颗粒材料平均场理论的多尺度方法：理论方面

对基于平均场理论的颗粒材料多尺度方法实施过程中的基本理论问题进行了探讨。公式推导表明,考虑微观颗粒间滚动矩相互作用时宏观需要采用Cosserat类连续体模型。基于平均场理论,给出了离散颗粒表征元等效连续介质应力、偶应力表达式。基于Hill-Mandel宏观均质化条件,给出了离散颗粒微结构波动场的边界条件,并且讨论了内部长度尺度参数的选择问题。该工作是颗粒材料多尺度计算的理论部分研究。     

重力位场小波多尺度分解性质的分析与应用

小波多尺度分解是重力位场分离的常用方法之一,其最大的优点是突破了传统的二分重力异常的理念,实现了重力异常的多重分解,但对其性质及其存在的局限性还未进行系统研究。为了更好地指导实践,本文从基于剖面和格网的重力位场小波多尺度分解的定义出发,阐述了低阶小波细节不变准则等3个重要性质,通过设计简单和复杂两类典型理论模型,分析了小波多尺度定义及性质,并在应用实例中与插值切割法进行了对比。结果表明,小波多尺度分解可以实现重力位场多层分离并推估源体埋深,同时针对本文指出的异常尺度混叠和比例系数难以确定等局限,给出了改进思路。以上基础研究工作,可为重力位场资料的处理和解释提供一定参考。     

孤立源的密度、磁化强度及其埋深估算的3维位场方法研究

一个3维均匀源的密度、磁化强度及其埋深,可通过一种非线性、非迭代的3维位场方法反演获得。通过对该方法的研究,实现了对其编程,并将该方法应用于模型反演,取得了很好的反演效果。     

基于地形指数的混合产流关键土壤变量空间离散方法及其空间尺度效应

下垫面作为产流过程发生的载体,其空间异质性表达会极大的制约流域水文模型的模拟效果.河北雨洪模型作为我国北方半湿润半干旱地区混合产流的代表性流域水文模型,对关键土壤变量的处理方法(即以土壤蓄水容量和下渗能力分布曲线概化流域分布的空间异质性),使其难以发展为基于网格的概念性分布式模型.研究基于TOPMODEL中的地形指数概...     

顾及梯度的高斯混合模型在三维属性场空间聚类中的应用

针对高斯混合模型(GMM)在空间聚类中由于忽视目标对象之间的空间关联性而导致的高误判率等问题,本文提出了一种顾及梯度的高斯混合模型:GMM-G,并将其应用在三维属性场的空间聚类中。GMM-G用反映标量场最大属性变化方向的梯度因子来定义邻域规则,设定梯度正交平面所通过的邻域体元更倾向于与中心体元归属于相同或相近的类别;并据此设计了符合归一性和空间连续性的空间邻域信息函数,来定义中心体元属于各类别的具有空间领域规则约束的后验概率。通过对由蒙特卡洛随机抽样构建的实验场的空间聚类结果进行对比表明,相对GMM方法,GMM-G具有更优的聚类精度及效率。最后,把GMM-G方法用于红透山铜矿区可控源音频大地电磁法(CSAMT)三维视电阻率场的空间聚类,得到了与已知岩性划分具有较高匹配度的分类结果,该方法可为物性属性场的岩性划分及地质推断提供相关的依据和参考。     

非线性混合模型的优越性及其在中国典型地震强活动区的应用

b值作为地震预报与危险性评价研究中的重要参数,受到广泛关注与讨论。通过非线性混合模型对中国地震目录数据库开展地震震级-频数分布拟合,并利用该方法计算得到的b值对地震活动进行分析评价。文章首先以中国26个地震带为研究区,收集1920—2019年的4.7级以上地震数据为完整地震目录,分别通过非线性混合模型与传统G-R模型进行拟合,并对比其效果;进一步以西藏地区为具体试验区,选择1920—2019年的地震目录数据,以10年为间隔,将非线性混合模型应用于西藏地区地震震级-频数模型的拟合。其次,利用矩震级与地震矩转换公式计算出非线性混合模型中的相关变量。最后,利用非线性混合模型对地震数据进行非线性回归分析。结果显示：当b值出现低值时,对应时间段前后有地震发生,b值较低时,发生的地震震级大、频次底;b值相对较高时,地震震级小、频次高。将非线性混合模型应用到中国及邻区完整地震数据中,能够对数据进行更加全面的分析,克服了传统模型方法对高震级和地震数据分析中的局限性,合理分析计算b值,进而增强对地震目录数据的分析和评价。     

黄河下游河床纵向与横向变形的数值模拟——Ⅱ二维混合模型的应用

对前文提出的平面二维混合模型进行了验证与实际工程应用.模拟了概化顺直河段在不同冲淤条件下的河岸后退过程.将混合模型应用于实际工程问题,模拟了黄河下游花园口游荡型河段的河床纵向与横向变形过程.通过对断面平均水位、流速分布、断面形态变化等计算值与原型观测值的对比,两者符合较好.表明该混合模型不仅能较好地模拟出河道内的水沙运动与河床纵向冲淤过程,而且能模拟出滩岸的后退与淤长过程,尤其能模拟滩岸的冲刷与崩塌过程.     

