地壳中岩浆沿已有断层运移的数值模拟——在长白山天池火山的应用

本文利用有限元及有限差分的方法,对壳内岩浆房或岩浆囊中的岩浆在构造应力及由于围岩与岩浆的密度差产生的浮力作用下,沿已有断层向上运移的动力学过程进行了数值模拟.在岩浆囊顶部与上覆岩层接触处,沿着已有微小破裂,岩浆在一定超压力条件下使已有断层张开并继续向上延伸,从而形成岩浆向上运移的通道.研究了岩浆黏度、密度差、模型深度对最小超压力（岩浆运移到地表所需的最小岩浆房超压力）的影响.在10 km深度的地壳中,若岩浆黏度为0.1~10³ Pa·s,当超压力达到17~20 MPa时,岩浆压力可以驱动岩浆运移到地表层;同时,岩浆动力黏度越大,使岩脉运移到地表需要的超压力就越大.当密度差为300~700 kg·m^-3,其变化对超压力的影响比较小.本文亦对比了三维应力条件和二维平面应变条件下不同结果,比较了不同条件下岩浆运移造成的地表垂直位移变化.结合长白山天池火山地区的区域地质环境,对长白山天池火山岩浆运移条件进行了参数试验性计算分析,估算了在给定长白山天池火山模型条件下地下可能存在的岩浆囊的大小,其结果对认识长白山天池火山地区岩浆活动及相关的预测和监控有参考意义.     

D-InSAR技术在长白山天池火山形变 监测中的误差分析与应用

选取长白山天池火山区15景JERS-1 L波段SAR存档数据,利用二轨法进行SAR差分干涉处理.最终用4景JERS-1数据获取了覆盖相似时间段的3幅D-InSAR形变图,提取了研究区1994~1998年的地表形变场.研究表明:远离天池火山的平坦区域形变微弱;从天池火山的山脚向上到2000~2200 m高程处,表现为逐渐增强的隆升形变,最高形变速率达到LOS(视线向)5 mm/a.尽管没有同期地面实测资料验证,但研究结论与2002~2005年的一等水准测量结果及地震活动性具有定性的一致性;与Kim的同期InSAR研究具有定量的可比性.在时间上向前延伸了对长白山天池火山的形变监测时段,为研究长白山天池火山活动状态提供了更多的形变信息.     

巴丹吉林沙漠沙山表层径流的发现及其指示意义

在全球高差最大的巴丹吉林沙漠发现了沙山斜坡上的表层径流物理沉积及化学沉积、沙山洼地罕见的地表超渗径流和沙山底部泉水溪流.根据电镜观察、能谱分析、入渗实验、含水量测定和粒度分析等资料,研究了表层径流化学沉积物的矿物和化学组成、物理沉积物的粒度组成、沙山区水分平衡、大气降水对地下水与湖水的补给条件和补给机制.超渗径流与表层径流的存在表明,该区存在能够为地下水提供补给来源的较强有效降雨过程.各种表层径流物理沉积与化学沉积、泉水溪流、超渗径流与含量为3~6%的重力水等8项科学证据十分可靠地从深层次上证明,该区降水通过入渗达到了沙山的底部,已经对地下水构成了补给.新生方解石和石膏等径流化学沉积物和灰黑色物理沉积物以及径流沉积扇形地演化的阶段性均指示该区大气降水对地下水的补给不是偶然的降水事件造成的,具有长期补给性.细粒层的隔水性是该区地下径流出露于地表的原因.沙山区具有一定有效降水能够提供水分补给源、沙层的高入渗率能够将大气降水快速转化沙层水、植被稀少蒸腾量少、沙层受蒸发影响深度小降低了蒸发对水分的消耗、沙层含有运移较快的重力水是该区水分出现正平衡和大气降水能够补给地下水的5个因素,这5个因素的共同作用构成了该区大气降水向地下水的补给机制,为地下水和湖泊提供了水分补给来源.本文对国内外沙漠区水循环、地下水补给条件、补给动力和补给机制的研究具有重要参考意义.     

