时频方向谱分析在海洋电磁数据处理中的应用

海底采集到的电磁数据按照其主要包含的信息及研究目的大致可分为海洋可控源电磁场(CSEM)信号、天然场源大地电磁场(MT)信号、海洋环境电磁场信号以及其他随机干扰信号.常常通过计算功率谱密度、时频分析和极化分析的方法研究海洋电磁场特征.本文介绍一种新方法——时频方向谱分析法及其在实测海洋电磁数据处理中的应用,该方法能够在一定的时间-频率尺度上有效分辨场源信号的运动方向.对于海洋CSEM数据,利用该方法可以估算发射源的运动方向,进而在发射源或采集站方位信息缺失情况下,实现海洋CSEM数据的旋转电性轴处理.对于海洋电磁数据,利用该方法可以详细分析海水运动感应电磁场的信号特征.     

地震海洋学回顾与展望

地震海洋学是利用反射地震勘探方法来研究海洋水体温盐结构的一门新兴学科.相对于传统的物理海洋学测量手段,其主要优势在于该方法有效的提高了水平方向的分辨率,并具有短时间内对整条海水剖面进行快速成像的特点.本文论述了地震海洋学在温盐反演、海洋内波、涡旋、海洋混合参数提取等方面的研究成果及发展趋势,并就水体的浅层结构地震影像分析及地球固液系统相互作用进行了探讨.今后地震海洋学有望在温盐剖面反演新算法、浅层水体结构信息的探索、固体地球与海水层之间相互作用的研究等方面取得进展,而新时期的地震海洋学研究有赖于不同观测手段的联合调查与分析.     

一个三维变分海洋资料同化系统的设计和初步应用

介绍了新完成的一个基于三维变分方法的通用海洋资料同化系统OVALS(Ocean Variational Analysis System)的设计方案和在热带太平洋海洋资料同化中的初步应用. OVALS可以同化常规的现场海洋温盐观测资料和卫星高度计资料, 其中在海面高度资料同化中引入了一个新的基于三维变分的同化方案, 该方案考虑了背景场误差的垂直相关性和非线性的温-盐关系. 非线性的温-盐关系是通过将三维变分方法中的线性平衡约束方案推广到非线性的情况来实现的, 从而通过同化高度计资料来直接调整模式的温度和盐度场. 另外, OVALS还可以同化近年来投入运行的国际ARGO漂流浮标的温、盐廓线资料以及其他海温和盐度资料, 如船报海温资料和一些浮标阵列资料等. 利用OVALS和大洋环流模式在热带太平洋进行了21 a的同化试验. 试验结果表明, 同化系统通过对各种海洋资料的同化, 可以有效改进对海洋温度和盐度的估计, 其在420 m深度以浅的上层海洋的月平均温、盐度估计误差分别为0.63℃和0.34 psu.     

浅海域海底极低频电磁响应特征研究

极低频电磁探测方法(WEM)是一种新型人工源低频电磁探测技术,目前尚未见极低频电磁探测方法的海区研究,缺少相关经验.为测试WEM在海洋环境中的电磁响应特征,本文将"地-电离层"全空间电磁波传播理论应用到含海水介质的"地-电离层"全空间模型,由地表处数值格林函数出发,利用空气层与海水层界面谢昆诺夫势函数满足的边界条件,推导了海底界面的场强表达式.采用高采样密度的Hankel数字滤波方法进行数值模拟计算.为探究WEM在海洋油气资源探测中的适用性,建立简化海洋地电模型,通过分析WEM对不含异常体的背景场和含高阻油气异常体时的电磁响应曲线差异来检测WEM探测海底高阻油气层的可行性.并讨论不同观测方式、不同收发距以及海水层厚度、油气层埋深和油气藏厚度对WEM电磁响应特征的影响.研究结果表明,WEM可在数百千米收发距下探测浅海区域海底下方电性异常体的存在.     

