子波变换在层析成象中的应用及前景

子波变换是对付里叶变换研究的巨大进展,它不仅能在传统使用付氏变换的场合,作为代替付氏变换,予以使用,而且因为它同时具有时间域和频率域的良好局部化性质,可对地震信号的高频成份逐步进行更为精细的时间域和空间域的采样,以便在地震层析成像中对更细微的细节予以聚焦。本文介绍了子波变换及其推广子啾变换及有关公式,并指出它们在图象编码、图象压缩、心电图、核磁共振成像和硬件芯片中的应用。     

利用GRACE空间重力测量监测长江流域水储量的季节性变化

2002年3月成功发射的美德合作重力卫星计划GRACE(Gravity Recovery And Climate Experiment)已经开始提供阶次数达到120、时间分辨率为约1个月的地球重力场模型时变序列. GRACE的星座由两颗相距约220 km, 高度保持300~500 km, 而倾角保持约90°的近极轨卫星组成. 由于采用星载GPS和非保守力加速度计等高精度定轨技术以及高精度的星-星跟踪数据反演地球重力场, 在几百公里和更大空间尺度上, GRACE重力场的精度大大超过此前的卫星重力观测. 根据GRACE时变重力场反演的地球系统质量重新分布对固体地球物理、海洋物理、气候学以及大地测量等应用有重要的意义. 在长期时间尺度上, GRACE的结果可用于研究北极冰的变化, 并进而研究极冰融化对全球气候变化, 特别是对海平面长期变化的影响. 在季节性时间尺度上, 利用GRACE重力场的精度足以揭示平均小于1 cm的地表水变化或小于1 mbar的海底压强变化. 除了巨大的社会和经济效益外, 这些变化对了解地球系统的物质循环(主要是水循环)和能量循环有非常重要的意义. 利用2002年4月至2003年12月之间共15个月的GRACE时变重力场揭示了全球水储量的明显季节性变化, 并重点分析了中国长江流域水储量的变化. 结果表明长江流域水储量周年变化幅度可达到3.4 cm等效水高, 其最大值出现在春季和初秋. 根据GRACE时变重力场反演的水储量变化与两个目前最好的全球水文模型的符合相当好, 其差别小于1 cm等效水高. 研究表明现代空间重力测量技术在监测一些大流域的水储量变化(如长江流域)、全球水循环和气候变化上有巨大的应用潜力.     

地球物理和地球化学异常的多重分形分析与分解

地球物理和地球化学异常是找矿的重要依据,异常的空间结构性包括奇异性和自相似性.奇异性反映了地球化学元素在岩石等介质中的局部富集和贫化规律,根据不同的自相似性特征可以分离地球物理和地球化学异常的背景场和异常场,有利于进一步评价异常与矿化的关系.近年来出现了基于空间域、付立叶域、特征值空间、沃尔什域的C-A、C-D、S-A、MSDV、W-A等异常的分解和分析方法,并成功应用于对地球物理和地球化学异常的解释中.本文对这些方法进行了概括和总结,探讨了小波域进行多重分形分析的方法在地球化学异常的分析和分解中的应用.并以山东乳山市葛口-石城测区的Au为例,以小波变换下的多重分形方法分析了该地区金成矿的可能前景,与实际情况较为吻合.     

基于基因组信息指导的古菌培养新策略

古菌、细菌及真核生物共同组成了地球上的三域生命体系.其中古菌域不仅包含了现今地球上最古老的生命类群,如产甲烷古菌;同时,阿斯加德(Asgard)古菌超门还被认为是真核生物的共同祖先.近些年来,随着地球科学和生命科学交叉研究日益加深,科学家发现古菌在地球化学元素循环中也起到了显著作用.通过不依赖于纯培养的高通量测序技术分...     

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.     

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.     

