起伏地形条件下流动重力数据处理方法研究

以地震监测为目的流动重力重复测量获取的重力年变信号通常在十几到几十微伽量级.但由于重力测点所处的地形高程不同,将空间测点直接插值得到的重力异常空间图像会叠加由于地形起伏引起的异常畸变.本文通过6面体模型定量计算了不同规模和埋深场源的地形效应;对青藏高原东缘地区测网的重力观测数据进行了分析处理,并通过位场曲面延拓校正技术消除了地形影响.结果表明,位场曲面延拓校正技术可以有效地改善重力数据质量,有利于更准确地圈定和认识异常的空间形态特征.     

流动重力资料处理方法的研究

讨论了流动重力的一般概念,分析和研究了流动重力(相对重力)数据处理的理论和方法。实例表明,实际发生地震的情况和重力变化高梯度带的走向对应较好。指出,用此方法可能给出地震趋势的预测。     

青藏高原东缘重力观测及对芦山M7.0地震的反映

介绍了青藏高原东缘地区相对重力与绝对重力的观测情况,系统分析了该区域2010以来的区域重力场变化及其与2013年4月20日四川芦山7.0级地震发生的关系。结果表明:(1)芦山7.0级地震前青藏高原东缘重力变化剧烈,芦山地震发生在沿龙门山断裂带南段的重力变化高梯度带的转弯部位;(2)芦山地震距2008年汶川地震不到100km,芦山震中及汶川地震震中均处于重力变化四象限中心,表明汶川地震震后恢复调整变化对芦山地震具有促进作用;(3)基于流动重力异常变化在芦山7.0级地震前做过一定程度的中期预测,尤其是地点预测。     

青藏高原东北缘强震前兆特征研究——流动重力方法

通过整理和解剖青藏高原东北缘地震重力观测资料,分析研究了青藏高原东北缘重力场时空变化及其与地震活动的关系,研究了强震孕育发生过程重力异常特征及震后异常效应。     

模型扩展和地形平化起伏地形处理方案在地震走时层析成像中的对比研究

中国大陆中西部普遍具有强烈的地形起伏,起伏地形会对地震资料的处理分析产生严重干扰.精细处理起伏地形成为高精度地震成像的必然要求.传统方法通过填充低速介质将不规则模型扩展为规则模型来处理起伏地形.近年来,借助坐标变换将物理空间不规则模型转换为计算空间规则模型的地形平化方法,为解决起伏地形问题提供了新思路.本文基于经典的模型扩展和新发展的地形平化方法分别处理起伏地形,从走时正演、射线追踪和反演成像三个方面,全面细致地评判了两种地形处理方法在起伏地形层析成像中的适用性和有效性.结果表明,模型扩展中阶梯状近似和填充介质速度参与计算,会造成起伏地形走时计算精度损失,出现虚假射线路径和错误出射角,导致反演分辨率降低,成像结果模糊甚至失真;地形平化中采用贴体网格参数化,能够保证离散模型完全匹配起伏地形,并且保持起伏地形在物理空间和计算空间中均为自由表面.在此基础上发展的层析成像技术具有高度的保真性,有效地处理了地形起伏效应,为起伏地形区域精细速度成像提供了有力的技术保障.

     

辽宁省重力异常指标体系研究

以辽宁省近年来流动重力观测数据为基础,统计监测区内主要地震事件(灯塔M5.1;朝阳M4.6;海城M4.4)与重力变化的对应关系,通过分析重力时变特征,提取重力异常判定指标,构建定量指标体系,提高重力学科在地震监测中的预报效能。研究结果从定性和定量两方面完整的给出了辽宁省M5.0±0.5震级档重力异常判定指标,同时对M6.0以上强震预判提供了科学参考。     

