地球物理仪器创新技术
01
探索地学仪器原始创新·致力地球物理技术突破
林君, 严复雪, 皮帅
2024, 67(12): 4433-4455.doi:10.6038/cjg2024S0151
摘要：地球物理仪器是地学仪器的关键分支,也是地球科学研究的基石,在资源勘查、环境监测及灾害预防等多个领域扮演着核心角色.由于发展和起步较晚,我国的高端地球物理仪器长期依赖国外进口,这严重制约了国产仪器的发展.虽然我国地球物理仪器装备的研发水平近年来取得了进步显著,但相比发达国家仍存在一定差距.国产仪器应从根本上突破困境,摆脱对进口仪器的依赖,加强自主研发和创新能力.本文重点从重、磁、电、震、核磁及放射性测量六个方面阐述了我国地球物理仪器的发展历史及代表性成果.同时,简述了人工智能在地学仪器中的应用,概述了制约我国地球物理仪器装备发展的主要问题,并提出了未来的发展方向.
02
超宽带穿透成像雷达及其在探月工程中的应用
方广有, 纪奕才, 沈绍祥, 周斌, 卢伟, 李玉喜, 张群英, 叶盛波, 刘丽华
2024, 67(12): 4456-4467.doi:10.6038/cjg2024S0293
摘要：月球次表层结构记录了月球形成和演化的关键信息,对月球次表层结构的精细探测是我国探月工程的重要科学目标.超宽带穿透成像雷达是获取月球次表层结构的最有效技术,我国探月工程的嫦娥三号和四号探测器在国际上率先采用超宽带穿透成像雷达开展了地外天体的探测实践,并取得了重大进展.本文对超宽带穿透成像雷达采用的不同信号进行对比分析和选择,归纳探月工程中应用的超宽带穿透成像雷达的特点及其关键技术突破,并对月球次表层结构探测结果进行分析与总结,为后续任务的仪器设计和科学研究提供有益参考.
03
基于自适应差分优化算法的SQUID TEM数据电阻率-极化率多参数提取研究
马彬原, 嵇艳鞠, 马云峰, 吴琼, 赵雪娇, 黎东升, 滕民强, 于一兵
2024, 67(12): 4468-4481.doi:10.6038/cjg2024S0126
摘要：超导时域电磁探测方法(Superconducting Quantum Interference Devices Time Domain Electromagnetic Method,SQUID TEM)是多金属矿探测的有效手段之一.在实际探测中超导传感器虽然可以观测到极其微弱的极化效应,但还无法同时提取电阻率和极化率信息.本文提出了基于种群个体自适应进化筛选策略的差分优化算法,分析了传统差分优化算法中突变和交叉因子均为定值时,对电阻率和极化率提取精度的影响,设计优化了突变因子随柯西分布、交叉因子随高斯分布的自适应控制方式,重构了同时包含极化率和电阻率信息的目标函数,从而实现了极化率和电阻率参数的同时提取.通过典型层状模型,对比了自适应差分优化与差分进化、线性权重粒子群算法进行电阻率和极化率参数提取的效果,自适应差分优化算法的提取结果更接近真实模型.将该新方法应用于黑龙江大兴安岭地区的SQUID TEM野外数据,实现了地下不同深度电阻率、极化率信息的提取,结果与钻孔资料一致,验证了新方法双参数提取的有效性.
04
2000A级海洋可控源电磁发射系统
王猛, 伍忠良, 余平, 邓明, 任志滨, 王宸韬
2024, 67(12): 4482-4492.doi:10.6038/cjg2024S0105
摘要：海洋可控源电磁法(MCSEM)是探测深海石油、天然气、天然气水合物和其他电性异常目标体的有效方法之一.MCSEM探测的硬件系统由发射和接收两大部分组成,发射系统包括远程甲板监控单元、甲板变频升压单元、光电复合深拖缆、发射机拖体、发射天线和尾标等部件.本文从可控源电磁场中与发射系统相关的参数探讨出发,以大功率电能传输、大电流开关逆变、IGBT控制波形产生等核心要素为框架,深入分析了具有自主知识产权的2000A级海洋可控源电磁发射系统关键技术.实验室测试和海洋试验结果证明,发射机采用的新型干湿舱混合设计方法和GPS秒脉冲长距离传输技术,显著提高了发射电流和散热性能,可在千米水深的近海底实现稳定可靠的远程遥控通信和2000A级的开关逆变,建立DC-10 Hz的大电流人工电磁场源.本文介绍的内容为深海大功率地球物理仪器的设计提供了参考.
