空间物理学·大气物理学·大地测量学
01
基于全极化SAR观测的TEC反演算法分析
朱艺洵, 熊超, 王丰珏
2024, 67(11): 4015-4029.doi:10.6038/cjg2024S0071
摘要：电离层的色散特性决定了无线电波信号穿越其传播时会产生法拉第旋转效应(Faraday Rotation,FR).基于全极化合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)卫星观测可实现对法拉第旋转角(Faraday Rotation Angle, FRA)的测量,并进一步实现对电波传播路径上电离层总电子含量(Total Electron Content, TEC)的反演.为提出一种鲁棒性较强的SAR-TEC反演方法,本研究利用10组共251景PALSAR-1(Phased Array Type L-band Synthetic Aperture Radar)全极化SAR数据,对中纬度北美洲地区的FRA进行了估计,并详细对比了四种利用FRA来计算TEC的算法.为了验证计算得到的SAR-TEC的准确性,以全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)地基观测台网得到的TEC作为参考值进行对比,揭示了基于SM算法得到SAR-TEC具有最好的相关性.同时我们进一步考量了地磁场对SAR-TEC反演算法的影响,利用CHAMP(Challenging Minisatellite Payload)卫星实测的磁场数据替代由国际地磁参考场(International Geomagnetic Reference Field,IGRF)估算的磁场,进一步提升了基于SM算法得到的SAR-TEC反演精度,其与地基GNSS-TEC的相关性达到了0.97,RMSE仅为1.14 TECU.
02
电离层重力电流与压力梯度电流的模拟研究
刘耘博, 任志鹏, 魏勇, 周旭
2024, 67(11): 4030-4042.doi:10.6038/cjg2024R0865
摘要：风场发电机驱动产生电离层电流,其主要分布在日侧E区.电离层电流会产生显著的地磁扰动,这也是地磁静日(Solar quiet,Sq)变化的主要来源.但是,电离层区域的其他作用力,包括等离子体重力和压力梯度力,同样能驱动等离子体跨越磁力线,进而影响了电离层电流.本文首先探讨了等离子体重力和压力梯度力在电离层发电机过程中的作用机制,随后利用数值模拟得到重力电流和压力梯度电流.通过分析重力电流和压力梯度电流的时空分布,我们发现它们的分布区域与电离层赤道异常(EIA)重合,重力电流方向是地磁东向的,而压力梯度电流在EIA结构的底部是东向的而顶部是西向的.除此之外,我们发现重力和压力梯度电流的经度分布受到地磁场和潮汐的影响,其中电流强度与磁场强度反相关.
03
1940—2022年北极夏冬季2 m气温变化及可能驱动机制研究
李亚云, 成巍, 宿兴涛, 高睿
2024, 67(11): 4043-4052.doi:10.6038/cjg2024R0830
摘要：受全球持续暖化影响,北极近地表气温急剧升高.基于1940—2022年ECMWF ERA5逐月再分析资料分析研究北极夏冬季2 m气温变化及可能驱动机制.1940—2022年北极夏冬季2 m气温主要呈偶极型和一致型模态,均为突变现象.冬季增温趋势相比夏季更显著,对"北极放大"效应作用更大,特别是83°N向南至北地群岛、90°E向西至斯瓦尔巴群岛区域,增温幅度接近于北极其他增温区域的2倍以上,可认为是"北极放大"效应的最敏感区.通过对突变前后地表能量收支分析,夏季2 m气温突变前后变化主要由地表储热、地表反照率反馈和晴空长波辐射变化主导,冬季2 m气温突变前后变化主要由晴空长波辐射、地表储热和湍流热通量变化主导.此外,研究还发现,BO型模态在冬季2 m气温突变后纬向逐步加强显著促进北极冬季2 m气温变暖,北太平洋PDO/北大西洋三极子共同作用也显著促进了北极冬季2 m气温的突变,使其变暖更加明显.而大气环流和海温调制对夏季2 m气温的突变贡献均较小,且不显著.
04
基于模拟数据评估SWOT卫星KaRIn数据的测量误差对反演海洋重力场的影响
李杨, 周江存, 祝程程, 孙和平, 李宁
2024, 67(11): 4053-4064.doi:10.6038/cjg2023R0320
摘要：地表水和海洋地形(Surface Water and Ocean Topography, SWOT)卫星搭载了Ka波段雷达干涉(Ka-band Radar Interferometer, KaRIn)测高计，其宽刈幅测高数据有望提升现有海洋重力场模型的精度和空间分辨率. 为评估KaRIn测高计的各类测量误差对反演海洋重力场的影响，本文基于模拟的KaRIn数据，使用逆Vening Meinesz公式反演了海洋重力异常. 单周期模拟数据的反演结果表明：相位误差和KaRIn噪声对重力异常的影响最大；利用数值差分计算KaRIn数据跨轨方向的垂线偏差无法消除相位误差、滚动误差和基线扩张误差，这导致垂线偏差的东西分量和反演的重力异常在空间上呈现明显的卫星地面轨迹特征；改正相位误差、滚动误差和基线扩张误差后，反演的重力异常不存在明显的卫星地面轨迹特征，主要误差源仅为KaRIn噪声. SWOT卫星执行精确重复轨道任务，其重复观测可以削弱测量误差对海洋重力场反演的影响，在反演中随着周期数的增加，相位误差和KaRIn噪声对重力异常的影响逐渐降低. 在不改正相位误差、滚动误差和基线扩张误差且不滤波削弱KaRIn噪声的情况下，本文利用3年53个周期的模拟数据反演了重力异常，结果显示本文讨论的各类测量误差对重力异常反演的综合影响仅为0.17 mGal.
