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.

     

风暴对滨海湿地潮沟水沙输运的影响——以长江口崇明东滩为例

为了探知风暴事件对滨海湿地潮沟水沙输运的影响,分别于平静天气和风暴天气(“摩羯”和“温比亚”台风)条件下,在崇明东滩一典型潮沟进行了现场水沙数据观测。结果表明：台风期间近岸平均风速较平静天气增大3~4倍,有效波高增大7~15倍,盐沼前缘光滩和潮沟遭受强烈侵蚀,潮滩表层沉积物粗化1~2.1倍,水体悬沙浓度增大3~11倍,潮沟潮周期单宽泥沙输运通量增大4~33倍, 单宽泥沙净输沙量增大8~17倍。风暴天气下,潮沟水沙输运呈现“大进大出”的特点,在盐沼潮滩内受盐沼植被消波、缓流和捕沙作用下,潮周期内单宽泥沙净通量指向盐沼潮滩,促进了盐沼滩内部泥沙的淤积。     

黄海近岸锋面的时空变化及其对沉积物输运和沉积的影响

利用2010和2012年黄海海域不同季节的航次观测数据与HYCOM模式再分析数据进行了比对,检验了HYCOM模式的水体温度数据在黄海海域的适用性。据此分析了黄海海域的温度锋面和混合锋面的时空变化。结果显示,温度锋通常在秋季开始出现,在冬季最为发育,在春季逐渐消失;黄海混合锋面与季风活动密切相关,主要在秋季开始出现,在冬季发育。悬浮沉积物基本上集中在温度锋的向岸一侧,难以跨越锋面输运。山东半岛成山头海域的温度锋在形态及空间位置上与泥质沉积区相对应,沉积中心(厚度40 m)主要分布在温度锋的西侧,而在其东侧泥质沉积厚度快速减小。研究结果发现,秋冬季节混合锋与温度锋的空间位置并不一致,混合锋位于温度锋的西侧,强烈混合使得沉积物不易沉降,对应泥质沉积厚度小;而在混合锋东侧,悬浮沉积物浓度高且水体层化显著,沉积物易于沉降堆积,与泥质沉积中心对应。混合锋与温度锋的空间分布差异与共同作用可能是该区域泥质沉积体"Ω"形态发育的动力学机制。     

大河影响下的边缘海沉积有机碳输运与埋藏及再矿化研究进展

大河影响下的边缘海是陆源输入物质的主要储库,也是有机碳埋藏和再矿化的主要场所,在全球碳的生物地球化学循环中有着重要作用。从有机碳的输运、埋藏和再矿化等方面综述了大河影响下的边缘海沉积有机碳生物地球化学研究的最新进展。研究表明,有机碳的来源、组成、粒径和密度分布等显著影响着有机碳的分布特征和归宿,大河影响下的边缘海中移动泥等特殊沉积环境在有机碳的输运、埋藏和再矿化分解等方面发挥了独特的作用;微生物分解作用则是边缘海沉积有机碳,特别是难降解陆源有机碳发生分解的重要因素。综合运用分子生物学、有机地球化学、生物地球化学等多学科研究手段,深入研究特定微生物、浮游生物功能类群等在大河影响下的边缘海沉积有机碳生物地球化学过程中的作用,将极大地丰富对河口和陆架边缘海生源要素生物地球化学循环的认识。     

随机波浪作用下黑泥湾冲淤演变的数值模拟

近岸海域潮流、波浪动力条件复杂,单纯考虑潮流输沙对底床冲淤演变的影响可能存在较大的偏差。基于局地较长时期海浪场统计特征,将随机波浪因子引入底床冲淤演化模拟研究中,采用ECOMSED模式进行了不同波浪动力条件影响下黑泥湾海域冲淤演化的数值模拟,并与现场观测资料进行了比较,取得了较好的结果。结果表明,黑泥湾及附近海域存在较稳定的N—S向潮余流,这在整体上是本区泥沙输运的重要影响因素;湾内海域基本处于冲淤动态平衡,冲淤格局与其地形、海流流速和波浪场分布有关,楮岛周围与镆铘岛东面近岸海域以侵蚀为主,镆铘岛南部近岸以淤积为主;随机波浪要素的引入对冲淤演变模拟结果有较大的影响,引入波浪要素后的模拟的结果与海图更为接近。     

横向弯剪作用下生态复合锚杆变形破坏机理模型试验研究

生态复合锚杆在横向弯剪作用下的变形特征与破坏模式等方面缺乏科学认识,还未从试验、理论等方面进行过机理性研究。首先介绍了生态复合锚杆模型试验的制作与试验过程,然后通过对试验数据进行分析,揭示横向弯剪作用下生态复合锚杆竖向变形量、轴向应力、弯矩、界面剪应力等的演化规律与特征,最后结合本次试验研究成果对后续试验方案的优化提出建议。结果表明：生态复合锚杆的轴向应力、弯矩、剪应力均在剪切面附近出现峰值集中现象,且数值向远离剪切面减小非常迅速;生态复合锚杆的轴向应力、弯矩、剪应力随荷载的增大而增大主要发生在弹性变形阶段;生态复合锚杆的拉拔荷载主要由铝管及铝管复合材料界面来承受,并且可以预见其抗弯强度在其进入塑性变形阶段后并无明显增长。     

