用于区域地磁场模型计算的 三维Taylor多项式方法

地磁场具有复杂的时空分布特点.地磁场模型是研究地磁场空间分布与时间变化规律的主要手段,包括全球和局部地区两类模型.局部模型精度满足了反映小尺度磁异常的需要.Taylor多项式模型是用于区域地磁场模型计算的常用方法,但至目前为止所用的都是二维Taylor多项式方法.本文提出了既能表示出地磁场在地球表面的分布,又能表示出地...     

地震震中和地磁偏角的空间分布

对1900～2002年全球记录到的震级M≥4．0地震震中,利用IGRF（国际地球参考场）国际参考模型确定地磁场的特征。研究了主要地震活动带的地理学和内源引发的基本地磁场几何学之间的关系,查明了不同构造类型的地震活动带全球分布与地磁偏角或地磁场东-西向分量分布之间的构造对应。     

古代赤道极光揭示西太平洋磁异常演化

地球是一个多圈层耦合系统,从内部到表面、大气和空间的相互作用,共同塑造了地球的宜居环境. 偶极磁场的产生使地球环境逐渐演变为宜居,正如金星和火星偶极磁场的消失使这两颗行星的环境走向了另一个极端. 地球磁场起源于地核发电机过程,而地核热动力学和化学结构的变化则会导致地磁场的显著改变,导致地磁场的减弱甚至极性倒转,削弱对地...     

地磁倒转与生物灭绝因果关系研究五十年

地磁场源于地球内部的地核发电机,经由近3000 km厚的地幔和地壳到达地面,穿过生物圈、大气层和电离层后延展至太空形成磁层.地磁场对生物圈有双重保护作用:阻挡了高能粒子向内入侵,也避免了氧和水等挥发性物质向外逃逸.尽管地磁场在几十亿年的时间里帮助维持了地球的宜居性,人们仍认为地磁倒转所导致的保护作用削弱会给生物圈带来深刻的负面影响,甚至是生物灭绝.本文梳理地磁倒转与生物灭绝因果关系研究的五十年发展历程,结合历史背景评介早期"一对一"假说的得与失,并着重阐述空间环境变化在最新提出的"多对一"假说中的重要作用.这些研究成果已经清晰地说明,从地核到磁层的地球各圈层是一个耦合的复杂系统,地球演化中的重大事件应当从地球系统科学的角度来看待,并借助比较行星学来研究和理解.     

地磁场能量在地球内部的分布及其长期变化

用国际参考地磁场模型(IGRF)分析了地磁场能量在地球内部的分布及其长期变化.结果表明,从1900年到2005年,地核以外地磁场总能量由6.818×1018J减少到6.594×1018J,减小了3.3%,地表以外地磁场总能量由8.658×101J减小到.63×101J,减小了11.4%.分析地球内部不同圈层地磁场能量的变化表明,地壳(A层)、上地幔(B层)、转换带(C层)、下地幔D′层的地磁场总能量在减小,但是下地幔"层的地磁场总能量却在快速增加.磁能密度随时间的变化更清楚地显示出磁能增加和减小的分界面在r=3840km处.上述结果表明,地核和地表以外地磁场总能量在趋势性减小的同时,也在进行重新分配.进一步分析表明,下地幔D"层磁能快速增长,主要是由高阶磁多极子的增强引起的.在地磁场倒转前,偶极矩减小而多极性相对增强在能量分布上的表现就是磁能向下地幔底部(特别是D"层)集中.     

在地磁学与地球重力学中的球谐分析

球谐分析在地磁学与地球重力学中得到广泛的应用.由于地球磁场与地球引力场的不同,球谐表述有所不同.地磁场的高斯分析（球谐分析）的结果表明,地磁场没有单极子,而引力场有,地磁场有内外源场之分,而地球引力场只有内源场,地磁场的球谐级数收敛快,地磁场高斯级数所用的蒂合勒让德函数是Schmidt半标准化的,而地球引力场中用的是全标准化的,地磁场的高斯系数随时间变化快,每5年产生一个IGRF（国际地磁参考场）, 而引力场的变化是与地质变化有关,相对于地磁场来说,是缓慢的. 地磁场的高斯分析还存在一个唯一性问题.     

