我国深部探测技术与实验研究进展综述

深部探测技术与实验研究专项(SinoProbe,2008-2012)是我国历史上实施的规模最大的地球深部探测计划.专项开展了全国4°×4°、华北和青藏高原1°×1°的大地电磁阵列观测,建立了全国地球化学基准网(含78种元素),完成了青藏高原、华南-中央造山带、华北和东北等四条超长深地震反射剖面,部署了罗布莎、金川、腾冲、南岭、庐枞和铜陵等大陆科学钻探实验,开展了青藏高原东南缘和华北地区地应力监测;在我国东部长江中下游和南岭成矿带开展的矿集区立体探测卓有成效.同时,专项还开展了岩石圈三维结构与地球动力学数值模拟、大陆地壳结构与演化的综合研究.专项全面实施以来,已经完成约6000 km的深地震反射剖面,成功研究、实验了地壳与地幔深部探测的一系列技术方法,积累了丰富经验,极大地加快了我国深部探测的进度,在国内外产生了强烈的反响.专项实现了技术组合创新、技术进步与重大科学发现的并举,适应我国地质地貌条件和地壳/岩石圈结构特征,初步形成了具有不同层次、不同尺度、不同精度探测空间组合的深部探测技术方法体系,建立了若干各具地质特色的探测试验基地.专项实验已经取得了一系列重大突破与重要成果,深部探测关键仪器装备自主研发获得重大突破,为全面开展地壳探测工程的组织实施奠定了必要的技术基础.     

一种面向动态地球磁层的数据组织模型和高效检索

随着探测和考察手段的丰富,地磁观测数据大量增长且呈现出多源、多分辨率、异构等特点．传统的语义组织模型难以支持大规模异构数据的高效存储、处理与关联分析,应建立一种面向动态地球磁层的时空数据组织模型,在提高数据检索效率的基础上兼容多检索模式,以满足数据的高效检索、呈现、分析和过程事件的演化等应用需求．本文基于漂移壳对地球磁层进行多层级时空剖分及编码,实现了地球磁层时空框架的建模;结合多卫星能量粒子探测数据及辐射带粒子通量模型数据,设计了基于该时空框架的数据重组方案,进行了数据一致性验证;基于HBase数据库及HBase协处理器技术构建了重组方案对应的物理存储模型,并设计了查询算法用于对该模型进行实验验证．实验结果表明：本文提出的数据组织模型实现了数据和时空框架之间的有效映射,极大地提高了数据检索效率,并且兼容了语义检索、时空位置检索、时空关系检索等多种模式,为动态地球磁层大规模观测数据组织与高效检索提供了一种新方案．     

一种针对物探应用的多机并行计算框架

并行框架可方便利用现有计算资源组建"私有云"实现石油物探的高性能计算.该框架可在windows、Linux上运行,能发挥多机、集群乃至异构设备的硬件性能,适应地震采集室内和野外软硬件环境多样、差异大的现况.并行框架采用"平台+插件+工作流"方式实现,并利用"平台+插件"的方式提供可靠的多机运行环境;定义了一套通用插件接口,用户可以在不修改程序主体的情况下,以插件方式实现不同的并行算法,并"即插即用"的利用并行框架实现多机并行计算;实现了一套针对物探应用的多机并行计算过程规范,不但可定制复杂的作业流程,而且可以按流程来组织插件和网络资源高效的运作.并行框架以一种通用技术手段解决了物探算法种类多样、算法流程复杂、多机实现困难的问题,满足不同用户的差异化需求.基于此框架已经完成多个课题并行程序的开发与应用,极大的节省了计算时间.     

基于ArcGIS的遥感与地球物理考古探测数据综合管理系统研究

遥感与地球物理考古探测数据类型多样,然而各种探测数据因缺少综合管理和分析平台,使综合分析更加困难,从而限制了考古探测技术应用效果。在了解遥感与地球物理考古探测技术的基础上,本文对当前遥感地球物理考古探测数据管理系统进行逻辑和业务需求分析,构建基于ArcGIS Engine开发引擎和Visual Studio 2017平台的遥感与地球物理考古探测数据综合管理系统。系统通过分层次设计功能模块,实现考古探测数据的编辑、解释、分析以及数据之间的交互和管理。实际应用表明,对于遥感地球物理考古探测技术与地理信息技术相结合的思路和研究,能够提升遥感与地球物理考古探测数据的综合分析能力,促进考古探测技术的有效应用。      