现代板块运动驱动地幔块体置换度及地幔混合的研究

定义了描述地幔混合程度的新的统计学量度——地幔块体对流置换度和对流混合扩散度.地幔块体对流置换度等于至少被置换一次的块体数与地幔总块体数之比，对流混合扩散度等于示踪元初始体密度与示踪元终体密度之比.本研究假设地幔对流是稳定的，上地幔和下地幔的黏滞性存在差异，其驱动力为板块运动或地幔中密度异常分布.实验中地幔被划分为20736 个块体（5°×5°×300 km），2376个示踪元被放置在地幔顶部100 km深度或底部100 km高度的5°×5°的网格点上.模型计算表明， 地幔块体对流置换度随运转时间变化.就全地幔而言，在系统运行四十亿年后，大多数模型对应的块体对流置换度均超过80%，而上地幔块体置换度则达到90%.这预示大多数的地幔块体将被来自其他位置的块体所取代.对于放置在地幔顶部或底部，浓缩于很小空间10°×10°(间距0.25°) 中的两组1681个示踪元而言，尽管其对流混合扩散度在开始有较大的差异，但是在运行一段时间之后，此两组对应的对流混合扩散度均趋于常数，示踪元比较均匀地分布于全地幔之中.由以上的结果可以推断，在经历了四十五亿年的演化过程后，由于对流的作用使地幔基本上已经均匀混合，地幔中不大可能存在尺度大于5°×5°×300 km的异常块体.     

淮南采煤塌陷湖泊浮游植物优势种的营养动力学

在淮南潘谢矿区选取3个营养盐结构差异较大的塌陷湖泊,于2014—2015年4个季度分别对浮游植物群落结构组成进行调查,选取3个湖泊中的优势种(属)具尾蓝隐藻(Chroomonas caudata)、链形小环藻(Cyclotella catenata)和伪鱼腥藻(Pseudanabaena sp.)作为研究对象,设置不同的氮(N)、磷(P)浓度梯度进行营养动力学培养实验,并结合Monod方程,获得3个藻种在不同营养盐限制下的营养动力学参数.N限制下具尾蓝隐藻、小环藻和伪鱼腥藻的最大生长速率(μmax)和半饱和常数(Ks)分别为:0.66 d~(-1)、1.66 mg/L;0.37 d~(-1)、1.06 mg/L;0.71 d~(-1)、2.26 mg/L;P限制下它们的μmax和Ks则分别为:0.51 d~(-1)、0.023 mg/L;0.31 d~(-1)、0.035 mg/L;0.90 d~(-1)、0.015 mg/L.综上所述,在N充足时,伪鱼腥藻能够在竞争中形成优势,同时在P限制情况下易成为优势种,从营养动力学的角度揭示了其在塌陷湖泊中占据优势的营养盐动力学机制.研究结果可以为沉陷区水域开发利用和营养盐管理提供科学依据.     

由热带气旋MATTHEW引起的非潮汐负荷效应影响

热带气旋能在短期内造成海水和大气质量的重新分布,使得近海地表受力发生变化,进而产生非潮汐负荷形变,对现今高精度大地测量的影响已不容忽视.为了保证空间大地测量结果的精度和稳定性,热带气旋引起的地表形变必须进行有效的估计.因此本文联合NOS、GLOSS验潮站数据与海潮模型,通过获取非潮汐残余量分析了热带气旋“MATTHEW”引起的风暴潮.利用ECCO海洋环流模型、ERAin大气再分析模型、HUGO-m海洋动力学模型,分别估计了“MATTHEW”引起非潮汐海洋负荷、非潮汐大气负荷、动力学响应下非潮汐海洋负荷对地表位移的影响,结果表明热带气旋影响下的广大区域地表都不同程度受到非潮汐负荷的作用,最大位移分别达到-9.13 mm、3.31 mm、-6.11 mm,并且加入动力学响应的非潮汐海洋负荷要普遍大于IB(Inverted Barometer)响应下的结果.在对比不同位置站点所受负荷差异时,发现“大陆站”非潮汐海洋负荷形变普遍大于“岛屿站”,而“岛屿站”更易受非潮汐大气负荷的影响.     

罗布泊湖相沉积物极化散射特性及其环境意义

通过对罗布泊古湖盆区域("大耳朵")湖相沉积物含水量与含盐量、介电性质、地表微地貌等理化参量的分析,本文提出了罗布泊古湖盆区域的散射过程与次地表散射结构;利用全极化测量技术(PolSAR, Polarimetric Synthetic Aperture Radar),本文对不同纹理区域进行了物理散射机制的定量化剖析,同极化相关分析与极化度推算结果表明整个"大耳朵"区域后向散射强烈,亮条带比暗条带的散射机制更为复杂,地表微地貌状态是造成"大耳朵"特征的表观原因.在此基础上,本文利用极化分解技术进一步分离不同散射机制分量,通过定量比较各部分贡献对于"大耳朵"特征的表征能力,提出次地表介质性质(如含盐量)是"大耳朵"特征的根本性成因,相关性可达0.784,同时分析了次地表高含水含盐湖相沉积物在SAR响应中的重要性及其与地表形态之间的动力学形成机制.最后,本文论证了合成孔径雷达(SAR, Synthetic Aperture Radar)在罗布泊地区的穿透能力,预示着SAR遥感技术在干旱区环境研究中的应用潜力.     