中国大陆地磁场长期变化的某些特征

地磁场是地球的基本物理属性,由基本磁场、地壳磁场、变化磁场和感应磁场四部分组成.其中基本磁场起源于地球内部,是地磁场的主要成分,它的变化极为缓慢,称为地磁场的长期变化,研究它的变化及起源,一直是地球动力学的重要内容之一.     

太阳平静期地磁场与电离层时空变化相互作用分析

作为地球空间环境的重要组成部分,地磁场和电离层是地球物理研究中的重要方向.新的观测数据和处理方法为人们更加深入地认识地磁场和电离层时空变化之间的相互作用发挥了巨大的促进作用.本文利用欧洲轨道测定中心(CODE)提供的全球电离层垂直总离子浓度地图(GIM)数据和Swarm卫星的观测数据,基于数据统计的方法,对太阳平静期不同纬度地区地磁场和电离层时空变化之间的相互作用进行了分析.从地磁场对电离层时空变化的作用来看,本文利用Swarm卫星数据发现电离层电子浓度在赤道地区呈"马鞍"形分布,在高纬度地区变化剧烈,验证了因地磁场对电离层时空变化影响导致的电离层赤道异常和极盖吸收等现象的存在,同时利用GIM数据通过张量秩-2分解和主成分析发现沿地磁场方向电离层的空间变化更加迅速,体现出地磁场对电离层时空变化的约束作用.从电离层对地磁场时空变化的作用来看,基于CHAOS-5模型对地磁内源场和磁层环电流磁场的预测,本文从Swarm卫星磁测数据中分离出电离层中电流体系的磁效应,其中包括赤道电集流、中纬度地区的Sq电流体系和极区电集流的磁效应,为进一步反演电离层电流体系奠定了基础.     

地磁场长期变化特征及机理分析

将地磁场的总变化分为三部分：偶极场自身变化,非偶极场自身变化及非偶极场磁斑区通过对核幔边界（CMB）层环形电流的调制来影响偶极场的变化. 本文利用国际地磁参考场模型IGRF）1900～2000计算分析了地球不同深度地磁场分布及长期变化特征,且讨论了变化的可能机制. 可以推论,地磁场西漂和倒转不仅是非偶极场引起,同时与偶极场有密切关系.     

地磁场能量在地球内部的分布及其长期变化

用国际参考地磁场模型(IGRF)分析了地磁场能量在地球内部的分布及其长期变化.结果表明,从1900年到2005年,地核以外地磁场总能量由6.818×1018J减少到6.594×1018J,减小了3.3%,地表以外地磁场总能量由8.658×101J减小到.63×101J,减小了11.4%.分析地球内部不同圈层地磁场能量的变化表明,地壳(A层)、上地幔(B层)、转换带(C层)、下地幔D′层的地磁场总能量在减小,但是下地幔"层的地磁场总能量却在快速增加.磁能密度随时间的变化更清楚地显示出磁能增加和减小的分界面在r=3840km处.上述结果表明,地核和地表以外地磁场总能量在趋势性减小的同时,也在进行重新分配.进一步分析表明,下地幔D"层磁能快速增长,主要是由高阶磁多极子的增强引起的.在地磁场倒转前,偶极矩减小而多极性相对增强在能量分布上的表现就是磁能向下地幔底部(特别是D"层)集中.     

