利用实测重力垂直梯度反演长白山地区一剖面的深部构造

针对重力梯度高分辨率的特点,利用在长白山地区实测的重力垂直梯度数据,采用梯度空间参量图反演其深部构造。台阶模型试验表明: 重力梯度空间参量图能给出构造倾角和倾面的信息,结合重力梯度剖面和梯度空间参量图可以构建出地下构造的几何模型,进而对一些复杂构造进行解释。通过对比实测布格重力异常和实测重力梯度异常,重力梯度比重力异常的分辨率更高; 将梯度法应用到实测重力梯度数据的处理中,结果表明: 该方法对确定密度变化界面的水平位置和深度具有非常好的效果。     

基于FastICA算法的高光谱矿物丰度反演

高光谱分离是定性与定量岩矿分析的核心基础。仿真数据和测量数据可通过FastICA算法处理,计算混合像元中端元数量及端元光谱,并根据计算结果进行丰度反演。实验结果表明：FastICA算法即使在端元光谱、混合矩阵未知且没有任何先验知识的情况下,也能有效分离岩矿高光谱混合像元并得到端元的估计光谱,从而实现矿物识别和矿物丰度反演;但当混合像元中参与混合的端元光谱相似度较高或端元光谱的非高斯性较低时,混合像元的分离精度将降低,混合像元的分离精度越高,端元丰度反演结果越准确。     

倾斜裂缝地层qP波方位反射系数椭圆特征研究

倾斜定向排列裂缝地层可以等效为TI介质,根据TI介质弹性波反射透射方程,模拟了上覆各向同性泰勒岩/下伏含有倾斜裂缝的奥斯汀白垩岩模型qP波方位反射系数。通过将qP波方位反射系数拟合成椭圆,研究了裂缝密度、裂缝倾向、裂缝倾角与椭圆参数的关系。研究发现,随着裂缝密度增大椭圆扁率也在增大,裂缝倾向与椭圆中心点方位相差180°,裂缝倾角与椭圆中心点到坐标原点距离存在一定的对应关系。本研究可以为预测倾斜裂缝地层提供一定的理论支撑。     

基于贝叶斯理论面波频散曲线随机反演

面波频散曲线反演是获得地下横波速度结构的重要地球物理方法。常规基于迭代最小二乘等线性反演方法依赖于初始模型,且存在多极值、容易陷入局部最小、反演精度低等问题。基于贝叶斯理论的随机反演方法是一种可以融合先验信息的非线性反演方法,该方法无需人为给定初始模型,仅利用先验信息对模型进行随机采样,根据概率分布筛选接受合适的后验概率密度估计结果,可达到对细节信息的准确估计。本文针对瑞利面波频散曲线,提出了基于GPR数据先验资料约束的贝叶斯马尔科夫蒙特卡洛(MCMC)随机反演方法,通过随机改变模型参数并计算其频散曲线与实际频散曲线的似然函数来选择是否接受新的模型参数,不断重复此过程,最终得到与实际频散曲线拟合效果最佳的最优解以及横波速度解的后验概率密度分布。通过理论模型以及实际数据反演测试,验证了该方法与常规无约束的随机反演相比,可以有效地提高反演速度和反演精度。     

基于非结构化网格的重力梯度张量反演

由于重力梯度张量是重力位的二阶导数,与传统的重力测量相比,重力梯度张量具有更高的分辨率,并且重力梯度张量具有5个相互独立的分量,包含了更多的地下空间信息和密度信息,因此将重力梯度张量数据应用到反演中可以得到较好的反演结果。非结构化网格具有很强的几何适应性,能够较好地拟合复杂异常体的边界,通过非结构化网格对反演目标区域进行离散,可以降低剖分误差,从而提高计算精度。为了降低反演过程中的多解性问题,将地球物理反问题的广义正则化目标函数应用于基于非结构化网格的三维重力梯度张量反演中,推导了相关公式,实现了各分量的独立反演,并阐述了深度加权函数在反演过程中的作用。为了充分利用重力梯度张量各分量所携带的密度、空间信息,将5个独立的分量进行了联合反演,反演结果表明,基于非结构化网格的三维重力梯度张量反演能够较好地反映地下异常源的物性分布和赋存位置。通过与长方体网格反演结果对比,本反演方法突出了非结构化网格反演的优越性;最后,通过较复杂组合模型的计算证实了方法的实用性。     