基于卫星重力的青藏高原东缘多尺度时变重力场研究

利用经过去相关滤波处理的GRACE时变重力场模型获得了青藏高原东缘2003—2012年的卫星年重力变化图像,并针对该区域近年发生的三次特大地震,结合震前及震后月重力场变化图像,分析与强震有关的卫星重力场变化特征。从区域年重力变化图像可以看出,三次大震均发生在年重力变化较低的时段内,震前小幅值变化可能是地震发生的中短期前兆;从汶川地震和玉树地震发生前后的月重力场变化图像可以发现,发震前后断层附近的重力变化模式发生变化,这可能印证了震后位场变化恢复理论;从汶川地震前后的龙门山断层附近点上的周重力变化趋势可以明显发现,汶川地震发生（第20周）后近9周的时间,断层东西侧呈现了相反的重力变化特征,这可能是对震后壳幔物质调整过程的反映。     

起伏地形下大地电磁L-BFGS三维反演方法

为推进大地电磁三维反演的实用化,本文实现了基于L-BFGS算法的带地形大地电磁三维反演.首先推导了大地电磁法三维反演的Tikhonov正则化目标函数以及Hessian矩阵逆矩阵近似表达式和计算方法,然后设计了一种既能保证空气电阻率固定不变又能保证模型平滑约束的协方差矩阵统一表达式,解决带地形反演问题.在反演算法中采用正则化因子冷却法以及基于Wolf条件的步长搜索策略,提升了反演的稳定性.利用开发的算法对多个带地形地电模型（山峰地形下的单个异常模型、峰-谷地形下的棋盘模型）的合成数据进行了三维反演,并与已有大地电磁三维反演程序（ModEM）进行对比,验证了本文开发的三维反演算法的正确性和可靠性.最后,利用该算法反演了华南某山区大地电磁实测数据,得到该区三维电性结构,揭示了研究区以高阻介质为基底,中间以低阻不整合面和相对低阻介质连续分布,浅部覆盖高阻介质的电性结构特征,进一步验证了本文算法的实用性.

     

航空重力测量数据的滤波与处理

我国首套航空重力测量系统(CHAGS)于2002年研制成功.本文设计了CHAGS观测数据的滤波处理流程,着重讨论了比力及各项改正的滤波计算方法,提出了'两步滤波法'.基于某航空重力测量实测数据,对测线重力异常的计算精度作了比较和分析,重复测线计算结果表明,CHAGS确定测线重力异常的内符合精度优于±3mGal,相应的波长分辨率为8km;与地面实测数据向上延拓数值比较表明,对于同样的波长分辨率,外部符合精度优于±4mGal.     

航空重力测量数据向下延拓方法比较

首先介绍了空中重力异常向下延拓的直接代表法、正则化法、点质量法和基于球内Dirichlet问题的调和解法,分析了它们各自的特点.然后利用这些方法对中国大同航空重力测量数据进行向下延拓计算.通过对延拓结果与地面实测数据的比较分析,比较客观地评价了不同延拓方法的计算精度、可靠性及适应性.实际计算结果表明,直接代表法和正则化法的延拓结果具有较高的精度和可靠性,而球内Dirichlet问题调和解法的精度较差.     

起伏地形下黄河流域太阳散射辐射分布式模拟研究

针对天文、大气、宏观地理与局地地形等因子对起伏地形下太阳散射辐射的复杂作用,将影响起伏地形下太阳散射辐射的天空因素与地面因素分开处理.通过基于数字高程模型（DEM）数据的起伏地形下天文辐射模型和地形开阔度模型,综合考虑地面因素对散射辐射的影响;基于常规地面气象站观测资料建立的水平面散射辐射模型考虑天空因素对散射辐射的影响;依据各向异性散射机理,建立了起伏地形下太阳散射辐射分布式计算模型,探索出一条利用DEM数据和常规气象观测资料实现山区太阳散射辐射定量模拟的技术路线.以1 km×1 km分辨率的DEM数据作为地形的综合反映,实现了起伏地形下黄河流域1 km×1 km分辨率的太阳散射辐射分布式模拟.     

