我国海洋地学编图现状、计划与主要进展

我国海洋地质地球物理工作起步晚,整体调查程度较低,进一步加强我国海洋地学编图显得十分必要.我国实施的"海洋地质保障工程",将分"中国海陆"、"中国海及邻域"和"中国各海区"三个层次来进行地学编图.第一层次编制了空间重力异常图、布格重力异常图、磁力异常图、地震层析成像图、莫霍面深度图、地质图、大地构造格架图和大地构造格架演化图等8种图件.编图反映出中国海陆重力异常是"线性异常带纵横交错,块状异常区坐落其间"、重力梯级带主要为块体结合带;陆地磁力异常大致正负磁异常相间分布,海域北部为沟-弧-盆相关异常、南部磁条带异常;莫霍面总体特征为"东西分带,南北分块";地震层析成像反映出中国东部和西部岩石层厚度的差异以及上地幔软流层的分布特点;大地构造格架和演化图再现了块体体制向板块体制的转换过程.本次编图强调地球深部结构的变化对表层构造的关联,重视地球物理资料与地质构造的结合,以深-浅层结合来划分中国大地构造格架.已有成果表明,中国海陆大地构造格局可以用"块体构造学说"来描述.     

基于潮波运动三维数值模拟的海洋连续深度基准面建立方法研究

海洋深度基准作为海洋深度起算的垂直基准,对海洋大地测量、海洋物理调查等科研活动具有重要意义.鉴于传统的海洋深度基准面存在离散、非连续等缺陷,本文开展了基于潮波运动三维数值模拟的海洋连续深度基准面构建方法研究.研究结果显示,本文采用的有限体积的海岸海洋三维潮波运动模式FVCOM,具有构建三角格网灵活,可精确适用于不规则海岸边界的特点,并在地形特征较典型区域——长江口南支水域为实验区,开展了三维潮波运动的数值模拟.模拟所得各个格网节点处的平均潮差较好地符合了当地潮汐动力作用变化的规律,并以平均潮差为基础进一步建立了连续深度基准面,同南支区域6个已知深度基准的长期验潮站相比,深度基准面最大差值为5.5 cm,差值绝对值均值为2.6 cm,模拟结果内符合精度较高;且整个模拟所得的南支深度基准面的变化规律更符合长江口南支的潮汐变化特征.本文思想为海洋连续垂直基准的建立提供了一种新的思路,相比较于传统的几何插值拟合法,本文方法更具合理性和可靠性.

     

基于辛-谱元-FK混合方法的保结构远震波场模拟

远震全波形层析成像能获得研究区域下方岩石圈乃至地幔过渡带高分辨率速度结构,是研究地球深部构造与动力学过程的有效工具.该类方法需以高精度及长时程远震波场正演模拟为基础,这为设计高精度长时程稳定的正演算法带来了挑战.在此背景之下,本文提出了一种适用于远震波场模拟的保结构算法.该方法采用谱元法（SEM）对研究区域进行空间离散,在不考虑耗散项情况下,将空间离散后的常微分方程变换为哈密顿系统形式,采用保辛分部龙格-库塔方法数值求解.在三级保辛分部龙格-库塔算法基础上添加额外空间离散项,得到修正辛算法.本文将该时间-空间全离散形式称为修正辛-谱元法（SSEM）,并将SSEM算法与频率波数域（FK）方法结合,发展了可模拟高频远震波场在局域模型内传播的SSEM-FK混合方法.该方法结合了FK方法模拟层状介质中平面波传播的高效性和SSEM计算复杂介质中弹性波传播的精确性.数值实验表明,SSEM-FK能够准确模拟高频远震波场在研究区域内的传播,结合该方法在计算效率上的优势,可为高效、高精度的远震全波形层析成像打下基础.