长白山天池火山区的震群活动研究

2002和2003年夏季流动地震观测揭示,天池火山口附近存在大量的微震活动和一系列震群活动.地震定位结果表明地震主要发生在火山口附近,以震群形式发生的地震全部集中在天池火山口西南部,东北部地震密集区没有观测到震群活动.在夏季以外的其他季节,天池火山区只有一个固定地震台站（CBS）用于地震监测.利用CBS台不同时间的观测纪录,通过波形相关分析发现其他季节的主要震群活动仍然集中在天池西南部.震群的高精度相对定位揭示震源位置沿北西－南东向分布,倾向西南,倾角约80°. 2003年7月13日的震群发生期间,地震震源位置出现从深到浅的迁移现象,同时震源深度较大的地震在不同台站的地震波初动方向几乎全部向上,表明震源具有明显的膨胀分量.考虑到长白山天池火山2002年以来出现明显的地表形变、地球化学异常和谐频地震等现象,我们认为震群活动可能与5 km深度附近存在岩浆热液活动和岩浆增压有关.     

阿尔金山东段山间盆地地下水资源分布特征研究

本文针对阿尔金山东段山间盆地独立水文单元第四系松散沉积层地下水的赋存位置与空间分布规律展开研究.在区域范围内首先采用遥感影像数据划分区域构造与水文地质单元;然后按地质规律设计10条音频大地电磁测深剖面,其中长剖面4条,分别是沿地下水径流方向1条,垂直径流方向上、中、下游剖面3条,最后综合长剖面纵横向地电特征和区域水文地质条件,推测地下水补给来源、地下运移通道、富集区、排泄区和第四系沉积中心及其形态.经钻孔资料验证,本次工作查明了地下水开发利用资源区与重点区域,为下一步工作与规划提供了科学依据.     

长白山火山区壳幔物性结构与深部物理场特征

长白山火山是一座具有潜在喷发危险的大型近代活动火山,因此通过对该火山活动的监测,加强对长白山天池火山岩浆系统的研究并了解天池火山的活动性质是很有意义的.除了开展长白山火山活动历史、火山地层学、火山岩岩石学、年代学以及火山地质等研究之外,我国从20世纪80年代开始在该火山区域进行了一系列的地球物理探测活动.为深入了解长白山火山区岩浆的分布与活动特征,本文对前人工作进行总结,得到了关于长白山火山活动的以下几个方面的认识:1)通过火山区地震活动性监测得到了火山区的岩浆活动状态;2)利用大地电磁测深对火山区地下是否存在可能再次活动的岩浆囊及其分布形态进行监测,为火山喷发的危险性预测和灾害评价提供依据;3)利用人工源深地震测深对长白山天池及其邻域的结晶基底及地壳精细结构进行讨论;4)利用天然地震对火山区地壳、上地幔结构进行深入研究,分析了与火山区有关的深层动力学因素;5)对国外火山区重力监测实例的调研表明,重力监测对了解岩浆活动状态是十分有效的手段.多种地球物理方法的综合应用,获得了长白山火山地区地壳至地幔转换带的详细资料.     

SNMR联合SP用于滑动带水体赋存状态的探测研究

地下水的空间分布及运移规律是建立地下水流系统和分析渗流场规律的重要因素.具有直接找水特性的地面核磁共振方法(SNMR)可以用于确定地下水的空间分布,而自然电场法(SP)是一种可以探测地下水流动方向的物探方法,这两种方法的联合使用为地下水研究提供了一种较好的工作模式.本文以滑动带水体探测为例,阐述该工作模式的应用效果.首...     