风化过程中铼和硒的活动性及其对化石有机碳风化的指示

化石有机碳风化是地质时间尺度上重要的碳源,对全球碳循环和气候变化具有重要影响,但如何量化一直是个挑战.河水铼(Re)含量的变化被认为具有示踪流域化石有机碳风化强度的潜力,然而Re的来源及其与化石有机碳风化之间的关系还知之甚少.为了更好地认识这一指标的有效性,本文选择重庆市城口县下寒武统水井沱组页岩风化剖面为研究对象,通过元素含量、逐级提取实验等分析,探讨页岩风化序列中Re和硒(Se)的活动性及其与化石有机碳风化的关系.结果表明,化学蚀变指数(CIA)从基岩到风化层逐步升高,指示增强的风化强度.根据逐级提取实验和质量迁移系数(τ)的变化发现,页岩中的Re和Se主要赋存于有机质相,风化过程中与化石有机碳同步流失,而与页岩中的硫化物矿物氧化无明显相关;风化过程中Re和Se不同的地球化学行为导致其与化石有机碳非等量流失.本研究支持Re作为示踪化石有机碳风化的指标,而Se是示踪化石有机碳风化的潜在指标.未来需要不同类型沉积岩剖面与流域相结合的研究,明确河水Re和Se的来源及其与流域化石有机碳风化之间的关系.     

~(10)Be产率-地磁场转换方程的建立及其在黄土研究中的应用

建立了10Be产率-古地磁场强度的便捷转换方程,并以洛川剖面最近80ka的10Be浓度记录结合磁化率等气候代用指标为研究对象,利用全新的LGM分离方法将影响黄土10Be浓度的气候因素和地磁场因素进行了分离,成功示踪了末次冰期阶段拉尚(Laschamp(42ka))、莫诺湖(Mono Lake(32ka))等古地磁漂移事件,进而定量重建了最近80ka地磁场强度变化历史.重建结果与全球典型地磁场强度曲线(SINT-200,NAPIS75等)具有几乎同步的变化特征,从而表明采用LGM方法和新的转换方程在利用黄土10Be记录示踪和重建古地磁场强度研究中的实用意义及应用前景.通过分析表明,季风区降水的不均匀性是导致黄土10Be浓度无法直接示踪古地磁场漂移事件的主要原因,而来自粉尘源区的尘降10Be浓度和尘降磁化率具有"准恒定分布"特征.     

自复位钢组合导管架海洋平台抗冰减振及自复位性能分析

基于渤海JZ20-2导管架海洋平台,把原海洋平台的导管腿替换成不锈钢钢管混凝土结构,并且在海洋平台上增设预应力拉索,提出自复位不锈钢钢管混凝土-钢组合导管架海洋平台的概念。利用有限元软件ABAQUS建立了4种不同拉索布置方式的自复位组合海洋平台模型,对不同形式的海洋平台进行冰荷载工况下的减振性能分析和极端冰荷载作用下的自复位性能分析,分析结果表明自复位组合海洋平台具有明显的减振控制效果和一定的自复位能力。     

海洋声层析应用与观测研究综述

综述了自20世纪80年代以来国际上开展的主要海洋声层析观测实验.对它在海洋观测里的应用和取得的成果进行了系统总结和回顾,主要包括:(1)海洋中尺度现象观测;(2)海流,潮流,涡度的测量;(3)对流监测;(4)流量和热量输运测量;(5)气候声学测温;(6)内波观测;(7)沿海声学层析;(8)中国学者的工作.对海洋声层析的相关问题作了评述,指出了海洋声学层析研究的重大意义、广阔的应用前景和存在的难点,对我国在这一领域的研究进行了展望并提出一些建议.     