     

中国南北带地壳上地幔三维面波速度结构和各向异性

本文用长周期763地震仪面波群速度资料反演了中国南北带及邻区的三维速度结构.其中采集238条瑞利波和358条勒夫波混合频散曲线,使用均等显示滤波方法,并以4°×4°为一格将我国境内分为147格.用随机逆反演方法得到了研究区16格的纯路径频散.面波速度结构及演结果表明:1.莫霍界面深度一般在40-50km之间,最深达65km.总趋势是从东到西加深,且在南北带西侧南北两端向中部明显加深,东侧变化小.2.地幔顶部普遍出现很厚的低速层,上界面一般埋深60-80km.上地幔顶盖厚度一般为20-60km,速度为4.30-4.50km/s.3.研究区普遍存在各向异性,而且勒夫波和瑞利波速度的差值(V_SV-V_SH)的绝对值随深度有增大的特点,在南北带南部和西北部V_SV-V_SH各向异性现象更为明显.     

结构混凝土三角网声波层析成像检测技术

针对矩形网格模型的声波层析成像检测结构混凝土存在的主要问题:1)矩形网格无法充分模拟结构混凝土的速度间断面、2)射线追踪面临穿到凹多边形检测区域之外或穿越内部预留空洞的风险,本文研究了三角网声波层析成像检测技术.依据Delaunay三角剖分的优化准则,结合波前法对模型进行三角剖分;采用"基于波前最小走时单元的三角网射线追踪全局算法"计算声波初至时、追踪射线路径;应用代数重构技术求解层析成像反演控制方程,得到模型的速度分布.数值模拟及应用实例表明,三角网声波层析成像,模型参数化灵活、速度间断面描述准确,射线追踪可靠性强、精度高,反演成像分辨率高、更接近实际结构形态,适应具有复杂几何边界和内部结构的结构混凝土的质量检测.     

当前地震勘探仪器的应用技术分析

本文对当前地震数据采集记录系统(地震仪器)的结构与使用状况进行了分类和分析．介绍了408UL、IMAGE、ARIES、BOX、IT等目前最常用的几种大型有线或无线地震仪器;介绍了目前地震仪器采用的∑-△型的ADC技术、网络遥测技术、多进制数字调制技术、蜂窝技术以及GPS时钟同步技术等多种新技术．从目前地震勘探所面临的环境及保护、勘探成本、勘探效益、勘探精度等问题出发,阐述了仪器所面,临的道数和传感器等问题,认为地震仪器应该向传感、定位、采集、传输一体化的高度智能自由组合系统发展。     

2021年5月21日云南漾濞MS6.4地震序列地震矩张量及发震构造

2021年5月21日云南大理州漾濞县发生了MS6.4 地震.我们利用区域地震台网记录的地震波形资料,首先采用多点源地震矩张量反演方法确定了漾濞地震序列中 3 次MS≥5.0地震的矩心矩张量解,分析研究了地震矩释放的最佳模型;然后对序列中较大地震进行了绝对定位,结合余震序列重新定位结果研究了地震矩心在断层面上的位置.结果显示MS5.6 前震可用2 点源模型模拟,矩震级分别为MW 5.3、MW5.1,矩心时间相隔约30 s,矩心位置相距约 2 km.MS 6.4 主震可用单点源模型模拟,矩心与起始破裂点平面距离约 5 km.前震和主震的矩心均位于地表以下 6 km处,矩心与起始破裂点的位置关系显示两地震向南东方向单侧破裂,断层以"前震-主震"型地震序列典型的"撤退式"方式破裂,MS5.6 前震的发生降低了断层面的抗剪强度,从而发生了更大的MS6.4 主震.MS5.2余震可用单点源模型模拟,起始破裂点与矩心空间位置相近,在地表以下约 10 km处.余震区构造应力场反演结果显示漾濞 6.4级地震序列属于区域应力场触发的地震活动,地震序列震源机制解符合走滑断裂伴生的负花状构造系统内部断裂的运动特征,余震的空间分布图像显示花状构造系统内部的两条断裂发生了地震活动.     

