地球物理信号能量(密度)多维分形及应用

地球物理信号代表的地质地球物理过程在多种尺度上和尺度之间表现为自相似性（self-affinity)或尺度无关性（Scale Invariant)，称为地球物理信号的分形性质，多个分形地球物理信号叠加在一起表现为多维分形特征，研究多维分形地球物理信号的能量或能量密度特征，可以进行时间或空间地球物理信号的校正、奇异性研究分析，或进行不同地球物理动力学过程的分解，本文描述了地球物理时间（空间）信号的多维分形过程和功率谱密度（能量密度）与波数以及重磁场能谱密度及面积（能量）与能谱密度的多维分形关系，并用地球物理测井与重磁资料作了试算。     

多维分形奇异功率谱分析与应用

地球物理信号中普遍含有噪声，消除噪声是地球物理信号处理中的关键技术之一.奇异功率谱分析（SSA）是在状态空间（又称相空间）中研究（系统）动力学、非线性科学与混沌现象的方法.本文在状态空间中通过SSA分解，研究、应用地球物理序列的尺度不变性进行多维分形滤波：通过在状态空间的SSA分解，构造了经验正交函数系（EOF）；在EOF子空间中定义了两种尺度与测度后，发现了两种测度与尺度皆在多个尺度范围内存在尺度不变性；利用这种尺度~测度的尺度不变性，设计、实现了多维分形奇异功率谱(MSSA)滤波模型；处理解释了大洋钻探（ODP）1143A孔岩芯自然反射性（NGR）资料；Fourier功率谱分析结果证明，MSSA能有效地压制噪声，提取有用信号.研究得出，嵌入维数对MSSA基本无影响（小于1/1000），多维分形滤波器（MSSA）能有效压制噪声或提取有用信号.     

多维分形奇异功率谱分析与应用

地球物理信号中普遍含有噪声，消除噪声是地球物理信号处理中的关键技术之一.奇异功率谱分析（SSA）是在状态空间（又称相空间）中研究（系统）动力学、非线性科学与混沌现象的方法.本文在状态空间中通过SSA分解，研究、应用地球物理序列的尺度不变性进行多维分形滤波：通过在状态空间的SSA分解，构造了经验正交函数系（EOF）；在EOF子空间中定义了两种尺度与测度后，发现了两种测度与尺度皆在多个尺度范围内存在尺度不变性；利用这种尺度~测度的尺度不变性，设计、实现了多维分形奇异功率谱(MSSA)滤波模型；处理解释了大洋钻探（ODP）1143A孔岩芯自然反射性（NGR）资料；Fourier功率谱分析结果证明，MSSA能有效地压制噪声，提取有用信号.研究得出，嵌入维数对MSSA基本无影响（小于1/1000），多维分形滤波器（MSSA）能有效压制噪声或提取有用信号.     

GIS环境下对地球物理地球化学资料奇异性的各向异性估算及其在矿床勘探中的应用

地球物理、地球化学或遥感图像等资料的奇异性(singularity)反应了其内在的空间自相似、自仿射分形以及多维分形特性.奇异性可以应用在值估计(插值)与重建(提高分辨率)、矿产储量计算与勘探构造特征提取和环境评价中.目前,不存在时奇异值的各向异性的估计算法与应用.然而,在矿物勘探中对地球物理、地球化学与遥感资料处理解释时,各向异性是常见的现象.实践证明,矿产往往赋存在这些各项异性的次级构造与主构造的交会处.GIS是综舍各种地质、地球物理、地球化学与遥感等资料的有效工具.本文给出GIS环境下,各向异性奇异值以及有关的参数估计方法.用加拿大Nova Scotia省南半部的地球物理、地球化学资料进行了试算,计算结果与已知的地质、矿产分布模式有极好的相关性.这说明,各向异性奇异性参数在矿物勘探中有极大的应用前景.     

瞬变电磁波场转换算法的改进

地球物理电磁场数据与虚拟地震波场数据之间存在数学上的等效转换关系,通过这种等效转换,可有效提高地球物理电磁法对地下目标体分界面的辨识度.但是这种转换在数学上属于不适定问题,可采用奇异值分解法处理.由于大奇异值控制计算矩阵的主要信息,小的奇异值控制计算矩阵的次要信息,传统的截断奇异值分解法只保留大奇异值,而忽略小的奇异值,导致数值解不够精确.本文提出一种新的修正方案——改进截断奇异值法,采用岭估计方法计算由小的奇异值引起的虚拟波场.模型计算结果表明：改进截断奇异值法比传统的奇异值分解法得到的波场转换结果更好,对某煤矿采空区探测数据进行了处理,成功分辨出采空区分界面.     

