后地震活动和震源机制解分布特征的分析表明:整体而言研究区地震活动时序与水库水位密切相关 ,水位抬升时地震活动增强,水位维持不变或回落时,地震活动减弱,白鹤滩水库蓄水约6个月后,地震数量基本恢复至蓄水前平均水平。沿水域线附近主断裂带区域,蓄水后地震活动显著增强,数量和震级增大,深度减小,蓄水前地震类型以走滑为主,蓄水后以正断层为主;主断裂带以外以及距离水域线较远的某些区域,蓄水后地震活动受到抑制 。基于震源机制解,采用区域应力场阻尼反演方法计算获取了研究区应力场时空分布,结果显示主拉应力轴方向稳定,随时间波动很小,主压应力轴方向随时间波动较大,尤其位于大坝附近的主断裂带交汇区域,蓄水前应力场为走滑型,蓄水后应力场变为正断型。
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14
章浩东等: 近震远台的走时层析成像方法研究
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远震层析成像是研究壳幔三维结构的重要手段。虽然远震层析成像已成功应用于台站分布较好区域的地下结构成像研究,但地球上有些关键构造区域缺乏地震台站,以至于难以应用远震层析成像研究壳幔结构。为了实现台站匮乏构造区的远震层析成像,根据互易性定理,将传统远震成像中研究区域周边远震激发地震波、区域内台站记录地震信号(远震近台)的观测系统,变换成研究区域内地震激发地震波、周边远震距离范围内台站接收信号(近震远台)的观测系统,实现近震远台的远震层析成像。首先,本文给出了基于近震远台的走时层析成像方法的基本原理和实现步骤。随后,分析了影响成像结果的三个主要因素:射线覆盖密度、走时拾取误差和震源不确定性。最后,以日本俯冲带为例,利用近震远台的成像方法反演实际数据,得到日本俯冲带上地幔速度结构,实际算例证实了该成像方法的有效性。
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崔腾发等:小江断裂带东川—寻甸段大地电磁成像及深部孕震环境
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小江断裂带是青藏高原物质向东南方向逃逸的东边界中的一段,具有较强的地震活动性。小江断裂带东川—寻甸段经历过三次6.5级以上强震,对其深部电性结构的探测,可以为研究三次历史强震的深部孕震环境提供重要依据。大地电磁成像结果显示研究区下地壳存在显著的高导结构,可能含有较高比例的熔融物质,具有较低的强度/黏度。小江断裂带在深度10 km表现为明显的结构边界,有利于断裂带的剪切变形。断裂带上的强震可能主要受上地壳高阻结构的控制。上地壳中,小江断裂带东支断裂在田坝随高阻结构向南转折;功山地区东支断裂两侧的高阻体紧靠。两个条件共同阻碍了东支断裂在局部的左旋走滑及地震破裂的传播。小江断裂带西支断裂在嵩明以北表现为上地壳三个高阻体之间的边界,坚硬的高阻体相互接触可能使断层局部存在阻碍断层走滑的构造,为强震的发生提供必要的结构条件。
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李 杨等: 下地幔布里奇曼石与毛钙硅石混溶对大型剪切波低速省长期演化的动力学影响:二维数值模拟
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布里奇曼石(bridgmanite)和毛钙硅石(davemaoite)是下地幔主要的端元矿物,是构成下地幔的重要基石。矿物物理学新的研究发现,在高温高压条件下这两种矿物可以发生混溶,因而可能改变下地幔的物理化学状态。本研究我们在二维地幔对流数值模型中以相变的方式模拟布里奇曼石和毛钙硅石混溶现象,讨论其对地幔热-化学结构(尤其是下地幔大型剪切波低速省)的长期动力学影响。模拟结果显示,布里奇曼石和毛钙硅石混溶更有利于下地幔大型剪切波低速省长期保存,并且这种稳定作用随大型剪切波低速省与周围地幔密度差减小而更加显著,而相变边界的克拉伯龙斜率则在长期演化过程中起次级作用。
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饶丽婷等: 不同模型约束的SOTEM稳定性反演