海水物性对地震反射系数的相对贡献

地震剖面与海水物性之间的关系是地震海洋学亟待研究的关键问题之一.本文选取地中海涡旋、各大洋不同纬度和南海东北部不同月份的三组CTD资料,按海域、季节和深度对法向相对贡献进行计算和分析,并从地中海涡旋CTD资料中选取典型温盐界面进行非法向相对贡献的研究.结果表明声速和温度的平均法向相对贡献随着海域、季节和深度呈相似性变化,其变化范围主要由相邻海水团之间的物性差异决定,分别为78%~94%和74%~98%.声速和温度(密度和盐度)的非法向相对贡献随着入射角的增加而增大(减小).用于反演的叠前地震数据应尽量包含较宽入射角范围的道集,特别是对于相对贡献较小的密度和盐度,包含小入射角的地震道对提高反演结果的精度尤为重要.通过对比地中海涡旋的Turner角剖面和相对贡献结果,发现Turner角对相对贡献具有很好的指示作用,其密度和盐度相对贡献较大的区域对应于Turner角为-45°的双稳定区域与扩散对流区域的边界附近,在此区域的密度比为零或较小.南北极附近海域的密度比较小,从而导致高纬度站位出现声速和温度相对贡献偏小的现象.南海东北部冬季表层海水的温度和声速相对贡献偏大则可能是由于黑潮侵入导致海水层温度差异及密度比变大引起.     

渤海湾盆地构造差异演化与油气差异富集

渤海湾盆地是中国东部最富油的新生代含油气盆地.盆地内各坳陷因区域应力场环境不同而表现出不同的断裂演化过程,垂向上的油气分布也具有明显的差异.本文基于各坳陷断层组合样式、发育密度和活动速率(FAR)的分析,阐述了渤海湾盆地断层发育演化的时空差异性.并通过区域应力场分析,探讨了断层活动差异的动力学机制.研究表明,渤中坳陷位于活动较强的营口-潍坊与北京-蓬莱走滑断层交会所形成的强烈转换拉张构造区,其主干断层活动最强,新近纪以来活动速率最大(FAR10 m/Ma),在新构造运动期(上新世至今)甚至超过25 m/Ma,大部分油气可以通过这些断层发生垂向运移并在新近系成藏.远离渤中坳陷的其他坳陷新近纪以来断层活动速率减弱(FAR10 m/Ma),新构造运动期近乎停止,不能成为油气垂向运移通道,油气主要聚集于古近系.因此,渤海湾盆地新近纪以来,尤其是新构造运动以来断层的差异活动控制了油气垂向的差异富集.     

单孔同位素稀释示踪法测定地下水渗流速度、流向的技术发展

地下水渗流速度、流向不仅是地下水渗流场研究中两个重要的动态参数,而且是测定含水层渗透系数、渗流量等水文地质参数的主要参量.本文结合前人研究成果,系统梳理了应用放射性同位素测定地下水渗流速度、流向的技术方法与工作流程等,其中比较详细的分析了井孔中有垂向流和无垂向流情况下,应用放射性同位素单孔稀释法测定渗流速度的方法与适用条件,旨在为广泛开展地下水渗流场参数的野外观测与研究提供可行的技术途径.作为一种地下水渗流场参数定量研究的技术方法,单孔稀释示踪法在与渗流场研究有关的水库诱发地震机理、地下流体对构造活动的影响过程、地下流体强震异常解释、地震地下流体异常落实等方面具有广泛的应用前景.     

利用可探测度探讨海洋可控源电磁响应的等值性

储层特征参数的计算方法简单,能够直观地显示地下电阻率结构的变化,对海洋可控源电磁(CSEM)资料的定性解释非常重要.本文对比分析了不同水深环境下常规归一化振幅、改进的归一化振幅、有效异常和可探测度对于地下油气储层的识别能力.结果表明相较于其他三个参数,可探测度适用于不同水深环境且其分辨能力较高.另外,电磁场响应的等值性是造成反演解释多解性的主要原因之一,研究海洋CSEM法的等值现象有助于资料解释.本文计算了含中间薄层1D模型的可控源电磁场响应,结果表明海洋CSEM法存在不完全的S等值和T等值现象,但不存在H等值现象.在储层特征参数研究的基础上,采用可探测度对海洋地电模型的中间薄层进行识别,有利于解决海洋CSEM法的等值问题,从而提高电磁资料解释的质量.     