05
超导重力仪研制与固体潮观测
张宁, 陈高俊, 刘路, 董馨, 徐琦, 邱云涛, 陈亮, 刘向东
2024, 67(12): 4493-4502.doi:10.6038/cjg2024S0202
摘要：超导重力仪是目前世界上分辨率最高、稳定性最好的相对重力仪,是研究固体潮及重力长期变化最理想的观测仪器.本文首先阐述了超导重力仪的基本构成和工作原理,其次详细介绍了自主研制的超导重力仪工程样机及其在工程化研究中取得的成果,涵盖了敏感探头单元、"零蒸发"低温单元、环境扰动控制单元和数据采集管理单元.该仪器安装在武汉市引力与固体潮国家重点野外科学观测研究站山洞实验室,通过与绝对重力仪比对测试确定了仪器的格值,并在此基础上进行了3个月以上的固体潮连续观测,观测结果表明仪器在实际使用环境中工作稳定,高质量地记录了重力固体潮和地震信号.继而对超导重力仪的相关性能进行了全面的评估,深入分析了仪器的噪声水平、直接量程、艾伦方差和漂移率等关键性能指标.最后对下一步工作进行了展望,期待在灵敏度提升、环境扰动抑制以及长期稳定性等方面实现新的技术突破,以推动超导重力仪的持续进步与应用拓展.
06
从连续地震记录快速识别大型滑坡事件的智能方法
李怀良, 孟令达, 文骏楠, 王丹, 李泽寰, 范宣梅, 许强
2024, 67(12): 4503-4514.doi:10.6038/cjg2024S0120
摘要：大型滑坡灾害发生时会产生不同于构造地震活动的震动信号,快速准确识别此类地震信号能为大范围区域滑坡灾害速报或预警提供重要参考.然而,快速准确地从连续地震记录中识别这类信号,是一项具有较大挑战性的工作.本文在全球范围内收集了150个滑坡产生的1431条地震信号,采用基础数据增强方法将数据扩展至含8351条滑坡相关地震信号的数据集,并基于ResNet网络训练了一种用于滑坡事件自动识别的深度学习网络(Landslide recognition network,LRNet),对网络进行了改进,加入了跳接结构和连接结构,用于扩展网络的宽度和特征深度,进一步增强了LRNet的泛化能力.利用已标定的滑坡相关地震数据,对比分析了LRNet、AlexNet、VGGNet和ResNet网络,结果显示LRNet网络具有更高的识别准确率,达到98.14%.通过对西藏林芝地区色东普滑坡灾害连续地震记录的判识,进一步验证了LRNet网络对于滑坡相关地震信号的准确识别率,这表明LRNet具有可靠的泛化性能.文中也利用格林函数反演了主事件的运动轨迹,能够为滑坡灾害的速报及救援提供可靠的技术支持.
07
基于几何负刚度弹簧结构的超低频有源垂直隔振系统研制
伍康, 徐子涵, 周铁生, 要佳敏, 郭梅影, 张嵘
2024, 67(12): 4515-4521.doi:10.6038/cjg2024S0253
摘要：绝对重力仪在地球物理、精密计量、资源勘探等科学研究和工程技术领域有广泛应用.地面振动噪声严重制约绝对重力测量精度.超低频垂直隔振系统可以显著提高绝对重力测量精度.本文研制的超低频有源垂直隔振系统,利用几何负刚度弹簧结构静刚度大、动刚度小的优点,以其替代经典垂直隔振系统中的负载支撑弹簧,通过精密位移检测和伺服反馈控制实现超长的谐振周期.本文详细介绍了该系统的等效物理模型和控制模型,推导了闭环系统的传递函数.所研制的样机闭环周期超过20 s,相关试验验证了系统可以支撑绝对重力仪实现微伽级高精度测量,并且可以在实验室环境下长期稳定工作.该系统的负载安装在结构顶部,适用于激光干涉和原子干涉两种体制的绝对重力仪.
08
基于点电偶源的土石堤坝管涌渗漏通道探测方法与仪器设计
佟野, 滕飞, 林君
2024, 67(12): 4522-4534.doi:10.6038/cjg2024S0117
摘要：土石坝是一种常见的水利工程结构,土石材料的结构特性决定着渗漏的必然性,异常的渗漏可能导致坝体内部土的壤受到侵蚀,逐渐地形成了管涌渗漏通道.如果不采取有效措施提前探测和治理管涌渗漏通道,坝体可能面临沉降、滑坡或坍塌等风险.为了能够准确地探测土石坝管涌渗漏通道的位置,为堤坝治理提供更丰富的探测数据,本文基于管涌渗漏通道的电导率异常分布特性,研制出一种渗漏探测仪器.该仪器包含发射系统和接收系统.发射系统用于激励管涌渗漏通道产生异常磁场;接收系统由三分量磁测传感器、Real-Time Kinematic(RTK)定位系统和接收机组成,用于测量和记录微弱的异常磁场信号的幅度和厘米级经纬度信息.通过仿真、实验室测试以及野外实验,验证了探测方法和仪器的有效性.该技术和仪器有望在堤坝安全性监测和维护方面发挥重要作用,为减少土石坝潜在的灾害提供了一种先进的探测技术手段.
