脉动压力的紊流分形特征

通过对脉动压力信号时间序列的分析证实了紊流的分形特征.首先,计算脉动压力信号时间序列的关联维数,并将其与动力系统相空间中图形结构的维数联系起来.分析表明,关联维数D_C随嵌入空间维数的不断增大而逐渐趋于定值6C<7,从而证明了相空间中稳定、低维吸引子的存在,也即证明了紊流内在有序性的存在.其次,用线截法从压力信号推求等压面的维数,发现等压面维数随不同压力值的分布与压力脉动的概率密度分布一致,概率密度越大,等压面维数也越高,且等压面的分形特性是局部存在的.     

分形多孔介质孔隙微结构参数与渗透率的分维关系

根据分形几何理论的基本概念,就无序分形多孔介质孔隙率φ和渗透率K与多孔介质结构分数维数Df的关系进行了推导,利用Sierpinski固相分形体(Solid mass fractal)与孔相分形体(Pore mass fractal)概念对分形多孔介质微结构特征、孔隙累积数量-尺寸分布和孔隙率φ等参数及其物理关系给予了详细论述,定量地分析和讨论了基于不同模型的渗透率-分形维数关系与它们的差异.     

矿井涌水量时间序列的长程相关性分析及分维数估算

根据矿井涌水量实测数据,探讨了矿井涌水量时间序列的两个重要特性,即:长程相关性和统计自相似特性。利用小波分析和分形理论在多尺度分析和自相似本质上的一致性,把小波分析和分形理论引入到矿井涌水量时间序列的分析中,得到矿井涌水量时间序列小波变换系数,在此基础上,提出了矿井涌水量时间序列分形维数的小波计算方法,并对巷道涌水量和回采工作面涌水量时间序列的分维值进行了计算,验证了小波分形维数估计法在提取矿井涌水量中所具有的分形特征信息是稳定的和可靠的。     

矿井构造系统的混沌时间序列分析

基于实测的煤层底板的倾角、断层强度、断裂信息维等描述矿井地质构造的指标数据,依据地质构造具有自相似的特性,模拟了矿井地质构造演化的时间序列,并通过重建相空间的方法,计算了时间序列的关联维。实例分析表明:矿井地质构造系统的状态吸引子为混沌吸引子,其演化具有混沌特征;揭示了描述矿井构造系统相空间所需的状态参量维数的大致范围;倾角累计值指标包含了褶皱和断层的多重信息,更能反映系统的混沌特性,其反映的维数更接近于描述混沌系统相空间所需的维数真实值。该方法对矿井构造定量预测和矿井地质保障系统研究具有重要的实践意义。      

大地电磁资料的分形特征

分形理论是研究一类无规则、非线性但具有自相似性的无序系统。这个无序系统的维数一般是分数。分数维的大小可以反映系统的复杂性，揭示系统的本质规律。本文利用功率谱分析法来揭示大地电磁资料的分形特征，并简单分析分数维在大地电磁中的地质意义。发现当地下电性分布均匀时，电、磁场分量的自功率谱都服从对数坐标轴上的线性分布；而遇到电性不均匀体时，功率谱的线性发生畸变。     

南洞地下河月径流时间序列的混沌特征及预测

利用基于相空间重构技术、混沌识别与预测理论对1993-2013年南洞地下河月径流时间序列的非线性特征进行了分析,由所获得的延迟时间和最佳嵌入维数实现了月径流时间序列的相空间重构,运用饱和关联维数法和小数据量法计算出南洞地下河月径流时间序列的饱和关联维数和最大Lyapunov指数,并运用Volterra模型对南洞地下河月径流时间序列进行了多步预测研究。研究结果表明,南洞地下河月径流时间序列相空间重构的延迟时间和最佳嵌入维数分别为τ=5、m=8,饱和关联维数D和最大Lyapunov指数λ分别为4.63、0.748 9,从定性和定量的角度证明了南洞地下河月径流时间序列具有弱混沌特征。Volterra自适应滤波模型的预测结果能较好地表征南洞地下河月径流的变化趋势和规律,对18个月内的短期预测精度较高,模拟效果较好。      

