接地源瞬变电磁短偏移深部探测技术

对于接地源时间域瞬变电磁法,当选取适当的激励波形后,可将辐射场与自有场分离开来, 实现频率域电磁法无法实现的近源深部勘探;水平分层大地的解析分析表明,随着偏移距的缩短,接地导线源的场对地层的反映变得更为灵敏;时间域瞬变电磁法的探测深度主要由观测时长决定.基于接地源近场测深的优越性,作者提出短偏移瞬变电磁探测技术并首次命名为SOTEM, 采用了1000 m的偏移距对埋深为1400 m的某盐矿溶腔进行探测, 在全期视电阻率-深度剖面上圈定的溶腔分布被钻孔所揭露, 验证了SOTEM方法的探测能力.该方法为大深度、高分辨探测地下矿产资源提供了新的技术手段.     

青藏高原东缘岩石圈结构对现今地表垂向运动影响的数值分析

参考青藏高原东缘松潘-甘孜地块至四川盆地陡变地形起伏和地壳密度结构的横向差异,本文建立了二维牛顿黏性流体有限元模型,计算分析构造加载、陡变地形和重力效应控制下青藏高原东缘岩石圈变形特征,探讨横向不均匀的地壳密度结构、陡变地形和岩石圈流变性质对区域现今垂向运动的影响.计算结果显示：在构造加载作用下,松潘-甘孜地块至四川盆地地表抬升微弱.区域横向不均匀的地壳密度结构驱使松潘-甘孜地块地壳整体抬升,速率高达2 mm·a^-1,四川盆地整体下沉,速率约1 mm·a^-1,与龙门山两侧现今观测到的地表垂向变形模式相近.龙门山地区陡变地形驱使柔性地壳流动,调整区域地壳局部变形;岩石圈流变结构影响重力驱动作用下的模型变形量值和岩石圈变形耦合程度,松潘-甘孜地块较低的中地壳黏滞系数引起上、下地壳的变形解耦;模型较高的岩石圈地幔黏滞系数使重力驱动作用下区域垂向变形量降低.因此,青藏高原东缘地壳密度结构差异、地形起伏和岩石圈流变性质是现今区域垂向变形的重要动力学控制因素.

     

三维地形直流电阻率有限元法模拟

基于稳定电流场的基本方程、三维区域满足的边值问题以及相应的变分问题,研究了三维起伏地形条件下电阻率的有限单元数值模拟算法. 离散积分区域时,以三棱柱为最小研究单元,推导了含有地形特征信息的三线性插值型函数以及单元刚度矩阵. 采用变带宽、一维数组方式只存储稀疏刚度矩阵中非零元素,能够节约内存. 利用Cholesky分解法只分解一次大型稀疏矩阵,通过回代可以求出方程组的全部解,当求解有多个供电点的测深问题时可以缩短计算时间. 模型计算表明,在水平层状介质模型上,三维计算结果与解析解或二维数值解十分吻合,计算精度满足误差要求. 在二维山脊上的二极剖面或三维山谷上的中间梯度剖面上,其三维计算结果与相应模型的土槽实验结果或边界元法计算结果也非常接近.     

基于谱元法的全波形反演及其在海底地震数据中的应用

全波形反演已被广泛应用于获取地下速度结构.而反演问题与正演方法密切联系,针对特定反演问题,合适的正演方法能极大提高反演效率和精度.本文首先验证谱元法在含起伏界面模型数值模拟方面的优势,在此基础上将谱元法作为正演引擎应用于全波形反演,并为克服未知子波的影响,采用一种归一化的频率域目标泛函.结果表明,起伏地表情况下,基于谱元法的全波形反演相比于基于传统有限差分法反演,具有更高的反演精度.进一步,本文将基于谱元法的波形反演方法应用于OBS观测系统的理论合成数据和野外采集数据.谱元法非结构化网格剖分自然满足自由边界条件,能很好地适应不规则海床并模拟多次波.理论实验表明,即使在OBS观测系统很稀疏的情况下,基于谱元法的全波形反演仍能获得海底以下正确的高波数速度结构.在处理实际OBS数据时,本文采用分频策略以减少反演非线性,初始模型成功更新,其结果揭示了西沙海槽海底以下更多的细节信息.

