地磁场模拟中的极型场和环型场(续一)

Mie表示完全可以借助于R~3中的初等矢量分析进行讨论,但要包含着冗长的计算,而且引入的许多数学构造,除了它们自身以外,很难有任何领域的明确目的,在另一个极端,Mie理论可看作是微分形式的Hodge[1952]理论在曲面上的特定情形,在本文中,将采用中间的领域,而理论将基于三个面算子:面梯度算子Ⅴ_s、面旋度算子A_s和面拉普拉斯算子▽_s~2=▽_s·V_s,这一节就来描述这些算子,并利用它们把Helmholtz定理,即平面内的任一矢量场是二维梯度和二维旋度的矢量和,推广到曲面上,这里仅对球面给出了细节。     

地磁场模拟中的极型场和环型场

本文叔述了面算子理论,并运用于四个球上的面算子:无量纲面梯度算子▽_1=r▽-r(?)_r;无量纲面旋度算予∧_1=(?)×▽_1;无量纲面拉普拉斯算子▽_1~2=▽_1·▽_1;以及Funk-Hecke算子,即具有轴对称核的积分算子。给出了三种将▽_1~2g=f解出为g=▽_1~((?)2)f的方法:其一用于当f具有迅速收敛的球谐展开式时的数值计算,其二用于f沿经度方向光滑的而沿纬度方向不光滑的情形,其三是一种Funk-Hecke运算,用于f在任意方向都不光滑的情形。应用这些理论和方法完整地证明了任一矢量场v在中心为原点半径为r的球面S(r)上的Helmholtz表示,即在S(r)上,存在唯一的一组标量场f、g、h,使得v=(?)f+▽_1g+∧_1h且_r=_r=0。这里_r为g在S(r)上的平均值。从球面的Helmholtz表示,导出球壳上的Mie表示,即极型-环型表示。设S(a,c)为内边界是S(a)、而外边界是S(c)的球壳,又设B在S(a,c)上是无源的,即▽·B=0,且_a=0,则在S(a,c)上存在唯一的一组标量场P和Q使B=▽×∧_1P+∧_1Q,且当a≤r≤c时,

_r=_r=0。场P=▽×∧_1P和Q=∧_1Q分别为B的极型部分和环型部分。本文讨论了这种形式在地磁场模拟中的应用。推广了将地磁场B在S(b)上分解为内源场和外源场的Gauss方法;如果径向电流J_r在S(b)上不为零,那么必须在Gauss表示中加上一个完全由于S(b)上的J_r引起的S(b)上的环型场。简要地证明了Runcorn定理,即对于磁化率的一级近似而言,为其内部的磁源极化的水平均匀球壳的磁化强度不会形成外部磁场。叙述了基于Funk-Hecke算子理论的模拟电离层电流的方法,它也许比截断的球谐展开更精确,比Biot-Savart积分容易使用。最后,这种形式使在球壳S(a,c)上模拟人造卫星采集的地磁场成为可能,而在这球壳内电流是不能忽略的。提出了两个近似方案:一个是截断的(c—a)/H的幂级数展开,其中H是电流的径向长度尺度;另一则假定S(a,c)中B的绝大部分不是由S(a)和S(c)之间的电流引起的,S(a,c)中的电流是场向的。如此,在很确定的意义上说,在S(a,c)中,物理上可能的磁场集合只比该区域的真空磁场集合大50％。本文详述了计算方法     

地幔对流环型场的激发(Ⅰ)

讨论了地幔内部的粘滞度及施加在地表和CMB 的边界条件对地幔对流环型场的激发分析表明,当粘滞度侧向均匀时,环型场与极型场自然解耦,且环型场不影响重力位,当粘滞度侧向不均时,环型场与极型场耦合在一起.两者共同影响重力位.当引入板块运动速度时,边界条件非零,也能激发环型场;对侧向均匀粘滞度地幔,零边界条件不能激发环型场     

水力压裂产生的地表和地下变形场数值模拟(英文)

倾斜仪裂缝监测技术是通过在地表和附近观测井中放置高灵敏度的倾斜仪,记录压开裂缝导致的地表和地下变形,由此来估计裂缝方位和裂缝的几何形态。本文借鉴Okada线弹性理论和格林函数方法,分别针对弹性半空间均匀模型和分层模型,模拟分析水力裂缝引起的地面和井下变形。模拟结果表明,地表变形模式在两种模型下无明显差异,但当裂缝穿透某一地层时,分层地层模型中水力裂缝引起的井下变形模式与均匀地层中会有明显不同,不适宜采用均匀半无限半空间假设计算井下变形场,研究结果对提高倾斜仪监测水压裂缝技术的数据反演结果的精度和可靠性具有应用价值。     