05
基于矩阵球谐叠积方法估计Mm和Mf潮波重力潮汐因子及约束下地幔滞弹性参数
邹传义, 丁浩, 栾威
2024, 67(11): 4065-4076.doi:10.6038/cjg2023R0170
摘要：地幔滞弹性参数对理解和认识地球内部动力学过程及能量耗散机制至关重要.目前,下地幔滞弹性参数主要依赖长周期固体潮和极潮等大地测量观测的反演与约束,但相应研究结果之间仍存在明显的差异.本文采用高精度的超导重力仪(Superconducting Gravimeter, SG)观测资料对长周期频段的Mm和Mf潮波重力潮汐因子进行估计,并反演下地幔滞弹性参数.对SG观测资料进行精细预处理,并扣除多种重力信号及短周期潮波的干扰;采用矩阵球谐叠积方法估计的Mm和Mf潮波的重力潮汐因子分别为1.1589(±0.0011)-0.0006i(±0.0012)和1.1586(±0.0007)-0.0008i(±0.0009).基于估计的重力潮汐因子,得到5 mHz参考频率的下地幔滞弹性参数fr(ω)和fi(ω),对于Mm潮波分别为-15.6(±8.7)和4.7(±9.5),对于Mf潮波分别为-13.2(±5.5)和6.3(±7.1),最终反演的物质依赖参数α值为0.185(±0.09),与已有研究中基于卫星激光测距和GNSS观测的研究结果一致,表明了估值的可靠性.研究可为下地幔滞弹性参数提供约束,有助于了解地球内部的物理性质以及地球对于潮汐信号的响应特征.
06
顾及序列非平稳性的InSAR形变序列噪声分离与精化
侯景鑫, 许兵, 韦佳, 李志伟, 朱焱, 毛文祥, 刘维正
2024, 67(11): 4077-4088.doi:10.6038/cjg2023R0266
摘要：地表形变序列提取是多时相合成孔径雷达干涉测量技术(Multi-temporal Interferometric Synthetic Aperture Radar,MT-InSAR)的最主要目的之一.受到随机噪声误差的影响,MT-InSAR获取的形变时间序列需要进一步精化.由于形变类型多种多样,传统序列滤波处理方法容易出现单一模型不适用、滤波窗口难以确定、提取效果难以评估等问题,难以实现海量监测目标的形变序列批量处理.针对这些问题,本文提出了一种顾及序列非平稳性的广域InSAR形变序列噪声分离与精化方法.新方法构建了大范围区域的形变拟合模型库,随后通过综合考虑拟合优度和残差平稳性,对序列进行两次拟合,充分分离出形变序列中的趋势性变化信号,实现序列由非平稳向平稳的转化.最后对残余序列进行大窗口滤波,实现对残余形变信号的提取,最终完成含噪序列中的形变时间序列信号高精度分离与精化.本文利用传统三角滤波方法和新方法对规则形变序列和不规则形变序列进行了形变分量滤波提取对比实验,实验结果表明,相较于传统方法,新方法对规则形变序列的形变分量提取精度较传统方法提高了40.69%,不规则形变序列中提高了27.54%,同时,新方法也表现出了较为准确的模型识别能力.另外,论文对新方法在滤波窗口选择、抗噪能力以及优化效果评价等方面的优越性进行了深入的分析和讨论.
07
快速高效的张衡一号卫星ELF波段闪电哨声波自动检测算法
赵晨旭, 袁静, 王桥, 申旭辉, 泽仁志玛, 刘庆杰, 黄建平, 刘祖阳, 刘海军
2024, 67(11): 4089-4104.doi:10.6038/cjg2024R0205
摘要：张衡一号卫星在轨六年积累了大量的闪电哨声波 (Lightning Whistlers, LWs) 事件,这些事件是全面研究空间物理环境和圈层耦合机理的重要媒介.依靠目前的智能算法完成LWs识别任务需要几十年的时间,难以满足实际工程需要.本文提出了一种快速高效的闪电哨声波自动识别算法 (Light Weight Network for Lightning Whistler,LW-LWNet):首先,采用深度可分离卷积、挤压激励机制等轻量化技术对YOLOv5 目标检测算法的主干网络进行改进,通过降低参数量和计算量,提高了模型推理速度;其次,采用小计算量的注意力机制改进主干网络的输出通道,通过增强闪电哨声波形态特征,克服因参数压缩导致性能下降的问题;最后,通过训练得到本文提出的LW-LWNet 模型.在2019年9月的LWs数据集上进行的实验表明,LW-LWNet 模型在精确度、召回率、准确率和F1分别达到了88.8%、80.6%、89.8%和89.3%,相对于原始算法提高了0.7%、0.9%、0.4%和0.6%.此外,在轻量化方面,该模型的参数量减少了57%;在推理速度方面,FPS 提升33%;在检测精度方面,mAP50提升了0.3%.
