大数据时代的地球动力学数值计算方法回顾与展望

随着大数据时代的到来,计算地球动力学数值计算方法体系更加完善.本文系统地回顾了传统数值模拟方法在计算地球动力学领域的应用进展,包括:有限差分法、有限单元法、谱方法和谱元法;并对近年来一些新发展的算法和应用前景进行了综述,如:不连续Galerkin法、小波方法和格子玻尔兹曼方法等.本综述有助于读者以整体视角了解地球动力学数值计算方法的发展脉络,并对大数据时代下研究适应日益丰富的数据和新算法提供有益参考.     

山西地震重力监测网起算基准扰动分析

在精细处理山西省地震重力监测网全部观测资料的基础上,研究了经典平差中起算基准的稳定性及其对平差结果的干扰.采用最小二乘拟合方法,消除了起算基准对区域重力场动态变化的影响.结果表明:2010年山西阳曲地震前后的重力异常明显,反映了地震孕育的基本信息.因此,在处理地震重力监测资料和分析地震重力异常时必须修正起算基准的干扰.     

龙门山断裂带及其周边地区重力场 和岩石层力学特性研究

继2008年汶川M_S8.0地震之后, 2013年4月20日又发生了芦山M_S7.0地震, 两次地震的发震构造同属龙门山断裂带. 根据最新的重力和地形资料, 采用岩石层弹性板模型, 计算了龙门山断裂带及其周边地区的二维岩石层有效弹性厚度分布, 并从岩石层的力学特征分析了穿过两次地震震中位置的重力剖面特征; 结合以往在该地区的研究成果, 分析了岩石层的力学变形问题. 结果表明, 以龙门山为界, 四川盆地所在的扬子板块弹性厚度为33(±4) km, 龙门山西北的松潘—甘孜地块的弹性厚度为13(±4) km, 两侧岩石层存在明显的力学强度差异. 包括两次地震震中范围的龙门山断裂带南部区域的有效弹性厚度值小于北部地区, 说明该区域的岩石层更容易发生变形, 可以解释在构造上具备强震发生的岩石层动力学条件.      

饶阳凹陷中部地区古近纪构造变形及控制因素

饶阳凹陷中部地区由北向南古近纪构造变形存在着明显差异。本文基于三维地震地质构造解释详细研究了饶阳凹陷中部地区古近纪沉积序列、凹陷结构特征及主干断层活动性差异。研究发现,位于饶阳凹陷东部边界的献县拆离断层,在新生代仍然显著活动,并控制饶阳凹陷的盆地变形。运用变形平衡原理恢复各地层沉积时期拆离断层深度及形态变化,探讨饶阳凹陷中部地区古近纪构造变形与拆离断层构造变形间相互关系。研究结果表明,受拆离断层面空间构造形态变化的影响,饶阳凹陷中部地区由北向南古近纪断陷结构明显不同;拆离断层上盘的主干断层在孔店组-沙四段(E_(1-2)k-E_2s~4)、沙三段-沙二段(E_2s~3-E_2s~2)、沙一段-东营组(E_3s~1-E_3d)沉积期非继承性活动,导致地层沉积中心发生自东向西迁移,并且局部地区由于受拆离断层下部伸展穹隆的隆升而造成上覆沉积盖层遭受剥蚀。拆离断层及上盘主干断层活动差异共同控制着饶阳凹陷中部地区古近纪的构造变形和演化。构造几何学及运动学特征的分析为探讨华北克拉通新生代构造演化及油气聚集特点奠定了重要基础。     