太阳高能粒子(SEP)传播数值模拟中的太阳风背景场研究

太阳高能粒子(SEP)事件是一类重要的空间天气灾害性事件,如能准确预报SEP事件,人们便可以采取必要的防护措施,保障卫星、星载设备以及航天员的安全,尽可能地降低经济损失.因此,其数值预报研究在空间天气预报研究中占有很重要的地位.SEP事件中的高能粒子在不同的时间尺度内被耀斑过程或者CME驱动的激波加速,并且在被扰动后的行星际太阳风中传输,这些过程都紧紧依赖于太阳风背景场.因此获取更加接近物理真实的太阳风背景场是模拟SEP事件的重要部分,也是提高SEP物理模式的关键因素之一.我们目前的工作基于张明等发展的SEP在行星际空间传播的模型,尝试将Parker太阳风速度解及WIND飞船观测的磁场实时数据融入模型中,研究不同的太阳风速度以及真实磁场分布对SEP在行星际空间中传播的影响.通过求解聚焦传输方程,我们的模拟结果表明:(1)快太阳风条件下,绝热冷却效应项发挥了更大的作用,使粒子能量衰减的更快,而慢太阳风对粒子的通量变化没有显著影响;(2)加入观测的磁场数据时,粒子的全向通量剖面发生了比较明显的变化,具体表现在:通量峰值推迟到达、出现多峰结构、各向异性也发生一些改变.分析表明真实磁场的极性对粒子在行星际空间中传播有着重要的影响.     

关于地磁场超低频脉动(ULF)的研究

本文是关于地磁场超低频脉动研究的综述,内容包括：（1）历史和内容提要;（2）脉动分类的探究;（3）关于“四多”（多观测仪器、多卫星和飞船、多地面和网络、多分析方法）;（4）其它行星ULF波的探求.     

横向各向同性(VTI)介质中非线性地震波场模拟

数值计算方法是考察非线性弹性波在介质中（如岩石）传播特征的重要手段.非线性弹性波的数值模拟存在陡峭间断面（点）、数值振荡以及误差的指数级增长等现象而破坏数值解的稳定性、收敛性,能否消减上述现象的不利影响成为制约数值方法有效与否的重要因素.文中同时引入了FCT算子和幅值限制器,采用中心差分格式对具有垂直对称轴的横向各向同性（VTI）介质中的二维非线性弹性波进行数值模拟,从而克服了上述困难;介绍了适用于非线性弹性波的吸收边界条件,给出了差分方程的稳定性条件.在验证了方法的有效性后成功地获取了二维VTI介质中非线性弹性波的三分量地震正演记录,表明非线性波在传播过程中会发生波形畸变等现象.     

三维非均匀地幔中深源电场和磁场的谱理论(Ⅱ)——横向缓变摄动和极型场快速扩散

It is one of the classical problems in Earth′s electromagnetism that continuation of the observatory data of magnetic field into the conducting region. This paper built the coupling vector equations governing the poloidal, toroidal and potential fields in 3-D inhomogeneous conducting mantle. Considering the limitation on variable scale of inhomogeneities in global mantle from study of the Earth′s deep interior, a perturbation　theory of gradually lateral variation was presented. It is unnecessary that the 1-D spherical symmetric distribution of electric conductivity as zero-degree approximation. Serving as a example of solvability of the zero-degree approximation, it was demonstrated how the gradually lateral variation of electric conductivity effect on anti-diffusive problem of poloidal field in Earth′s mantel.     

Kirchhoff型反偏移场稳相分析(英文)

在文献中,Kirchhoff型反偏移场的稳相分析主要是在下列两个条件下进行的:(1)等时面和目标反射面相切;(2)深度偏移像场信号的长度接近于零。对于与目标反射面不相切的等时面和长度远大于零的深度偏移像场子波,已有的结果将不再成立。为了在等时面和目标反射面不相切和深度偏移像场的子波长度远大于零的条件(一般条件)下对Kirchhoff型反偏移场进行稳相分析,我推导了出现在二维稳相分析公式中的诸因子的计算公式,并从中发现:(1)对于不同的等时面,距离差函数的稳相点具有不同的水平坐标;(2)Kirchhoff型真振幅反偏移的输出场由两部分(真振幅反偏移信号与振幅畸变因子)的乘积组成。由此得到下列两个结论:(1)一个给定的反偏移信号由多个深度偏移信号上的采样点组装而成,反偏移信号上的采样点个数等于对于这种组装有贡献的偏移信号的个数。(2)振幅畸变效应是Kirchhoff型反偏移中的固有效应,靠反偏移本身无法消除。如果一定要消除这种振幅畸变效应,必须对反偏移结果进行振幅校正。     