封闭地热系统水平井采热储层内渗流与传热的有限元模拟

地热能是储量巨大、分布广泛且供给稳定的清洁能源.地热发电对经济发展和环境保护都具有重要意义.然而, 现有地热电站广泛采用的开放性采热模式易导致发电设备结垢与腐蚀、循环水流量不足与波动、自耗功率高等问题.采用传热工质与地热储层分离的封闭性采热模式, 不但能根治上述问题, 而且提升了选择传热工质和设计传热循环的灵活性.本研究采用有限元方法数值模拟水平井采热的封闭地热系统中自然对流强化储层内渗流与传热的动力学过程, 系统分析了水平井温度、水平井位置、储层渗透率、水平井周围渗透率强化改造范围及储层厚度-宽度比等关键因素对采热热流和采热年限的影响, 从而为适用于地热发电的大型封闭地热系统设计和工程实践提供理论指导和基础数据.模拟结果表明, 在水平井周围半径10 m区域内进行渗透率强化改造就能够启动和强化自然对流, 大幅提高未强化改造区域的地热开采; 水平井从储层采热的先后次序由自然对流区域逐渐拓展控制, 开发厚地热储层并将水平井设置在储层高处能够提高采热效率并延长采热年限; 驱动自然对流的水平井-储层温差与采热热流不成正比但正相关; 地热储层内存在的稳态背景自然对流对水平井采热有显著贡献.

     

北京南口—孙河断裂带水热系统特征与成因分析

中低温对流型地热资源在华北地区广泛分布,是一种清洁的替代能源.与活动断裂带相关的水热型地热资源是中低温地热系统的重要组成部分.本文基于高精度重力测量、微动测深及钻孔温度测量等数据,从热源、通道、储层和盖层四个方面探讨了南口—孙河断裂带水热系统特征.低重力异常揭示的燕山期花岗二长岩、闪长岩岩体范围为23.8 km²和14.3 km²,放射性测井数据计算得到其生热率均值为3.14 μW·m^-3,侏罗系火山岩生热率均值为1.65 μW·m^-3,隐伏岩体和火山岩均难以构成地热系统的附加热源.重力异常显示南口—孙河断裂带宽度约500~800 m,断裂带切割蓟县系雾迷山组白云岩热储层.钻井温度曲线显示断裂带内水热活动强烈,说明该断裂带是导水、导热的重要通道.断裂带南西侧马池口一带第四系松散层与侏罗系火山岩形成了热储盖层,微动测深显示火山岩最大厚度约1500 m.综上源、通、储、盖四个要素分析,该地热系统为热传导—对流复合型,来自京西北山区的大气降水经远距离径流深循环吸收地层热量后沿南口—孙河断裂上移到达裂隙发育的白云岩地层中形成热水.总之,沿南口—孙河断裂带具备了良好的地热地质条件,可达到规模开采的条件.

     

玉树地震的地磁预测研究

利用玉树地震前玉树周围500 km范围内的地磁观测数据,采用地磁垂直分量加卸载响应比、地磁垂直分量日变化幅度逐日比、地磁垂直分量日变化空间相关、低点位移等方法讨论了震源区地磁场变化与地震的相关性,并发现它们之间有较好的对应关系。     

Changes in geomagnetic activity and global temperature during the past 40 years

The purpose of this study is to investigate the effect of geomagnetic activity (used as a measure of solar wind parameters) on the variability of large-scale climate patterns and on changes in the global temperature. We show that positive statistically significant correlations between global temperature and the distribution of surface temperature over Eurasia, the East and Equatorial Pacific and over the North Atlantic for the period 1966?C2009 correspond to large-scale climate patterns defined by climate indices. We found very similar positive correlations between geomagnetic activity and the distribution of surface temperature in the mentioned regions. As an effect of geomagnetic storms, energetic particles penetrate from the magnetosphere into the region of the stratospheric polar vortex. The increase of temperature and pressure can be observed over northern Canada. The vortex shifts towards Europe, rotates counter-clockwise and the wind blows from the polar region over Greenland southwards. It diverts the warm flow proceeding northward over the Atlantic, eastward along the deep Icelandic low extending as far as the Barents Sea and takes part in warming Eurasia. The strengthened zonal flow from Siberia cools the western Pacific with the impact on the warming of the equatorial and eastern Pacific when also a distinct 1976?C78 climate shift occurred. Processes in the Atlantic and Pacific play a significant role and a time delay (wind forcing over the previous 1?C4 yr) appears to be the most important for the relocation of the oceanic gyres. Results showing statistically significant relations between time series for geomagnetic activity, for the sum of climate indices and for the global temperature help to verify findings concerning the chain of processes from the magnetosphere to the troposphere.     