09
浅层地面磁共振匀场预极化线圈多源探测阵列研究
林婷婷, 赵汗青, 安芷毓, 常天琦
2024, 67(12): 4535-4543.doi:10.6038/cjg2024S0125
摘要：地面磁共振(Surface Nuclear Magnetic Resonance,SNMR)技术是唯一能够实现地下水定性定量探测的地球物理方法,在水资源勘探、灾害水调查等领域有较好发展潜力.通过直流线圈发射预极化脉冲能够有效提升信号幅度,然而其布设配置及磁场均匀性直接影响激发及探测效果,探测阵列的配置方案少有讨论.针对上述问题,本文基于磁偶极子法构建了探测目标水体的均匀目标磁场方程,以线圈功耗为约束求解了规则的地面电流分布,在此基础上引入流函数法实现电流分布与线圈实际布设的等效转换,获取了匀场预极化线圈配置.分别构建方形及长方形分层目标水体模型求解匀场线圈配置进行验证,求解配置与常规方案相比磁场均匀性及分辨率有明显提升,证明了方案的有效性.结果表明:基于目标场法的配置求解方案与常规方案相比,可以根据不同探测目标获取针对性的匀场线圈布设方案并具有良好的探测分辨率和工程应用效率,能够弥补匀场预极化线圈配置设计空白.本文的研究成果,将为浅层多源预极化技术在复杂应用环境下的工程应用提供有力支撑.
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便携式节点化广域电磁探测系统
李帝铨, 何继善, 蒋奇云, 王永兵
2024, 67(12): 4544-4554.doi:10.6038/cjg2024S0210
摘要：传统人工源电磁法必须采集特定方位的电磁场实现探测,观测系统严苛,在地形地物复杂区人为误差大,导致视电阻率计算不准确.为解决该问题,本文提出宽方位电磁探测方法,定义任意电磁场的视电阻率参数,打破坐标系禁锢,实现任意电磁场的对地探测,观测系统灵活;基于伪随机信号混合编码和FPGA合成技术研发了大功率高效率电磁发射机,实现了复杂伪随机信号的动态装载,具有频差小、频率密度高、可根据探测目标动态调整发射频率的特点;研发了便携式节点化电磁采集仪,采用手机APP实现高精度导航定位、状态监控和采集控制,实现了数据采集的自动化.集成的便携式节点化广域电磁探测系统具有自动化程度高、人为误差小等优点,可实现360°全方位测量,为高效精细电磁探测提供技术装备支持,已成功应用于川藏铁路德达隧道探测.
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全球岩石圈地磁梯度张量场椭球谐模型构建方法与评估
赵静, 王涵, 嵇艳鞠, 汪勇, 曹文亮, 曹学峰
2024, 67(12): 4555-4573.doi:10.6038/cjg2024S0124
摘要：岩石圈磁梯度张量场模型可以更好地保留短波长磁场信息,更准确地表示磁异常,在辅助导航、目标定位等领域成为新的研究热点.因地球表面更接近于旋转椭球体,采用传统的球谐函数建立全球岩石圈磁场模型时,布里渊球形内极区附近有计算不收敛现象.针对该问题,本文提出了椭球坐标系下的无奇异岩石圈梯度张量模型构建方法.重新推导了半归格化约束下,球谐系数至椭球谐系数的转换关系;基于最小二乘法和积分法计算了岩石圈磁梯度张量场模型的椭球谐系数,并建立了无奇异性岩石圈磁梯度张量模型.分别计算5 km海拔高度下和300 km海拔高度下,133阶的全球岩石圈磁梯度张量场分布,验证了椭球谐建模方法可以解决布里渊球形内的部分不收敛问题.最后,采用傅里叶变换,将磁矢量Bz分量转换为磁梯度张量对模型进行评估,验证了本文方法的准确性.全球岩石圈椭球谐模型构建方法将适用于高分辨率和高精度的模型建立.
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地面长导线发射机电流快速关断技术研究
真齐辉, 王中兴, 底青云, 王煜亮
2024, 67(12): 4574-4582.doi:10.6038/cjg2024S0129
摘要：发射机是地面人工源电磁勘探的关键装备,在相同发射电流条件下,极距越大,信噪比越高,探测效果越好.大极距所需长导线具有较强电感(地面1 km导线约有3 mH电感),发射电压1000 V,发射电流50 A,3 mH电感的电流关断时间为103.95 μs,对于时间域电磁勘探,观测信号的信噪比与关断时间对数成反比,关断时间每下降10倍,信噪比提升10 dB.本文通过在发射回路中加入快速关断开关,引入辅助关断电压,形成电流高压释放回路,有望实现1 km长导线条件下的关断时间小于10 μs,观测数据信噪比提高10 dB以上,具有重要的理论意义与工程价值.