地球动力学·地震学·地热学
08
环太平洋强震引起的稳态形变场及其地球动力学含义
赵濬哲, 付广裕, 刘泰
2024, 67(11): 4105-4120.doi:10.6038/cjg2023R0171
摘要：地震引起的稳态形变由同震形变和震后地幔黏滞性松弛效应的累积两部分组成.本文首先利用球形地球地震位错理论计算了智利MW8.8地震引起的同震水平位移和震后地幔黏滞性松弛效应,发现近场以同震变形为主,远场变形主要来自震后地幔黏滞性松弛效应的累积.接着,本文计算了环太平洋地区373个MW7.0及以上中浅源强震引起的同震和稳态水平位移和稳态应变,发现环太平洋强震引起的稳态水平位移在地震带附近由同震破裂主导,随着震后时间的增加,地幔黏滞性松弛效应逐渐扩展到整个太平洋板块,在太平洋中心区域亦可达分米量级,稳态水平位移的方向大致与太平洋板块、欧亚板块和美洲板块的运动方向一致;环太平洋强震使得整个太平洋板块呈现出明显的西北-东南方向的拉张应变,在东太平洋海隆处引起的稳态拉张应变超过10-7,拉张方向与东太平洋海隆的走向近似垂直.上述拉张性稳态应变表明,环太平洋地震引起的地幔黏滞性松弛效应降低了洋中脊扩张的难度,是引起海底变形的重要机制之一.环太平洋强震在中国东北地区产生的稳态水平位移年变化率与GNSS水平速度场在方向上大体一致,但在量级上占观测结果的20%~70%,表明环太平洋强震引起的地幔黏弹性松弛效应是现今中国大陆GNSS速度场的一个重要组成部分.
09
海山俯冲对地壳表层构造变形影响：基于离散元模拟的见解
豆方鹏, 李江海, 马昌明
2024, 67(11): 4121-4131.doi:10.6038/cjg2023Q0637
摘要：本文利用二维离散元数值模拟技术模拟海山俯冲对地表浅层构造变形影响，结果表明沿增生边缘俯冲的海山与粗糙海底地形相互作用，可以赋予上覆地层独特特征：(1)海山之上发育大偏移逆冲断层，断层发育规模大、变形强、形态复杂甚至卷曲，逆冲脊在海山垂直上方，代表变形最强烈区域. (2)海山俯冲导致楔形体形状更加复杂以及不规则化，海山显著阻碍楔形体横向扩展. 通过设定不同俯冲角度进行对比试验，证明了含海山俯冲角度35°楔形体与马里亚纳型俯冲带俯冲角度大，俯冲板块与上覆板块脱离，大洋沉积物大量被削减并向下俯冲，形成窄的增生楔相似；俯冲角度25°楔形体几何形状增生楔宽度更宽，高度低，坡角略低于含海山俯冲角度35°形成的增生楔，这与智利型俯冲带俯冲角度小，俯冲板块和上覆板块耦合紧密，不利于大洋沉积物的俯冲消减，可形成宽阔的增生楔相对应. (3)海山俯冲会导致地表高速带出现以及有助于深部俯冲的沉积物向上搬运到浅部. 由此产生的断裂有助于增强跨板块边界耦合程度，增加在这种背景下发生大地震的可能性. 表明需要重新评估海山与地壳表层的相互作用，这对在增生边缘中评估海山俯冲危害具有启示意义.
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2022年四川泸定Ms6.8地震震源区横波分裂变化特征
曹学来, 常利军, 李大虎
2024, 67(11): 4132-4147.doi:10.6038/cjg2023R0025
摘要：本文对2022年四川泸定Ms6.8地震震源区横波分裂的时空变化特征进行了分析. 通过对横波窗内的近震横波波形进行横波分裂测量，得到了震源区各台站的快波偏振方向和慢波延迟时间. 结果显示，震源区上地壳各向异性存在着明显的空间分区特征和随时间的规律性变化. 空间上，靠近发震断裂——鲜水河断裂和余震密集区的台站的快波偏振优势方向呈NW或NNW向，与主压应力方向和发震断裂走向一致，且平均慢波延迟时间较大；位于震源区东北部大渡河断裂和龙门山断裂的台站呈现出两个快波偏振优势方向，一个是与主压应力方向一致的NW向，另一个是与断裂走向一致的NNE向，且平均慢波延迟时间较小. 上述分布特征反映了应力场和断裂构造对上地壳各向异性的综合效应，且泸定地震孕震过程中发震断裂和余震密集区积累的应力明显强于其他区域. 时间上，主震前，靠近发震断裂和余震密集区的台站的快波偏振方向较稳定，慢波延迟时间较小，在震后35天内，各台站的快波偏振方向离散度较大，快波偏振优势方向与主压应力方向存在一定夹角，慢波延迟时间变化剧烈，平均慢波延迟时间较大，主震36天后，各台站的快波偏振方向逐渐收敛，快波偏振优势方向与最大主压应力方向一致，慢波延迟时间逐渐减小并趋于稳定，反映了主震后的余震活跃期内的应力调整剧烈，随着主震和大量余震的发生，积累的应力不断释放，地壳应力逐渐减小，后期的余震活动逐渐变弱，泸定地震的发震断裂在震后的应力调整期可能存在着愈合过程.