贝叶斯同化重力反演方法构建龙门山地壳密度模型

重力异常对地壳横向密度变化敏感,而无约束重力反演得到的密度模型其垂向分辨能力往往不理想.为了改善反演结果的垂向分辨率,本文参考已有先验分层模型,基于贝叶斯原理,提出了一种重震联合反演的新策略,可实现多种参考模型和复杂加权参数条件下的最大后验概率估计.理论模型测试结果表明,对于深度加权、多参考模型约束等多种问题,本文提出的新方法都可以稳健地获得最优化的模型参数.本文同时以中国地震科学台阵在龙门山地区及周边的一维接收函数分层模型和地震层析成像结果为参考,通过此方法对该区的重力异常进行反演,获得了该区的高精度三维密度结构,其水平分辨率优于10 km,垂直分辨率优于5 km.结合四条通过汶川和芦山地震震中的剖面进行分析后发现,反演得到的密度结构模型在过强震震源区位置横向变形显著,其揭示的分层地壳结构和变形模式与地表已知断裂构造具有相关性.本文提出的重震联合反演新策略,可为研究潜在强震风险源区的地壳结构和物性特征提供有效的科技方法支撑.     

寄语

在地球物理领域,重磁位场方法历史悠久,本世纪以来空间对地观测技术发展迅速,卫星和航空重力场、磁场观测数据及模型产品层出不穷.另外,以高稳平激光和量子技术为代表的各种新型绝对重力仪和成套装备也相继面世,这不但为四维时变微重力场研究提供了有力武器,而且也为传统地球物理学研究带来了新的机遇与挑战.     

青藏高原重力场与壳幔结构分析

本文基于重力资料, 分析了青藏高原壳幔结构模型、 高原陆内形变动力学条件、 高原深部物质运动特征及动力学机制。 研究表明, 重力布格异常和自由空间异常除了分别反映大地水准面之下的“剩余”密度信息和大地水准面之上的“附加”密度信息之外, 还可以组合在一起反映壳幔结构的流变学信息。 在整体处于Airy 重力均衡状态下, 如果局部布格异常与空间异常同向减小, 则是弱地壳强地幔的反映; 如果布格异常减小空间异常增大, 则是强地壳弱地幔的反映。 笔者认为, 青藏高原南部多为强地壳弱地幔地段, 东部既有强地壳弱地幔地段, 也有下地壳柔性-上地幔脆性地段, 北部多为弱地壳强地幔地段。 高原南北两侧板块边界的挤压力对高原做功, 重力位能使高原物质向低位势转移, 产生流变变形, 导致南区和北区主要为挤压变形区, 东区主要为构造伸展-侧向挤出区。 由于壳幔结构的差异, 不同地区驱动变形所需位能大小不同。 相同位能条件下, 南部更易于隆升, 东部更易于流变伸展。     

起伏地形条件下流动重力数据处理方法研究

当前在我国大陆基于固定测点的流动重力重复测量是获取区域性重力场变化信号的主要观测手段.通过定期的重复测量,可以了解重力异常变化的空间特征,这些变化信息与区域构造变形和多种动力学过程密切相关.     

剩磁影响下磁性体磁化方向估计的一种简单算法

磁测资料处理解释通常需要已知场源的磁化方向信息.在剩磁影响下,总磁化方向与感应磁化方向并不一致,这使得处理解释变得复杂.本文研究提出从近等轴状磁总场异常估计磁化方向的偶极源互相关法,即用磁偶极源的理论磁异常与实测磁异常作互相关,用一系列递变的偶极源位置和磁化方向做试错,取互相关最大化对应的磁化方向作为估计结果.理论数据试验和中国西北某金属矿勘探区航磁资料试验表明本文方法能从近等轴状磁异常有效估计出总磁化方向.     

离散时变重力数据的可视化、指标量定义与解释

针对流动重力观测获得的数据成果特点,提出一种基于流动重力段差变化的时变重力数据可视化方法,并定义了两个指标量G值和C值,用以评价区域性重力场变化的显著性程度.在此基础上,应用该方法处理和分析了首都圈地区的流动重力数据.结果表明:与传统采用等值线方式来刻画时变重力场特征不同,该方法更能突出发生变化的重力测点位置、测量误差及其变化的显著性程度,可为研究与地震孕育、发生过程有关的重力场变化提供更多的定量依据.