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强自旋极化效应的高精度Overhauser磁力仪研究
罗望, 胡祥云, 葛健, 刘立超, 佘锦华, 董浩斌
2024, 67(12): 4583-4593.doi:10.6038/cjg2024S0130
摘要：Overhauser磁力仪是磁法勘查技术的重要基础仪器,被广泛用于磁场标量数据精度要求较高的地球科学研究、国防安全等领域.传统的Overhauser磁力仪受限于动态核极化效应中电子自旋能量较弱,导致质子系统吸收能量少,输出感应衰减信号(FID, Free Induce Decay)差,使得地磁总场测量精度低.对此,本论文提出引入强自旋极化效应设计新型Overhauser磁力仪,利用重核磁场磁化自由电子,增强自由电子能量,从而提升质子系统磁化强度,改善磁力仪测量精度.论文讨论了适用于地磁测量的强自旋极化Overhauser效应理论架构及其自由基结构,并针对强自旋极化效应的激发与FID信号的测量,设计了新型Overhauser磁力仪的传感器激发部件、信号提取与测频方案,最后实验分析了强自旋极化效应激发参数,并将新型Overhauser磁力仪与传统磁力仪及商用磁力仪进行了性能对比.结果表明,强自旋极化效应可有效改善FID信号幅度,相对传统类Overhauser磁力仪信号幅度增加2.8倍,新型Overhauser的实际测量精度可达0.048 nT,与国际领先商用Overhauser磁力仪相当.
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高精度光纤旋转地震仪研制与应用
朱兰鑫, 陈彦钧, 王文伯, 曹瑜珈, 黄慧敏, 张丁凡, 李正斌
2024, 67(12): 4594-4610.doi:10.6038/cjg2024S0101
摘要：地表运动的旋转量观测在地震学、地球物理学及工程勘察等研究中具有重要意义,基于Sagnac效应的光纤陀螺由于其全固态、高灵敏度和宽频响特性等优势,受到旋转地震仪研究和开发的广泛关注.为了提高光纤旋转地震仪的灵敏度一般采用长光纤环,然而随着光纤长度的增加,光纤环内的热相位噪声、光源的相对强度噪声等限制了其灵敏度性能提高.本文针对影响光纤旋转地震仪灵敏度的噪声展开了深入分析,利用保偏光纤的快慢轴提出了双偏振工作方案,对其光学结构和解调算法进行了理论分析,结果表明该方案可有效抑制热相位噪声与光源相对强度噪声.在此基础上,研制了三分量双偏振光纤旋转地震仪DP-Rot3C,并对其进行了静态测试和动态测试.结果显示,该仪器的灵敏度达到了20 nrad·s-1·$sqrt{H z}^{-1}$,与法国Bluseis-3A相当,且在0.01~125 Hz频率范围内响应平坦,在-300~+300°/s的量程范围内非线性度小于6 ppm (1 ppm=0.0001%),具有高精度、宽频带、大量程、高线性度的特性.DP-Rot3C还运用于人工主动源观测、高铁地震观测、天然地震观测等领域,为工程勘探、地震研究等应用提供了高精度观测地表运动旋转量的工具.
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可移动式量子重力仪及其在地球物理中的应用
翁堪兴, 周寅, 吴彬, 程冰, 郭彬, 林强
2024, 67(12): 4611-4621.doi:10.6038/cjg2024S0188
摘要：重力场在研究地球物理中发挥着重要的作用,对分析地球的内部结构、地壳运动、地下水资源、地球形状和地球演化等方面提供了重要信息.量子重力仪是基于量子精密测量技术研制的新型绝对重力测量仪器,具有灵敏度高、稳定性强等优势,可用于地球重力场的长期连续观测.量子重力仪经过30余年发展,其成熟度和可靠性不断增强,正由实验室样机走向产品化.本文将重点介绍量子重力仪的基本原理、最新研究进展及其在地球物理领域的应用,并对量子重力仪的未来发展方向作了展望.