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2023年甘肃积石山MS6.2地震震源区的三维速度结构及其发震构造
蔡光耀, 王未来, 吴建平, 张龙, 包晶晶, 孟繁昌, 刘慧杰
2024, 67(11): 4148-4159.doi:10.6038/cjg2024S0094
摘要：2023年12月18日23时59分,在甘肃积石山县拉脊山南段积石山东缘断裂附近发生了MS6.2地震.为了探究本次地震的发震构造、孕震环境以及余震序列与深部结构的关系,本文使用基于固定台站、预警台站和临时布设的密集台阵构建的地震事件资料,采用双差层析成像方法开展地震定位和三维速度结构研究.重定位后,余震序列近似呈SE-NW方向展布,总长度约15 km,震源优势深度分布范围为8~14 km,平均深度为10.4 km.主破裂北侧余震条带和主破裂附近余震序列的震源深度存在错断,二者倾向在空间上近似垂直.东北倾的大河家断裂是主震的发震断层,主破裂北侧余震条带发生在一条西南倾的反冲盲断层上.余震序列基本发生在高速和低泊松比异常内,且高速异常和余震序列的形态高度吻合,速度结构的非均匀性是控制本次地震和余震形态的主要深部构造因素.本次地震是在挤压构造背景下,上地壳高速和低泊松比异常体内进行应力积累和释放,从而发生的一次典型的逆冲型地震事件.
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源区水位对云南宾川大容量气枪震源子波特性的影响
刘春禹, 杨宏峰, 杨微, 王伟涛, 杨军, 茶文剑, 李孝宾, 叶泵
2024, 67(11): 4160-4170.doi:10.6038/cjg2024R0296
摘要：近些年来，大容量气枪震源逐渐被用于研究中国大陆地壳结构以及其时变特征，但激发水库的水位不可控，气枪震源子波信号的重复性受到严重影响，研究地壳介质时变特征存在着很大挑战. 以往研究环境因素对气枪子波的影响时，假设水体为半无限空间介质，常忽视气枪至水体底部的距离，而陆地有限水体的水位因素不应该被忽略. 针对这一问题，本文从经验公式角度解析云南宾川大银甸水库水位变化对气枪子波信号的影响，包括子波主脉冲振幅、优势频率、气泡脉冲优势频率和主脉冲-气泡脉冲振幅比等. 研究结果表明4支气枪在激发过程中存在相互作用，显示气泡脉冲优势频率、主脉冲振幅和优势频率与气枪至水库底距离呈正相关关系，主脉冲-气泡脉冲振幅比与气枪至水库底距离呈负相关关系. 研究成果可优化有限水体气枪震源激发实验参数，为利用陆地大容量气枪震源开展地下介质时变特征研究奠定基础.
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应用实测强震动记录的地震动场快速推测方法
张世亮, 马强, 陶冬旺, 解全才, 王江, 钱亮, 薛韬, 卢建旗
2024, 67(11): 4171-4188.doi:10.6038/cjg2023R0686
摘要：致灾性地震动是引起土木工程破坏的根本原因,震后秒至分钟级的地震动场快速推测是紧急处置、灾害链阻断、灾情获取及震后精准救援的重要依据,也是震后情景构建和城乡地震韧性评估的关键输入.为了震后快速推测目标区域内无观测仪器场点的地震动时程,本文首先通过反距离权重插值方法快速推测无观测仪器场点的地震动幅值谱,结合基于等效群速度的地震动相位谱模型,发展了一种非平稳地震动快速推测方法;随后引入Delaunay三角剖分算法,发展了一种分钟级的宽频带地震动场快速推测方法,并采用实际震例验证方法在不同台网密度下的应用效果.结果表明,在0.1~25.0 Hz频段,推测与实测记录的幅值谱在幅值、谱形、卓越频率及高频衰减特征方面有很好的一致性;推测与实测记录的波形、地面峰值加速度(Peak Ground Acceleration, PGA)与速度(Peak Ground Velocity, PGV)、震相到时、加速度反应谱(Acceleration Response Spectrum, Sa)等非常接近,通过地震动场得到的仪器地震烈度与调查地震烈度基本一致.本文方法实现了地震动波形场近实时计算,可为烈度速报等近实时地震减灾和应急工作快速提供任意场点地震动时程.
