基于自动微分的图空间最优输运全波形反演

全波形反演能够利用地震波场信息进行高分辨率地下介质速度建模,具有精确刻画模型细节特征的潜力.传统的全波形反演以L2范数作为目标函数,逐样本比较观测地震数据和合成地震数据之间差异,利用伴随状态法求解梯度.由于全波形反演是高度非线性的,当初始模型不准确时,反演结果容易陷入局部极小值.本文提出使用具有全局比较能力的图空间最优输运Sinkhorn距离作为目标函数.图空间Sinkhorn距离对信号时移和振幅变化具有较好的凸性,能够解决反演过程中的周期跳变问题.利用理论指导的数据科学算法将全波形反演问题转化为深度学习优化问题,偏微分方程约束用于优化波动方程中表征介质地球物理性质的模型参数.反演过程中采用自动微分计算梯度,并利用Adam优化算法对模型进行更新.模型测试结果表明本文方法能够取得较好的反演结果,并且具有较强的噪声鲁棒性,对于震源子波和初始模型的依赖性较低.

     

时变轴力下结构P-Δ效应高精度分析方法

传统的P-Δ效应分析方法多为基于离散结构模型的方法,对于时变轴力情形,通常难以保证计算精度或计算效率方面的需求。为更精确地反映P-Δ效应对结构动态响应的影响,本文应用微分求积(differential quadrature, DQ)原理,提出一种高精度、无需迭代计算的结构动力P-Δ效应分析方法。以质量和刚度物理特性连续分布的大高宽比结构体系为研究背景,建立横向和轴向均任意分布的动态荷载共同作用下的结构运动偏微分方程。利用DQ原理,基于控制微分方程的强形式进行空间离散,并利用DQ权系数矩阵修正法处理边界条件。结合无条件稳定的Newmark常平均加速度法,建立包含P-Δ效应影响的结构动态响应稳定分析方法。将本文方法计算得到的动力响应与通用有限元软件的分析结果进行对比,表明在计算连续体结构P-Δ效应时,本文方法具有很高的计算精度,无需划分单元,只需使用9～10个Chebyshev-Gauss-Lobatto节点(CGL节点)即可得到非常精确的动态响应分析结果,而传统P-Δ效应分析方法需要划分近100个有限单元才能达到同样的精度。本文方法还能清晰地揭示时不变轴力和时变轴力改变结构横向振动特性的...     

基于裂隙尖端放电机制的深部岩体损伤自电特征分析

在大规模深部岩体损伤过程中发生的裂隙尖端放电现象往往引发地下雷电,对该现象发生机理、表现规律的揭示有助于地震、岩爆等的临灾预报.不同于在岩土体中液固耦合界面上发生的自然电场异常机理,在岩土体内部发生的裂隙尖端放电可谓是引发自然电场异常的另一重要微观机制.本文基于现有裂隙尖端放电的研究成果,详细阐述了裂隙尖端放电发生的过程,解释了岩体损伤过程中自然电场异常产生的微观机理,并结合室内实验成果论述了自电位的主要特征;进行了理论推导,认为在大尺度岩体连续损伤过程中,自电位具有含脉冲状波动并整体下降的特征;开展了原位测试,结果证明人工采掘扰动下的深部岩体连续破坏的过程中,自电位在破坏前期缓慢下降,在破坏过程中会出现脉冲状波动,随着破坏程度的加剧整体呈现波动中下降的规律,与理论推导、室内实验结论都相符.对比室内实验和原位测试成果发现,随着研究目标的空间尺度由mm级别扩展到m的级别,自电位波动的幅值也从数十个mV扩展到数百甚至上千mV,故认为在利用自电位波动规律来预测岩体破坏状态时,须受研究对象的空间尺度的约束.此外,在原位测试中发现,自电位对岩体损伤过程的响应较直流电阻率而言具有时域上的超前优势,并对此现象进行了解释.

     

地下金属管道防腐层破损处的直流电法探测

地下金属管道防腐绝缘层的探测是目前管网工程中提出的一个实际问题,探测手段主要包括Person法、电位测试法和密间隔电位测试技术等,但对探测的方法和原理少见报道。详细地介绍了应用直流电法探测地下金属管道防腐绝缘层破损位置的正演模拟和反演过程,通过编写计算程序和综合分析,认为利用直流电法可以探测到地下金属管道防腐层破损的具体位置。     

复杂地形下北京一次局地雷暴新生和增强机制初探

利用变分多普勒雷达分析系统, 结合多普勒雷达观测、 地面自动站、 风廓线仪、 加密探空等非常规观测资料, 对北京地区2011年8月9日局地雷暴的新生和增强机制进行了较精细的分析。结果表明: 该过程是一次发生在弱垂直风切变环境下的局地强对流雷暴大风过程, 环境场有较强的不稳定能量(CAPE达2 798 J·㎏^-1), 地面高比湿带(＞20 g·kg^-1)在山前聚集, 城区西部山前存在一较强γ中尺度热辐合中心, 前期大气环境条件十分有利于对流发生发展; 上游移进北京的强雷暴受地形强迫作用影响, 其产生的冷池出流被抬高, 冷空气叠加在地面γ中尺度热辐合中心之上, 使山前局地大气层结更不稳定, 另一方面, 强冷池出流产生的边界层高层偏北风与近地面弱的偏南风构成有利于对流新生的垂直风切变, 地面热辐合中心、 边界层热力和动力不稳定的增强共同作用是局地雷暴新生的主要机制; 上游冷池出流边界(阵风锋)伴有的强温度梯度和边界层辐合上升运动是原有局地新生雷暴显著增强的主要原因; 多单体雷暴相互碰撞合并产生的辐合上升运动是局地雷暴得以持续的关键因素。     

