利用地震波成像地球内部结构

地球内部产生的地震波提供的图像有助于我们更好地理解驱动板块运动的地幔对流。     

地球自由振荡的保结构模拟

大地震等诸多激励均能激发全球自由振荡现象,通常表现为驻波形式的全球整体振荡.现有的地震波数值模拟方法多为非保结构方法,无法压制长时程计算中的积累误差.本文采用优化的三阶辛格式谱元法,对地球自由振荡及全球尺度的地震波传播进行了长时程模拟.通过与传统的基于Newmark算法的谱元方法结果对比分析,明确验证了本文所得优化的三阶辛格式谱元法在模拟地球自由振荡等大规模长时程问题上的优越性和准确性.上述进展在方法论层面为今后探测、刻画全球尺度地球非均匀结构的驻波数值方法奠定了部分基础,并为相关研究领域提供了新的选择.     

固体地球内部几何结构成像和物性结构成像

本文评述了过去60年内固体地球内部几何结构和物性结构成像的进展,包括地震学研究的进展;重磁位场研究的进展;电磁学研究的进展.文章还指出了他们进一步发展的某些方面.     

地震激发的地球自由振荡研究综述

地球自由振荡的研究已成为探查地球内部结构的重要手段之一.影响地球自由振荡的因素有很多,如地球物理学结构横向不均匀性及径向不均匀性、地球自转、地球椭率、地球内部各向异性、非弹性性以及震源机制性质,还有地球外界如引潮力等.本文详细介绍和总结了近几十年来关于地球自由振荡理论研究、实验及观测资料方面的研究,重点是数值模拟方法方面的研究工作.通过观测和理论分析对比,以数值实验的方式推测地球内部更详细的结构分布,如地球内部密度分布以及波速度等特性;并从弹性波理论出发结合高性能并行计算对全球自由振荡过程进行数值模拟研究.     

地球深部研究的复杂性及其对策

地球深部物质组成，结构及其动力过程研究是当今固体地球科学中的前沿与生长点之一。在地质演化进程中，由于不同源的作用使得地球本体错综复杂。大尺度以及中小尺度上，地球内部结构的形态，性质，类型变化很大，地下介质物理与化学属性的不均一性，非线性以及各向异性广泛存在，诸如此类，使得地球深部研究呈为一庞大的复杂系统。     

基于谱元法的全波形反演及其在海底地震数据中的应用

全波形反演已被广泛应用于获取地下速度结构.而反演问题与正演方法密切联系,针对特定反演问题,合适的正演方法能极大提高反演效率和精度.本文首先验证谱元法在含起伏界面模型数值模拟方面的优势,在此基础上将谱元法作为正演引擎应用于全波形反演,并为克服未知子波的影响,采用一种归一化的频率域目标泛函.结果表明,起伏地表情况下,基于谱元法的全波形反演相比于基于传统有限差分法反演,具有更高的反演精度.进一步,本文将基于谱元法的波形反演方法应用于OBS观测系统的理论合成数据和野外采集数据.谱元法非结构化网格剖分自然满足自由边界条件,能很好地适应不规则海床并模拟多次波.理论实验表明,即使在OBS观测系统很稀疏的情况下,基于谱元法的全波形反演仍能获得海底以下正确的高波数速度结构.在处理实际OBS数据时,本文采用分频策略以减少反演非线性,初始模型成功更新,其结果揭示了西沙海槽海底以下更多的细节信息.

     

伴随方法在海洋数值模式中的应用

本文通过对变分资料同化方法在气象学和海洋学方面特别是在海洋数值模式中应用的简单回顾，评价了伴随方法在方法论上的优越性，首先引入包含海洋数值模式控制方程组的拉格朗日乘子，说明变分资料同化的数学原理；介绍伴随方法应用中目标函数的构造方法，简单说明了伴随方法中伴随方程的导出和伴随方法实际应用的步骤，最后就近几年国外研究进展做了简单概括。     

基于多辛结构谱元法的保结构地震波场模拟

近年来构造高精度、高效且具有长时程跟踪能力的保结构算法已逐渐成为地震波模拟算法发展的重要方向之一. 本文基于谱元法(SEM)进行空间域离散结合新推导的三阶辛算法(NTSTO)进行时间域离散,构造了一种具有时-空保结构特性的新算法. 本文给出的多组数值试验对比结果表明,本算法无论在内存消耗、稳定性及计算耗时,还是长时程跟踪能力方面都有上佳的表现; 另外,本文给出的起伏地表多层介质模型的数值算例验证了该算法处理复杂几何形状和复杂介质时的有效性. 该多辛结构谱元法的发展将为长时程地震波传播的计算及模拟提供更为广泛而有效的选择.     