序

时间是地球科学研究中永恒的主题之一 ,宇宙中没有什么事物不受时间的支配。人类发展中对时间的不断认识是社会文明程度提高的一个重要标志。时间是研究地质问题的基本。时间、空间、物质和能量是研究地质过程、环境演化的基本要素 ,要认识和掌握自然中的规律 ,都要搞清上述要素在时间过程中表现的相互关系。在没有年龄测定之前 ,人们对地球年龄的多种推测都与实际情况相差甚远 ,只有当科学工作者把放射性衰变定律的原理应用到地质年龄的测定后 ,才使地球有了科学的、公认的年龄 45 .5亿年。地球年龄的测定使人们有了新的地球观 ,地球科学的研究也有了质的变化 ,从地质过程的定性研究走上定量研究。如今科学更加注重时间概念的重要性 ,在许多问题上提出高解析度定年、高解析度建立时间尺规 ,以便更准确地确定周期和相位 ,更好地进行全球对比 ,进而更加精确地进行自然演变的地史再造和趋势的精细估计 ,为科学地探索过去、认识现在、预测未来找到依据。年轻地质体的年代学 (新年代学 ) ,主要是研究新生代以来 ,尤其是新第三纪以来的年代学问题。近十余年来 ,它已逐渐成为同位素地质年代学的重要组成部分。年轻地质体年代学与同位素地质年代学一样 ,是一门试验.     

二维时间空间域和频率空间域声波全波形速度反演方法的对比研究

本文将二维时间空间域和频率空间域声波全波形速度反演方法分别应用到Marmousi模型,进行数值试验.两种方法均采用相同的观测系统和其他的参数,理论模型的数值试验结果证实了:使用较多的计算集群的CPU进行二维频率空间域直接法声波全波形反演时,其加速有限(正演数值模拟的计算量主要用于稀疏矩阵的LU分解,炮点计算波场时为线性关系).二维时间空间域声波全波形反演计算时更灵活,多炮同时计算时,可以多倍提高其计算效率;二维声波全波形速度反演时,直接法求解频率空间域的计算速度远快于时间空间域,所需要的计算机内存也比时间空间域少.二维声波全波形速度反演时,相比较于时间空间域的方法,频率空间域直接法声波全波形反演具有计算速度快和节省计算机内存需求的优势.     

透射电子显微镜在地球科学研究中的应用

随着新技术应用和学科交叉融合,现代地球科学的研究尺度正在向更宏观和更微观两极延伸,分别促进了行星地球科学的发展和纳米地球科学的诞生.纳米地球科学借助先进的微区原位分析技术,旨在研究地学中的纳米尺度现象,如纳米矿物/颗粒、纳米结构和纳米矿物界面等及其在地质、地球化学过程中的作用.透射电子显微镜具有纳米和原子水平的空间分辨率和多种微区原位分析能力,是纳米地球科学研究中的重要分析平台.本文在介绍透射电子显微镜工作原理的基础上,举例评述了透射电子显微镜技术在岩石超微结构、球粒陨石和矿物中痕量元素赋存以及微生物矿化作用与微化石研究中的应用,并简要介绍了透射电子显微镜在地球科学研究应用中的注意事项及相关建议.     

海洋地球物理研究与海底探测声学技术的发展

海洋地球物理以物理学的思维与方法研究占地球三分之二面积的海洋系统.20世纪地球科学迅猛发展,它的重大进展是海底扩张说与板块构造说的出现和海底大洋的发现,以及前者所引发的地球科学思想革命,从固定论向活动论的思维转变.海底研究对于20世纪地球科学发展的贡献极为巨大,而海洋地球物理是推动海底科学研究的重要原动力.海洋地球物理在20世纪地球科学的发展中有过辉煌的成就,占有十分重要的地位;在新的21世纪里,海洋地球物理研究仍然保持着前沿科学的地位,继续推动着地球科学的进展.目前的海底探测主要还是依赖于声学探测技术.水下声学定位技术是实现水下探测系统精确定位和海底高精度探测的基础.传统性的海洋地震探测技术是研究海底构造与海洋岩石圈深部结构和寻找海底矿产的主力技术,它近年来无论在海上采集技术还是数据处理技术方面都发展得很快.多波束测深、侧扫声呐测图和海底地层剖面测量等则是近数十年快速发展起来探测海底浅部结构信息的技术.这些技术已经在当代海底科学研究、海底资源勘查、海洋工程和海洋开发,以及海洋军事活动等方面发挥出极其重要的作用.     