多孔介质中溶质有效扩散系数预测的分形模型

依据分形理论和方法,探索溶质在多孔介质中的有效扩散系数的替代预测方法。在多孔介质溶质扩散的弯曲毛细管束模型的基础上,以分形维数作为介质的基本几何特性参数,建立了多孔介质中溶质扩散的分形毛细管束模型,推导出了溶质有效扩散系数与介质孔隙度之间的幂定律关系式,幂指数是介质孔隙分维和表面分维的函数,反映了介质孔隙体积的层次分布与孔隙通道曲折程度对扩散的影响。对粘性土的分形维数测定数据和有效扩散系数试验测定数据的分析表明,利用该关系式预测多孔介质中溶质的有效扩散系数是较为准确可靠的。     

地下水水位时间序列中的混沌特征

利用相空间重构技术、G -P算法以及Wolf提出的从单变量中提取Lyapunov指数的方法 ,分别计算了太原盆地 4组地下水水位时间序列的关联维数和Lyapunov指数。结果揭示在自然状态下 ,太原盆地某些孔隙潜水和孔隙承压水水位变化存在明显的混沌特征。这不仅为以后建立水位预测模型提供了理论依据 ,并且也为运用分形理论研究地质参数的时空变异性以及含水层结构的自相似性提供了进一步的支持。     

碳封存砂岩储层的孔隙迂曲度分形特征研究

目前“双碳”减排的背景下,砂岩咸水层是最具潜力的二氧化碳封存介质,其孔隙结构特征决定了流体的运移及封存效率,对其进行研究具有重要的科学意义。分形维数常用于定量表征砂岩孔隙结构在三维空间中的分布规律,但以往对砂岩孔隙迂曲度分形特征进行研究时,多依赖于孔隙率、平均孔隙半径、平均迂曲度等特征值计算分形维数,并不能很好的反映岩石孔隙排列分布及孔隙连接的非均质性。文章将砂岩孔隙结构概化为具有迂曲度的毛细管,首先通过核磁共振成像（MRI）技术获取岩石片层图像,以盒维数法获得孔径分布分形维数;随后以孔径分布分形维数为目标值,结合不同迂曲度下的毛细管数量与孔径的分形标量关系,迭代计算迂曲度分形维数。与传统的分形维数计算方法相比,该研究确定的迂曲度分形维数更能体现岩石内部不同孔隙排列方式引起的迂曲度差异。     

湘西金矿含矿石英脉厚度变化的分形和混沌分析

本文对湘西金矿主要矿脉的厚度变化进行了分形分析。各矿脉的厚度变化均具有分形结构特征,其中V1脉的分维值最小,V4脉的分维值最大;并且同一条矿脉在不同中段的分维值也有较大变化。通过对矿脉厚度变化的相空间重构,表明各矿脉厚度空间变化序列均为混沌演化序列,在相空间维数达到6～7时出现混沌吸引子,混沌吸引子的分维值为1.2～6.0。矿脉厚度变化的分维值越小,矿脉的平均厚度越大,其构造和流体活动也越强烈。构造变形、流体活动、矿物沉淀与岩石渗透率之间的非线性耦合作用以及矿脉通过连通而生长是导致矿脉厚度分形分布与混沌演化的主要动力学机理。     

湘西沃溪金锑钨矿床分形成矿动力学

随着分形理论的建立与发展 ,应用分形理论研究矿床分布及元素的分布与富集规律已经成为研究成矿作用的一个有力的新工具。文中对湘西沃溪金锑钨矿床金品位空间变化进行了分形与混沌吸引子分析 ,结果表明 ,该矿床金品位分布具有分形结构特征 ,并都呈双分形关系 ,分叉处的金品位与其平均品位相当 ,分维值可以指示成矿流体的运移方向。其金品位空间变化为混沌序列 ,在相空间维数为 8～ 1 0时 ,出现一个混沌吸引子 ,吸引子的维数变化于 1 .5 3～ 4 .72之间 ;表明其成矿流体的演化及金元素的沉淀富集成矿过程为混沌动力学过程 ,描述或控制本矿区金品位变化的独立变量至少需要 8～ 1 0个。总之 ,成矿物质的沉淀过程是一个复杂的非线性动力学过程 ,矿物在热液体系中通过构造应力、流体流动、流体岩石反应等之间的复杂非线性反馈作用 ,最终在合适部位沉淀下来 ,形成了各种具分形与混沌特征的矿床和品位分布     