地球动力学·地震学
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2023年土耳其双震震源处的断裂几何形状与应力场
万永革, 关兆萱, 梁玮航, 代潇
2024, 67(12): 4622-4639.doi:10.6038/cjg2024R0657
摘要：2023年土耳其东南区域的东安纳托利亚断裂附近发生两次大于7级的大震,震后大量余震位置及震源机制数据为求解东安纳托利亚东南段的断裂形状和区域应力场提供了良好的基础. 本研究首先搜集了土耳其双震序列之后的精定位结果,采用模糊聚类求解断层面的方法求解得到了双震余震集中区的8条子断层的几何形状. 结果表明MW7.8级地震的4个子断层均为较陡、倾向西北的断层,与东安纳托利亚断裂的东北段的倾向一致;MW7.6级地震主破裂为陡倾北的断层,西端存在2条相向倾向、走向西北-东南的子断层,东端存在1条走向东北、倾向与东安纳托利亚断裂相向的断层. 这些结果为精细研究地震破裂模型提供了基础. 然后本研究搜集了土耳其双震周围的地震震源机制,分区域求解周围应力场. 发现MW7.8地震破裂东北区呈现以NE-SW向挤压和NW-SE向拉张的走滑应力状态,表现了阿拉伯板块对安纳托利亚板块的斜向推挤导致的东安纳托利亚断裂走滑运动;MW7.8西南破裂区则表现为东西向拉张和南下-北上挤压的过程,此处在阿拉伯板块、非洲板块和安纳托利亚块体的交界部位,反映了非洲板块和阿拉伯板块对该地的北上向推挤和安纳托利亚块体被迫西向运移导致的东西向拉张状态;位于安纳托利亚块体内部的MW7.6地震破裂区应力场则表现为近南北向挤压和西下拉张,反映了阿拉伯板块和非洲板块的推挤作用和该块体的西向伸展的状态. 将地震破裂应力场投影到这两次地震的震源机制中心解节面上,发现MW7.8地震的应力释放方向与构造应力场方向较为一致,而MW7.6地震发震断层面的应力释放方向与构造应力场方向相差较大,表明MW7.6可能受到MW7.8地震的触发而发生.
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2023年2月6日土耳其M7.8和M7.5地震的触发关系
刘博研, 史保平
2024, 67(12): 4640-4650.doi:10.6038/cjg2023R0436
摘要：当地时间2023年2月6日4时17分在土耳其东南部的城市——埃尔津詹(Elazığ)发生了7.8级地震，震源深度约10 km，断层长度约为390 km. 大约9 h后，发生了另一次强烈地震，震级为7.5级. 这次地震震源深度为7.4 km，震中位于土耳其北部，距离之前的7.8级地震震中大约95 km. 这两次强震的震中都位于东安纳托利亚断层系统上，且发震断层都表现为左旋走滑的特征. 阿拉伯板块、欧洲板块、非洲板块和安纳托利亚地块的相对运动是导致此次地震发生的主要原因. 本文使用有限断层滑移模型对土耳其M7.8地震后周边断层的库仑应力变化进行了计算和分析，基于库仑模型并结合断层的时空演化过程与断层的应力状态，探讨了M7.8地震对M7.5地震的触发关系，并计算得到从Sürgü断层遭受了0.2 MPa的静态库仑应力增加的扰动到宏观失稳所需的时间约为1.2~29.6 h，最多不超过290.1 h. 实际上，7.5级地震发生在7.8级地震后约9 h，真实情况与我们计算得到的7.5级地震的发生时间较为吻合.
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江西寻乌地区及邻区浅层三维速度结构及其孕震构造初探
王向腾, 谢超灵, 邓中豪, 邓居智, 章双龙, 邹勇军, 包丰, 姚振岸, 李志伟
2024, 67(12): 4651-4665.doi:10.6038/cjg2023R0636
摘要：寻乌地区位于邵武—河源断裂带中段,发生过多次破坏性地震,其中包括1806年M6地震以及1941年M~5.75地震和1987年M~5.5地震群,是邵武—河源断裂带地震活跃的区域之一,也是江西省防震减灾重点关注区域之一.获取该地区的浅层速度结构有助于提高地震定位以及震动图计算的精度.然而,该地区固定台网稀疏,加之研究区NW以及NE向断层交错发育,增加了地震构造环境研究的难度.本文基于寻乌地区布设的密集台阵,获得了持续一个多月的连续波形数据,计算了台站对噪声互相关,并提取了瑞利面波相速度(0.5~6 s)信息,进而采用面波层析成像方法反演了寻乌以及邻区的地壳浅部6 km速度结构.相速度以及S波速度反演结果均很好地展示了断层的浅部空间特征、断陷盆地以及岩体的分布.约3 km深的浅层低速带揭示了会昌和寻乌等断陷盆地的分布,也与邵武—河源断裂带在周田附近"S"型急转弯有很好的对应关系,进一步说明区域断裂带对盆地发育的控制作用.区域典型地震集中在高低速结构过渡区,S波速度高低速变化显示了NW走向断层在深度上的空间展布情况,推测NW向断裂主导了研究区域的地震.