邢台流动重力测网前兆异常变化特征研究

应用重力变化平面图和各点时序变化曲线．结合网区及周边地区震例,对邢台网重力场震前异常特征进行了研究。结果显示．网区重力场存在整体单调上升变化背景;重力场变化同周边地震活动水平明显相关;震前伴有网区重力场变化加速或转折过程,平面图出现大面积高值异常区。     

南口—孙河断裂和南口山前断裂北段断层活动参数的重力反演

理论和观测实践表明,断层位错滑动会引起断层周围的局部重力场变化,利用局部重力异常可以反演断层地质活动参数.重复重力测量能获取局部重力场的动态变化,利用其测量结果反演断层的活动参数(走滑、倾滑、引张),定量化研究断层的现今运动过程,为强震孕育过程、机理研究探寻新的理论依据.     

一种局部海域扰动重力数据反演海底地形的非线性序列相关方法

在不考虑地壳均衡条件下,从重力场基本理论出发推导了重力异常/扰动与海深信息之间的近似解析关系,其中扰动重力反演海底地形的模型较之重力异常更加简洁.通过对反演模型级数展开式的深入分析表明,在重力数据分辨率数值小于海深分辨率时并不明显收敛,因此在用重力数据反演高分辨率海底地形时应顾及展开级数的高阶项并采取相应处理方法.在大量统计分析基础上,构建了局部海域扰动重力数据反演高分辨率海底地形的非线性序列相关方法,该方法利用少量船测重力/水深测线数据获取非线性相关参数,而后利用卫星测高重力数据按非线性相关函数模型反演海底地形.试验分析表明,2次非线性相关函数反演效果表现较优,对于海底地形平缓海域,1°×1°区域内单条船载测线数据获得的相关参数即可达到2%相对精度.对于海底地形复杂海域,论文方法适用范围应该尽量缩小,30′×30′区域范围基于单条船载测线数据反演的相对精度可优于7%.从论文试验结果分析,海底地形与重力数据之间存在2次非线性相关函数特征,且这种特征在高分辨率情况下仍然适用,利用非线性函数模型并结合稀疏船载测量数据、密集卫星测高重力数据可为局部海域高分辨率海底地形反演提供一种可行的解算方...     

任意起伏地形下重力异常三维正演及并行计算

为了进一步提高空间-波数域三维重力异常正演算法的适用范围和计算效率,本文采用任意傅里叶变换算法实现了空间-波数域三维重力异常正演,且在NVIDIA CUDA平台上进行CPU-GPU并行加速.任意傅里叶变换算法的基本思想是将二维傅里叶变换转化为两个一维傅里叶变换,一维傅里叶变换积分离散为多个单元积分累加和,离散单元中原函数采用二次插值形函数拟合,求出单元积分的解析表达式.相比现有的傅里叶变换算法,新方法具有采样灵活、积分精度高、计算速度快和傅里叶变换的截断效应小等优势.利用空间-波数域算法的高度并行性,采用CPU并行求解常微分方程,GPU并行计算任意傅里叶变换,实现了CPU-GPU并行加速方案,进一步提升了本文算法效率.利用常密度模型,对比数值解和解析解,结果表明本文算法正确;利用变密度模型对比了任意傅里叶变换算法与高斯快速傅里叶变换算法的计算效率与精度,在相近的数值精度下,本文算法波数选取少,效率高;测试CPU-GPU并行效果,结果表明相比CPU串行算法,CPU-GPU并行算法的计算效率大大提升,千万数量级节点数模型正演仅耗时数秒.最后利用实际地形数据进行三维重力异常场数值模拟,证明了新方法的高效性与实用性,对实现大规模复杂条件下重力异常精细化反演成像与综合解释有重要意义.

     

起伏地形下基于非结构网格模型降维的重力三维密度反演

复杂起伏地形以及剖分方式对重力反演解释具有重要影响. 目前重力密度反演研究主要基于直立长方体模型, 这显著降低了对起伏地形和复杂地质体的拟合程度, 对重力反演解释易产生较大影响.四面体非结构网格能够更加精细地模拟起伏地形及复杂地质体, 为此本文研究了起伏地形条件下基于四面体非结构网格剖分的重力三维密度反演.首先基于Delaunay方法将地下区域剖分为四面体非结构网格, 引入垂向导数和相关系数两种方法进行模型降维技术从而减小解的空间, 通过添加最小长度约束, 深度加权约束, 物性范围约束构建目标函数, 并采用预条件共轭梯度法求解.为了提高反演效率在计算过程引入OpenMP并行算法.并研究了各项约束以及两种模型降维方法在四面体非结构网格正则化反演中的效果.通过不同深度直立长方体模型以及起伏地形下组合模型试验, 基于四面体非结构网格的重力密度反演可以清晰地反映异常体位置.将本文提出的方法应用于美国密苏里州东南部的氧化铁矿床, 反演结果与已知岩体具有较好的一致性, 进一步证明该方法的正确性和有效性.