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短偏移距瞬变电磁法(简称SOTEM)理论上探测精度较高,但由于地下电性结构复杂多样,目前所采用的单一模型约束反演策略具有局限性。本文提出了一种不同模型约束的SOTEM稳定性反演方案,能够快速获得具有光滑型、聚焦型、突变型结构特点的反演结果。该方案引入了光滑泛函、总变分泛函、最小梯度支撑泛函进行不同正则化,将不同稳定泛函重新构造,在统一反演框架下获得不同模型约束反演问题的解,并对正演、迭代过程、雅可比矩阵计算、正则化参数设置等多个细节进行了优化,以提高SOTEM反演的稳定性和效率。通过不同地电模型的大量样本,考察了本文所提的多种优化方案对反演的稳定性和效率的提升效果,对比了采用不同模型约束进行正则化的反演效果,从而验证了所提SOTEM反演方案的稳定性与快速有效性。
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陈 锋等:利用单点六分量地震提取面波频散谱的数值验证
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面波频散反演是揭示地下速度结构的一项重要手段。传统面波勘探技术侧重于多台站阵列数据频散分析。旋转地震学理论框架下六分量地震观测时,仅利用单台站记录的平动与旋转分量就可以获得面波频散曲线。本文从频率域谐振分析出发,利用模态叠加正演方法,讨论了不同模型下平动与旋转联合估算Rayleigh波相速度的可靠性。结果表明:单台站多分量地震数据估算的频散曲线受多种因素影响,估计过程存在一定的系统误差;典型浅层地质模型下,单点估算与多道面波分析方法(MASW)提取的Rayleigh波频散曲线在低频段吻合性好;若要降低单点多分量地震估算的系统误差,仍需研发配套的波场分离与不同阶频散谱的高精度提取技术。
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姚 金等: 地铁线路采空区微动剖面法探测研究——以广州地铁14号线二期为例
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煤层开采留下大范围采空区,可能引发地面沉降和塌陷,危害地面建筑物和地下设施安全,查明采空区的空间位置与结构形态,对矿区环境治理、土地资源开发利用和确保地铁、铁路等大工程建设地质安全具有重要意义。然而,采空区探测一直是公认的行业难题,尤其是当采空区位于城镇等复杂强干扰环境下,传统的采空区物探面临诸多挑战。本文采用微动剖面探测新方法研究广州地铁14号线二期乐嘉路站—岗贝站区间的煤层采空区,介绍在城区交通要道开展地铁线路采空区微动剖面法探测的方法技术。探测查明2#、4#煤层采空区、六处岩巷与二处竖井,与钻孔揭露情况和历史记载的煤矿开采水平巷道吻合,探测结果为地铁设计建设提供了可靠的物探依据和地质安全保障。
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燕 帅等:基于卷积神经网络的瞬变电磁数据快速成像算法研究
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瞬变电磁一维反演技术已经相对成熟,但对野外实测数据进行实时成像仍然有一定难度。本文将卷积神经网络引入到时间域瞬变电磁数据成像中,通过训练网络近似瞬变电磁响应与地电模型之间的函数关系,将复杂的反演过程转化为矩阵映射过程,进而实现瞬变电磁数据的实时快速成像 。考虑到传统算法大多针对单点进行成像,难以实现面积性数据快速处理,本文尝试将接收点相对发射源的坐标信息作为网络输入参数,这不仅使得该算法在野外成像过程中更加灵活,同时也大大减少了训练过程中样本集数量。为验证算法的有效性,我们首先在大量理论数据上进行测试,检验了卷积网络的优越性以及加入坐标信息可在不影响成像精度的前提下极大提升该方法对不规则测点电磁数据的成像灵活性。最后,我们通过对实测数据分别进行神经网络成像和Occam反演,进一步验证本文神经网络成像方法的有效性。
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王晋轩等:大规模三维大地电磁各向异性正演的非均匀网格外推多重网格法