土石堤坝隐患探测综合物探技术发展综述

土石堤坝是我国水利工程建设的重要组成部分,其隐患问题严重威胁着工程安全,随着地球物理探测技术呈现多样性发展,综合物探技术的研究对堤坝隐患的及时发现和治理有着极为重要的意义,通过对目前常用于土石堤坝隐患探测的地球物理探测技术原理和应用特性进行梳理分析,总结了常用物探技术的局限性和适用条件;概括了综合物探技术的体系原则,阐述了基于GIS的综合物探数据分析系统;指出了目前综合物探技术发展中存在的问题和局限性;提出了基于多源异构数据融合方法的综合物探数据融合技术;明确了建立基于数据融合与联合反演理论模型的可行性,为实现真正意义上的综合物探技术的发展提供了方向．     

用于深部探测的地震检波器低频拓展技术

利用地震探测的方法获得地球深部精细构造,从而增强深部资源勘探和重大地质灾害预测能力,是目前地球物理学研究的热点之一.本文简要回顾了国内外深部地震探测研究的历史,分析和解释了在精确深部地震探测中保护低频地震信号的重要性和必要性.在此基础上进一步阐述了地震检波器的低频特性对获取高质量深部地震数据的意义,重点归纳总结了如何利用伺服技术、闭环极点补偿技术以及力平衡反馈技术实现地震检波器的低频拓展,并以典型深部地震探测项目为例介绍了低频检波器在深部探测中的应用及主要取得的成果.最后,结合新型材料和新型加工技术,指出了未来深部地震检波器发展的主要方向.     

多尺度综合地球物理探测:揭示成矿系统、助力深部找矿——长江中下游深部探测(SinoProbe-03)进展

两个原因使我们必须开展深部探测.一是寻找深部资源,二是更好地理解形成和控制陆内成矿的深部动力学过程,预测新的矿集区.在深部探测专项、国家自然科学基金和地质调查项目资助下,作者在长江中下游成矿带及邻区开展了系统的多尺度、综合地球物理探测.包括:成矿带尺度的宽频地震探测及"廊带式"综合探测,矿集区尺度的骨干剖面探测和三维建模,矿田尺度的三维探测与反演模拟.探测结果在三个层次取得了一系列新认识和新发现,完善了相关探测方法技术.主要包括:揭示了成矿带岩石圈结构、深部过程及对成岩、成矿的控制,提出了成矿带形成的动力学模型,诠释了在狭窄的成矿带内形成大规模金属堆积的深部因素;揭示了典型矿集区地壳三维结构、组成和断裂分布,建立了矿集区三维结构模型和区域成矿模式,推断了主要控矿岩体、地层的空间展布,预测了新的找矿靶区;开展了"玢岩型"、斑岩型和热液型多金属矿床综合地球物理探测试验,总结了勘查模式,预测了深边部找矿靶区;提出了硬岩区反射地震数据采集设计、激发到接收的有效措施,探索了地震弱信号提取、噪声压制、静校正和偏移等处理新技术、新方法;提出了强电磁干扰区电磁去噪的数字形态滤波等技术,完善了二/三维带地形和考虑各向异性情况的电磁正反演技术.     

基于OpenGIS的地球探测信息综合解释平台

地球探测出现了大量的新技术和新方法,其应用也日益广泛,由于其技术和方法的多样性,致使地球探测数据的记录文件格式、处理方法、图形显示也是多种多样,庞杂无序,不便于保存、使用和管理.本文提出一种基于OpenGIS的地球探测信息综合解释平台,对多源、多尺度、多方法、海量多维地球探测数据进行整合,结合OpenGIS中的GDAS、GLS和WMS、WFS等规范,通过GIS平台进行数据融合,为专家进行综合解释、评价提供一个便捷、有效的工具.目前系统已经被实验室应用于一些项目中,实现了各种探测数据的集中管理和数据融合,提高了综合解释和评价效果.     

利用海底电缆探测太平洋地区地幔结构的研究进展

介绍了地幔电性结构、地幔温度、地幔含水量等参数对地球动力学和地幔动力学过程的重要科学意义,综述了近年来利用海底电缆在该领域的主要研究进展.本文首先介绍了日本利用海底电缆探测地幔深部结构的方法原理与发展历程,然后阐述了该方法的观测方式、观测系统与仪器,综述了国际上近年来利用海底电缆在环太平洋地区海底的观测资料进行地幔一维电导率结构、三维电导率分布的研究进展.基于海底电缆的观测数据进行反演的结果表明,太平洋海域地区地球深部存在410 km,660 km的电导率不连续面,此不连续面与地震资料的波速不连续面基本一致,为地幔不连续面提供了新的地球物理证据.在根据由海底电缆观测数据反演得到的太平洋地区地球内部电导率分布基础上,综述了综合深部地震波速、岩石高温高压实验等,将电导率的分布转换为地球内部的温度场分布、推导地幔过渡带水的浓度进而转换为地幔过渡带的含水百分比(含水量)的方法技术与研究进展.研究结果表明,夏威夷和北日本海地幔过渡带电导率异常主要受温度控制,菲律宾海域地幔过渡带的电导率异常除了和温度有关外,还受含水量影响,该处地幔过渡带的含水量大约在1％左右.这些研究表明,海底电缆探测方法,在地球深部探测尤其是地幔不连续面的探测、地幔温度场分布与特征、地幔含水量等方面有重要的作用.最后,展望了海底电缆探测方法的研究与发展,这些研究方法及成果对认识中国海域地球内部机构提供一定的参考.     