特提斯地幔域DUPAL异常成因及地球动力学意义

地幔化学组成不均一性揭示了在空间尺度上位于南半球的印度洋-南大西洋地幔和北半球的太平洋-北大西洋地幔Pb同位素组成呈现规律性的差异,这一大规模的南半球地幔同位素差异被称为DUPAL异常,但其成因存在争议.通过系统总结特提斯地幔域Nd-Pb同位素演化特征,从时间尺度上揭示了特提斯地幔域自早古生代以来长期具有DUPAL异常,即地幔长时间的高Th/U演化特征.对比泛太平洋地幔域(古亚洲洋、古太平洋和现代太平洋)的Nd-Pb同位素组成,揭示了地球早期的壳-幔分异过程造成了地幔具有低Th/U特征而地壳具有高Th/U特征,因此地幔开始时具有统一的低Th/U特征,这一特征被整个泛太平洋地幔域继承.然而特提斯域大陆碰撞型的板块构造机制改造了其地幔特征,从而形成了特提斯地幔域长时间大规模的DUPAL异常,即特提斯洋域在洋盆打开和俯冲消减过程中,冈瓦纳大陆的裂解和频繁的陆-陆碰撞过程,造成了特提斯域长期且广泛的壳-幔相互作用和高Th/U特征的壳源物质不断加入而改造了地幔,这一过程不仅形成了独特的特提斯地幔域DUPAL异常,而且形成了以大陆碰撞型为主的特提斯构造域.另外,原、古特提斯地幔呈现极高DUPAL异...     

海洋重力勘探中的完全布格校正

海洋重力测量由于海底地形的复杂性,需要在简单布格校正的基础上加入海底地形校正,从而使理论地球模型更好的符合实际的地球椭球体.本文总结了完全布格校正的理论,从空间域和频率域的角度对中间层和地形校正的方法作了介绍,并引入了一种综合的方法且将之运用到了实际的工作中,并取得了很好的效果.     

地球重力场时变性的研究进展

地球重力场是表征地球内部、表面或外部各点所受地球重力作用空间的物理属性.地球重力场不仅存在着空间变化而且存在着时间变化.从空间观测，地球重力场是地球系统质量分布的结果，质量在地球系统内的传输和变化将在地球重力场的变化中反映出来.重力场的时变有长期变化、季节性变化、不规则变化和其他多尺度的变化.本文主要介绍了时变的地球重力场领域近年来的研究进展，归纳和描述了引起地球重力场时变的主要因素.     

高温高压实验和硅酸盐地幔中的水

硅酸盐地幔中的水是影响地球的气候、宜居性、地球化学演化、地球物理学性质和地球动力学过程等的重要因素之一,也是近20年来国际地球科学研究中的热点和前沿方向.高温高压实验是了解硅酸盐地幔中水的种类、分布、储量和效应等的强有力手段.近年来通过高温高压实验,人们对硅酸盐地幔中水的多种物理、化学和动力学性质及其影响取得了一系列显赫进展,极大地丰富了人们对时间和空间尺度上地球水循环(尤其是深部地球水循环)的认识.本文就硅酸盐地幔中水的研究现状和一些主要认识进行简要评述(偏重于高温高压实验相关的成果),主要包括硅酸盐地幔中水的起源、含量和分布以及水对硅酸盐地幔一些物理-化学性质的影响等方面.     

2015年固体地球科学发展态势概览

随着人类对自然界认识和开发利用的不断深入,地球科学的重要性日益凸显,已成为妥善解决人类经济社会发展面临的能源安全、资源安全、气候变化、生态环境、城镇化等一系列挑战的重要基础。本文主要基于对2015年国际地球科学领域的重要科学战略规划、重要科技进展和重要科技文献等反映的科学研究发展动态的系统监测和整理,遴选并总结了2015年固体地球科学领域的主要科学前沿问题和科技发展态势,以供读者参阅。     

一种多尺度电磁测深方法

电磁测深方法是地球物理勘探的重要方法.按照处理方式分为时间域和频率域电磁测深方法两类.但实质上时间域方法和频率域方法是等效的.而由于观测方式的不同,有时效果不能完全等同.本文介绍一种广义的时间域电磁测深方法.这种方法的最大优点就是在不改变激励和观测装置的前提下,通过改变激励波形,从而实现分段多尺度的电磁测深处理.     

