A high order Godunov scheme with constrained transport and adaptive mesh refinement for astrophysical and geophysical MHD

We propose to extend the well-known MUSCL-Hancock scheme for Euler equations to the induction equation modeling the magnetic field evolution in kinematic dynamo problems. The scheme is based on an integral form of the underlying conservation law which, in our formulation, results in a “finite-surface” scheme for the induction equation. This naturally leads to the well-known “constrained transport” method, with additional continuity requirement on the magnetic field representation. The second ingredient in the MUSCL scheme is the predictor step that ensures second order accuracy both in space and time. We explore specific constraints that the mathematical properties of the induction equations place on this predictor step, showing that three possible variants can be considered. We show that the most aggressive formulations reach the same level of accuracy than the other ones, at a lower computational cost. More interestingly, these schemes are compatible with the Adaptive Mesh Refinement (AMR) framework. It has been implemented in the AMR code RAMSES. It offers a novel and efficient implementation of a second order scheme for the induction equation. The scheme is then adaptated to solve for the full MHD equations using the same methodology. Through a series of test problems, we illustrate the performances of this new code using two different MHD Riemann solvers (Lax–Friedrich and Roe) and the need of the Adaptive Mesh Refinement capabilities in some cases. Finally, we show its versatility by applying it to the ABC dynamo problem and to the collapse of a magnetized cloud core.     

基于COSMIC掩星数据分析中低纬度地区电子密度分布变化

利用COSMIC掩星2009年电子密度剖面数据,筛选数据进行网格划分,网格内数据统计平均,基于球谐函数计算模型值,分析电离层中低纬度地区最大电子密度的地磁季节变化、昼夜测分布相对变化,及地磁活动对电子密度的分布影响.结果表明,最大电子密度昼测值明显高于夜测值,在中纬度部分区域增大明显.电子密度昼测值在地磁活动期间高度150-550 km中低纬度范围为正相扰动,随纬度变化存在区域差异,随高度增加,扰动加强.     

华北地区水位下降是否会减缓气温上升——浅部地温影响的数值模拟分析

华北地区由于长期持续的地下水过量开采,导致了大面积地下水位大幅下降,引发地面塌陷、地下水质污染等一系列地质环境问题,这些现象早已为人们所熟知和关注.然而地下水位下降还会造成百米量级浅部地温及其梯度的变化,因此即使来自地球深部的大地热流密度没有变化,年度平均的从表浅部位通过地表实际传导进入大气的热流密度会减小,这是中外文献中尚未见讨论过的问题.我们通过数值模拟发现假定大地热流密度不变的条件下,华北数万平方公里地下水位下降会造成百米尺度内的地温降低,从而传入大气的热流密度降低40%以上,且会持续数百年以上的时间.这种长时间大范围的传导入大气的热流密度变化对环境会造成什么影响是一个十分值得关注的问题.这一预测在一定程度上得到了气象站地温观测数据的支持,但由于目前气象观测站只有3.2 m深度范围内的地温资料,累计不超过5、60年,中间还有10余年的间断,而且表浅深度地温受地表多种因素的影响也较大,这些资料难以对我们关心的地下水位下降引起流入大气的热流密度变化这一问题提供直接确凿的数据来进行分析,因此今后有必要开展对地下数十乃至数百米地温进行持续精确的监测工作.     

补偿向下延拓方法研究及应用

位场向下延拓是重、磁处理和解释的常用方法,但其不稳定性限制了其在资料处理及反演中的应用.本文基于补偿圆滑滤波思想以及空间域向下延拓迭代法,通过逐次补偿的办法实现位场的稳定向下延拓.同时,在频率域空间给出了该下延方法的频率域响应因子,并讨论了其低通滤波特性,理论模型和实际位场资料试验表明该方法向下延拓稳定性具有较高的延拓精度.将其应用于重力密度界面反演中,改进反演的稳定性,实际莫霍界面反演表明下延因子具备实用性.     

泉州地震台数字地震仪台址的地脉动噪声分析

利用2008年泉州台甚宽频带数字地震仪连续48 h和全年每月连续48 h内白天与夜间各连续4 h的地脉动记录,计算5 Hz、5 s和100s的静态地脉动噪声功率谱密度、1/3倍频程1-20Hz带宽各段的平均静态地脉动噪声有效值、1/3倍频程100-30 s带宽各段的平均静态地脉动加速度噪声有效值,以及上述3个频点和2个...     

汶川地震(MS8.0)前的地磁低频峰值变化

以2008年5月12日发生的汶川地震(M_S8.0)为研究对象,选取震前2007年7月—2008年6月成都地磁台的观测数据每月计算一个低频段功率谱峰值,并对2011年7月—2012年6月和2012年7月—2013年6月两个时间段的资料作同样的数据处理。结果表明,成都台2007年7月—2008年6月的低频段功率谱峰值震前出现一些幅度较大的变化,而另外两个时段则显示较为平稳的低频段功率谱峰值。作为对照,对西昌台同时段资料也作相同的处理,其结果显示震前未出现和成都台类似的异常结果。结合其他研究结果,初步认为这种现象可能与汶川地震(M_S8.0)有关联,且这种现象的出现可能与震中距有关,但其发生机理尚需进一步研究。这一结果对于震磁关系的研究具有参考意义。     