基于GeoMedia的考古探测综合解释系统

无损探测是考古研究的一种先进方法和手段,它是一种通过地球物理方法不用挖掘而直接探测地下遗迹、遗物的考古技术.目前地球探测技术拥有众多的方法和手段,不同方法和手段获得大量的不同尺度、不同格式的地球探测数据,为了更好管理和应用这些不同类型的庞杂的探测数据,并将探测结果与考古信息和历史记裁进行相互印证判断,我们利用Intergraph的GeoMedia GIS技术,以考古探测数据为基础建立了一套基于地球探测考古的数据存储、管理、分析以及多种方法综合解释的多功能地理信息系统.本文详述了其系统结构、实现流程,该系统被应用于国家科技攻关项目中,并且可推广应用.     

金属矿地球物理勘探技术与设备:回顾与进展

地球物理勘探技术是深部矿产资源勘查的主要技术手段.长期以来,我国地球物理勘查技术和仪器严重依赖国外进口,国产勘查技术无论仪器设备,还是方法、软件尚不能满足日益增长的深部矿产勘查需求."十二五"国家高技术研究发展计划（863计划）资源环境技术领域设立了"深部矿产资源勘探技术"重大项目,以提高深部矿产资源探测的深度、精度、分辨率和抗干扰能力为目标,研发高精度重磁探测技术、电法及电磁探测技术、地震探测、钻探和井中探测技术和装备.经过4年的攻关研究,突破了高精度微重力传感器、铯光泵磁场传感器、宽带感应式电磁传感器等10余项关键技术;研发、完善和升级了地面高精度数字重力仪、质子磁力仪、大功率伪随机广域电磁探测系统、分布式多参数电磁探测系统等18套勘探地球物理仪器设备;创新和完善了20余项勘探地球物理数据处理、正反演方法,研发和完善了2套适合金属矿数据处理及解释的大型软件系统,和8套其他专用软件系统,大幅度提升了我国地球物理勘探技术水平.本文旨在介绍项目取得的主要成果,首先回顾我国地球物理勘探技术的发展历程,然后再重点介绍"深部矿产资源勘探技术"重大项目取得的主要成果和进展,最后对发展我国地球物理勘探技术提出作者的看法和建议.     

华北大地电磁测深阵列观测实验与岩石圈导电性快速成像模型

关于中国大陆岩石圈导电性结构研究越来越引起人们的重视,而目前研究大陆岩石圈导电性结构的主要方法是大地电磁测深（Magnetotelluric sounding）.为此,在国家项目"深部探测技术与实验研究（SinoProbe）"专项里开展了"大陆电磁参数标准网实验（SinoProbe-01）"研究,完成了华北1°×1°地理坐标网度的大地电磁测深"标准点"阵列（Array）观测.本文详细论述了华北SinoProbe-01项目1°×1°MT"标准点"阵列观测实验的概况,以及通过精细的MT数据处理和一维Niblett-Bostick变换快速成像,所获取的华北地区岩石圈导电性三维成像模型.在分析华北岩石圈导电性结构特征的基础上,从电性结构角度把华北与邻区岩石圈划分为胶辽、燕山、鲁西、太行—吕梁等低导电性（高电阻率）块体,内蒙古、阿拉善和祁连中等导电性块体和黄淮、鄂尔多斯、秦岭良导电性（低电阻率）块体,进一步从导电性的角度证实了华北克拉通是由多个块体集合而成的观点.     