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基于背景噪声成像研究海原—六盘山地区地壳三维速度结构及其构造意义
李蒙亚, 曾宪伟, 姚华建, 冯吉坤, 李新艳, 杨硕
2024, 67(12): 4666-4680.doi:10.6038/cjg2024R0804
摘要：海原—六盘山地区地处青藏高原东北缘，是青藏块体东北向挤压的前缘地带，地质构造活动活跃，历史上曾发生过多次7级以上地震. 但该区域已多年未发生6级以上强震，是一个具有发生强震危险性的地震空区. 精细的速度结构能够为认识海原—六盘山地区的构造活动性和地震危险性提供帮助. 本文以布设在该区域的50个流动台站和38个固定台站为基础，提取Rayleigh波相速度频散曲线，通过面波直接成像方法获得了研究区地壳三维精细横波速度结构，再结合区域2010年至2023年地震精定位的结果，得到以下认识：(1)研究区以海原—六盘山断裂为分界线，东西两侧结构差异显著. 东侧鄂尔多斯块体浅部以大范围的低速沉积层为主，对应较低的地震活动性；西侧为高速异常，对应较高的地震活动性. (2)精定位结果显示，大部分地震发生在高低速异常体边界线上，分布特征与地表构造单元表现出较好的一致性. (3)六盘山和鄂尔多斯西缘靠近西秦岭北缘断裂带呈现明显的高速异常，推测该区域地处祁连造山带，反映了深部致密的基底结晶. (4)海原—六盘山地区的地壳厚度自南西向北东逐渐减薄，且在本研究区域的中下地壳未发现低速异常体“通道”.
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大别—苏鲁造山带及其邻区岩石圈速度结构特征
于悦颖, 顾勤平, 张海江, 李正楷, 周昱辰, 高磊, 韩守诚
2024, 67(12): 4681-4697.doi:10.6038/cjg2023Q1012
摘要：大别—苏鲁造山带是我国东部重要的碰撞造山带，精细的岩石圈三维速度结构有助于更好地认识这里的构造演化和地球动力学过程. 本文收集了大别—苏鲁造山带及其周缘各区域地震台网2008—2021年间记录的天然地震走时资料，其中添加了江苏、安徽、河南三省103个自建台站的观测资料. 结合区域内8~70 s瑞雷面波频散数据，采用体波面波联合反演方法获得了水平方向上0.5°×0.5°网格的Vp、Vs模型，并进行了地震重新定位. 研究表明：(1)大别和苏鲁造山带的壳内速度分布具有上凸下凹的相似结构，中地壳同时存在高、低速异常，但苏鲁造山带的岩石圈厚度相对更薄. (2)襄樊—广济断裂南侧、晓天—磨子潭断裂以及嘉山—响水断裂下方出现岩石圈地幔缺口，可能与岩石圈拆沉有关，推测中地壳高速体可能是热物质通过岩石圈薄弱位置上涌后在壳内冷却形成的结晶物. (3)大别山和苏鲁地体早期可能是同生构造，受扬子板块俯冲、郯庐断裂带的走滑活动以及古太平洋板块俯冲等因素控制，造成现今岩石圈深部结构的差异. (4)研究区内的主要地质体表现出各自不同的地震活动性，地震分布总体呈现出北多南少的特征，且地震主要发生在高、低速过渡带或高速异常区域. 郯庐断裂带中段郯城下方的地震在纵向上呈高角度条带状展布，最大震源深度接近25 km，表明断裂面在深部可能存在高倾角发育.
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扬子地块西北缘侏罗纪重磁化及其大地构造意义
李海燕, 谷志东, 张世红, 颜丹平, 杨昆昆, 钟涛, 杨天水, 吴怀春
2024, 67(12): 4698-4716.doi:10.6038/cjg2024R0587
摘要：造山过程通常伴随着重磁化的广泛发生，因而造山带的重磁化研究有助于厘定其构造定型的时间. 为了确定扬子地块西北缘逆冲推覆构造的定型时间，本文对大巴山弧形逆冲带西北端的西乡地区和龙门山逆冲带北段的宁强至广元地区成冰纪—寒武纪多个岩石单元开展了古地磁学、岩石磁学和岩相学研究，揭示出广泛的侏罗纪重磁化作用. 样品的退磁特征、岩石磁学和扫描电镜观察结果显示，该重磁化分量为化学剩磁，载磁矿物为自生磁铁矿和赤铁矿，其形成与造山作用引发的流体迁移有关. 结合研究区已发表的侏罗纪重磁化数据，大巴山弧形逆冲带和西乡—宁强地区记录了一致的侏罗纪重磁化方向，表明这一带逆冲构造格架的形成不晚于侏罗纪，而广元地区青林乡和陈家坝剖面的重磁化方向相对发生了～60°的逆时针旋转，表明该地区逆冲构造格架的形成晚于侏罗纪，但该区灌县—安县断层以东的近四川盆地区域未受影响，没有发生旋转.