地球物理方法在金属矿深部找矿中的应用及展望

地球物理勘探方法对深部隐伏矿床找寻及预测具有很强的指导性,在近年来国内外找矿工作中(特别是隐伏矿的预测)取得了很好成效.本文着重论述了重、磁、电、震、测井等地球物理方法在金属矿深部找矿中的应用特点和成果.事实表明,不同物探方法在找矿过程中有不同的特点和适用条件,要根据具体找矿对象特征,综合运用这些方法,并结合地质与地球...     

气枪震源在地球深部结构探测中的应用研究进展

介绍了气枪震源的发展历史、工作原理、激发参数、性能指标,及气枪震源的最新发展动态.由于气枪震源的优越性,使得气枪震源成为新兴的、环保的、绿色的人工震源,在地球物理学中得到迅速推广和广泛应用,如国外的LARSE和SIGHT计划,及国内的南海东北部海陆联合勘探计划,都是利用气枪震源进行深部地球物理探测的成功实例.通过对气枪震源的容积能量、激发频率、沉放深度等的分析和讨论,探讨气枪震源在地球深部结构探测中的进一步应用.     

地球内部结构及物性研究的进展及问题

本文对近几年中国地球物理学家在地球内部结构和物质性质方面的研究工作进行总结.从地球内部结构的地震波速度成像,地幔介质的各向异性,地幔间断面及地幔介质物性进行了综述,指出在一些原有的研究领域,工作更加深入,方法更加先进,而且进行了广泛的国际合作,合作的范围也逐渐扩大,方式多样,并开拓了一些新的研究方向.在肯定我们近几年取得的一些新的进展的同时,也提出了地球内部结构研究中应进一步研究的问题.     

面向对象技术在地球物理电磁成像可视化中的应用

面向对象技术作为一门新兴、热门的程序设计技术,当前被广泛应用到大规模数值分析、各种复杂可视化研究等领域.面向对象技术包含的类型继承、函数重载机制、虚函数多态机制成为设计完整、良好的电磁成像系统非常有利的因素.电磁成像系统需要大量的功能单元,数据的可视化需要功能完整的成像功能,这些需要都可以由面向对象技术中的对象得以表示、完成.另一方面,电磁成像系统的可视化优良性决定了地球物理电磁勘探结果的正确性,因此,十分有必要设计良好的电磁可视化系统.基于上述目的,本文基于面向对象技术,采用C++语言讨论了设计地球物理电磁成像系统可视化的方法结构,阐述了成像系统可视化设计中涉及的重要内容,并简述本文设计的可视化系统的应用.     

2003年国际地球物理大会对于地球断面成像和灾害预测的某些论述

目的 : 通过2003年国际地球物理大会(IUGG)了解国际上关于地球断面成像和灾害预测的某些主流的信息,向读者提供前缘信息。 资料和方法 :本文所概括和摘录的信息来自 2003 IUGG Program & Abstracts 光盘, 选择其与本刊密切有关的内容供交流。 结论 :火山喷发与洪水的预测可以为预测地震有所借鉴;对于地下物理参数的三维探测,成像演示,其分辨率的增加会引起预报模型发生质的变化,利用高精度的三维速度结构以改进火山的预测工作。     

研究地球深部电导率结构的Monte—Carlo反演法

介绍了Ｍｏｎｔｅ－Ｃａｒｌｏ反演法的一种特殊设计：固定各层厚度,让各层电导率及汉数随机取样。文中研究和讨论了波数随机取样带来的问题。     

基于伴随状态法二维时间域勒夫波全波形反演研究

高频面波技术作为一种先进的地球物理勘探技术可被用来估计近地表横波速度.然而,基于频散曲线反演的高频面波技术对于非层状复杂的地质模型是不适用的.为此,本文对勒夫波进行时间域全波形反演以估计近地表横波速度.有别于经典的伴随状态法,本文基于一阶勒夫波伴随状态法求取模型参数梯度,该伴随状态法可以求取精确的伴随源.为削弱震源与近自由地表的耦合作用,本文对梯度进行适当的预调节.采取共轭梯度算法优化目标函数,并通过三点抛物法确定最优步长.分别对两个模型的无噪声和噪声勒夫波数据,应用本文方法测试.结果表明:经过50次迭代后,真实模型的主要异常已经被精确重建;噪声会加强震源与近自由地表的耦合作用,在近自由地表附近产生假异常;基于伴随状态法的全波形反演对于异常体的边界刻画能力较弱.     