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Transformer模型和迁移学习在地震P波和噪声判别中的应用研究
郑周, 林彬华, 于伟恒, 金星, 王士成, 李水龙, 周施文, 丁炳火, 韦永祥, 周跃勇, 陈辉
2024, 67(11): 4189-4203.doi:10.6038/cjg2024S0004
摘要：准确可靠地区分地震和噪声信号对于地震危险性分析和地震预警至关重要.然而,无处不在且复杂的噪声信号使这项任务充满挑战.针对中国和日本数据的差异,本研究在深度学习模型训练过程中采取了不同的策略来区分地震和噪声信号.首先,鉴于日本数据丰富,直接训练一个Transformer模型,该模型在日本的判别准确率为99.82%.其次,为缓解数据不平衡,对中国地震数据采用了随机滑动波形窗进行增强.还使用中国数据对预先训练的日本模型进行了微调,以更好地适应中国数据集.经过微调后,模型在中国的判别准确率为99.47%.结果表明,使用原始波形训练的深度学习模型进行地震事件判别时能够取得很高的准确率.此外,迁移学习模型在门源6.9级地震和漾濞序列震中得到了良好的验证,表明迁移学习在台网稀疏地区的应用是有效的,这为地震学和地震预警提供了一种潜在的方法.
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岩石破坏位移协调系数与GNSS数据的地震预测方法研究
冯增朝, 沈永星, 赵阳升
2024, 67(11): 4204-4219.doi:10.6038/cjg2023R0737
摘要：本文以小尺度的岩石破坏试验为基础,提出了以岩石表面多点位移信息预测岩石失稳破坏的短临前兆指标-位移协调系数(DCC).基于GNSS数据,分析了DCC指标在大尺度地震中的演化特征,提出了基于GNSS数据的DCC指标地震预测方法.研究结果表明:在岩石弹性承载阶段,DCC在较低水平波动;当承载达到岩石峰值强度95%~99%时,DCC出现突增是预测岩石失稳破坏的重要前兆指标.通过大量试验统计,确定了岩石从弹性变形到塑性变形转变的岩石弹塑性临界阈值范围为0.98±0.2.当DCC大于弹塑性临界阈值时,岩石即将发生失稳破坏.基于GNSS数据计算获取三个地震案例震前的DCC指标与岩石破坏过程中DCC指标的演化特征具有相似性,当DCC指标达到弹塑性临界阈值后大地震将在3~16天发生,验证了将DCC指标作为预测地震发生短临前兆的有效性.同时,地震发生区域可以利用震前GNSS数据绝对变形场重构方法通过异常变形区进行确定,且根据DCC达到阈值时刻的异常变形区面积与地震震级呈对数关系,可估算地震震级.研究结果对基于GNSS数据建立和完善地震短临预测方法具有重要的意义.
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三维大地电磁方法揭示的吉林龙岗板内单成因火山深部岩浆系统
赵凌强, 詹艳, 胡亚轩, 赵波, 操聪, 孙翔宇, 王庆良, 汶宇龙, 李仲巍, 綦伟
2024, 67(11): 4220-4232.doi:10.6038/cjg2023R0502
摘要：板内火山作用是指在远离板块构造边界的大陆内部发生的火山活动，位于中国东北的龙岗火山是研究板内火山活动的天然实验区. 我们分别于2020年和2022年在吉林龙岗火山区及其周围区域连续开展大地电磁测量工作，获得了覆盖龙岗火山区的141个宽频带测点数据，通过三维反演获得了该区域地壳上地幔尺度精细的三维电性结构模型. 该模型揭示出龙岗火山区及其周边地区上地壳基本上为高阻体，代表着火山区岩浆早期活动时大面积喷发冷凝所产生的火山岩. 龙岗火山区下方存在着多条岩浆通道穿过莫霍面在上地幔尺度合并且向下继续延伸. 这些岩浆通道自下而上可能主导了近期火山喷发和地壳隆升以及小震活动. 该模型清晰的显示了一个大陆板内火山系统从地幔源到地表跨岩石圈的形成机制，结合岩石学和地球化学资料，推测龙岗火山区的岩浆系统可能直接从软流圈地幔快速上升至地壳内部减压熔融导致喷发作用. 这些结果不但可以为龙岗火山区喷发风险的预测提供深层地球物理依据，也能为理解板内火山形成机制提供启发.