MOM4_L40模式对全球海洋CFC-11分布的模拟及其通风能力评估

CFC-11是评估全球海洋环流模式的一个重要工具,海水中溶解的CFC-11被用来分析全球海洋模式的通风模拟.本文在中国气象局国家气候中心发展的40层全球海洋环流模式(MOM4_L40)增加了示踪物CFC-11模块,然后利用该模式研究了CFC-11在全球海洋中的分布,并评估了模式的通风能力.对CFC-11的海表浓度、柱总含量以及大洋剖面的垂直浓度分布和渗透深度进行了分析,结果表明,与观测相比,模式较好地再现了CFC-11在海洋表面的水平分布特征,CFC-11主要储存区位于西北大西洋、副热带北太平洋及南大洋,其浓度分布与温度分布梯度相反.沿三个大洋的5个剖面的CFC-11垂直分布模拟也与观测基本吻合.模式模拟的CFC-11分布情况与全球平均经向流函数吻合,在南大洋模拟效果更加接近观测值,深海模拟效果较好,渗透深度接近观测.同时,模拟与观测相比也存在偏差.比如在北大西洋主要的存储区域,模式低估了CFC-11的吸收,这与高纬的CFC-11向低纬过度输送有关,可能是受温盐环流和强迫资料的影响.总体来说,MOM_L40模式模拟大洋吸收的CFC-11总量是理想的,通过模拟被动示踪物CFC-11很好地再现了海洋的通风能力.     

塔东地区天然气生成地质模式及其封盖条件评价

针对塔东地区天然气勘探面临的是否具有大量晚期原油裂解气气源供给和气藏封盖条件优劣的两个成藏关键问题,采用原油裂解气生成动力学方法和盖层微观参数评价方法对该区气藏形成条件进行评价研究.原油裂解气生成动力学研究和储层沥青统计结果表明塔东地区原油裂解气生成层位在寒武系顶部至奥陶系底部之间,原油裂解气至少有两种生成地质模式,即满东1井原油裂解气早期快速生成(中奥陶世-志留纪末)、大量裂解(天然气转化率>90%)模式和英南2井原油裂解气两阶段生成模式,英南2井晚期阶段原油裂解成气对塔东地区天然气勘探评价意义重大.盖层评价结果表明下部组合寒武-奥陶系泥岩或灰岩盖层微观参数明显好于上部组合,封闭能力强,相对于上部组合来说,盖层突破压力较大,压力封闭效果较好,天然气散失主要以扩散散失为主.根据上述研究结果,通过综合分析认为塔东地区环满加尔坳陷的孔雀河斜坡、塔东低凸起和英吉苏凹陷下部组合寒武-奥陶系天然气勘探前景广阔.     

网格嵌套技术在模拟海底沙波运移中的应用Ⅱ——南海北部沙波运移

本文发展了一套适用于模拟我国南海北部小尺度沙波运移的数值模型,该模型由超高分辨率三维海洋环境数值模块和泥沙运移模块组成,综合考虑了地形、潮汐、温盐和风应力等因素对海底流场和沙波运移的影响,可模拟时间间隔一年以上的沙波运移.研究发现,沙脊两侧沙波运移方向相反是潮汐、地形与温盐三方面因素综合作用的结果,其中温盐分布所导致的密度流是沙波运移中不可忽略的因素之一.与实测结果比较证明,本文模拟结果优于2DV模型和Q3D模型,并且可模拟沙脊两侧沙波运移方向翻转的现象.     

杭州西湖轮虫的群落结构及与水体环境因子的关系

2007年1月-2010年10月,对杭州西湖进行调查研究,利用综合营养状态指数对西湖的营养状况进行评价,通过种类组成、优势种、多样性指数等指标探讨西湖轮虫的群落结构与水体营养状况之间的关系.结果表明,西湖总体处于中-富营养状态.调查期间共检出轮虫29种,以角突臂尾轮虫(Brachionus angularis)、螺形龟甲轮虫(Keratella cochlearis)等最为常见;总数量处于较低的水平,多样性水平不高;各采样点在不同年份表现出不同的季节变化规律.相关性分析结果表明,西湖轮虫密度与水温、TLI指数、总氮、高锰酸盐指数、透明度和pH值的相关性高度显著;Margalef多样性指数和Shan-non-Wiener多样性指数与水体环境因子表现出不同的相关性.研究发现,西湖轮虫结构不仅与水体的营养状况关系密切,还受引水过程引起的水动力学的影响,从引水入湖口到出水口存在一个以水动力学过程为主导的生态梯度.