我国深部探测技术与实验研究与国际同步

深部探测技术与实验研究专项(SinoProbe,2008—2012)是我国历史上实施的规模最大的地球深部探测计划。专项成功实现了技术创新与重大科学发现的并举,完成了6000km深地震反射剖面,使我国进入国际深部探测大国的行列。专项建立了全国大地电磁参数网和地球化学基准网,实施的6口科学钻探获得重要发现,实现矿集区立体探测,关键地区地应力监测、岩石圈动力学模拟、大陆地壳结构与演化研究取得长足进展,探测仪器装备研制取得重要突破。专项被认为是我国由地质大国向地质强国转变的标志性重大地学计划,在世界地球科学领域具有很强的影响力,具有经济社会意义巨大创新价值,在大科学计划组织实施方面做了有益的探索,为实施"地壳探测工程"重大科技专项奠定了坚实基础。专项被两院院士评为"2011年度中国十大科技进展新闻"。"深部探测技术与实验研究专项与国际同步",获得中国地质科学院2012年度十大科技进展的特别进展。     

深水大地电磁数据采集的若干理论要点与仪器技术

深水环境下进行大地电磁数据采集,信号幅值微弱,高频分量被严重衰减;仪器承载的环境压力巨大,且伴随底流推曳、淤泥吸附等不利因素;海上作业情况复杂多变,带给设备投放与回收诸多困难.针对这些特殊问题,从理论上分析了大地电磁场在海水及其以下层状介质中的传播规律,计算了电场与磁场随不同水深的衰变比值,研讨了与仪器上浮速度相关的物理因素;从技术上阐述海底大地电磁仪的工作原理,包括信号传感器、数据采集器、声控释放单元以及机械组装部件等等.整套仪器信号分辨率达到nV级,频带宽度为10~0.3×10^-3 Hz,最大工作水深4000 m.该仪器搭载“海洋六号”科学考察船,在我国南海中沙群岛海域进行了国内首次深水环境下的大地电磁数据采集试验.结果显示,所研发的仪器性能指标吻合先前的理论推算值,达到设计要求.我国的海底大地电磁探测技术已完全享有自主的知识产权.     

一种并行的大地电磁场非线性共轭梯度三维反演方法

本文改进并验证了大地电磁测深数据的三维反演算法和并行计算程序,程序对计算机物理内存和CPU速度及数量要求较低,使普通家用机进行三维反演计算成为可能.本文在Newman和Alumbaugh(2000)提出的三维非线性共轭梯度算法和Rodi和Mackie(2001)给出的大地电磁场二维NLCG反演预处理方法的基础上实现了大地电磁场NLCG三维反演算法,改进了的预处理方法,将反演计算对初始模型的依赖性降到最低,并且通过理论模型验证了程序的正确性,并根据日本KAYABE地区实测数据的反演结果验证了算法的实用性.     

PRC_MTMV和EMTF在长周期大地电磁数据处理中的应用

长周期大地电磁信号强度弱,频带宽,容易受到多种噪声的干扰,观测数据不满足加性、平稳和最小相位特性.因而,其数据处理仍有较多难点.常规的大地电磁数据处理方法是相似的,其主要差别是在时域或频域压制噪声、提高信噪比的数学方程和算法不同.为了提高数据处理的可靠性,拓宽方法的选择范围,本文介绍了广泛使用的PRC_MTMV和较少使用的EMTF两套软件系统的处理原理、参数配置以及用于处理长周期大地电磁资料的基本流程.利用两套系统对实测数据进行处理,对比发现,PRC_MTMV处理得到的视电阻率和相位曲线总是比EMTF的曲线平滑;EMTF的远参考处理对视电阻率曲线高频部分有较大的改善,说明EMTF能够有效克服磁场干扰;将同一测点长周期和宽频测深曲线拼接,二者的效果是相当的,表明EMTF能够满足需要并用于处理长周期大地电磁数据.     