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中国陆域大地热流数据汇编(第五版)
王一波, 刘绍文, 陈超强, 姜光政, 武金辉, 郭兰泳, 王亚奇, 张慧慧, 王朱亭, 江晓雪, 朱传庆, 左银辉, 胡杰, 张超, 何丽娟, 胡圣标, 庞忠和, 汪集暘
2024, 67(11): 4233-4265.doi:10.6038/cjg2024S0284
摘要：大地热流是地球内部热能在地表热显示中最综合的参数. 热流数据不仅是地震学信息的重要补充 (为岩石圈厚度、地球物理性质和构造演化等提供了强有力的约束),而且,它还对地热资源靶区优选和评价提供了重要支撑. 大地热流的测量和汇编是地热学研究中一项基础而关键的工作. 我国大地热流已公开发表四版数据1166个. 本文在此基础上,收集公开发表的大地热流数据1096个,实测热流数据75个. 同时,本次研究更新了中国大地热流数据质量分类标准,根据最新的分类标准,在2337个大地热流数据中,A、B、C和D类数据占比分别为35.4%、40.9%、18.7%和5.0%. 除去C类和D类数据,热流值变化范围为25.1~242.0 mW·m-2,均值为63±16 mW·m-2; 如果考虑构造单元面积和热流质量的因素,全国大地热流加权平均值为67±16 mW·m-2. 分析表明,我国大地热流分布格局表现为以下特点: 西南和台湾地区极高(≥75 mW·m-2)、中国东部和中北部地区高 (65~75 mW·m-2)、中南部地区低 (50~65 mW·m-2)、西北地区最低 (＜50 mW·m-2).
应用地球物理学
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地震波形伴随层析成像:1.SEM-FDM混合正演方法
李孟洋, 章文波, 刘少林, 杨顶辉
2024, 67(11): 4266-4288.doi:10.6038/cjg2024R0867
摘要：地震波形伴随成像是通过正演波场和伴随波场构建误差泛函关于模型的Fréchet导数. 在波形伴随成像中,需要数值求解地震波运动方程得到正演波场和伴随波场. 目前,谱元法(Spectral-element method,SEM)作为地震波场正演模拟方法在地震波形伴随层析成像中得到了广泛应用. SEM具有网格的灵活性,计算精度高,且能自然满足自由地表边界条件. 然而,在复杂模型中SEM能否得到高精度地震波场,取决于能否构建高质量网格模型. 当模型复杂时较难构建高质量网格模型. 为了实现复杂模型中地震波场高效数值模拟,本文发展了谱元法和有限差分法(Finite-difference method,FDM)混合方法,即SEM-FDM混合方法,其核心思想是避免使用复杂网格模型. SEM-FDM混合方法在近地表处使用SEM模拟地震波场,利用傅里叶级数近似起伏地表,根据傅里叶级数和控制参数自动快速生成网格. 在远离起伏地表的区域,利用FDM模拟地震波场,采用规则网格刻画模型,借助非均匀有限差分格式模拟非均匀介质中地震波传播. SEM-FDM混合方法通过设置数据传输层将SEM和FDM耦合. 本文进行了多组数值算例,用于验证SEM-FDM混合方法模拟复杂模型中地震波传播的高效性. 数值算例说明了复杂模型中使用SEM-FDM混合方法可获得高精度的地震波模拟结果. 本文研究为复杂模型中地震波形伴随层析成像提供了高效正演模拟工具.
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基于等效Biot理论的多孔介质地震反射系数频散特征研究:介观波致流的影响
严家轩, 王恩江, 熊方菲
2024, 67(11): 4289-4308.doi:10.6038/cjg2024R0738
摘要：含流体孔隙介质分界面上的反射和透射系数对储层表征和流体识别至关重要.本文考虑含流体孔隙介质与弹性介质间分界面,基于等效Biot理论描述孔隙介质中介观流作用,研究了分界面上反射系数频变机理.将势能波函数表示的位移和应力代入到分界面处连续性边界条件,推导了纵波从孔隙介质入射和弹性固体入射两种情况下反射系数计算公式.通过对典型地质模型的正演计算,得出了反射系数振幅随入射角和频率的变化规律,揭示了介观流的影响机理.结果表明,介观流引起地震频带内快纵波的速度频散和衰减,并导致10 Hz到1 kHz频带间的反射系数频散.相比波从弹性固体入射时结果,波从孔隙介质入射时的反射频散特征更为显著,并受非均匀角的影响.在低频时,反射系数与经典Zoeppritz方程计算结果一致,而高频时,介观流作用消失,反射系数与无介观流时计算结果一致.分析这些特征对利用多尺度反射地震数据进行精细储层预测和流体识别具有重要意义.
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基于Wolfe搜索机制的随机梯度地震反演方法
吴亚宁, 黄捍东, 徐海, 邓忠毅, 张银涛, 王超
2024, 67(11): 4309-4324.doi:10.6038/cjg2024R0780
摘要：地震反演技术能够最有效地从地震信号中挖掘地层参数和岩性信息,一直是储层预测研究的焦点.传统线性地震反演算法缺乏全局搜索能力,反演结果精度较低.本研究以全局寻优为出发点,将一种结构简单和寻优能力强的全局优化算法——梯度优化算法(Gradient-Based Optimizer, GBO),引入地震反演.相比于差分进化等其他全局优化算法,GBO算法通过梯度随机搜索机制和局部逃逸算子进行全局搜索,能有效降低地震反演的多解性.但是,GBO算法收敛速度慢和局部随机性强,难以满足大批量的地震反演计算需求.因此,本文在GBO算法迭代过程中引入Wolfe线性局部搜索机制,提出基于Wolfe搜索的随机梯度优化算法(Stochastic—Gradient Optimization Based on Wolfe's Search, SGO-WS).在全局搜索过程中,通过线性搜索算子,充分挖掘当前迭代解周围的局部最优,既保证了反演解精度,又大幅提高了原GBO算法的计算效率,同时还有效降低了反演解的局部随机性.Marmousi-2模型测试验证了SGO-WS算法的可行性和准确性,厄瓜多尔Tapir油田地震资料也验证了SGO-WS算法的实用性.