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基于深度学习的火山灾害场景高分遥感检测方法
李成范, 韩晶鑫, 盘晓东, 王嵊楠, 尹京苑
2024, 67(12): 4717-4732.doi:10.6038/cjg2024R0581
摘要：针对现有火山灾害场景高分遥感图像智能检测中地表目标类型多样、样本类标缺失问题，提出一种基于深度学习的火山灾害场景高分遥感检测方法. 该方法首先以多示例学习网络(Multi-Instance Learning, MIL)为框架，利用联合金字塔上采样(Joint Pyramid Upsampling, JPU)代替扩张卷积，然后通过原型学习和注意力机制(Attention Mechanism, AM)实现对火山灾害场景特征表示的深度神经网络模型重构，并在xBD数据集上进行测试. 实验结果表明，与基准卷积神经网络(Convolutional Neural Network, CNN)、MIL方法和“CNN + ”深度学习方法相比，在计算耗时未显著增加的情况下，本文方法能够取得最小的标准差和最高的准确性与检测精度，目视效果好. 此外，我们进一步利用本文方法对2022年1月14—15日Hunga Tonga-Hunga Ha’apai (HTHH)火山灾害场景多源、多时序高分遥感图像进行检测，与已有成果表现出较好的一致性.
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西南印度洋中脊49°E—52°E区域洋壳增生的构造与岩浆特征
冯博, 李江海, 陶春辉, 刘持恒
2024, 67(12): 4733-4747.doi:10.6038/cjg2023Q0918
摘要：慢速-超慢速扩张洋中脊的洋壳增生方式在沿轴和穿轴方向有着较大的差异. 在岩浆供给贫乏地区或贫瘠时期，洋中脊扩张过程在很大程度上是通过构造作用进行的. 目前，我们对这种构造扩张程度较高的洋中脊洋壳增生的构造与岩浆特征及其形成机制的研究还不够深入. 本文利用高精度船载多波束水深及重力数据研究了西南印度洋中脊(SWIR) 49°E—52°E区域洋壳增生的构造与岩浆特征，结果表明研究区洋壳增生的构造过程和岩浆活动随时空强烈变化. 依据研究区地形坡度、曲率、粗糙度特征识别出了火山地貌、断层地貌、沉积地貌3种主要地貌样式, C型断层、E型断层、拆离断层3种断层样式. 然后在垂直于洋脊的剖面上计算出构造伸展作用在整个扩张过程中所占的比例，即构造应变比率T值，从而间接得到岩浆增生比率M= (1 –T)的值. 不对称洋壳增生区域在两翼水深、T值以及地貌特征等方面均有显著差异. 此外，研究区T值、地貌特征尤其是断层样式在沿轴方向的变化规律与剩余地幔布格重力异常(RMBA)反映的岩浆供给变化具有非常好的相关性. 在岩浆供给贫瘠的区域，通常产生较薄的洋壳，T值较大，多发育水平断距较大的拆离断层和E型断层；在岩浆供给充足的区域，通常产生较厚的洋壳，T值较小，断层水平断距较小，多发育水平断距较小的C型断层.
应用地球物理学
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基于纵横波解耦及行波分离的弹性波逆时偏移成像
郑靖甲, 徐秀刚, 许文德
2024, 67(12): 4748-4758.doi:10.6038/cjg2024R0863
摘要：弹性波逆时偏移成像剖面中的噪声主要来源于纵横波场耦合所产生的串扰噪声以及同路径震源波场和检波点波场互相关成像所产生的低频噪声,噪声会影响逆时偏移效果.本文围绕弹性波逆时偏移成像中的偏移噪声压制开展研究,首先基于时域矢量纵横波分离方程实现弹性波场中纵横波场的分离,有效避免纵横波场耦合产生的串扰噪声.然后在纵横波解耦的基础上,基于光流矢量,实现震源波场及检波点波场不同方向的行波分离,并对其进行互相关成像,将得到的16个参考剖面进行相关加权叠加,有效压制低波数噪声,最终得到了基于纵横波解耦及行波分离的弹性波逆时偏移成像剖面.理论模型数据的试算表明:基于时域矢量纵横波分离方程能够很好地实现纵横波场的分离,分离后的波场振幅及相位不会畸变,基于解耦后的震源波场和检波波场进行后续成像,有效压制了串扰噪声,提高了剖面质量.而基于光流矢量,可更精确、稳定地实现不同方向行波的分离,在此基础上进行逆时偏移成像,进一步提高了同相轴的连续性,改进了剖面质量,实现了高精度成像.