多相离散随机介质模型及其探地雷达波场特征研究

沥青混凝土是由骨料、沥青胶浆、空气按照一定的体积百分比混合而成的多相非匀质混合物, 其骨料、沥青胶浆和空气的体积不等、形状各异、介电特性不同、空间位置随机分布, 具有明显的多相、离散、随机介质特征.本文基于随机介质模型理论, (1)测量与统计了介电常数在典型沥青混凝土芯样空间上的随机分布统计特征; (2)估算了沥青混凝土介质的自相关函数及其特征参数(自相关长度、自相关角度等), 确定其随机介质类型; (3)提出了量化约束下的多相离散随机介质建模算法, 以混合型椭圆自相关函数为基础, 构建了不同粗糙度因子的多相离散随机介质模型; (4)构建了不同空隙率的多相离散随机介质模型, 正演模拟与对比分析了探地雷达波在均匀介质、连续型随机介质和多相离散随机介质中的传播特征.结果表明:多相离散随机介质模型不仅描述了沥青混凝土的多相、离散与空间随机分布统计特征, 而且进一步描述了其各组成物质体积百分比, 能更全面、准确地描述沥青混凝土的介质特征, 同时也为描述其他类似材料或介质提供了新的方法和途径; 在多相离散随机介质模型中, 探地雷达波散射强烈, 随机、无序传播的散射波相互叠加干涉, 形成了明显的随机扰动和"噪声", 致使异常体反射波扭曲变形、不连续, 降低了探地雷达回波的信噪比和分辨率.研究探地雷达波的随机扰动特征与多相离散随机介质模型参数之间的关系, 将为定量评价多相离散随机介质的属性参数提供参考和帮助.     

一种新的基于局部重力图逼近的组合匹配算法

惯性导航系统定位误差随时间积累发散,利用重力场辅助惯性导航已成为组合导航领域的新方向,该技术对实现潜艇无源定位意义重大.首先利用二维高斯基函数对局部离散格网重力异常基准图进行逼近获取其解析表达式,在此基础上对传统相关极值匹配算法进行重新建模,采用拟牛顿BFGS非线性寻优方法对该模型进行解算,最终完成基于连续解析形式重力异常基准图的相关极值匹配算法设计.为进一步提高算法性能进行以下两点改进:(1)采用TERCOM算法进行预匹配以缩小寻优范围提高寻优速度;(2)采用差分法减小实测过程中Eötvös效应对重力匹配的影响.最后在2'×2'卫星测高反演重力异常数据库基础上进行了三组对比仿真实验,从实验结果可以看出,在重力测量误差、系统误差及初始定位误差较大的情况下,通过该组合匹配算法获得的匹配定位仍能以较高的精度跟踪真实航迹,且其性能较传统单一匹配算法有较大提高.     

一种新的基于局部重力图逼近的组合匹配算法

惯性导航系统定位误差随时间积累发散,利用重力场辅助惯性导航已成为组合导航领域的新方向,该技术对实现潜艇无源定位意义重大.首先利用二维高斯基函数对局部离散格网重力异常基准图进行逼近获取其解析表达式,在此基础上对传统相关极值匹配算法进行重新建模,采用拟牛顿BFGS非线性寻优方法对该模型进行解算,最终完成基于连续解析形式重力异常基准图的相关极值匹配算法设计.为进一步提高算法性能进行以下两点改进:(1)采用TERCOM算法进行预匹配以缩小寻优范围提高寻优速度;(2)采用差分法减小实测过程中Eötvös效应对重力匹配的影响.最后在2'×2'卫星测高反演重力异常数据库基础上进行了三组对比仿真实验,从实验结果可以看出,在重力测量误差、系统误差及初始定位误差较大的情况下,通过该组合匹配算法获得的匹配定位仍能以较高的精度跟踪真实航迹,且其性能较传统单一匹配算法有较大提高.     