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基于稳健估计、数据筛选和Rhoplus约束的大地电磁数据处理方法
王培杰, 陈小斌, 韩鹏, 张赟昀
2024, 67(11): 4325-4342.doi:10.6038/cjg2024R0839
摘要：面对处理实测强干扰大地电磁数据的挑战,本文提出了一种创新的数据处理方法,名为Robust Multi-parameter Screening Multi-angle Rhoplus fitting method(简称RMSMR).该方法通过融合回归M稳健估计、多参数数据筛选和多角度Rhoplus拟合约束,从去噪、抑噪和预测响应三个维度提升了数据处理效果,形成了一种有效的实测大地电磁数据处理手段.该方法首先利用多种特征参数对分组叠加功率谱数据进行初步筛选,剔除明显受噪声污染的分组数据,从而获得高质量的初始响应.随后,基于这一响应,进一步去除高残差的原始数据,并对剩余数据进行稳健估计加权,提升数据的整体信噪比.然后,利用多角度Rhoplus反演约束,继续筛选数据.通过这一迭代过程,最终得到高质量的大地电磁响应.为了验证RMSMR方法的有效性和可靠性,我们对合成数据和实测数据进行了处理测试.测试结果显示,RMSMR方法不仅能有效地处理强干扰大地电磁数据,而且其处理结果在多个方面优于传统方法,此外还能对传统方法忽视的阻抗张量主对角元素进行有效的约束,确保了完整阻抗张量的质量.
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二维RMT倾子数据双参数聚类反演研究
易柯, 张志勇, 万建华, 李曼, 周峰
2024, 67(11): 4343-4359.doi:10.6038/cjg2024R0895
摘要：本文开展了二维射频大地电磁法(RMT)倾子数据的电阻率与介电常数联合反演研究.通过非结构化网格有限单元法进行倾子正演模拟,在分析位移电流对倾子影响的基础上,开展电阻率与介电常数双参数同时反演;采用模糊C均值(FCM)聚类模型联合约束加强反演参数间的物性耦合,同时利用网格渐进加密策略提高反演稳定性.理论计算表明,RMT倾子数据对电阻率有较好横向分辨率,但垂向反演能力较差;由于缺少介质物性的绝对信息,反演结果受初始模型影响较大.同时也证明,RMT倾子数据同时反演电阻率与介电常数具有可行性,倾子数据对介电常数有较好横向分辨能力,通过FCM聚类约束可有效提高电阻率与介电常数同时反演效果.
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瞬变电磁接收线圈响应过程分析:以阻尼比与谐振频率为例
孙怀凤, 许伟强, 张诺亚, 柳尚斌, 刘锐, 刘玉超, 周正
2024, 67(11): 4360-4371.doi:10.6038/cjg2023R0667
摘要：以电磁感应为原理的接收线圈是测量瞬变电磁信号的核心器件,研究其响应特性对于瞬变电磁装备研发与校准具有重要意义.本文基于空心线圈的传感器方程与瞬变电磁的理论信号,分析了阻尼比与谐振频率这两个关键参数对瞬变电磁感应线圈响应过程的影响规律,并给出了选取建议.在讨论阻尼比选取的过程中提出了两种定量计算方法,首先计算了纯二次场接收时间中不同阻尼比的累计积分误差,发现在阻尼比取0.6411时整体积分误差最小;但考虑到瞬变电磁方法观测信号应尽早摆脱震荡达到稳定输出的特点,又引入了线圈响应值与理论值的比值η曲线以及稳定截止时间参数tc,比较不同阻尼比下进入稳定输出的时间点,发现能够最早达到稳定输出的阻尼比为0.9118,并将其作为本文的阻尼比选取建议.针对线圈谐振频率,通过对比不同谐振频率下的线圈输出曲线发现随着线圈谐振频率增加,输出曲线的响应速度与完成震荡过程的速度均会提升,可以提前到达稳定截止时间,能够提前观测瞬变电磁有效信号.还发现随着谐振频率的增加,曲线的响应速度不断加快,且线圈中接收到的能量随之增加,但通过提高线圈谐振频率来提升响应速度或者增加接收能量都存在明显的边际递减效应,因此建议线圈谐振频率设置在增速拐点之上以保证线圈的综合性能.本文研究对瞬变电磁接收线圈传感器设计具有参考价值.