海底MT采集电路在非实时监控状态下的容错性设计

测量海底大地电磁场的仪器系统只能以非实时监控模式运行,这给信号的采集工作带来诸多不可预测的因素。在测量周期长、条件恶劣且与人员隔绝的时空条件下,信号测试过程会受到来自环境干扰和电路异常等方面的影响。因而,预防干扰及自动纠错成为海底大地电磁信号采集电路必须具备的功能。针对可能出现的电路故障,设计相应的软硬件纠错方案以确保海底的仪器始终正常工作是十分重要的。详细分析了海洋作业过程中由于强烈振动的影响、电子盘的写盘噪声以及方向传感器的电磁辐射等方面的故障及其产生的原因,并提出了软件与硬件相结合的容错性设计方案,实现了海底电磁信号采集在非实时监控状态下的容错功能。     

硬件系统集成——海底大地电磁测量的关键技术

海底大地电磁探测是一项多学科交叉和多技术渗透的前缘课题 ,课题的目标之一是研制用于海底数据采集的大地电磁测量系统。入海的难度给该系统提出了特殊要求 ,即必须解决海下仪器安全及海面与海底间的设备运载问题。由于涉及多项技术内容 ,每项技术由相应的硬件完成 ,因而整个系统包括了多个集成部件 ,各部件分别实现密封承压、重载下沉、水下布极、释放上浮等各项功能。在系统集成过程中 ,除了要考虑各部件的协调装配外 ,系统整体指标的完善性是研究的重点。根据海上作业的特点和船只设备的具体情况 ,系统集成方案解决了结构、强度、平衡、保护等设计难题 ,提出了若干个既实用又可靠的工程技术方法。集成后的系统经过了从甲板投放、海底数据采集到设备回收全过程的试验。     

深部地球物理探测数据库研究进展

国土资源部（原地质矿产部）“深部地球物理探测数据共享与对比研究”项目组在1998－2000年期间取得如下主要进展：（1）调研了数据分布和保存状态，抢救，收集分散的数据（约40565km），按入库技术规定进行了整理，汇总入库。所收集的数据约占应收集数据的92％；（2）制定了7个专业方法数据入库技术规定；（3）建立了7个专业方法数据标准格式，初步实现了规范化和标准化技术研究，为抢救，收集分散在各单位和个人的数据并入库提供了技术准备；（4）实现了数据载体及数据格式转换及不同载体间的转换与传递，使用刻盘技术将数据保存在光盘上；（5）引进先进的系统软件，研制与建立了7个专业数据子库管理软件系统，数据共享和光盘库系统和总库管理系统。编写了各数据子库使用指南，管理员手册，数据字典，数据统一编码，研究中开发应用了GIS、MAPGIS等先进软件，将专业方法理论与计算机技术结合，实现数据快速存储，多功能查询；（6）探索研究了数据共享原则和办法，提出了可行方案，推动了深部地球物理探测数据共享工作。     

大地电磁法三维交错采样有限差分数值模拟

系统地论述了大地电磁三维交错采样有限差分数值模拟算法实现过程中交错网格剖分、积分公式离散化、边界条件、方程组求解、三维张量阻抗的计算等内容. 由于提出了简洁的边界条件，采用了解大型系数矩阵方程组的双共轭梯度稳定解法，所实现的三维交错采样有限差分数值模拟算法具有迭代收敛稳定、计算精度高、速度快等特点. 通过两个理论模型的计算结果检验了算法的正确性和计算精度. 所实现的三维交错采样有限差分数值模拟算法为研究三维反演问题奠定了基础.     

四阶Δ-Σ过抽样电路原理及其在微弱地学信号检测中的应用

传统的测量电路无法解决诸如海底大地电磁场这样微弱地学信号的检测问题。近几年诞生了一种称之为ΔΣ的电路理论以及相应的硬件芯片 ,给微伏级的弱信号检测开辟一条新的技术路径。文章介绍与地学探测有关的一种ΔΣ电路类型 ,该类型以低频段微弱信号为检测对象。采用系统理论和电路分析方法对ΔΣ原理作了较深入的讨论 ,阐明这种电路技术对提高微弱信号观测的分辨率是有效的。结合海底大地电磁探测中的信号采集问题 ,介绍了在仪器中把多路的被测模拟量变为数字量的技术过程。经对实际采集的海底信息的频谱曲线进行分析 ,证实所采用的ΔΣ技术以及多路信号采集的电路方案是合理的。     

西藏高原大地电磁深探测

展示了超宽频带大地电磁深探测所获得的西藏亚东－巴木错沿线地区电性结构图像；阐述了西藏中、南部特殊的壳幔电性特征。