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本文提出一种基于非均匀网格的外推瀑布式多重网格方法(EXCMG),快速求解三维大地电磁各向异性有限元正演形成的大型复线性方程组 。首先,对库仑规范下电磁耦合势满足的向量Helmholtz方程,由Galerkin加权余量法推导有限元离散系统,得到大规模、稀疏、复线性方程组。然后,从最密的非均匀正交网格出发,逐层粗化得到一系列嵌套网格;借助Richardson外推及Lagrange二次插值技术,设计非均匀正交网格下全新的多网格延拓算子;利用前两层网格上的数值解,构造下层密网上有限元解的高精度逼近,作为多网格磨光算子——复数域不完全LU分解预处理稳定双共轭梯度算法(BiCGStab)的迭代初值,加速收敛。最后,通过典型地电模型验证算法的精度和效率。数值实验表明,本文提出的算法适用于较宽频带,加速效果明显,相较于预条件BiCGStab方法,求解效率提升数十倍。本文算法能够求解上亿自由度的超大规模、强各向异性问题,且求解问题的规模越大,算法效率优势越明显。EXCMG算法有望在其他地球物理领域得到应用。
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韩 盈等:基于循环神经网络的大地电磁信号噪声压制研究
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由于天然电磁场源信号微弱,观测数据极易受到噪声干扰,严重影响反演和解释结果。传统去噪方法依赖于人工对时间序列和功率谱的筛选,去噪效率低,主观性强。本文提出利用循环神经网络对大地电磁时域信号进行特征噪声的识别和提取,进而重构出去噪后的大地电磁信号。在对大地电磁时域信号进行大量分析的基础上,对噪声进行分类并搭建含噪信号数据库,利用该数据库训练了两个循环神经网络,并选取长短时记忆单元优化循环神经网络结构,分别实现含噪数据段筛选和噪声形态提取。对仿真和实测数据分别进行了测试,循环神经网络均能准确筛选出大地电磁信号中的噪声段,本方法在避免人为操作主观性的同时提高了工作效率,视电阻率和相位曲线质量得到明显改善。
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唐 杰等: 深度域自适应加权多模态多任务学习声阻抗反演
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以往基于深度学习的叠后地震声阻抗反演通常仅限于利用单道地震数据,当地震数据中存在较强噪声或地下介质横向变化较大时反演结果中会面临横向连续性差和层位区分不清晰的问题。本文提出了一种深度域自适应加权多模态多任务学习声阻抗反演方法,采用GPU加速运算,在阻抗剖面的估计过程中加入井位置附近的空间背景信息,并在数据输入端加入初始阻抗模型。 构建的网络包括阻抗反演和地震数据重建两个任务,网络训练过程中采用自适应权重调整策略能够同时优化各自输出的损失,实现数据增强,缓解网络的过拟合,提高网络的泛化能力;相比于传统最小二乘阻抗反演方法,该方法反演速度更快。针对井数据偏少的情况,本文引入其他可用训练数据并采用联合学习策略改善反演结果。模型和实际数据测试表明该方法能够在含有噪声的地震数据和测井数据有限的情况下估计深度域声阻抗,反演结果的横向连续性得到了明显的改善。
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严 彬等:裂缝诱导的TTI介质固液解耦反射系数方程及裂缝和流体参数反演方法
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利用地震数据进行裂缝预测及流体识别对于裂缝性储层的勘探开发具有重要意义。针对单组旋转对称的倾斜裂缝诱导的TTI介质,基于各向异性Gassmann方程,推导了固液解耦纵波反射系数近似公式,分析了不同条件下近似公式的精度。根据实际研究工区裂缝储层的特征,选用高裂缝倾角近似公式,通过奇异值分解从方位弹性阻抗中估算裂缝密度和裂缝方位,进而分离和消除各向异性项,建立流体等效体积模量及孔隙度贝叶斯反演预测方法。模型试算表明,在信噪比大于2时,流体等效体积模量、孔隙度和裂缝参数的估计较为可靠,实际应用也验证了反演方法的有效性。
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杨耿骁等:同时反演泥浆与环空介质声阻抗的超声脉冲回波固井质量评价方法