大陆科学钻探—固体地球科学新发展的突破口

本文从当代固体地球科学发展所面临的若干关键问题──板块大地构造学说的崛起、地震预测研究、大型隐伏矿床预测和科学钻探结果产生的冲击等出发，提出了大陆科学钻探是固体地球科学新发展的突破口的观点．本文对大陆科学钻探的进展情况做了综述。特别是对在这一领域中有代表性的前苏联、美国、德国大陆科学钻探计划和做法进行了详细分析，并结合我国具体情况，对在我国实施大陆科学钻探计划提出了几点建议。     

黏弹性VTI介质频率空间域准P波正演模拟

有限差分方法是波场数值模拟的一个重要方法,时间域有限差分计算方法因按时间片递推计算,每个时间片的舍入误差会累积到下一片中,当时间片较多,最终会导致累积误差太大.而频率域计算是按频率片对空间网格进行整体求解方程组,其计算误差分配到了每个网格点上,并且各个频率片之间是独立计算的,因此不存在累计误差,而且在频率-空间域更易于模拟黏弹各向异性介质的衰减,同时采用25点优化差分算子克服了常规差分算子的数值频散.本文首先推导了黏弹性VTI介质的频率-空间域准P波波动方程,在此基础上,利用25点优化差分算子构造了差分格式,实现了频率空间域的正演模拟.并以断层模型为例,模拟并对比分析了利用弹性VTI介质波动方程差分格式和利用黏弹性VTI介质波动方程差分格式模拟的井间地震准P波波场记录,得出黏弹性介质地震记录由于衰减振幅相对较小,主频相对较低的结论.     

追索为什么?地球系统科学中的因果推理

地球大数据使人们以前所未有的维度和规模认识赖以生存的地球,而挖掘隐藏在数据背后的因果关联是深入理解地球系统的关键.长期以来,以相关为内核的统计方法都是地球系统科学研究的主流方法,但相关并不等于因果,特别是大数据导致“伪相关”的泛滥,传统的相关和回归方法难以解释地球系统因果相关问题.随着因果理论和推理方法的完善,特别是近年来因果发现和因果图模型的成熟,因果推理在地球系统规律揭示、过程理解、假设检验和模型改进等多个研究方向展现出蓬勃的生命力.文章从因果关系的起源、内涵和发展入手,概述了因果推理的主要研究框架和地球系统科学领域常用的因果推理方法,回顾了因果推理在地球系统主要分支领域的应用,探讨了地球系统科学领域因果推理实践面临的挑战和发展方向.在地球大数据背景下,作为重要的大数据分析方法,因果推理与物理模型和机器学习的互惠能够助力地球系统科学实现从模型驱动到机理与数据融合驱动研究范式的转换.展望未来,结构化、规范化的因果理论能够为地球系统科学的因果认知筑基,推动地球系统科学从单一领域的分散研究到地球系统综合理解的认识跃迁.     

2.5维起伏地表条件下时间域航空电磁正演模拟

时间域航空电磁作为一种高效地球物理勘探技术特别适合我国地形复杂地区(沙漠、高山、湖泊、沼泽等)资源勘查.然而,这些地区地形起伏较大,对航空电磁响应有严重影响,忽略地形影响会给航空电磁数据解释造成很大误差.到目前为止人们对航空电磁地形效应特征研究十分有限.本文提出了基于非结构化网格的有限元法模拟带地形时间域航空电磁系统响应.该方法与基于结构化网格的有限差分相比能更好地模拟地形.首先通过傅里叶变换将2.5维问题转化成二维问题,利用伽辽金方法对二维问题进行离散.通过使用MUMPS求解器,得到波数域电磁响应.利用反傅里叶变换将波数域电磁响应变换到空间域,并利用正弦变换将其变换到时间域,得到2.5维时间域航空电磁响应.通过将本文的计算结果与半空间模型解析解及其他已发表的结果进行对比,检验了本文算法的精度.最后,我们系统分析了山峰和山谷地形对航空响应的影响特征.本文研究结果对航空电磁地形效应的识别和校正具有指导意义.