基于Lasso函数的分层混合模糊-神经网络及其在遥感影像分类中的应用

本文提出一种新的分层混合模糊-神经网络(HHFNN)算法.在模糊系统中使用Takagi-Sugeno模型和三角波隶属函数.同时,为降低离散输入变量中可能存在的强交互作用,采用了系数收缩机制中的Lasso函数.最后,以福建的漳平洛阳—安溪潘田地区LANDSAT ETM+遥感影像数据地物分类为例,应用本文的改进算法与其他神经网络算法进行分析比较,得到了较高的分类精度,验证了采用基于Lasso函数的T-S型分层混合模糊-神经网络的可行性和有效性,可作为一种新的遥感影像地物分类方法.     

起伏地表弹性波传播的间断Galerkin有限元数值模拟方法

间断Galerkin有限元法（DG-FEM）作为一种有效的高阶有限元法受到了国内外学者的广泛关注.本文基于任意高阶间断Galerkin有限元法对弹性波方程进行空间离散,并将离散后所得的非齐次线性常微分方程系统齐次化,最后结合针对齐次问题的强稳定性保持龙格库塔（SSP Runge-Kutta）算法,将DG-FEM推广至时间任意高阶精度.另外,借鉴近最佳匹配层（NPML）的思想,基于复频移（CFS）拉伸坐标变换推导了一种新的PML吸收边界条件（简称为CFS-NPML）,该CFS-NPML能够与DG-FEM算法很好地结合,形成有效的起伏地表地震波传播数值模拟技术.数值试验结果表明,DG-FEM具有高阶精度,可以适应任意复杂起伏地表和复杂构造情况下的弹性波传播数值模拟.同时,CFS-NPML对包括面波等震相的人为边界反射都具有良好的吸收效果.     

一种新的高精度全球对流层天顶延迟模型

对流层延迟是影响高精度卫星导航定位的关键因素,也是大气科学研究的重要数据.针对已有全球对流层延迟模型的模型方程未同时顾及高程、纬度和季节变化以及模型构建时仅使用单一格网点数据等问题,本文提出了一种对流层天顶延迟（ZTD）全球模型构建的新方法,即引入滑动窗口算法将全球剖分为大小一致的规则窗口,利用2008—2015年全球大地观测系统（GGOS）大气格网产品构建每个窗口同时顾及高程、纬度和季节因子的全球ZTD新模型（GGZTD模型）.联合未参与建模的2016年全球GGOS格网产品和2016年全球316个IGS站精密ZTD产品,检验了GGZTD模型的精度和适用性.结果表明：以GGOS大气格网ZTD产品和IGS站ZTD产品为参考值,GGZTD模型在全球的精度分别为3.58 cm和3.62 cm,相对于UNB3m模型和目前标称精度最优的GPT2w模型计算的ZTD信息,GGZTD模型在全球表现出了最优的精度和稳定性,其精度相对于UNB3m模型具有显著的提升（精度提高了30%以上）,相对于GPT2w模型仍具有一定的改善;在ZTD计算时GGZTD模型相对于GPT2w模型显著地减少了模型参数,尤其相对于GPT2w-1（减少了99%）.GGZTD模型只需输入位置与时间和依赖相对较少的模型参数则能在全球获得高精度和稳定的ZTD信息,极大地提升了模型的计算效率.

     

滇西牟定-香格里拉电性剖面及深部构造

通过对滇西NW-SE向牟定-香格里拉大地电磁测深剖面的反演并结合地质构造、小震精定位资料,综合分析了剖面经过地区的深部构造.在滇西北地区深部发育一规模巨大的近水平产出地壳高导层,此高导层从香格里拉一直延伸到永胜盆地以东,沿剖面水平延伸超过200 km.地壳高导层又可分为两段,两段高导层在剖面上形成两个香蕉型相连的复合形态,高导层之上的高阻体则形成两个碗型相连的复合结构,碗型内部有向东倾斜的相对低阻带存在.滇西北地区整体构造格架可以解译为一套两个主推覆面构成的叠瓦式推覆系统,两个主推覆面高低起伏形成总长度超过250 km的底部滑脱带.第一个主推覆面的长度超过150 km,并在丽江东部上翘到接近地表,小金河断裂是其延伸到地表的主要破裂带.第二个主推覆面长度超过120 km,过程海断裂后上翘并在永胜以东地区出露地表.根据反向低阻带影像,可以推断推覆体反冲构造发育,在玉龙山至丽江以东和永胜盆地西缘至平川盆地东缘形成两处冲起构造.推覆面在剖面上呈现出平缓-陡峭-再平缓-再陡峭的断坪和断坡相间的阶梯状结构.     