二维磁异常的粒子群快速成像方法及其应用

通过将地下介质划分为一定规模的网格单元,并构造一个与磁性体中心网格位置有关的指数函数模拟地下介质磁性分布特征,利用粒子群算法反演该函数参数,根据求得的函数表达式,推算各网格单元磁化强度,由此实现磁化强度的快速成像。理论模型试验显示:该方法不仅能将一个求解20×10网格规模的物性分布问题简化为求解指数函数的10个参数值的问题;而且,当在不同模型地质体磁异常中加入20%的随机噪声时,也能取得理想的效果,且需要调整的参数少,算法通用性强。利用该算法处理老挝爬立山铁矿区某磁测剖面,得到厚度近140 m的强磁性体;钻孔证实,实际钻遇矿体累积最大厚度达130.6 m,且矿体中心与成像中心相对应:由此证明该方法应用于实际资料处理与解释的可行性和有效性。     

基于广义位势理论的土的数值弹塑性模型及其初步应用研究

广义位势理论从数学角度出发建立土的本构模型,可克服传统本构理论的不足,而又同时包含了传统理论作为其特例,从而为土的本构模型研究提供新的和适用性更广的理论。以广义虎克定律为基础的邓肯-张模型以其简单方便、参数确定容易且有明确的物理意义而得到广泛的应用,而其最大缺点则是不能反映土的剪胀性;此外,邓肯-张模型采用双曲线函数拟合试验曲线也有一定的局限性。为保留其参数确定简便的优点,并弥补其不足,基于广义位势理论建立了数值弹塑性模型。该模型保留了邓肯-张模型在参数确定方面的简单性,同时由于采用了广义位势理论来建模,不再受广义虎克定律的限制,因而可弥补邓肯-张模型在反映土体剪胀性方面的缺陷。此外,该模型采用数值手段来表示试验曲线的建模方法,可以克服邓肯-张模型采用双曲线函数表示试验曲线方法的局限性,具有更为广泛的适应性。通过对一碎石桩复合土体三轴试验结果的数值模拟表明：基于广义位势理论的数值弹塑性模型计算与试验结果吻合良好,且在反映碎石的剪胀特性方面优于邓肯-张模型,从而初步证明了该模型的合理性及优越性。     

A New Model for Quantifying Anisotropic Scale Invariance and for Decomposition of Mixing Patterns

A new power–law function has been derived to represent the relationship between area of the set consisting of wave numbers with spectral energy density above S (A(>S)) on the two-dimensional frequency plane and S. The power–law relation holds if the field concerned possessing isotropic scale invariance or generalized scaling invariance involves rotational and ratio-scale changing transforms. The equation is valid for dealing with common exploration geophysical and geochemical fields encountered in mineral exploration and environmental assessment. This power–law function not only provides a new model for characterizing anisotropic scaling invariance for generalized scaling field, for example, estimating the power exponent of power spectrum of generalized scale invariance measure in frequency domain, but also forms a theoretical base for the S–A filtering technique developed for decomposing a mixing field into components on the basis of distinct scaling properties in the frequency domain. It is demonstrated that the method has potential to become a general technique for image processing and pattern recognition.     

重磁场的变差函数特征及应用

用变差函数研究重磁场的区域变化特征.变差函数的变程反映重磁场的相干范围, 块金效应反映随机干扰, 基台值反映变异程度.重磁场的理论模拟说明: 重力场的相干范围大于磁场, 重磁场变程主要取决于场源深度, 浅源重磁场变差函数近似为球状模型或指数模型, 深源重磁场近似为连续性更好的高斯模型.磁场场源深度近似等于变程的一半, 重力场场源深度近似等于变程的四分之一.湖北大冶铁矿垂直分量磁异常具有几何各向异性, 北西-南东走向, 变差函数推测磁铁矿平均深度为250m.磁异常小波多尺度分解细节和逼近部分磁场具有协调几何各向异性, 变差函数的各阶场源深度估计结果与功率谱估计结果吻合.      

沉积过程的三维计算机模拟及其应用

利用模拟沉积、剥蚀和搬运过程的数学模型和基本算法,开发了模拟软件SSSP(simulating system of sedimentary processes)。该软件能够进行主要沉积环境的大规模剥蚀、搬运和沉积过程的复杂模拟,并可控制各种参数实时显示模拟结果,包括剖面图、沉积相图、等值线图、网格图和速度矢量图等。在已知沉积环境参数的情况下,利用SSSP再现盆地的沉积演化过程、沉积构型和沉积相分布,并给出了三角洲、河道和水下台阶沉积环境模拟实例。     