第四纪研究的非线性科学方法

第四纪研究中最常用的非线性科学方法可能是分形理论、时间序列分析及混沌动力学。振荡在新构造运动和古气候变化中都是普遍存在的,它是介于有规振荡和混沌之间的中间阶段和过渡。分形理论可以描述地貌的状态和演化特征,混沌吸引子的分维又是混沌的一个重要参量。在时间序列分析中计算混沌吸引子的关联维、李雅普诺夫指数、赫斯特指数、柯尔莫果洛夫熵等可以更深入地揭示时间序列的性质,加深对演化过程的认识。     

砂岩Kaiser点信号识别特征研究

对岩石试件加载及破坏过程进行了声发射试验,根据参数分析法得到Kaiser点。采用FFT研究了Kaiser点信号的频谱特征。运用小波包分析方法,计算了Kaiser点信号的能谱系数。用混沌时序分析方法研究Kaiser点信号,运用关联积分法方法提取关联维数D,综合FNN法和互信息法得到合适的m、? 值重构相空间,计算Kaiser点信号的最大Lyapunov指数,研究声发射信号混沌动力特征。结果表明,Kaiser点信号具有混沌特征。     

0-1测试方法的径流时间序列混沌特性应用

径流时间序列混沌特性识别的常用方法是基于相空间重构的关联维数法、最大Lyapunov指数法和Kolmogorov熵法。引入一种新的时间序列混沌特性识别方法:0-1混沌测试方法。该方法直接应用于时间序列不需要相空间重构,并且通过量化指标K_c是否接近于0或1来识别时间序列的混沌特性。以Logistic映射生成的序列、金沙江流域和美国Umpqua河多年日径流序列为研究对象,首先利用0-1混沌测试方法进行了混沌特性识别和判定;然后基于相空间重构,运用相空间重构、伪最近邻点法、关联维数方法、最大Lyapunov指数法和Kolmogorov熵5种非线性研究方法分析了这两列径流时间序列混沌特性。研究结果表明0-1混沌测试方法简单有效。以上方法交互验证了该两列径流时间序列存在低维混沌特性。     

混沌理论与大气边界层湍流研究

简述了混沌理论的发展及其判别方法,阐明混沌理论的建立给大气科学中的湍流研究带来了新的启示;介绍了近期混沌理论在大气边界层湍流研究中的应用结果,这些结果表明大气边界层湍流具有很强的混沌特性,且存在低维奇怪吸引子。最后提出了有待进一步研究的问题。     

2.5Ma 以来古气候变化的混沌吸引子

利用2.5Ma以来经过时标调谐的宝鸡黄土剖面的粒度比值曲线,等时距(1000a)地重构了具2500个样本容量的时间序列。作者在分析此时间序列所记录的古气候变化的混沌特征后发现:2.5Ma以来的古气候是具有有限个自由度的复杂的混沌系统,吸引子关联维数为3.8,饱和嵌入维数为11,它的以最大Lyapunov指数和二阶Renyi熵表征的可预报时效(误差增大一倍所需时间)分别为0.66—0.76Ma和6600—7100a。已有的研究证明该剖面古气候时间序列的大部分时间区间受地球轨道参数的驱动,表明2.5Ma以来的古气候是一种混沌的与周期性的混合式振荡的动力系统。     

Fractal Method for Statistical Analysis Geological Data

This paper establishes the phase space in the light of spacial series data,discussesthe fractal structure of geological data in terms of correlated functions and studies thechaos of these data.In addition,it introduces the R/S analysis for time series analysisinto spacial series to calculate the structural fractal dimensions of ranges and standard de-viation for spacial series data,and to establish the fractal dimension matrix and the proce-dures in plotting the fractal dimension anomaly diagram with vector distances of fractal di-mension.At last,it has examples of its application.