利用谱元法计算SNREI地球的表面负荷变形

谱元法作为一种基于变分原理的数值方法,已经成为地球动力学数值模拟的重要手段.本文旨在对Martinec（2000）正演模拟表面负荷问题的谱-有限元方法进行改进.简单地介绍了谱元法计算负荷边值问题的相关理论,并推导了中性分层液体中的平衡方程以及其对应的弱形式解.在地球半径方向上,采取高阶样条函数作为负荷解的基函数,并利用高斯-勒让德方法进行数值积分.均质地球模型数值试验表明,相较于Martinec的方法,本文方法可以有效地加快数值解的收敛速度.最后,利用PREM模型计算了SNREI地球的负荷勒夫数.数值计算结果表明本文方法的收敛性和稳定性都非常好.本文方法获得的负荷勒夫数与采用传统龙格-库塔积分方法获得的结果相对误差在0.01%的量级.

     

地震波三维Q值成像

品质因子Q通常可表述为频率f的函数:Q(f)=Q0fa.由于地震波能提供地球内部物质组成、晶体结构和物态、温度以及物质流动等信息,且地震波在地球介质中的衰减与Q值直接相关,因此,通过地震波研究地球介质Q值,已经成为研究地球内部结构及其动力系统的重要手段.     

三角谱元法及其在地震正演模拟中的应用

谱元法（SEM）是基于有限元（FEM）的一种算法,在地震正演模拟中应用广泛,但是大部分研究都是基于四边形网格下的谱元法.本文给出了2阶谱元法在三角网格中（TSEM）的基本原理,包括Lagrange形函数的构建,数值积分公式的选取.在此基础上,分析了2阶TSEM方法的数值频散特性以及稳定性条件,并引入三角网格下3阶有限元方法进行分析对比,数值算例的结果证明2阶TSEM相比于3阶FEM具有更高的计算精度,以及更宽松的稳定条件.最后,本文将TSEM方法应用于中国西部地区的两个含溶洞介质的地质模型中,数值模拟结果表明TSEM方法能够有效地模拟复杂结构的介质,有助于对地震波场传播特性的认识.     

人工源宽角地震实验的谱元法模拟和逆时偏移成像方法研究

人工源宽角反射(折射)地震资料具有偏移距较大、信噪比较低等特点,通常用于地震波走时反演重建地壳速度结构。逆时偏移成像方法作为勘探地震学领域获取地下构造形态的有效手段之一,可以有效弥补走时反演方法的不足。本文针对大偏移距宽角反射(折射)地震实验,利用四边形网格谱元法进行波场模拟,结合了有限元法的灵活性和谱方法的指数收敛性,高效且高精度获取模型合成地震记录,后采用逆时偏移成像方法将合成地震记录偏移归位,获取地壳几何结构,验证了逆时偏移成像方法在宽角地震资料处理及结果解释中的适用性,为后期实际地震资料的偏移成像提供了理论依据和支持。     

基于辛-谱元方法的地球自由振荡保弥散衰减数值模拟

对大地震激发的全球自由振荡的研究是探查地球内部结构的重要研究方向之一.以地球自由振荡数值模拟高精度、长时程、全球模拟的需求为导向,本文提出了一种适用于地球自由振荡高精度模拟的辛格式-谱元保弥散数值模拟方法.真实地球介质中弹性波能量的衰减成因复杂,对于甚低频情形,地球自由振荡的弥散衰减不容忽视.本文将保结构数值方法拓展至非保守动力学系统,发展了适用于弥散-黏弹阻尼介质弹性波方程的保弥散低阶辛格式数值模拟方法,将其应用于全球尺度地球自由振荡衰减效应数值模拟.数值模拟结果表明等效弥散衰减为地球深部（地核）自由振荡衰减的重要成分,并得出地球外核的等效弥散衰减系数.本文提出的方法为通过自由振荡研究探索地核非均匀性提供了一条的新途径.