用于地震波场模拟的PML边界衰减因子研究(英文)

在地震波场数值模拟中,为了消除由人为边界产生的边界反射,需要引进边界吸收条件。本文从声波方程完全匹配层吸收边界的经典方法出发,基于高斯函数任意阶光滑的特点,提出了一种高斯型衰减因子,分析比较该因子与一般衰减因子的性质,并基于均匀与层状速度模型分别进行了数值模拟计算。数值结果显示,当选择相同的PML边界吸收层层数时,高斯型衰减因子的吸收效果明显优于一般的衰减因子,边界反射更少,信噪比更高;对比最近提出的正弦型衰减因子,在信噪比接近的情况下,高斯型衰减因子所需的PML吸收层层数更少。     

起伏地表下流体填充裂缝的地震波场模拟(英文)

我们发展了一种模拟复杂地表下含裂缝介质地震波场的方法,这对于解释山地地区的地震资料具有重要意义。基于Coates-Schoenberg方法,把裂缝引入到有限差分法(FD)中,从而使包含裂缝的单元里的弹性介质就具有了局部的各向异性。为了模拟起伏的地表地形,我们借助于贴体网格,将笛卡尔坐标系的具有水平对称轴的横向各向同性介质(HTI)的弹性波方程和自由边界条件变换到曲线坐标系中,采用一种稳定的、显式的二阶精度的有限差分方法离散(曲线坐标系)HTI介质中的弹性波方程。数值实例充分地展现了在不规则地球表面的影响下裂缝介质中地震波传播的复杂性。合成地震记录和波场快照表明裂缝端点产生的散射波在地表处会受不规则地表地形的作用,再次被散射;同理,地表地形产生的散射波,经过裂缝端点时也会被再次散射,尤其是瑞利面波产生的散射波,因其能量很强,严重污染了地震记录,使得识别地下裂缝等产生的有效信息变得异常困难。这对山地地震勘探中资料的解释具有重要意义。     

非规则极坐标系弹性波场正演模拟（英文）

在研究隧道、井孔等特殊地质环境下的波场传播时,极坐标正演模拟比传统的笛卡尔坐标正演模拟精度更高。而且在实际情况下,极坐标环境大多是不规则的,为了解决这一问题,提出了一种非规则极坐标系正演模拟方法提高模拟精度。该方法首先将具有不规则表面的空间在非规则极坐标系下进行网格剖分,并通过变换将不规则表面映射为规则表面,然后在非规则极坐标系下计算波场。在求解非规则极坐标系下的波动方程时,利用全交错网格对其进行差分离散求解。此外,利用人工吸收边界、极坐标系自由边界和圆周边界条件对虚假边界反射进行吸收。选取了三个模型来验证该方法,结果显示,相比于常规极坐标系正演模拟,本论文非规则极坐标系弹性波场正演模拟方法在对具有不规则表面的极坐标空间进行正演模拟时,可以更获得准确、稳定的波场模拟结果。非规则极坐标系弹性波全波形反演结果进一步证明了本文提出的弹性波正演模拟方法可以准确地模拟不规则极空间中的波场。     

碳酸盐岩洞穴型储层双侧向测井数值模拟和响应特征(英文)

洞穴型碳酸盐岩地层具有显著的非均质性和测井预测难度大的特点,如何利用双侧向测井对识洞穴进行准确识别与定量评价,是当前的一个研究难点与热点。利用数值模拟方法计算电测井响应,可为洞穴识别与评价提供理论依据。本文根据双侧向测井原理,采用有限元素法,研究了球状洞穴模型的测井响应特征,并考察了不同尺寸的洞穴对电测井响应的影响;然后,系统研究了不同充填程度的洞穴模型的测井响应,得出了电阻率与充填程度之间的关系;最后,研究了洞穴中充填泥质、灰质、砾岩和砂泥岩薄互层等多种充填物的测井响应特征。研究结果对碳酸盐岩洞穴型储层的识别与评价具有较高的应用价值和研究意义。     

1936年广西灵山6(3/4)级地震极震区震害和地震影响场的研究

１９３６年广西灵山６级地震是南海北缘内陆最强的一次地震，也是震害最严重的一次，震中烈度９度强。倒房率震害指数甚高，地面破坏和其它宏观现象也非常突出，形成两个极震区，其一长轴北东东向，其二长轴北北西向。这些震害和影响场特征以及地面破坏等宏观现象均可用本区地质、地貌环境得到合理解释。     