高分辨率三维地震资料处理技术及应用

高分辨率地震勘探技术贯穿于野外采集、室内资料处理和解释各个环节。文章从三维地震资料处理角度出发,探讨高分辨率、高信噪比和高保真度处理的关键技术措施,即波场净化处理,振幅、频率和相位补偿,叠前反褶积,静校正和动校正及叠后频谱整形。最后以实际资料说明经高分辨率处理后,频宽达到350Hz,给解释人员提供优质剖面,为分辨小间距薄煤层奠定基础。     

分块区域三维地质建模方法

区域三维地质建模是区域三维地质调查的关键。在大量反复实践的基础上,提出了分块三维地质建模方法,该方法的主要步骤为：以断裂、岩体边界和不整合等为边界,把复杂的三维地质建模区域分解为内部构造相对简单的建模块或建模地质单元;分别对各建模块进行地质地球物理综合研究,编制深部地质剖面,揭示深部地质结构;采用基于剖面的建模方法按照全区统一的坐标系统构建三维地质模型;在完成全区所有建模块三维地质模型构建之后,把各个建模块的三维地质模型集成在统一的三维空间框架下,形成全区的三维地质模型。该方法具有能够简化三维地质建模过程、易于修改完善模型、易于集成模型等优势,能够克服常规的基于剖面的三维地质建模方法中存在的问题,突破了大规模区域三维地质建模的瓶颈。在本溪-临江深部地质调查中的应用表明,采用该方法可以有效构建研究区的三维地质模型,并能充分表达复杂的地下深部地质结构,为开展复杂地区大规模区域三维地质建模提供了一个重要途径。     

求解非线性有限元方程的弧长法及在工程稳定分析中的应用

本文讨论了求解非线性有限元方程弧长法的基本原理及具体实施,并应用于压杆及滑块的稳定性分析。由于弧长法具有确定并通过结构临界应力状态的临界荷载值,因此可以应用于工程稳定性分析。算例表明,弧长法确定的临界荷载值是令人满意的。     

岩体裂隙三维可视化新方法及其应用

快速准确地识别岩体裂隙的三维分布特征是西南山区铁路防灾减灾的关键.本研究提出了一套岩体裂隙可视化新方法,基于测窗调查的裂隙数据,依托球坐标及极射赤平投影进行数字化处理及降维,利用K-Means++聚类算法、Fisher分布模型和蒙特卡洛模拟,完成裂隙产状数据的自动分组和模拟,最后运用Python及圆盘模型实现岩体裂隙三维可视化.本研究采用坐标变换和三角网格曲面的方式,更有利于与其他三维建模软件嵌套分析.水电站工程的先行应用研究表明产状数据服从Fisher分布,本文的模型相对于传统玫瑰花图和施密特图有着一定的优势.因此,本文建立的岩体裂隙模型具有直观快速反映区域裂隙网络三维分布特征的优点,研究成果可以直接服务于西南山区铁路施工阶段隧道掌子面及洞壁的节理裂隙三维识别以及防灾减灾研究.      

Multifractal Distribution of Eigenvalues and Eigenvectors from 2D Multiplicative Cascade Multifractal Fields

Two-dimensional fields (maps) generated by isotropic and anisotropic multiplicative cascade multifractal processes are common in many fields including oceans, atmosphere, the climate and solid earth geophysics. Modeling the anisotropic scaling property and heterogeneity of these types of fields are essential for understanding the underlying processes. The paper explicitly derives the eigenvalues and eigenvectors from these types of fields and proves that the eigenvalues and eigenvectors are described by non-conservative multifractal distributions. This results in a new multifractal model implemented in eigen domain to characterize 2D fields not only with respect to overall heterogeneity and singularity as characterized by the ordinary multifractal model applied to the field itself, but also with respect to orientational heterogeneity of the field. It may also result in a new way to characterize the distribution of extreme large eigenvalues involved in other studies such as principal component analysis. A newly defined operator and its properties as derived in this paper may be useful for studying other types of multifractal cascade processes.     

旅行时分解法初至折射波静校正及其应用

在煤田地震勘探中,当第四系地层厚度较薄时,从野外观测到资料处理都较难得到来自第四系地层底界的反射波,因此无法解释第四系地层厚度问题,而这一问题又常常是要解决的地质任务之一。并且第四系地层厚度的变化也直接影响了深层反射波的叠加效果和构造形态。就此,文章介绍一种初至折射波静校正方法──旅行时分解法,及其在资料处理与解释中的应用。     

位场向下延拓的导数迭代法

针对向下延拓的不适定问题,提出了一种新的位场向下延拓方法-导数迭代法。从位场垂向一阶导数的定义出发,将观测面和向上延拓、向下延拓同等高度平面上的位场值近似联系起来,采用迭代法进行逐次逼近,推导出空间域位场向下延拓的导数迭代法的递推公式。考虑到空间域向上延拓积分方程实现的复杂性,对递推公式进行快速傅里叶变换,整理得到波数域中的导数迭代公式,同时证明了该方法的收敛性。模型检验和实例分析均表明迭代法相对直接FFT法具有稳定性强和下延深度大的优点。