基于分形先验信息的非线性反演

基于分形先验信息的非线性反演方法能综合利用测井数据和地震信息,在贝叶斯框架下,通过分形高斯噪音算法得到基于分形理论的先验信息,然后根据地震资料构建似然函数,最终利用基于快速模拟退火算法(Very Fast Simulated Annealing,VFSA)改进的粒子群优化(Particle Swarm Optimization,PSO)算法(VFSA-PSO)实现后验概率密度的抽样。与确定性反演结果相比,该方法能够有效地融合测井资料中的高频信息,提高反演结果的分辨率,并且目标函数的建立融合了确定性反演中的低频约束,从而得到宽频带的反演结果。数值模拟试验表明:基于分形先验的非线性反演结果与理论模型吻合较好,实际资料的应用效果也证明了该反演方法的有效性。     

大地电磁法的1D无偏差贝叶斯反演

应用贝叶斯理论对一维(1D)大地电磁反演问题进行无偏差不确定度分析。在贝叶斯理论中,测量数据和先验信息包含在后验概率密度函数(PPD)中,它可以解释成模型的单点估计和不确定度等贝叶斯推断,这些信息的获取需要对反演问题进行优化求最优模型和在高维模型空间中对PPD进行采样积分。采样的完全、彻底和效率,对反演结果有着重要的影响。为了使采样更有效、更完全,数值积分采用主分量参数空间的Metropolis Hastings采样,并采用了不同的采样温度。在反演中,同时采用了欠参数化和超参数化方法,数据误差和正则化因子被当成随机变量。反演结果得到各参数的不确定度、参数间的相关关系和不同深度模型的不确定度分布。COPROD1数据的反演结果表明模型空间中存在双峰结构。非地电参数在反演中得到了约束,说明数据本身不仅包含地球物理模型信息(电导率等),还包含了这些非地电参数的信息。     

利用重力梯度反演南海西南海盆深部构造

重力梯度异常反映的是重力异常的变化,其分辨率比重力异常高。重力梯度空间参量图能给出构造倾角和倾面的信息,结合重力梯度剖面和梯度空间参量图可以构建出地下构造的几何模型,进而对一些复杂构造进行解释。本文利用重力梯度异常对南海西南海盆进行了解释,得到大致以西南海盆北东向扩张轴为对称轴的穹隆状构造面。该构造面在西南海盆下6~15km处形成一个密度界面,此界面可能是西南海盆北西-南东向海底扩张期间地幔上隆所引起的。      

透岩浆流体作用与矿田构造

从透岩浆流体成矿理论的角度对矿田构造进行了重新认识,提出矿田构造系统是一种复杂性动力系统的观点。根据这个模型,矿田构造是近场应力场与远场应力场强烈相互作用的产物。近场应力场由岩浆成矿系统而不是远场应力场派生,因而不能由矿田构造反演区域构造,但可以从区域构造限定矿田构造。矿田构造常有岩脉和热液脉充填,因而是可识别的。利用构造统计学方法,可以根据岩脉和/或热液脉的分布密度图(或等值线图)预测找矿靶区。     

二维地层结构和速度的走时反演

介绍了在倾斜均匀各向同性层状介质情况下,根据地震反射走时反演二维地层结构和地层速度的地震射线层析成像方法——走时反演。正演模型射线追踪是根据Fermat原理实现的,即求解满足该原理的非线性方程组得到射线与界面的交点,进而计算相应的走时。反演是先假设一初始模型,用最优化方法使射线追踪走时与观察走时的残差极小。最后计算了分辨矩阵和信息密度矩阵,以评价反演结果。对有噪情形也进行了反演。     

A 3-D lithospheric model of the Caribbean-South American plate boundary

A 3-D structural model of the Caribbean-South American plate boundary was constructed by gravity modeling. The model was constrained by four wide-angle seismic refraction sections, Moho depth estimations from receiver functions, and additionally seismological hypocenters, surface geology, and geodynamic information. Density values were calculated from empirical velocity-density functions, and mineralogical-chemical composition considering specific P/T conditions. We tested different structural models for Western and Eastern Venezuela. In the final model, the fit of the measured and modeled gravity fields for a long Caribbean slab in Western Venezuela was better than the fit obtained for a short one. This interpretation is consistent with the constraining data. The slab is interpreted to extend further to the south beneath Northern Colombia and culminates in the area of the seismic cluster of the Bucaramanga nest. The modeling estimates a slab dip angle under Maracaibo and Mérida Andes of 15°, which increases to 32° below 100 km depth. The dip direction of approx. N150°E ± 5 increases lightly eastward. In Eastern Venezuela, considering its short wavelength, lineaments analyzed from gravity data (by curvature methods and Euler deconvolution) seem to be related to shallow structures and density contrast in the Serranía del Interior and not from a deep detached slab beneath the continental crust. It is deduced from modeling results that this slab configuration has a very small influence on the gravity field. The slab was modeled according to the subduction-transform propagation model with purely westward subduction and a slab break off along a vertical dip-slip tear through the lithosphere.     