     

复杂地形条件下航空伽玛能谱地形改正方法探讨

应用矩形辐射体航空伽玛辐射场理论,研究应用于复杂地形条件下的航空伽玛能谱资料的地形改正方法,并针对该方法进行验证. 本文利用航空物探测量过程中获得的DTM数据（达到了地形改正所需的地形起伏数据精度）,应用矩形辐射体航空伽玛辐射场理论,根据地面辐射体与航空伽玛场分布之间的正演关系,对航空伽玛能谱解释方法的原理进行了正演分析和反演推导. 探索出一种按影响角进行地形改正的方法. 该方法特点是适合于任意飞行方式(缓地形和水平飞行均可)和任意地形条件航空伽玛能谱的逐点地形改正. 结果表明该地形改正方法能够基本消除航空伽玛能谱测量中的地形起伏产生的影响,经地形修正后的航空伽玛能谱异常能较正确地反映地面辐射体的真实情况.     

高斯滤波在处理GRACE数据中的模拟研究：西藏拉萨的重力变化率

本文利用重力卫星GRACE数据计算了青藏高原的空间重力分布,以及用不同高斯滤波半径得到的拉萨重力变化率.结果显示重力变化率的估算依赖于高斯滤波器空间半径的大小.由GRACE得到的重力变化速率同地表面绝对重力测量得到的值吻合很好,即当滤波器空间半径趋近0时,GRACE估算的重力变化率趋于地表面测量值.接下来对于地面信号应用不同高斯滤波器空间半径进行了数值模拟计算.结果显示一个物理信号的估算依赖于滤波半径,如果计算区域等于或小于质量分布区域,尤其是均匀分布的质量,不管使用什么样的滤波半径,都给出一个相当准确的结果.如果计算区域大于质量分布区域,由于截断引起的信号泄漏,计算会有很大的误差.如果质量异常很小,除非滤波半径十分小,否则很难从空间观测辨别它.如果计算区域在质量分布区域之外,计算结果几乎为0,尤其对较小的滤波半径.高斯滤波器的这些性质在应用GRACE数据中具有重要意义.我们进一步讨论了引起拉萨重力变化的物质来源,表明拉萨重力变化率不是由当前冰川融化（PDIM）（或者小冰期,LIA）效应引起的,因为在拉萨及其周边没有冰川融化发生.重力变化率主要归因于与印度板块碰撞有关的构造变形,而发生的地表位移、地表剥蚀和GIA作用是不容忽视的.     

航空重力地形改正技术研究及应用

采用近、中区质量柱与远区质量线地改模型相结合的方法研究了最大地改半径及不同网格间距高程数据对地形改正效果的影响.研究中采用不同的高程数据间距和合理地改半径配对进行计算,选择最佳的网格间距,以提高地形改正效率和整体精度.在满足地改精度的前提下研究区160 km外的地形质量对测点的重力影响可以忽略不计.研究结果为今后同类型航空重力测量地形改正提供方法及参量选取参考.     

新疆喀什及邻近区域流动地磁和流动重力联合分析研究

利用2014-2015年南天山地区45个测点的2期流动地磁资料,分析喀什及邻近区域相邻两期岩石圈磁场的动态变化特征,同时,利用2014-2016年170个测点的4期流动重力资料,分析不同时间尺度的重力场动态变化信息。研究表明:皮山6.5级地震的发生对皮山一带的地磁矢量分布特征影响较大,总磁场强度、磁偏角和磁倾角均有变化;无论是半年尺度还是一年尺度的重力变化图像都显示乌恰一直处于重力变化的高梯度带;综合多手段的观测资料对震情形势的判定更为准确。