     

典型斜坡地形地震动特征分析

以云南鲁甸6.5级地震中房屋建筑破坏严重的龙头山集镇斜坡地形为例,通过地脉动测试分析得出斜坡及坡顶测点相对于坡脚参考点谱比峰值均＞1,顺坡向谱比峰值大于垂直坡向谱比峰值,且谱比峰值从斜坡坡脚到坡顶逐渐增大,坡顶处约为3;顺坡向谱比峰值对应的频率为4.57～5.39 Hz,垂直坡向谱比峰值对应的频率稍高,为5.42～5.96 Hz。通过结合黏弹性边界的时域动力有限元方法分析斜坡地形在垂直入射地震动作用下的响应,数值模拟结果表明,斜坡坡顶处的位移放大作用显著,坡脚处放大作用较小;介质剪切波速对斜坡地震动的影响较明显,尤其是坡顶点处不同介质剪切波速模型位移峰值差异较大。由于斜坡地形复杂的散射效应,在斜坡及附近测点均出现明显的转换面波,坡顶点处波形转换最显著。数值模拟结果进一步验证了龙头山集镇依坡而建的房屋建筑破坏严重是由局部地形地震动放大效应与地震动差动共同作用引起的。     

接地导线源电磁场全域有效趋肤深度

为了更好地推进广域电磁法的发展和应用,本文以接地长导线源为例,研究了可控源电磁场全场域的有效趋肤深度.利用频域电偶极源在均匀半空间产生电磁场的闭合表达式,计算了不同电磁场分量定义的有效趋肤深度,并讨论了在不同频率、不同偏移距、不同电导率情况下,有效趋肤深度的变化特性.根据有效趋肤深度随偏移距的变化特征以及与平面波趋肤深度之间的关系,利用多项式拟合的办法在五个不同频率范围内给出了适用于全场域的有效趋肤深度快速估算公式.研究结果表明：不同分量定义的有效趋肤深度是不同的,但是它们随偏移距、频率、电导率等参数的变化趋势是类似的,而且在一定范围内都趋近于平面波趋肤深度.理论模型的研究表明,有效趋肤深度可以作为测量参数选取和数据解释工作的参考依据.     

断裂端部特殊单元模型

一般节理单元的节点都为双节点,仅适用于断裂的中间部分,要将它运用于断裂端部须作特殊处理,因而提出断裂端部特殊节理单元;并引入断裂端部特殊实体单元。有了这两种单元,再加上一般节理单元,就可以模拟任意走向有限长度的断裂面或带,从而对此类地质力学问题的完备性做出补充,有助于研究断裂在地质构造活动中的作用     

徐淮地区煤矿井筒破裂原因初探

本用震源力学理论和方法研究了徐淮地区从１９７０年以来构造应力场的方向和强度的时空变化过程。结果表明：以唐山地震为分界线，本区的应力场Ｐ轴取向由震前平均６１．８°变为震后平均７７．７°。如果将本区以宿北断裂为界分为南区和北区两个部分，则北区的Ｐ轴取向从６８．１°变７１．２°，而南区的Ｐ轴取向由６２．５°变到８３．６°，南区的变化明显于北区。     

极坐标系有限差分中起伏地表边界条件处理

有限差分算法是地震学中重要的算法,在直角坐标系下同位网格有限差分中使用牵引力镜像方法,可以高效准确地处理起伏地表边界条件.当研究区域-全球尺度问题时需要考虑地球曲率影响,此时选择极坐标系更加直观方便,但已有方法无法在极坐标系下准确计算起伏地表影响.本文在极坐标系有限差分中引入贴体网格和牵引力镜像方法处理起伏地表边界条件,并在多个算例中验证算法正确性和适用范围,证明牵引力镜像法在极坐标系有限差分中有效.