江苏如东洋口地区断裂特征及其意义

结合已有地热钻孔采用多种物探方法研究了江苏如东洋口地区断裂的空间展布特征。研究结果表明,洋口地区分布3组断裂,分别为隶属滨海断裂的北西向雁行型次级断裂、近东西向栟茶河断裂及海安-河口断裂。北西向雁行型次级断裂为4条,主要分布于洋口地区北段及老坝港地区,断裂陡倾,倾向北东,倾角70°-80°,推测切穿至新近系。栟茶河断裂由3条次级断裂组成,主要分布于洋口地区中段,断裂走向近东西,倾向北,整体呈曲折状延伸,倾角60°-80°。结合以往地震地质特征以及地热钻孔资料,认为栟茶河断裂为活动性断裂,切穿了第四纪全新世地层,全新世地层断距较小。断裂的活动性影响如东洋口经济开发区的建设与发展。海安-河口断裂自海安延伸至洋口地区南段,走向近东西,倾向南,倾角约为70°,切穿古近纪地层。洋口地区断裂的分布与该地区地热资源分布具有良好的对应关系,其对于该地区地热资源开发具有良好的指导意义。      

喜马拉雅及其邻区的重力异常、岩石圈构造与板块动力模型

本文按统一比例尺编制了印度-青藏地区1°×1°重力异常图和地形高程图,并用滑动平均方法得到了本区5°×5°重力异常图。用地改后的1°×1°重力异常,采用组合体模型人一机联作选择法,计算了横跨印度-青藏-蒙古长达4680km的岩石圈剖面,还给出了一个楔形体重力正演公式。基本结果有:(1)MBT、MCT的倾角为10°±5°,ITS、NS、KS的倾角为75°±5°;(2)地壳滑脱面的深度在青藏之下约20km,向高喜马拉雅、MCT、MBT抬升至15km;(3)青藏高原南、北边缘均为岩石圈结构的斜坡带,界面倾角由上向下而增大。在大、小喜马拉雅之下,壳内界面(Ⅰ、Ⅱ)的倾角约12°,Moho倾角为18°,岩石圈底面倾角约36°。在祁连山带所有界面倾角都小于喜马拉雅带,其中壳内界面倾角仅约1°,Moho倾角约2°,岩石圈底面倾角约12°;(4)岩石圈厚度由印度、蒙古向高喜马拉雅和祁连山带逐渐增加,与青藏岩石圈的边缘上翘形成主动俯冲和相对逆冲势态。印度岩石圈厚度(或上地幔顶部低密层埋深)不超过50km,蒙古高原(南)厚约70km,到高喜马拉雅和祁连山下分别增加至145和122km,青藏中心地带(怒江两侧)岩石圈厚135km,向南,北边缘各减小到120和90～102km,在高喜马拉雅和祁连山下面形成25和10km的断差;(5)在青藏Moho之下厚5km的高密薄层和软流层之间有一密     

梯度法解释复杂二维断裂重力异常

对以往的二维断裂重力异常的梯度解释方法作了几点改进:①采用最小二乘拟合方法求取台阶倾角α;②直接利用台阶倾角与台阶的水平边界位置来计算台阶的埋深;③将重力二维梯度解释方法推广到复杂断裂模型的解释。文中详细论述了这种方法的原理, 给出了其具体实现步骤。该方法比起以往重力梯度解释方法, 应用更加简便而且解释结果更加稳定。用该法成功地解释了某油气盆地的实测重力资料。     