天山和西秦岭断裂带断层气地球化学特征分析

<正>1研究背景地球内部发生的各种物理、化学场变化以及构造体之间的相互作用,都会使地下深部气体沿着活动断裂带、板内块体边界、火山等地壳薄弱带处向上逸散。断层土壤气指沿着断裂破碎带逸出地表的地下气体,其浓度以及逸出速率值大小能灵敏、客观地反映地下应力、应变状态以及构造活动状态,因此常被用来鉴识断裂带活动状态、探寻隐伏断层以及地震危险性研究等。     

自然电场法勘探火山岩地区地下水的研究

多个火山岩地区找水的勘探实例表明,地表观测到的自然电位异常（简称SP）与地下非饱和区厚度相关。本文认为这种自然电位异常是由于雨水垂直向下流经非饱和区（渗流区）到达地下不透水界面引起,并提出产生自然电位异常的地下极化模型,进而根据静电场理论建立了水文地质模型与自电异常之间的理论关系。这一理论能够实现把一种波数域反演技术引进自然电位异常的反演,以便计算地下水的位置和深度。模型算例和勘探实例表明这一方法可以用于勘探火山岩地区地下水。     

磁通量浮现驱动磁场重联的数值研究

应用二维时变可压缩磁流体动力学数值模拟,研究了双极－单极磁场中由于磁通量浮现驱动的磁场重联过程．结果表明,双极场与单极场间磁力线的重联形成上升的冷而密的等离子体团,磁场演变成鞭状结构．向上运动的等离子体团到达其最大高度后将回落和弥散.等离子体团最大上升速度达０．１４ＶＡ,等离子体最大上升速度达０．２７ＶＡ,ＶＡ为下边界处的Ａｌｆｖｅｎ速度．随着磁通量浮现幅度的增大,等离子体上升速度增加,重联过程发展得较快．背景等离子体β１值（β１为等离子体压力与磁压之比）越小,等离子体团中密度增量越大．磁Ｌｕｎｄｑｕｉｓｔ数Ｓ在１０３－１０６之间的改变对等离子体的速度和密度增量影响并不明显．与电阻撕裂模不稳定性引起的自发重联相比,磁通量浮现会更有效地驱动双极－单极场中的磁场重联过程,寻致日冕Ｈα冲浪和Ｘ射线喷流的形成．     

三维电离层等离子体环流

对DE2航天器测量的离子漂移速度矢量的检验揭示了高纬度区垂直和平行于磁场的电离层流动的意义.在行星际磁场南向期间,垂直于磁场的两涡对流图案伴随着电离层等离子体的场向运动,这种运动在昼侧极光带和极隙区的主要是向上的,在极盖区主要是向下的.对流通过中性大气产生的摩擦加热和能粒子沉降产生的加热确信是导致等离子体总体向上流动和随后等离子的冷却造成的向下流动的原因.一部分向上流动的等离子体看来是在约800km以上高度中获得逃逸能量的,在400km高度处通过整个高纬度区的平均离子流是向外的.它可与DEI在远高于400km的高度上观侧到的向外的能离子流相比拟。     

长白山天池火山岩浆系统分析

针对外媒报道长白山天池火山在近2年内有可能喷发的言论,在长白山天池火山区布测了一条长度约为103 km的二维大地电磁测深观测剖面,对火山区深部电性结构进行探测研究.由于研究区内不明来源的电磁干扰非常强,对数据采用了远参考处理、Robust处理、Rhoplus分析、张量阻抗分解和基于一维层状介质电阻率与相位互算方法等先进处理技术,获取到一批在强干扰区质量较为可靠的电磁数据,利用数据计算分析了长白山天池火山区二维构造走向和感应矢量特征,采用NLCG二维反演技术对资料进行了二维反演解释,并将反演结果与前人探测结果进行了对比分析.探测结果表明:在天池火山口下方存在明显的直立型岩浆通道,岩浆通道在下方约5~8 km位置形成关闭;在火山口下方往北方向附近,在埋深位置约7 km深处存在一个明显的低阻异常体,电阻率小于10 Ωm,且与岩浆通道对接,推测其可能是地表浅部发育的岩浆囊;在长白山山门附近C07-C09号测点之间和C04-C05号测点之间,在埋深约7~17 km深处发现近直立型低阻带,低阻带与下方低阻体直接相连,推测低阻带内赋存有活动的岩浆;随着埋深的增加,从天池火山口南部约20 km位置往北方向,在埋深13~30 km之间壳内广泛发育明显的低阻异常体,推测其可能是活动的岩浆囊.反演结果与前人探测结果整体电性特征相似,但又局部不同.     