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音频大地电磁与瞬变电磁深度学习联合反演
王亮, 刘威, 席振铢, 薛军平, 侯海涛, 龙霞, 王威, 薛文韬
2024, 67(11): 4372-4384.doi:10.6038/cjg2023R0582
摘要：联合反演在综合地球物理资料解释中扮演着重要的角色,数据驱动的深度学习技术的发展为地球物理反演带来了新的发展方向和机遇.因此,本文提出一种基于深度学习的音频大地电磁(AMT)和瞬变电磁(TEM)联合反演方法.首先,为AMT和TEM生成统一的地下介质电阻率模型,并分别进行正演,建立用于网络训练的样本数据集;然后,将残差网络作为主干网络,基于UNet网络架构,设计和构建一种端到端的AMT和TEM联合反演深度学习模型JoATInvNet;其次,针对两者响应数据的差异性,引入两种不同的数据归一化方法对网络输入数据进行预处理;最后,利用合成数据和实测数据对JoATInvNet联合反演方法进行了验证和分析,结果表明:相比于AMT或TEM单参数深度学习反演,本文提出的JoATInvNet联合反演可以有效融合AMT和TEM数据信息,反演误差更小,抗噪能力更佳,实现对地下结构更准确和全面的解释.
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深度学习在视电阻率快速反演中的研究与应用
余传涛, 李子伦, 薛俊杰
2024, 67(11): 4385-4399.doi:10.6038/cjg2024R0580
摘要：在电法勘探中,通过测量视电阻率反演地下介质真实电阻率值,会受到异常体的大小、角度,测量装置的电流、排布,周围围岩分布以及地形等诸多因素影响.传统反演方法将非线性近似看作线性处理,造成反演结果的不确定性和存在多解性.本文通过深度学习的非线性拟合能力,实现对视电阻率值的高效反演.参照RepVGG下采样架构,搭建了未使用残差连接结构的全卷积神经网络ARESInvNet,训练完成后的神经网络在训练集和验证集上的准确率为99%,进行结构重参数化优化后,相较于优化操作之前,在CPU上的反演时间缩短44%,内存占用减少50%;对测试集上层状介质视电阻率数据进行反演,反演的准确率达到了98%;在大小10%以内的高斯白噪声视电阻率数据上进行反演,测试集的准确率为96%,证明ARESInvNet有很好的抗干扰能力;通过对实测视电阻率数据的反演,表明神经网络能够准确地反映地层界面位置和地形起伏形态,可为实际电法勘探工作提供快速准确的反演结果.
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中上扬子区海相页岩复电阻率响应特征及总有机碳含量预测
向葵, 严良俊, 石艳玲, 胡祖志, 余刚
2024, 67(11): 4400-4416.doi:10.6038/cjg2023R0353
摘要：页岩的电性响应特征是评价页岩气储层总有机碳含量（TOC）的重要技术指标，而现有的TOC评价模型仅利用电阻率一个电性参数，不能满足储层评价的需要，复电阻率为此提供了新途径. 本文采用实验分析和理论建模的方法，以中上扬子区海相页岩为研究对象，通过对不同地区、不同地层及页岩气井的页岩进行复电阻率实验与模型研究，反演提取页岩的激发极化（IP）参数，揭示页岩有机质富集与复电阻率响应的内在联系及规律. 结合TOC测试结果，建立电阻率、极化率与TOC评价关系模型，发掘有利于页岩气储层评价的电性敏感参数，并应用于实际勘探试验区的储层TOC预测. 形成了一套以复电阻率参数测试为主的页岩储层岩石物性测试与分析的方法和技术，为应用电磁勘探方法进行页岩气储层TOC评价提供了理论基础和物性数据.
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海域天然气水合物地层的弹性波特征及井孔多频数据研究
王文浩, 李盛清, 陈鸣, 毛锐, 苏远大, 唐晓明
2024, 67(11): 4417-4431.doi:10.6038/cjg2023Q0802
摘要：弹性波的声速和声衰减对沉积物的组成和孔隙流体性质具有较高的敏感性,是反映水合物饱和度和赋存方式的重要参数.针对弹性波预测水合物形态及其赋存方式的评价问题,基于均质砂岩的水合物岩石物理模型,分析水合物的四种能量损失机制.数值模拟了亚微尺度挤喷流、微尺度挤喷流、甲烷气泡阻尼以及"Biot"型整体流动这四种波动机制的对弹性波的影响.数值模拟发现,水合物地层的声速和声衰减主要受亚微尺度挤喷流控制,微尺度挤喷流出现于超声频段,甲烷气泡阻尼以及"Biot"型整体流动对水合物声速和声衰减的影响较小.对海域水合物洋脊的声波测井(高频,104Hz)和地震VSP(低频,约102Hz)数据进行分析,结合岩石物理模型对该地区井下水合物的形态及其赋存方式进行预测,结果表明胶结型水合物为该地区水合物的主要赋存状态.本文工作为准确估算水合物饱和度及其赋存差异评价提供指导.