     

发射电流波形对瞬变电磁响应的影响

本文研究了不同发射电流波形对瞬变电磁(TEM)响应的影响,利用自由空间中回线作为目标体,推导出方波、梯形波、半正弦波、三角波激励的响应.研究表明:对于低电导率目标体,同种波形激励的响应在有发射电流期间(on-time)与无发射电流期间(off-time)的幅度相近,四种波形中方波激励响应最强.由于off-time采集可以获得更高的信噪比,因而探测低电导率目标体时一般采用方波激励,采集off-time信号.对于高电导率目标体,off-time响应幅度随电导率增加而迅速下降,而半正弦与三角波激励的on-time响应幅度基本不随电导率变化,因而航空TEM可以采用半正弦与三角波进行on-time采集,并通过适当地提高激励电流的基频,以提高信噪比与空间分辨率.     

三维台阶地形地震动效应研究

运用谱元法模拟了不同类型三维台阶地形对点源地震动的影响, 发现在中小地震中, 大型山系边缘的三维台阶地形对地表地震波具有一定的影响. 台阶斜坡与上水平地层交线和下水平地层交线的影响作用各不相同. 通过地表接收到的地震动描述了各种不同地形的波形快照特点, 并且通过绘制的台阶斜坡与上水平地层交线及下水平地层交线的测线图, 发现波形相对于水平地形有明显的后续波. 同时发现, 台阶地形上下测线相对于水平地形具有放大作用.下测线波形放大倍数基本在1.1—1.5, 上测线放大倍数在0.9—1之间. 通过描述山体边缘台阶结构在点源地震中产生的影响, 定量计算了三维台阶不同角度各个位置相对于水平地形的放大倍数, 为以后工程研究提供一个依据.     

Finite element computation of shape factors for Kirkham's piezometer tube method for hydraulic conductivity of saturated soil

The Kirkham piezometer tube method of measuring hydraulic conductivity of saturated soil uses a numerical constant (shape factor) to account for the relative geometrical parameters of the cavity and the soil domain. Published shape factors have mostly been determined using an electrical analogue. In this paper the application of the finite element method to shape factor determination is considered. Convergence is studied and methods of extrapolation evaluated. A determination is made of the size of finite region required to represent adequately the radially unbounded domain assumed for the piezometer method. Computed shape factors were found to be in good agreement with analogue data.     

二维MT快速曲线对比反演方法的可行性研究

最近开发了一种针对二维大地电磁野外数据进行处理解释的新反演方法。该方法以加入阻抗相位信息的一维大地电磁连续介质曲线对比法为基础 ,把一维反演得到的电阻率和相位的数据集作为二维反演的初始模型 ,使用二维有限单元法做正演模拟。在程序的后继迭代中 ,深度方向上用一维反演修改模型的电阻率和深度值 ,沿测线方向由二维有限元作修改 ,反演结束可得到一个接近真实电性分布的电阻率数据集 ,并绘制成电阻率断面图。对模型的反演实验结果显示 ,该反演方法能够较真实地反映地下电性分布 ,而且避免了偏导数矩阵的计算 ,其原理简单 ,计算速度快 ,表明该反演方案是可行的     

雷达波有限元仿真模拟

为了突出雷达波自身的动力学特点,本文首先用Ｇａｌｅｒｋｉｎ’ｓ方法推导了含衰减项的雷达波有限元方程,用有限元方法实现了管状体、弯曲界面等复杂形体的雷达波场的仿真模拟．通过对比同一模型合衰减和不含衰减两种情况的波场,明显地展示了考虑雷达波自身特点后的波场仿真性较好．     