时间域航空电磁扩散特征和成像深度研究

为了研究时间域航空电磁系统扩散特征,基于连续性边界条件将电磁场向下延拓得到地下介质中各点处的频率域响应,通过傅里叶变换将其变换到时间域.计算阶跃波形发射时垂直磁偶极子和水平磁偶极子在均匀半空间介质和两层介质中产生的电磁场,通过电流密度矢量图和随时间变化的电流密度等值线展示电磁场在地下介质中的扩散过程.电磁场在地下的扩散受电阻率结构的影响.在良导地区电磁场扩散慢、衰减快,而在高阻地区电磁场扩散快、衰减慢.垂直磁偶极子在地下产生的感应电流形成一个电流环随时间向下、向外扩散.水平磁偶极子在地下产生的感应电流形成两个互相叠加的电流环.时间域电磁场扩散代表着真正物理意义上的电磁扩散,因为它展示了地下电磁场空间分布随时间的变化和场强的衰减.基于对感应电流环的研究,我们探究了扩散深度和时间域航空电磁数据成像深度的关系.时间域电磁场扩散规律的研究不仅加深了对电磁扩散特征的理解,更有助于提高航空电磁数据解释水平.     

基于地电场的裂隙水主体渗流方向两种计算方法及意义

地电场是重要的地震前兆物理场,其观测数据包含了自然电场、大地电场和干扰成分.自然电场源于地下介质的物理、化学过程,通常具有相对稳定性;大地电场则来源于空间电流和潮汐力,较稳定的日变形态主要表现出TGF-A、TGF-B两种波形.依据地电场的潮汐机理,邻近大水域的场地,潮汐力作用于岩石裂隙,易使裂隙水周期性渗流,产生周期性过滤电场,形成TGF-A波形地电场;空间Sq电流在地表的感应电场易引起裂隙水周期性渗流,进而产生大地电流场,使地表出现TGF-B波形地电场.以层状介质为例,设上层介质电阻率为p1,厚度为h1;水渗流层的电阻率为ρ2,厚度为h2;下层是不导电介质.     

伴随地震和火山喷发的电磁效应

伴随地震和火山喷发引起自然地球物理场的变化,产生了地震电磁效应(SEM),即电场和磁场的扰动。电磁场变化多出现在初始地震发生前几天或几小时内,因此,若对这些现象有进一步认识,电磁场扰动可以作为地震的短期前兆。在研究学者中对SEM的解释历来存在着争论,解释这些     

基于椭圆极化的核磁共振找水理论研究(英文)

核磁共振找水是目前唯一能够直接探测地下水的地球物理方法,本文在weichman等人改进的核磁共振理论的基础上,应用经典的Chave算法对含有贝塞尔函数的积分核进行积分,求得了地下磁场和垂直激发场的空间分布。通过计算地下垂直激发场的椭圆极化率,验证了垂直激发场的椭圆极化效应,发现当地下电导率较大时椭圆极化效应将导致垂直激发场严重畸变;地下垂直激发场的正旋和逆旋分量显示了椭圆极化效应对核磁共振找水激发和接收上的不同影响,发射线圈和接收线圈间的延迟相位揭示了相位延迟效应的存在性及其相关性质。将以上理论应用到共圈模式下的核磁共振找水响应函数中,得到了地下氢核的扳倒角、地面核磁共振找水核函数和单一含水层模型的响应曲线,发现椭圆极化效应和相位延迟效应将导致核磁共振找水响应发生明显改变,因此对核磁共振找水理论和实际研究考虑椭圆极化效应是十分必要的。     