分形滤波(S-A)技术在物探数据异常分解中的应用

分形滤波(S-A)技术能够有效地揭示地球物理场的空间相关性,对背景场以及异常场进行分解。应用分形滤波(S-A)技术分解内蒙古某银矿区地面高精度磁测异常,结果表明:对研究区高精度磁异常进行了有效分解,获得了研究区背景场以及异常场特征,并剖析所获得的异常场,分解异常8处,并据此结合地质情况提出研究区的成矿有利区。     

Walsh列率域中多维分形模型与GIS环境下地球物理信号处理

地球物理信号通常在多个尺度段表现尺度不变性,这些不变性起因于不同的地质、地球物理或成矿过程的自相似性. 利用这种在多个尺度段的尺度不变性可以设计多维分形滤波器,滤波所得信号表征了具尺度不变性的地质地球物理或成矿过程,可以用于成矿预测或环境评价. 本文研究了Walsh变换列率空间地球物理信号的列率功率谱密度与列率之间的分形与多维分形关系, 试验证实了大洋钻探、石油以及煤系地层地球物理测井资料在Walsh域的多维分形性质,提出了用于分解地球物理场,提取有用信号并用于矿产资源勘探或环境评价的多维分形W-A模型. 利用波列率域中的多维分形关系构造了W A图解(W-A Plot). 借助W-A图解可以确定最小平方误差（LS）意义下Walsh功率谱变化的不同自相似性的频率分界点,从而用于设计W-A分形滤波器. 这种滤波器可将地球物理场分解成具有不同自相似性的局部场,并且保留原场的各向异性结构. 与通常使用的基于Fourier变换的滤波技术相比,W-A模型具有许多优点：W-A适用于检测地球物理信号中的突变、线性、环状、局部与纹理结构等弱信号. 同时,由于Walsh变换中只有简单的变号(加法与减法),其计算速度远快于建立在复数乘法之上的Fourier变换,所以W-A计算速度远快于Fourier域的滤波方法,可以用于地球物理信号的现场实时处理. 用加拿大Nova-cotia省西南地区的布格重力异常进行了W-A方法的试算,处理结果反映了地质、矿产分布规律,能够很好地进行矿产预测.     

三分量地震资料的偏振分析

将奇异值分解运用于三分量地震资料矩阵中,得到了径向能量这一具有物理内涵的数学表达式.证明了资料矩阵的总能量可用奇异值的平方和来表达,以及P波到达的径向能量最大值在第一奇异向量方向出现.据此得到偏振属性,其中最显著的特点P波出现在径向能量接近于最大的地方,这可以给弱信号提供较准确的到时.为发展同时利用偏振和频散资料的联合反演不同周期面波相速度的横向不均匀分布这一新的反演方法提供偏振分析的基础数据.     

大地奇异性结构与场源物理结构关系的探讨

讨论了重力场的大地奇异性条件及其在地固直角坐示系中的表达式。利用简化的球对称地球模型研究了大地奇异性结构与场源物理结构的关系,结果表明：只有扰动区域密底低于周围环境密度且优动场源密度与地球平均密度之比不小于扰动体埋深与半径之比的３次幂时,地球外部才存在奇异点;所有奇异 色成两个倒扣在地球上的旋转抛物面状曲面;对ＰＲＥＭ地球模型而言,内部密度扰动将不会产生外部奇异性。     

ArcGeophysics 1.0:GIS环境下综合处理、解释地球物理与地质、地球化学、遥感等资料的组件(COM)包与应用实例

地球物理资料综合处理与解释在油气、煤田、矿物勘探\[5\]、水文分析、水文工程与环境评价中有重要应用.然而,目前的(位场)地球物理处理与解释可视化程度低,无法利用其它资料有效的约束、关联分析与综合快速解释.虽然地理信息系统(GIS)是目前综合多种资料,进行空间处理、分析,提供决策支持的强有力工具,但是,GIS是为一般地理问题分析定制的,缺少综合地球物理处理解释的工具.本文给出了解决上述问题的,用组件对象模型(COM)实现的软件包－ArcGeophysics. 在ArcGeophysics中,实现了勘探数据的有效管理,空间统计分析,地球物理（正演、反演）,地球化学与遥感处理、分析、解释与可视化,信息集成与勘探靶区预测等功能.特别需要指出的是：(1) ArcGeophysics 无缝地结合了ArcObject (ArcGIS, ESRI),也就继承了当前国际上占主导地位的GIS软件包中所有的GIS功能;(2) ArcGeophysics是建立在COM基础之上,任何支持COM的应用环境(如MS Office),编程环境(如MS Visual Studio (.Net), Borland Delphi等都可以调用这些功能(相当于通用开发工具包); (3)ArcGeophysics对地球物理资料的处理解释结合了非线性系统、多尺度分析与多维分形理论.本文不仅给出了各向异性奇异性的应用实例,而且还给出了位场在Fourier空间处理分数维导数,以及在余弦变换空间多维分形模型(C-SA).本文应用加拿大Nova Scotia省南半部的地球物理、地球化学、地质与成矿资料进行了试算,得到了理想的结果,文中图２～图５均直接出之ArcGeophysics的输出.     