横向各向同性介质紧致交错网格有限差分波场模拟(英文)

针对有限差分数值模拟的频散问题,本文将交错网格技术和紧致差分格式相结合,推导了横向各向同性介质一阶速度一应力波动方程的紧致交错网格差分格式;对比分析了紧致交错网格差分格式、交错网格差分格式以及紧致差分格式的截断误差主项,并利用Fourier误差分析方法分析了上述三种差分格式的近似精度;在此基础上,分别采用上述三种差分格式进行了波场数值模拟。结果表明,当差分方程阶数相同时,紧致交错网格差分格式截断误差最小,数值频散最弱,差分精度最高,证实了该方法的有效性。     

唐山(1976)和三河--平谷地震(1679)附近的地应力场特征

本文讨论了唐山(1976)和三河-平谷地震(1679)附近的地应力场特征,发现位于震中附近的测点,其应力值比较低,而离开震中以远的测点则应力值比较高.同时还讨论了在唐山市凤凰山和顺义吴雄寺(三河-平谷地震附近)连续几年的测量结果,表明这两个地区震中附近的主应力值随时间变化的幅度不大,而它们的主应力方向随时间则有明显地变化.最后分析了引起震中附近低值应力的原因,并指出研究低值应力异常对地震预报的意义.     

1981年11月南京JW-1型极微震仪鉴定会概况(综述)

介绍了198 1年11月底南京 JW-1型极微震仪鉴定会情况,回顾了地球物理所于70年代初进行的极微震观测试验情况,说明了极微仪对于检测震中距为100公里以内的本地微震的优越性,并提出唐山大震前确无前震仍然是个问题,建议在国内提倡和努力推动极微震观测工作。     

线源二维时间域瞬变电磁二次场数值模拟(英文)

本文在Oristaglio等(1984)和Adhidjaja等(1985)工作基础上,给出线源二维时间域瞬变电磁二次场的DuFort-Frankel有限差分数值解,有效避免了在总场求解法中场源附近的奇异问题,并对地-空边界电导率的处理、归一化感应电动势偏导数的计算、推进时间步的确定,提出了改进方法;吸取前人成就中二次场地-空边界向上延拓和零值边界处理技术,从而简化了计算方法;通过对均匀大地、水平层状大地模型的计算,二次场求解法与解析法的最大相对误差小于0.01%,计算速度比总场求解法提高了约3倍;模拟计算不同时刻瞬变电磁场在地下的分布形态,描绘出感应涡流向下向外的传播特征,以及与地下异常体相互作用的物理过程。     

~(10)Be产率-地磁场转换方程的建立及其在黄土研究中的应用

建立了10Be产率-古地磁场强度的便捷转换方程,并以洛川剖面最近80ka的10Be浓度记录结合磁化率等气候代用指标为研究对象,利用全新的LGM分离方法将影响黄土10Be浓度的气候因素和地磁场因素进行了分离,成功示踪了末次冰期阶段拉尚(Laschamp(42ka))、莫诺湖(Mono Lake(32ka))等古地磁漂移事件,进而定量重建了最近80ka地磁场强度变化历史.重建结果与全球典型地磁场强度曲线(SINT-200,NAPIS75等)具有几乎同步的变化特征,从而表明采用LGM方法和新的转换方程在利用黄土10Be记录示踪和重建古地磁场强度研究中的实用意义及应用前景.通过分析表明,季风区降水的不均匀性是导致黄土10Be浓度无法直接示踪古地磁场漂移事件的主要原因,而来自粉尘源区的尘降10Be浓度和尘降磁化率具有"准恒定分布"特征.     

井中偶极声源在横向各向同性地层中的辐射波场

研究井中声源在地层中的辐射特性对发展井下探测技术具有重要的意义,而井孔周围地层的各向异性对弹性波激发的影响不容忽视.本文从井中偶极声场积分表达式的远场渐近隐式解出发,借助相速度与群速度之间的转换关系,得到了井中偶极声源在各向异性地层中的辐射指向性与辐射波场,并深入研究了声源激发主频与各向异性对偶极辐射特性的影响.结果表明: 与各向同性情况相比,SH波在辐射波场中依然占据主导地位,但各向异性的存在导致其优势辐射频率向低频移动; qP波与qSV波的井外辐射波场均包括qp和qsv两种分量的贡献; 在特殊各向异性地层中,qP波与qSV波的qsv分量会呈现出三叉区与幅度奇异值.本文的结果可以为井外全波场的观测以及偶极声波远探测技术在各向异性地层中的应用提供理论支持.