基于等效各向异性和流体替换的地下裂缝地震预测方法

地下裂缝是油气聚集和运移的重要通道,而裂缝岩石物理是裂缝参数与地震响应之间联系的桥梁.从裂缝岩石物理出发,探索利用地震数据预测地下裂缝的方法.首先通过构建裂缝岩石物理等效模型,弥补测井横波的缺失,并且实现裂缝岩石物理参数的预测;然后推导了裂缝岩石物理参数与地震响应之间的近似关系式,同时探索裂缝岩石弹性参数和岩石物理参数的地震直接反演方法;最后分别利用测井数据和实际工区地震数据对裂缝岩石物理等效模型的可靠性以及裂缝岩石物理参数直接反演方法的精度进行了验证.结果表明,构建的裂缝岩石物理等效模型可以实现裂缝岩石纵横波速度及岩石物理参数的可靠估测,而且裂缝岩石物理参数地震直接反演方法具有较高的抗噪性,在实际目标工区弹性参数和裂缝岩石物理参数的估算中具有较好的应用结果.     

瞬变电磁横磁场响应特征与探测能力分析

瞬变电磁法是重建地下电阻率等电性结构的重要方法.传统磁性源和电性源瞬变电磁法主要观测横电极化场,横电极化场仅对良导目标敏感,对高阻目标的分辨能力有限.横磁极化场对高阻目标具有较强的分辨能力,但未得到有效利用.双线源瞬变电磁法可以增强观测电场中横磁极化场的占比,但对该方法的响应特征和分辨能力缺乏系统性的研究.为此,本文以双线源为例开展瞬变电磁横磁场响应特征与分辨能力分析.双线源瞬变电磁水平电场的响应强度要小于传统接地导线源,在发射源的中垂线上,层状大地模型的响应为零,观测的水平电场响应只能由地下的三维目标体产生.分别提取双线源和传统接地导线源激发电磁场中的横磁场和横电场,双线源瞬变电磁场中的横磁场占比要大于传统接地导线源,特别是在中晚期,横磁场远大于横电场,横磁场占比得到明显增强.通过均方根差和三维数值模拟的计算,双线源瞬变电磁水平电场显示出相较于传统接地导线源更强的高阻目标分辨能力,特别是在赤道向,水平电场对高阻目标分辨能力的增强效果更加明显.     

地电场秒采样观测技术研究与应用

地电场是重要地球物理场之一,以地球表层的天然电场及其随时间的变化为主要观测对象,以地下介质场源产生的地电场及其动态变化过程为重要研究目标.多年来开展的理论分析、数值模拟和试验研究等结果表明,在强地震活动过程中,地电场的动态变化,主要与在地应力和地应变作用下,地下介质的构造断层活动、裂隙发育和电解质运移和渗流等物理过程,以及地下介质的电磁学属性及其动态变化等相关联.     

采用有限元等效体力方法数值分析火山区岩浆压力变形源——以长白山火山为例

火山区岩浆压力变形源的反演计算采用解析方法存在难以考虑地形的限制,采用传统有限元方法则存在网格依赖和计算量大的问题,反演过程中每一次正演由于岩浆房位置和大小变化都需要重新生成一次网格,耗费巨大的计算量和网格生成时间.为了克服上述问题,首次在长白山火山区使用"有限元等效体力"方法考虑地形影响反演地下岩浆压力变形源,计算岩浆应力扰动对周边断层稳定性的影响.在火山区地下压力变形源引起的地表形变计算中,地表地形影响不可忽略.埋深越浅,地表最大径向位移u_r所在的位置越靠近岩浆囊中心.当坡度达到30°时,最大垂向位移u_z所在位置不再位于岩浆囊正上方.椭球状岩浆囊压力源可以较好地模拟长白山火山地区2002—2003年间的GPS和水准测量.岩浆房扰动应力场和区域构造应力场的叠加有可能造成天池西部近EW向,天池北部以NW-NNW向为主的现今应力方向.岩浆房压力源引起的库仑应力变化有利于天池火山口NW向震群在空间上主要分布于火山口的西南和东北部.