纵向和横向同时约束AVO反演

为了提高AVO（amplitude versus offset）反演结果的精度和横向连续性,本文提出了一种新的AVO反演约束方法,该方法结合贝叶斯原理和卡尔曼滤波算法实现了对反演参数纵向和横向的同时约束.文章首先结合反演参数的纵向贝叶斯先验概率约束和反演参数的横向连续性假设建立了与卡尔曼滤波算法对应的AVO反演系统的数学模型,然后将该数学模型代入卡尔曼滤波算法框架,利用卡尔曼滤波算法实现了双向约束AVO反演.二维模型测试和实际数据测试结果表明,相对于单纯的纵向贝叶斯先验概率约束,双向约束能更准确地刻画参数的横向变化,得到更准确、横向连续性更好的反演结果.

     

利用近震高频接收函数研究四川理县西山村滑坡体结构

远震接收函数已广泛用于反演台站下方的结构,然而由于地球的非弹性衰减作用,远震数据较难获得高频接收函数,对浅地表结构约束不足.为了克服这一问题,我们使用近震数据的高频接收函数来研究浅表速度结构,并应用于四川理县西山村滑坡体上3个宽频带地震仪记录到的近震事件.本文发展了接收函数V_P-k（V_P/V_S）叠加方法,结合接收函数H-k叠加和波形反演方法获得了台站下方滑坡体的厚度、S波速度和平均V_P/V_S比,并与钻孔得到的滑坡体厚度进行对比.结果表明,滑坡体具有小尺度的横向不均匀性,台站下方滑坡体的平均V_P/V_S比在2.4~3.1之间变化并且在底层存在78~143 m·s^-1左右的S波低速层.本文观测到的高V_P/V_S比和底层低的S波速度结构,与电磁法获得的滑坡体底层低的电阻率和底部富水特征一致,表明滑坡体h1底界面的抗剪强度相对较弱,是潜在的滑坡危险区域.本文研究结果表明,利用近震接收函数能有效约束浅表的速度结构,进而能为滑坡灾害治理提供一定的地震学参考.

     

断层横向构造在逆冲型地震破裂中的作用——以汶川地震小鱼洞断层为例

大地震破裂大多由横向构造(如阶区、弯曲和分叉)所分割的多个段落组成.2008年5·12汶川地震破裂沿北东走向上穿过了多个横向构造部位,特别在震中北东45 km的位置,小鱼洞断层、北川断层和彭灌断层三者之间呈现复杂的断裂切割相交关系.复杂断层几何结构对破裂的扩展是有抑制还是促进的作用？在相交的断裂段之间是否存在最优的破裂顺序？本文以库仑应力分析为手段,探讨在汶川同震破裂初始30 s内,破裂在多分支断裂中选择扩展路径时的可能应力相互作用.库仑应力分析显示:如果北川断层先发生破裂,其滑动对小鱼洞断层和彭灌断层均产生强烈负应力的抑制作用,而彭灌断层的滑动却反而对小鱼洞断层和北川断层浅部有强烈正应力的促进作用.因此,从准静态应力分析角度,彭灌断层先于北川断层发生破裂的可能性较大,这一破裂顺序与小鱼洞断层参与同震破裂过程的事实相符.此外,小鱼洞断层在链接北川和彭灌断层的同震位移中可能起到桥梁作用,但非静态应力的影响.横向构造在逆冲型地震破裂扩展过程中起到的牵引作用使得逆冲型地震破裂能够比走滑型地震跨越更宽的阶区.横向构造是逆冲断裂带内广泛发育的构成单元,因此在地震危险性分析的最大潜在震级测算中应该考虑其作用.     

多层垂直对称轴横向各向同性介质精确走时计算

给出了计算多层垂直对称轴横向各向同性（VTI）介质精确射线路径和走时的方法,所用的体波相速度公式、群速度公式和Snell定律都是严格的显式解析公式. 任意基本波的射线路径和走时计算问题都可以转化成一个等效的透射问题,再用文中的公式来计算,具体实现方法用一个多次波和一个首波的实例给出. 最后分别用精确公式和Thomsen近似公式计算了相同模型相同基本波的走时曲线. 比较两者计算结果可发现, 近似公式反复使用会使误差积累,同时揭示了近似公式适用范围的局限性,强调了使用近似公式需要注意其适用范围的重要性.