A New Approach for Border Detection of the Dumluca (Turkey) Iron Ore Area: Wavelet Cellular Neural Networks

Anomaly analysis is used for various geophysics applications such as determination of geophysical structure's location and border detections. Besides the classical geophysical techniques, artificial intelligence based image processing algorithms have been found attractive for geophysical anomaly analysis. Recently, cellular neural networks (CNN) have been applied to geophysical data and satisfactory results are reported. CNN provides fast and parallel computational capability for geophysical image processing applications due to its filtering structure. The behavior of CNN is defined by two template matrices that are adjusted by a properly supervised learning algorithm. After training stage for geophysical data, Bouguer anomaly maps can be processed and analyzed sequentially. In this paper, CNN learning and processing capability have been improved, combining Wavelet functions and backpropagation learning algorithms. The new architecture is denoted as Wavelet-Cellular Neural networks (Wave-CNN) and it is employed to analyze Bouguer anomaly maps which are important to extract useful information in geophysics. At first, Wave-CNN performance is tested on synthetic geophysical data, which are created by a computer environment. Then, Bouguer anomaly maps of the Dumluca iron ore field have been analyzed and results are reported in comparison to real drilling results.     

Role of Geological and Geophysical Data in Modeling a Southwestern Alluvial Basin

A parameter-estimation technique based on existing hydrological, geophysical, and geological data was developed to approximate transmissivity values for use in a ground-water flow model of the Animas Valley, southwest New Mexico. Complete Bouguer gravity anomaly maps together with seismic-refraction profiles, geologic maps, geologic, geophysical, and drillers' logs, water levels, and pumping-test data provide insight into the transmissivity of bolson deposits throughout the basin. The transmissivity distribution was primarily based on reported pumping and specific-capacity tests in conjunction with complete Bouguer gravity anomaly maps and well log data. Reported transmissivity values were characterized by gravity values and well log data. In grid blocks lacking pumping and specific-capacity tests, transmissivity values were assigned based on the relationship of gravity values and well log data within the grid block to gravity values and well log data within other grid blocks for which transmissivity values are available. A two-dimensional, finite-difference, ground-water flow computer code was used to evaluate the effectiveness of the parameter-estimation technique. Although the trial-and-error method of calibration was employed, the actual computer time necessary for model calibration was minimal. The conceptually straightforward approach for parameter estimation utilizing existing hydrological, geophysical, and geological data provides realistic parameter estimates.     

中国东北地区重力场研究——利用改进的三方向小子域滤波划分主构造线及大地构造单元

利用重力异常进行大地构造单元的划分是区域重力资料处理与解释的重要任务.为了精细地划分中国东北地区大地构造单元及其分界线位置,对三方向小子域滤波进行了改进,探讨了改进的三方向小子域滤波的合理性.利用小子域及改进的三方向小子域滤波对研究区布格重力异常进行处理,并与欧拉反褶积反演结果进行对比分析.结果表明,改进的三方向小子域滤波在识别平面断裂的应用中具有更好的效果.综合分析东北地区布格重力异常特征、小子域和改进的三方向小子域滤波结果,划分出延续性较好、规模较大的断裂18条.对研究区重力异常进行了分区,描述了一、二级异常的分区特点,给出了东北地区大地构造单元的基本格架.黑河-齐齐哈尔-白城等重要构造线平面位置的确定突破了传统的重力异常分区模式,指出东北地区NE向构造具有走滑特征,且走滑距离具有由西向东逐渐增大的特点.     

Sea gravity data in the Gulf of Naples. A contribution to delineating the structural pattern of the Phlegraean Volcanic District

Bathymetric and gravity surveys were carried out from 1988 to 1994, in the Gulf of Naples (Southern Italy) to offshore extend the already existing Bouguer anomaly map. In order to improve the knowledge of the structural setting beneath the active Neapolitan volcanoes (Vesuvio, Campi Flegrei and Ischia), 862 stations were surveyed within the isobath of 400 m; at the same time, and about 2000 on-land gravity values were also collected. A new Bouguer anomaly map spanning the whole volcanic region was drawn from the final data set. Gravity anomalies were referred to the new absolute gravity station in Naples and computed according to 1980 Geodetic Reference System. Finally, a density value of 2200 kg/m³ was used in the computation of the Bouguer and terrain effects. We carried out the inversion of the gravity anomalies adopting a 2.5-D modelling along selected profiles crossing the investigated area. The interpretative models were constrained to data obtained from deep wells and other geophysical investigations.     