碰撞带倾角和摩擦系数对陆-陆碰撞变形的影响

借助一个简单的大陆与大陆碰撞模型,即把两个大陆的碰撞简化为两个粘弹性块体的碰撞,两个块体之间的不连续变形面对应两个大陆之间的碰撞断裂带,运用三维粘弹性拉格朗日非连续变形有限元(LDDA)方法,通过分析模型中不连续变形面的存在对两个粘弹性块体碰撞变形的影响,探讨了大陆碰撞断裂带的倾角和摩擦系数对两个大陆碰撞变形影响的一般规律,给出了大陆碰撞变形的一些显著的特点。尽管运算模型的几何尺寸、边界条件等参考了印度和欧亚大陆碰撞的实际特征,但所得结果适用于更一般的情况。研究结果表明,碰撞断裂带倾角和摩擦系数对陆-陆碰撞变形有着重要的影响。当断裂带倾角在15~30°时,两个大陆板块碰撞导致的仰冲板块一侧隆升高度相对更大,利于形成高大的山脉,其中以15°倾角对应的仰冲板块一侧隆升最高;当断裂带倾角在30~45°时,两个大陆板块碰撞导致的俯冲板块的俯冲深度相对更深,利于形成深陷的盆地,其中以45°倾角对应的俯冲陆块一侧俯冲最深;当断裂带倾角≥75°时,两个大陆板块之间的相对俯冲和仰冲作用变得不明显。碰撞断裂带摩擦系数越小,碰撞过程中两个大陆板块之间相对俯冲和仰冲作用越强,形成高大的山脉和深陷的盆地要求碰撞断裂带摩擦系数≤0.2。从大陆与大陆碰撞变形构造特征看,除发育前陆盆地-山脉系统外,在仰冲陆块一侧靠近造山带后缘还发育呈不对称结构的挤压性凹陷,当两个大陆板块碰撞断裂带倾角在15~30°时,该类型凹陷更容易形成,其中以30°倾角对应的凹陷最深,反映其形成可能是大陆碰撞过程中陆块之间相对俯冲和仰冲运动的综合结果。     

Source parameters of 1<Superscript>st</Superscript> April 2015 Chamoli earthquake (Mw 4.8) vis-à-vis seismotectonics of the region

The paper presents a detailed analysis of 1^st April 2015 earthquake, whose epicenter (30.16° N, 79.28° E) was located near Simtoli village of Chamoli district, Uttarakhand. The focal depth is refined to 7 km by the grid search technique using moment tensor inversion. The source parameters of the earthquake as estimated by spectral analysis method suggested the source radius of ~1.0 km, seismic moment as 1.99E+23 dyne-cm with moment magnitude (Mw) of 4.8 and stress drop of 69 bar. The fault plane solution inferred using full waveform inversion indicated two nodal planes, the northeast dipping plane having strike 334° and dip 5° and the southwest dipping plane with dip 86° and strike 118°. The parallelism of the nodal plane striking 334° with dip 5° as indicated in depth cross sections of the tectonic elements suggested the north dipping Main Boundary Thrust (MBT) to be the causative fault for this earthquake. Spatio-temporal distribution of earthquakes during the period 1960-2015 showed seismic quiescence during 2006-2010 and migration of seismicity towards south.     

Discrete element method modeling of inherently anisotropic rocks under uniaxial compression loading

A new numerical approach is proposed in this study to model the mechanical behaviors of inherently anisotropic rocks in which the rock matrix is represented as bonded particle model, and the intrinsic anisotropy is imposed by replacing any parallel bonds dipping within a certain angle range with smooth‐joint contacts. A series of numerical models with β = 0°, 15°, 30°, 45°, 60°, 75°, and 90° are constructed and tested (β is defined as the angle between the normal of weak layers and the maximum principal stress direction). The effect of smooth‐joint parameters on the uniaxial compression strength and Young's modulus is investigated systematically. The simulation results reveal that the normal strength of smooth‐joint mainly affects the behaviors at high anisotropy angles (β > 45°), while the shear strength plays an important role at medium anisotropy angles (30°–75°). The normal stiffness controls the mechanical behaviors at low anisotropy angles. The angle range of parallel bonds being replaced plays an important role on defining the degree of anisotropy. Step‐by‐step procedures for the calibration of micro parameters are recommended. The numerical model is calibrated to reproduce the behaviors of different anisotropic rocks. Detailed analyses are conducted to investigate the brittle failure process by looking at stress‐strain behaviors, increment of micro cracks, initiation and propagation of fractures. Most of these responses agree well with previous experimental findings and can provide new insights into the micro mechanisms related to the anisotropic deformation and failure behaviors. The numerical approach is then applied to simulate the stress‐induced borehole breakouts in anisotropic rock formations at reduced scale. The effect of rock anisotropy and stress anisotropy can be captured. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

定向钻进钻头运行轨迹调控

在定向钻孔施工中,结合地层促斜规律进行跟踪设计,控制钻头运行轨迹十分重要。实践证明,在具层理的二叠系地层中定向钻进,当钻孔定向弯曲方向相逆于岩层倾向(α=65°～80°),常规稳斜孔段自然弯曲表现为增斜;当钻孔定向弯曲方向相顺于岩层倾向(α=45°～65°),常规稳斜孔段自然弯曲表现为降斜,其顶角变化率均为1°～3°/100m。同时,钻孔方位也发生漂移,其方位漂移率为10°～30°/100m。因此在调整增斜孔段的终点方位和顶角时,要为稳斜孔段预留提前量。在定向造斜时,造斜钻具的工作角(β)决定着钻孔轴线的空间位置变化,理论计算的β值经过修正后才能作为造斜器在孔内的装置工作角(ω_0)。