敞开酸溶-电感耦合等离子体发射光谱法测定石煤钒矿中钒铁铝磷

石煤钒矿资源的勘探、研究和利用均需对其成分进行准确的分析测试,其中钒、铁、铝、磷等主要成分的测定尚未建立标准方法,当前所用的分析测试方法各有不足。采用碱熔电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-OES)测定石煤钒矿样品时,高浓度的可溶性盐会导致高背景,干扰测定。酸溶法可避免上述问题,但由于常规的氢氟酸-盐酸-硝酸-高氯酸四酸体系不能消除碳和有机质对样品的吸附和包裹,待测成分无法完全释放,需先将样品高温灼烧除碳,过程繁琐。本文采用少量硫酸加四酸的五酸体系处理样品,电热板加热,盐酸浸提,利用硫酸的强氧化性将样品中大量的碳氧化成二氧化碳,免却了灼烧除碳流程,消除了含碳物质对样品的吸附和包裹,显著增强了消解效果。由此建立了ICP-OES测定石煤钒中钒、铁、铝、磷的分析方法,在称样量为0.1g、浓硫酸加入量为0.30mL时,样品消解率达到99%以上。方法检出限为17~51mg/kg,相对标准偏差(RSD, n=11)在1.7%~5.1%之间;相对误差为-4.6%~2.7%。该方法背景低、测定结果准确,可满足石煤钒矿石样品的检测要求。     

基于Android平台的192道自然电位监测仪测控软件开发

为了满足192道自然电位监测仪便携性、智能化、长时间自动监测的要求,解决现阶段电法勘探仪器的采集控制设备在人机交互性、续航能力、便携性等方面存在的不足。本文通过将蓝牙、Wifi等物联网技术与地球物理仪器相结合,设计了基于Android平台的采集控制软件。经过测试,该软件功能高效,数据传输质量好、运行稳定。在地质微生物自然电场信号检测实际应用中表现稳定,可以不间断监测超过36 h,数据采集准确度高、可视化效果好,有较强的实际应用价值。     

Nelder-Mead单纯形算法改进及在气象上的应用

Nelder-Mead Simplex (NMS) 算法是一种查找多元函数局地最小值的无微分算法,在现代科学计算中得到广泛应用,该文提出了一种对NMS算法的改进方法。改进后,大大简化了其计算过程,提高了该算法的收敛速度。利用改进后的算法对陆面过程参数进行了拟合计算,结果表明：改进的NMS算法对非线性公式具有非常高的拟合精度,可将其应用于气象学上非线性问题计算或非线性方程组求解。     

酸溶-电感耦合等离子体质谱法测定煤系样品中稀土元素的方法研究

煤和含煤岩系在特定地质条件下可以富集稀土等金属元素。煤及矸石燃烧后产生的飞灰,其金属元素富集度更高,有望成为稀土等关键矿产的替代来源之一。针对煤系样品有机物含量高、基体组成复杂等问题,本文通过溶样方式、消解酸体系、浸提液、质谱干扰及扣除等条件实验研究,利用高压密闭酸溶法和半密闭酸溶法建立了分别适用于煤和煤系样品中稀土元素的电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）分析方法。结果表明,硝酸-氢氟酸高压密闭酸溶法能够实现煤中稀土元素的准确测定,但对煤飞灰和煤矸石的稀土元素回收率不稳定,不同样品稀土回收率在37%～123%之间。在原有消解酸体系中,加入硫酸和高氯酸或改用盐酸复溶,均不能有效地提高稀土元素的回收率。五酸半密闭酸溶可以实现煤飞灰、煤矸石等煤系样品中稀土元素的完全分解。利用X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）技术对煤系样品中元素的赋存状态进行了初步解析,揭示了高铝矿物是造成煤矸石等煤系样品中稀土元素溶出率低的主要原因,为实验方案的制定和优化提供了理论依据。利用标准物质和实际样品开展了方法验证,所建方法具有良好的精密度（相对标准偏差为0.05%～9.98%）和正确度（相对误差为−10.2%～7.62%）,检出限低,可以实现煤系样品中稀土元素的多元素准确测定,适用于大批量样品中稀土元素的分析测试。     

基于土柱淋滤实验的煤矸石饱和状态下溶质释放过程研究

针对煤矸石山在降水淋滤作用下对矿区周边地下水造成污染的严重问题,用实验模拟法对包头石拐区一废弃煤矿进行饱和状态下煤矸石的淋滤实验研究。结果表明:煤矸石中Ca、Mg、Fe、Cu、Zn、NO₃^-、SO₄^2-、Cl^-的淋滤过程都遵循浓度先升高再降低到稳定值的基本规律,只是NO₃^-、SO₄^2-、Cl^-的淋出速率明显大于重金属的淋出速率,Ca和Mg、SO₄^2-和Cl^-、Pb和Cr、Cd有相似的淋出机制;重金属最强淋出率从大到小的顺序是Mg>Cd>Ca>Cu>Zn>Cr>Fe>Pb;Hg和As等含量甚微,均未检出。