波浪作用对单柱式桥墩地震反应特性的影响

以ABAQUS有限元软件为计算平台,建立了考虑波浪作用影响的单柱式桥墩-桩-土体系非线性地震反应分析二维有限元模型,土体以四节点实体单元离散,采用土体粘塑性记忆型嵌套面本构模型描述土的动力特性;桥墩以及桩以两节点梁单元离散,采用动塑性损伤模型描述混凝土的动力特性;根据Stokes五阶波浪理论,将基于Morison公式计算所得的波浪力以分布力的形式施加于桥墩之上,比较了静水条件下和考虑波浪作用时不同地震动激励下单柱式桥墩结构的地震反应特性,结果表明:波浪作用的影响使桥墩墩身相对墩底的位移反应、桥墩墩底的剪力和弯矩反应有较明显的增大,但对桥墩墩身加速度反应的影响可忽略不计,波浪作用影响的大小与输入地震动特性有关.在单柱式桥墩的抗震设计中考虑波浪作用的影响是必要的。     

倾斜各向异性地层中多分量电磁波测井响应三维时域有限差分(FDTD)算法

利用三维时域有限差分技术（FDTD）研究建立倾斜各向异性地层中多分量电磁测井响应的数值模拟算法.首先,利用Yee氏交错差分格式和线性内插公式对各向异性介质中时域Maxwell方程进行离散化,得到各向异性介质中各个交错节点上电磁场的时域递推公式,同时将面积加权平均与旋转矩阵技术相结合确定各个网格节点的等效电导率张量,此外,单轴各向异性吸收边界条件（UPML）被用于降低求解区域外边界反射.在此基础上,利用单频正弦磁偶源计算时域电磁场空间分布以及特殊的双方程算法（2E2U）从数值结果中快速提取电磁场幅度和相位,确定多分量电磁测井仪器的三维响应.最后,通过数值结果证明该算法的有效性,并系统考察不同层厚、地层倾角以及侵入带半径等变化对多分量电磁测井响应的影响.     

复杂介质地震波传播模拟中边界元法与有限差分法的比较研究

地震波场数值模拟是理论地球物理学和勘探地球物理学的重要研究手段.在众多数值模拟方法中边界元法和有限差分法是两种典型的地震波传播模拟计算方法.边界元法是一种半解析-半数值的边界型方法,它显式地利用边界连续条件,沿着地层边界进行离散,具有降维、高精度和自动满足远场辐射条件的优点;有限差分法是一种典型的基于微分的区域型方法,它隐式地使用边界连续条件,以空间网格形式进行离散和数值逼近,具有高效、实用和容易数值实现的优点.本文以一个半圆形均匀Valley模型和两个非均匀断裂/断层模型为例,从计算精度、计算效率、频散特性以及适用性等方面对这两种方法进行了比较研究.数值计算结果表明:边界元法可以精确地几何描述有内部断点、断面的复杂构造,能够精确地模拟内部不规则界面之间波的反射/传播;有限差分法不能以足够的精度描述几何断点和内部不规则边界.边界元法在高频时计算量大于有限差分法,有限差分法则需要更小的网格间距以压制数值频散.因此,在处理内部非均质和高频计算时,有限差分法更有效;在处理内部不规则边界、断点、大尺度等问题时,边界元法比有限差分法更有优势.     