大别造山带东段重力异常多尺度分解及其构造意义

文中通过多源数据融合、模型构建、数据试验、二维离散小波变换和功率谱分析等方法获取了大别造山带东段深、浅部场源布格异常及其场源似深度,并结合地壳结构、地质构造、岩石圈有效弹性厚度和地震活动等资料,讨论了地壳深、浅部的结构特征及地震活动构造背景。结果表明,低频布格异常显示大别造山带东段与华北地块间深部构造缝合带在东部应位于青山-晓天断裂前缘,在落儿岭-土地岭断裂和商城-麻城断裂之间向N偏移至梅山-龙河口断裂之下,造山带南侧与扬子地块间深部构造缝合带位于襄樊-广济断裂以北约20km,造山带东侧与扬子地块间的深部构造转换带位于郯庐断裂带之下,造山带东段腹地显著的低频布格异常低值表明对应部位的莫霍面存在明显下凹,造山带内部的布格异常高梯度带表明其深部结构不完整;高频布格异常揭示肥中断裂、六安-合肥断裂、肥西-韩摆渡断裂和郯庐断裂带等主要断裂对地壳中上部密度结构的影响明显,落儿岭-土地岭断裂对地壳中上部密度结构的影响范围向N延伸至肥西-韩摆渡断裂前缘。结合地震活动资料进一步分析认为,大别造山带东段与华北地块在青山-晓天断裂前缘附近接触和相互作用,且大别造山带东段地壳深、浅部结构均不完整,不利于应力积累,趋向于在断裂交错的脆弱部位频繁释放应力,是霍山地区小地震活动频繁的主要原因。     

Direct interpretation of 2D potential fields for deep structures by means of the quasi-singular points method

The founder of the Russian school of direct interpretation of potential fields (with minimal prior geological‐geophysical information) was V.M. Berezkin, who introduced the operator of total normalized gradient for the 2D interpretation of profile gravity data sets. This operator was successfully applied in searches of hydrocarbon reservoirs. The further development of this approach (the so‐called quasi‐singular points method) has allowed solution also to various structural problems, using mathematical criteria for the transition from extremes of total normalized gradient fields to coordinates of anomalous sources. The main numerical evaluation strategy is based on stabilized downward continuation of field derivatives and specific use of the filtration properties of Fourier series approximation. The characteristic properties of the quasi‐singular points method are: 1) presentation of a more general total normalized gradient function through additional parameters (derivative order m, form of smoothing function Q, number of Fourier coefficients N* with maximal N), optimum values being chosen during a peak‐spectrum analysis of the interpreted function; 2) calculation of the set of total normalized gradient fields for various values of N*/N, representing coordinate systems {x,N*/N} as an ‘axes tree’ of extrema, where each 2D total normalized gradient field is representationally compressed in a 1D line, permitting a) immediate overview of the positions of the axes in all variants of the calculated fields and b) reduction of the retained information, as required in subsequent interpretation; 3) development of two criteria for transition from extrema of total normalized gradient fields to the coordinates of anomaly sources. The quasi‐singular points method is intended for tracing limiting gently‐sloping boundaries, if their micro‐relief features are sources of the interpreted anomaly but sub‐vertical contacts may also be traced. The method has been tested in delineating various geological structures. One of the most challenging, successfully achieved, was tracing of the Moho discontinuity and study of the upper mantle, using only Bouguer anomaly data along interpretation profiles. This is attested in an example of two regional profiles intersecting the European part of Russia. The central part of one of them coincides with the results from a deep seismic profile.     

中国东部及其邻域岩石圈底界面特征及地震活动性

对布格异常采用小波变换场分离技术得到深部重力异常，利用其他地球物理方法获得较可靠的先验信息作为约束，并采用球谐函数的级数解形式对中国东部及其邻域的深部重力异常进行联合反演，获得了该区岩石圈底界面的展布图像；同时对岩石圈底界面特征和强地震分布特性进行了讨论，指出中国东部及其邻域在地貌分布、各种地球物理场和岩石圈结构等方面都明显地具有分区性，很可能与深部岩石圈底界面的变化有关，而岩石圈底界面的形态的差异将对岩石圈层的运动和一系列地质过程产生重要作用，强地震活动的分布也与深部岩石圈界面形态和构造环境密切相关.