含地下水的土层对地震波传播的影响

本文综合地介绍了含地下水的土层对地震波传播的研究成果,并对一些普遍性的原则问题进行了讨论.在不变形介质的前提下详细研究了二维地下水的波动问题,应用和开发了线单元-特征线法、交替方向隐式差分法和伽辽金有限单元法,求解了一些边值问题.还研究了介质的不均匀性、地层的成层性等对地下水波动的影响以及地下水波在界面上的透射、反射现象,发现了一些新的规律.从普遍方程出发,论证了地下水波在可变形介质和不变形介质中的差别,导出了两者的换算关系.开辟了由不变形介质的解求可变形介质的解的一个间接途径. 在可变形介质的前提下,直接从两相介质动力方程组出发,对含水土层中的波动问题进行了详尽研究,考虑了弹塑性、非线性本构关系、剪胀性、刚度退化等各种因素的影响.通过计算对各种土壤刚度、渗阻条件、边界透水条件、荷载形式、本构关系和不均匀性等情况做了比较研究,发现一些新规律.在垂直地震荷载作用下发现了两种不同形态的孔隙水压反应——阶变形和振荡形的机制,并用间断波理论解释了孔压阶跃的原因.最后对发现的新现象做了一些讨论和总结.     

雷达波有限元仿真模拟

为了突出雷达波自身的动力学特点,本文首先用Ｇａｌｅｒｋｉｎ’ｓ方法推导了含衰减项的雷达波有限元方程,用有限元方法实现了管状体、弯曲界面等复杂形体的雷达波场的仿真模拟．通过对比同一模型合衰减和不含衰减两种情况的波场,明显地展示了考虑雷达波自身特点后的波场仿真性较好．     

关于“用单元降刚法探索中国大陆强震远距离跳迁及主体活动区域转移”的讨论——横向各向同性“杀伤单元”才是更好的途径

《地球物理学报》第55卷第1期的\"用单元降刚法探索中国大陆强震远距离跳迁及主体活动区域转移\"一文提出用减小剪切模量的方法模拟地震断层错动的效应,这种处理虽然可以模拟压扭性走滑断层错动时的剪应力降低,但会导致垂直于断层的正应力也剧烈变化,因此这种简单的减小弹性模量的方法并不合理.本文探讨了一种更好的方法--横向各向同性\"杀伤单元\",利用该方法模拟断层滑动效应得到了较为合理的结果,与Okada解析解吻合较好,能够正确反映断层滑动时的应力变化.     

TWO DIMENSIONAL FINITE ELEMENT-BOUNDARY ELEMENT COUPLING MODEL OF MAGNETOTELLURIC SOUNDING

This paper describes how to apply the boundary element method to solve 2-D magneto-telluric sounding problem and then couple the BEM with finite element method to deal with inhomogeneous geological structure and its relation to regional stress regime. The BEM is able to calculate precisely the derivative of field variables. Such a new approach can more flexibly than others set up the upper boundary condition of the air region. Two practical examples are given. One is the study of topographical effect on the MT fields using boundary element method. There is an inverse relationship between the change of apparent resistivity and the topographical variation. The other is a coupled model of a basin in Nei Monngol Autonomous Region. A lower resistivity zone must exist in the crust and should be thicker below the central portion of the basin. This seems to agree with the regional stress regime changed from extension in Mesozoic to compression in Cenozoic     

Reduction in ground vibrations by using shaped landscapes

Reduction in traffic-induced ground vibrations by the use of shaped landscapes is investigated here by shaping the landscape surrounding a high-tech facility, using the landscape thus produced as a wave obstacle. The effects of the geometric parameters of a shaped landscape were examined in parametric studies. An architectural landscape design was also investigated in terms of its effectiveness in reducing traffic-induced ground vibrations. Finite element models, analysed in the frequency domain, were employed. The models involve a layer of soil and the underlying bedrock. It was found that anywhere from an appreciable reduction to an appreciable amplification of the vibrations produced can occur, depending upon the geometric parameters of the shaped landscape involved. The most effective shape was found for a topography that acted as a waveguide that reduced the level of vibration by approximately 35%.     

基于二次场的海洋可控源电磁法三维有限元正演

根据库伦规范势的定义,推导出关于磁矢量势和电标量势的偏微分方程,为了克服由电流源引起的奇异性和数值模拟计算困难,将电磁总场分解为一次场和二次场,一次场由基于Schelkunoff势函数的一维正演算法得到,二次场由有限元法计算得到,实现了海洋可控源电磁法三维有限元正演算法。通过一维数值模拟实例,验证该算法的计算精度。然后,利用该算法对带海底地形的三层储层模型进行正演,分析了海底地形对海洋控源电磁场各分量产生的影响。