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基于四元数矩阵分解算法的多分量地震数据矢量重建研究
孙文博, 王艳冬, 黄小刚, 张洪亮, 高建军, 王小六
2024, 67(12): 4759-4772.doi:10.6038/cjg2024R0823
摘要：与单分量纯纵波勘探相似,多波多分量地震勘探在数据采集时也会遭遇地震道缺失和不规则采样问题,也需要进行数据规则化重建.然而,对多分量地震数据重建而言,目前普遍采用单分量重建方法逐个分量进行重建,这种标量化做法忽略了各分量之间的非线性关系,破坏了地震波场的矢量结构特征.本文将四元数理论与矩阵分解降秩算法相结合,提出一种基于四元数矩阵分解降秩算法的多分量地震数据矢量规则化重建方法,并将其应用于三分量三维不规则缺失地震道的矢量联合重建.与现有单分量重建方法相比,本文方法能够实现三分量数据的联合重建,且在重建时能有效保持各分量间的非线性正交结构特征,保护波场的矢量特性,此外,该方法是一种非SVD分解类算法,计算成本低.最后,模型数据和实际资料验证了本文方法的有效性和先进性.
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垂直正交裂缝储层的频变方位AVO响应计算及分析
邢慧婷, 冯晅, 刘财, 郭智奇, 逄硕
2024, 67(12): 4773-4793.doi:10.6038/cjg2024R0756
摘要：非常规油气储层中裂缝参数对勘探与开发至关重要.裂缝发育程度和分布特征是影响储层油气运移的主要因素,故裂缝系统的属性在非常规油气储层预测中起着关键作用.为了精确地描述裂缝型储层的性质,基于Chapman多组裂缝岩石物理理论,本文建立了含两组垂直正交裂缝的频散岩石物理模型,并定量分析了孔隙度、裂缝密度及裂缝尺寸对含油饱和裂缝储层的频变各向异性特征的影响.同时,利用各向异性反射率法,研究了不同孔隙度、裂缝参数及薄层厚度条件下垂直正交裂缝砂岩储层的频变方位AVO响应特征.结果表明,在单界面反射模型中,PP波反射系数在低频段对孔隙度和裂缝参数较为敏感,其中孔隙度和裂缝尺寸的变化对反射PP波的频变AVO特征影响显著.在薄层反射模型中,薄层厚度和频变效应呈正相关变化.本研究为复杂各向异性裂缝储层的频变特性分析提供了基础,旨在提升非常规油气储层定量预测的准确性.
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二维电各向异性对大地电磁数据维性分析的影响
孙浩, 刘营, 王正, 姬肖杰, 赵伟, 陈超
2024, 67(12): 4794-4805.doi:10.6038/cjg2023R0020
摘要：大地电磁方法是探测岩石圈电性结构的主要方法之一. 大地电磁数据的维性分析可以推断地电结构性质进而确定适合的建模方法(1D、2D 或 3D). 然而，当地下介质为电各向异性时，对维性分析的影响研究相对较少. 本文基于含电各向异性体的二维理论模型，利用常用的维性分析方法WAL准则、相位张量和感应矢量，研究了电各向异性对大地电磁数据维性分析的影响；根据模型的真实维度信息及维性分析结果，进行了各向同性反演计算，探讨了电各向异性对反演的影响. 研究结果显示，方位各向异性和电各向异性结构复杂度是影响大地电磁维性分析的重要因素，方位各向异性会造成明显的“假三维性”. 基于模型真实维性的二维各向同性反演表明，TE + TM数据集联合反演结果在电各向异性块体区域出现高低阻交错的电性结构；TE、TM数据集单独反演结果呈现的差异性与电各向异性分布特征紧密相关，TM数据集反演结果更加合理，方位各向异性响应的TE数据集反演出现“T”字形低阻异常. 根据维性分析结果的三维各向同性反演表明，倾子数据集反演可以有效识别方位角的变化，而阻抗数据集反演容易受到电各向异性畸变的影响. 研究表明，识别并考虑电各向异性影响的大地电磁维性分析新方法将是今后的一个研究重点，有助于提高实测数据的解释精度.
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基于改进高斯-牛顿优化算法的频率域海洋可控源电磁二维反演
李刚
2024, 67(12): 4806-4820.doi:10.6038/cjg2024R0849
摘要：稳定、高效的反演算法是开展海洋可控源电磁(CSEM)数据解释的基础. 本文实现了基于改进的高斯-牛顿优化算法的频率域海洋CSEM二维反演. 基于交错网格有限差分法实现可控源电磁场2.5维正演模拟，使用直接矩阵分解算法求解差分离散方程组以实现多场源电磁响应的快速计算，并采用改进的接收点插值算法实现海底任意接收点处电磁场快速高精度计算. 使用伴随法隐式求取灵敏度矩阵并基于近似二次收敛的高斯-牛顿优化算法实现反演，同时提出了一种基于灵敏度矩阵特征的正则化参数自动优化选取方法以保证反演的稳定收敛. 反演算例验证了本文提出的频率域海洋CSEM二维反演算法的有效性.