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固井质量评价是石油勘探开发过程中极为重要的一个环节,对油气资源勘探开发效益以及油气资源安全生产和环境保护都有十分重要的意义。超声脉冲回波技术可以计算套管和地层间环空介质(水泥)声阻抗,从而判断环空材料的种类以评价固井质量。传统的水泥声阻抗计算方法将井筒内的泥浆声阻抗看作是在环向上和轴向上均匀不变的值,会导致计算的水泥声阻抗不准。为了解决这一问题,本文利用多层介质模型的模拟数据研究了水泥声阻抗、泥浆声阻抗与脉冲回波波形在时域共振波区间内变换后的拟合直线的特征斜率与特征截距的变化规律,提出了同时反演水泥声阻抗和泥浆声阻抗的方案 。通过比较模拟数据、刻度井测量数据中的特征斜率和截距,并构造迭代公式不断迭代水泥声阻抗、泥浆声阻抗,形成了同时得到水泥声阻抗和泥浆声阻抗值的数据处理流程。数据处理流程经过等比刻度井数据测试,反演结果与模型井实际情况一致,证明了本文提出的数据处理流程的正确性。最后将本文的数据处理方法应用在某油田实测数据中,并与传统数据处理结果进行了对比。
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李德康等:一种改进的声发射模板识别流程及其在大尺度页岩水力压裂主被动观测实验中的应用研究
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提出一种改进的实验室声发射模板识别流程。 该流程联合RMS-AIC算法优化了模板事件的检测效果,将一种改进的绝对离差中位数(观测数据的二分位数与MAD的和)应用于不同时段RMS与互相关序列的动态阈值的设置中,并对声发射模板事件与多通道连续波形数据的互相关叠加方式进行了改进,以避免弱初至延迟量不准确对叠加异常点的影响。我们开展了大尺度龙马溪组页岩水力压裂过程的主动源超声检测与声发射事件联合观测实验,并将该流程应用于主、被动连续观测数据中声发射信号的识别。研究结果表明:利用本文提出的流程检测出1720个声发射信号,数量比声发射模板信号大约多5.54倍。利用更为完备的声发射目录,我们观测到页岩水力压裂过程中的主压裂点大约发生在152 s,且压裂后早期3 s内声发射率呈现出较慢的幂率衰减(p=0.130),而后以较快速率(p=1.403)衰减至稳定值。此外,我们对多种震相拾取算法的比较、声发射的频-幅分布特征等方面开展了讨论。 这一新的声发射识别流程可以有效提高在主、被动联合观测下的声发射识别效果,完备水力压裂过程中声发射的时序分布特征,为页岩气开采及风险评估的实验室研究提供有效支撑。
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陈雪莲等:套管中环向传播的准SH波的衰减特征
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套管井中的准SH波测井可有效解决声阻抗类声波仪器在低密度水泥胶结评价上的不适应性。本文结合解析计算、三维数值仿真和实验测量研究了套管中环向传播的准SH波的衰减特征。数值仿真和实验测量结果均表明准SH波的衰减主要由波传播过程中的几何扩散和向套管后胶结的固体水泥泄漏能量引起的;解析计算显示在0~300 kHz的测井频段随着频率的增加零阶准SH波的泄漏衰减逐渐增大、一阶准SH波的泄漏衰减逐渐减小,在现有油气井使用的水泥阻抗范围内,准SH波的衰减与水泥阻抗成正比。 数值仿真和实验测量的零阶准SH波的衰减与解析计算结果吻合,一阶准SH波的衰减稍高于解析计算结果。另外在实验测量过程中记录了水泥从浇筑到逐渐凝固过程中准SH波测井的全波波形,可清晰观测到直达的准SH波在水泥未凝固前(仍是流体)幅度较强,随着水泥逐渐凝固强度增大准SH波的泄漏衰减逐渐增加,泄漏到水泥环中的能量越来越强,来自水泥外界面的反射波幅度逐渐增加且到时逐渐提前。通过理论计算和实验测量套管井SH横波的衰减特征,为现场应用SH横波测井评价套管井水泥胶结质量奠定基础。
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THE
END
排版:徐冰冰 (中科院地质地球所)
校对:马洪伟(天津外国语大学)
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