Spatial analysis of the reliability of transport networks subject to rainfall‐induced landslides

A methodology is developed to examine the susceptibility of a transport system to rainfall‐induced landslides and is demonstrated for part of the UK rail network with regard to the potential changes that might occur with climate change. A mathematical model is given for the system failure and a statistical model is formulated for the joint distribution of rainfall at different points along the railway line. These are used to investigate the response of earth embankments along the railway line to current and future climate scenarios, including the effects of rainfall and evapotranspiration on slope hydrology and stability. It is shown that, for the system of clay embankments in question, the moisture profile through the embankment at the end of the summer months has a critical effect on system stability, both in terms of expected failure timing and probability of failure. Further, it is seen that, with changing climate, the system stability is likely to increase unless the degradation of embankment material properties, another potential effect of changed climate, is taken into account. The spatial distribution of failures is also likely to change. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

超临界地热资源的地球物理分析——以鲜水河高温水热系统为例

鲜水河高温水热系统位于川西地热区, 是我国重要的"水热型"地热资源区和高温地热发电工程建设选区, 其深层超临界地热资源可以大幅提高热-功转换效率和地热发电能力, 具有极大的应用价值.超临界地热资源是地热学的全新研究方向, 研究深层超临界地热资源促进地热学拓宽研究领域, 具有重要的科学意义.本文利用地球物理资料、地热地质资料, 对鲜水河高温水热系统超临界水热流体构造条件、有利赋存部位、热结构与热状态开展计算分析.结果表明: 鲜水河断裂带浅源小震群与深层超压热流体层相关, 热泉群串珠状负重力异常圈闭之下超厚沉积地层是赋存深层超临界地热流体储层的有利构造部位; 康定中谷—二道桥—榆林宫热水区的水源补给、热源补给、水热循环通道等地热地质条件优良, 其下方存在酸性岩浆活动, 是形成高温水热系统浅层热储、深层超临界热液区的重要热源条件.我们认为: 鲜水河断裂带是深部热流体上升至浅表产生强烈水热活动的通道, 沿此通道, 在160~250 ℃温度区间, 是鲜水河水热系统地热储层的赋存区域; 在350~400 ℃温度区间, 是深层超临界流体(H2O、CO2)的赋存区域; 随温泉水大量溢出的高浓度CO2地热气体, 伴随出现pH值略小于7的弱酸性热水, 其下方是形成深层超临界地热资源的有利区域.     

近年来我国地热学的研究与展望

简要回顾了近年来我国地热研究的现状及取得的重要进展，包括大地热流、岩石层热状态、地壳-上地慢热结构、地热与气候变化、灾害环境以及矿山地热、油田地热、地热资源等；并从固体地球科学发展动向及国民经济需求两个方面，展望我国理论地热学和应用地热学研究的今后发展方向     

磁层系统的能量输入、输出与日地耦合

用１９７８年和１９８２年３６个磁暴期间的太阳风、行星际磁场（ＩＭＦ）和地磁资料,分析和检验已有的两类太阳风－磁层能量耦合函数．结果表明：Ａｋａｓｏｆｕ提出的耦合函数ε能大致地预报亚暴和磁暴的发生。ε开始起重要作用时即出现亚暴;电离层能耗达到饱和值是发生磁暴的标志。ε与磁层体系能耗之间有接近于对数量的线性关系．用１９７８－１９８６年的资料,分析环电流和极光区电离层能耗在１２１个太阳自转周内的分布表明,日面上可能存在相对持久的活动区域     

磁层系统的能量输入、输出与日地耦合

用１９７８年和１９８２年３６个磁暴期间的太阳风、行星际磁场（ＩＭＦ）和地磁资料，分析和检验已有的两类太阳风－磁层能量耦合函数．结果表明：Ａｋａｓｏｆｕ提出的耦合函数ε能大致地预报亚暴和磁暴的发生。ε开始起重要作用时即出现亚暴；电离层能耗达到饱和值是发生磁暴的标志。ε与磁层体系能耗之间有接近于对数量的线性关系．用１９７８－１９８６年的资料，分析环电流和极光区电离层能耗在１２１个太阳自转周内的分布表明，日面上可能存在相对持久的活动区域