盆地基底岩性的综合地球物理预测方法——以松辽盆地滨北地区基底岩性预测为例

预测盆地基岩岩性不仅对于研究盆地的深部地质结构及盆地的形成演化具有重要的意义,而且也对基岩风化壳油气藏的勘探具有一定的指导作用.本文通过对盆地重、磁异常成因的综合分析,提出了一系列盆地基底岩性综合预测研究的综合地球物理资料处理解释方法技术.指出在地震构造界面的约束下采用重力剥皮技术可以较为可靠地获取基底岩性重力异常并分析了界面密度差对剥皮后基底岩性重力异常的影响,给出了等效密度差的求取方法.分析了基底起伏对基岩岩性磁异常的影响,指出采用"平化曲"将磁异常归化到与基底同一高度,可以有效地提高对基底岩性体的刻画能力.通过综合分析认为:应用基底的相对视密度、相对视磁化率及两者的相关系数可以有效地刻画基底岩性的特征.神经网络是基底岩性判别与分类的有效方法技术.通过对松辽盆地北部滨北地区的基底岩性的综合预测显示了本文系列预测基底岩性方法的有效性,预测结果反映了松辽盆地基底岩性的分布特征.该系列方法技术可为其他盆地的基底地质填图提供了可借鉴的综合预测方法技术.     

Multi‐method virtual electromagnetic experiments for developing suitable monitoring designs: A fictitious CO2 sequestration scenario in Northern Germany

We present a numerical study for 3D time‐lapse electromagnetic monitoring of a fictitious CO₂ sequestration using the geometry of a real geological site and a suite of suitable electromagnetic methods with different source/receiver configurations and different sensitivity patterns. All available geological information is processed and directly implemented into the computational domain, which is discretized by unstructured tetrahedral grids. We thus demonstrate the performance capability of our numerical simulation techniques. The scenario considers a CO₂ injection in approximately 1100 m depth. The expected changes in conductivity were inferred from preceding laboratory measurements. A resistive anomaly is caused within the conductive brines of the undisturbed reservoir horizon. The resistive nature of the anomaly is enhanced by the CO₂ dissolution regime, which prevails in the high‐salinity environment. Due to the physicochemical properties of CO₂, the affected portion of the subsurface is laterally widespread but very thin. We combine controlled‐source electromagnetics, borehole transient electromagnetics, and the direct‐current resistivity method to perform a virtual experiment with the aim of scrutinizing a set of source/receiver configurations with respect to coverage, resolution, and detectability of the anomalous CO₂ plume prior to the field survey. Our simulation studies are carried out using the 3D codes developed in our working group. They are all based on linear and higher order Lagrange and Nédélec finite‐element formulations on unstructured grids, providing the necessary flexibility with respect to the complex real‐world geometry. We provide different strategies for addressing the accuracy of numerical simulations in the case of arbitrary structures. The presented computations demonstrate the expected great advantage of positioning transmitters or receivers close to the target. For direct‐current geoelectrics, 50% change in electric potential may be detected even at the Earth's surface. Monitoring with inductive methods is also promising. For a well‐positioned surface transmitter, more than 10% difference in the vertical electric field is predicted for a receiver located 200 m above the target. Our borehole transient electromagnetics results demonstrate that traditional transient electromagnetics with a vertical magnetic dipole source is not well suited for monitoring a thin horizontal resistive target. This is due to the mainly horizontal current system, which is induced by a vertical magnetic dipole.     

新疆且末地磁基准台场址勘选

对拟建设的新疆且末地磁台进行场址勘选,采取十字剖面测量和密跨度测量方法进行地磁场总强度F测量,对测量结果进行初步分析.分析结果表明,且末地磁台的地质条件、磁场梯度分布和背景噪声环境等地磁观测环境条件,符合国家地磁台建设规范的要求,适宜地磁基准台站建设.     

天山天池水体季节性分层特征

于2014年6-10月,对高山深水湖泊天山天池水温、电导率、溶解氧、p H值、叶绿素a浓度和蓝绿藻细胞密度进行垂直剖面的连续监测,通过对其季节动态和垂直分层结构的分析,探讨天池水体季节性分层特征.天池出现明显水温分层的时间短(6-9月),夏季温跃层变化范围为2~18 m,而秋季温跃层不断下移,10月在18 m水深以下;受水温分层影响,天池水体溶解氧浓度、电导率、p H值、叶绿素a浓度和蓝绿藻细胞密度在垂直剖面表现出明显的季节性分层,尤其是夏季水温分层影响溶解氧浓度、叶绿素a浓度和蓝绿藻细胞密度在水体中的分布,对天池水质变化产生重要影响.天池浅水层(水深小于10 m)溶解氧浓度较高(大于8 mg/L),而深水层(水深超过18 m)溶解氧浓度9月接近4 mg/L,季节性缺氧导致底泥营养盐向上扩散,对水体水质产生不利影响.所以,应在夏、秋季节加强水质监测,以防止天池水华发生;天池叶绿素a浓度与蓝绿藻细胞密度的垂直剖面变化趋势相似,均随水深增加呈先增加后减小的趋势,但叶绿素a浓度在2~12 m水深处较高,蓝绿藻细胞密度在5~15 m水深处较高,表明5~15 m深度适合藻类生长,同时,电导率、p H值的垂直变化也说明藻类的生长情况,这为监测天池水体富营养化取样和分析提供依据.