面向地质导向的地层智能评价解决方案

地质导向系统基于井下实时测量的地质、地球物理和钻井参数,优化三维井轨迹到油气藏指定位置以获得最大的泄油面积和最佳的采收率,成为提高单井油气产量和油田开发效益的前沿技术,面临低孔-低渗-强非均质储层等地质难题和高温-高压-强振动等钻井工程难题.本文在梳理地质导向系统硬件、软件和人员等组成的基础上,将地质导向系统划分为基于地层构造的轨迹地质导向、识别储层岩性的油藏地质导向和面向地层成分的产能地质导向三个阶段;以分辨率更高、更直观的露头为例,阐述了地质导向系统"构造-岩性-成分"三个层次的逻辑关系.本文提出"数据采集-信息融合-态势感知-地层智能评价"的地质导向智能评价方案：按照学科门类,考虑数据的来源、采集时间和空间分辨率等因素,梳理出地层智能评价所需的数据类型与数据特征;提出地质导向多源异构数据"数据级-特征级-决策级"信息融合分类,并梳理了相关算法;根据数据模型与先验经验对当前钻井状态、地质环境进行态势评估,采用机器学习等算法对钻井模型和地质模型进行态势预测;提出"初导"和"精导"的理念,按照"构造-岩性-成分"三个层次厘定了地层智能评价的"精导"技术要点.该地质导向智能评价方案应用到实际油田的地质导向作业,验证了技术方案的可靠性和实用性,可为未来的井下智能闭环研究提供借鉴.     

华北地区中部地震精定位与构造应力场研究

选取华北地区中部2008年1月至2012年12月741次地震事件的波形文件,读取P波初动极性以及P、S波震相到时.利用波形互相关技术,精确计算地震对到时差,结合读取出的震相到时数据,采用双差定位法,对这些地震进行了重新定位,获得了468个地震的精确重定位结果.相比于初始结果,精定位结果在平面分布上更为集中,沿断裂带分布特征更明显;深度也更为合理.在新河断裂附近,存在明显的地震集中条带,整体走向约为北偏东35°,通过剖面分析,发现该断裂倾角很高.依据地震精定位获取P波射线参数,利用P波初动极性,采用改进的格点尝试法,计算了区内单个地震震源机制解及小震综合断层面解,并结合已有的应力数据,综合分析了区内构造应力环境.结果表明,华北地区中部现今构造应力场保持稳定,为最大主应力轴北东东一南西西向,最小主应力轴北北西-南南东向的走滑型应力状态.     

喜马拉雅东构造结东缘碧罗雪山-崇山剪切带北段构造变形特征及构造意义

位于喜马拉雅东构造结东缘的新生代碧罗雪山-崇山剪切带出露各类构造岩,其西侧翼主要为片麻岩带,以条带片麻岩、眼球状糜棱岩化片麻岩和混合片麻岩为特征,东侧翼为糜棱岩化片岩带;基于野外构造-组构几何关系和叠加-改造痕迹,可识别出多期韧性、韧-脆性和脆性构造变形（D1~D4）.第一期变形D1主要发育等斜-紧闭褶皱F1（褶皱轴近N-S走向）和陡立的轴面劈理S1,以及代表地壳物质垂向增厚和侧向减薄的布丁构造;第二期变形D2构造特征为发育大规模韧性走滑剪切面理S2,部分S2面理发生褶皱变形,形成褶皱F2,褶皱轴陡倾伏,褶皱面陡立,近N-S走向,与剪切面理S2近平行,D2构造样式表现为左旋走滑挤压应变（Transpression）特征;D1和D2构造变形均被晚期NW-SE和NE-SW走向的第三期D3构造改造,即走滑剪切带S3和共轭走滑断裂;第四期构造D4以脆性右旋走滑伸展应变（Transtension）为特征,即N-S走向的走滑组分和正断组分同时发生.结合邻区新生代哀牢山-红河剪切带和高黎贡剪切带的构造几何、运动学和年代学数据,分析认为自新生代印度-欧亚汇聚-碰撞以来,环喜马拉雅东构造结及东缘地区的陆内构造变形经历了地壳增厚（D1）、左旋走滑挤压（韧性域D2和韧-脆性域D3）和右旋走滑伸展（D4）多期构造变形和变形体制的转换.