CS3301在长周期大地电磁测深仪中的应用研究

大地电磁测深是研究地壳和上地幔构造的一种重要的地球物理探测方法,当前国家正在实施深部探测专项SinoProbe等项目,故需要借助于长周期大地电磁测深仪器.我国没有自己生产的长周期大地电磁测深仪器,只能依靠从乌克兰进口的LEMI-417进行深部探测.在LEMI-417使用中,我们从该仪器提供的数据文件Final.asc中发现它的电场信号测量分辨率为0.01 mV/km,磁场信号测量分辨率为0.01 nT,相对较低,此外,该仪器在无GPS信号时会出现记录紊乱等现象,故需要设计适合课题组需要的长周期大地电磁测深仪器.由于大地电磁测深仪器需要采集的电场、磁场信号为微弱信号,容易淹没于噪声之中,故选用了低噪声、极小总谐波失真率的CS3301作为运算放大器.CS3301提供了4种可选择的信号输入模式和7种可选增益,经分析与测试,测量电场信号时,CS3301设置为输入模式1及×64增益,当极距100 M时,测量精度可达0.001 mV/km,高于LEMI-417的0.01 mV/km;测量磁场信号时,将反馈理论用于测量电路,CS3301设置为输入模式3及×64增益,只对信号的可变部分进行放大,精度可达0.006 nT,高于LEMI-417的0.01 nT.该系统在华南的9005、1005等多个测点以及东北的1600、5105等多个测点进行了测试,并与LEMI-417进行了对比试验,测量结果表明它们的时间序列曲线比较一致,数据处理后,在同一测点得到的大地电磁测深曲线也较一致,说明设计的仪器达到了预期目标.     

Deep exploration using long-offset transient electromagnetics: interpretation of field data in time and frequency domain

In the framework of the Deep Electromagnetic Soundings for Mineral Exploration project, we conducted ground-based long-offset transient-electromagnetic measurements in a former mining area in eastern Thuringia, Germany. The large-scale survey resulted in an extensive dataset acquired with multiple high-power transmitters and a high number of electric and magnetic field receivers. The recorded data exhibit a high data quality over several decades of time and orders of magnitude. Although the obtained subsurface models indicate a strong multi-dimensional subsurface with variations in resistivity over three orders of magnitude, the electrical field step-on transients are well fitted using a conventional one-dimensional inversion. Due to superimposed induced polarization effects, the transient step-off data are not interpretable with conventional electromagnetic inversion. For further interpretation in one and two dimensions, a new approach to evaluate the long-offset transient-electromagnetic data in frequency domain is realized. We present a detailed workflow for data processing in both domains and give an overview of technical obstructions that can occur in one domain or the other. The derived one-dimensional inversion models of frequency-domain data show strong multi-dimensional effects and are well comparable with the conventional time domain inversion results. To adequately interpret the data, a 2.5D frequency-domain inversion using the open source algorithm MARE2DEM (Modeling with Adaptively Refined Elements for 2-D EM) is carried out. The inversion leads to a consistent subsurface model with shallow and deep conductive structures, which are confirmed by geology and additional geophysical surveys.     

华北强烈地震深部构造环境的探测与研究

20世纪六七十年代以来, 华北地区发生了一系列强烈地震． 强烈地震的孕育、 发生和发展与深部构造密切相关． 近50年来, 我国地震科学领域在强烈地震的地震构造和深部环境方面开展了大量的研究． 深部地球物理探测和地震层析成像结果揭示了华北地区地壳结构的基本特征, 并在强烈地震发生的深部构造环境等问题上取得了重要进展． 本文在回顾华北地区地壳上地幔结构探测的基础上, 对1966年邢台M_S7.2, 1976年唐山M_S7.8, 1975年海城M_S7.3和1679年三河—平谷M8.0地震的地震构造和深部构造环境进行评述． 深部地球物理数据的综合分析表明, 震源下方的低速异常带, 高角度超壳深断裂, 地壳深浅构造的不一致, 偏低的上地幔顶部速度和局部隆起的莫霍界面, 是华北伸展构造区深部孕震环境的共同特征．      

利用福建爆破实验记录检验华南速度模型

基于2010~2012年"福建及台湾海峡地壳深部结构陆海联合探测"项目中18次爆破实验的准确发震时间、发震位置所确定的多震相走时数据,进行爆破震相特征分析,采用华南速度模型对单纯型、Hyposat、Hypo2000及Locsat等4种定位方法进行比较,得出最优定位方法。利用14炮爆破记录反演得到的速度模型与华南速度模型作比较,结果表明,反演模型的上地壳厚度小于华南模型的,下地壳厚度大于华南模型的,上地壳速度与华南模型的相当,下地壳速度大于华南模型的。利用本研究的反演结果对其他4次爆破进行重新定位,定位精度明显提高。     

深层地震勘探的地震波传传播理论研究前景

深层地震勘探为地震波传播理论研究提出了新的挑战和机遇。深层地震勘探的主要难点是上覆层的影响甚大，使后续的处理有隔靴挠痒之感，必须应用波场延拓消除上覆层影响。深层波速的高速性和横向不均匀性决定了大角散射和弹性波处理方法的重要性。本文具体评述了深层地震勘探的主要方法对策，深入探讨了波场延拓的李群方法和弹性反演的某些问题，目的在于为深化深层地震提供新的研究手段和方法。