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2020 Vol.63 No.6
出版日期: 2020-06-05

空间物理学·大气物理学
目录
地球动力学·地震学
应用地球物理学
 
 
空间物理学·大气物理学
2121 顾旭东, 何颖, 倪彬彬, 付松, 花漫, 项正
伴随等离子体密度下降的磁声波与辐射带电子的波粒相互作用及其散射效应
利用范阿伦卫星的高质量观测数据,我们报道了伴随等离子体密度下降的磁声波现象.通过选取分别发生于2013年7月26日(事件A)和2013年9月19日(事件B)的两个相应事件进行细致分析,我们开展试验粒子模拟计算了磁声波对辐射带电子的散射系数,并求解二维福克-普朗克扩散方程量化了磁声波散射导致的辐射带电子动态变化.结果表明,事件A中的磁声波的散射作用主要发生于投掷角范围为60°~80°、能量范围为20~200 keV的辐射带电子,而事件B中的磁声波的散射作用主要发生于投掷角范围为50°~80°、能量范围为20~400 keV的辐射带电子;两个事件中的磁声波均能导致辐射带电子的蝴蝶状投掷角分布,但是由于事件B的磁声波幅度更强,形成的电子蝴蝶状分布更明显.
2020 Vol. 63 (6): 2121-2130 [摘要] ( 51 )  HTMLNew  PDF (7551 KB)   ( 54 )
2131 王杰, 袁志刚, 余雄东, 薛祖祥
波粒相互作用导致环电流质子沉降的卫星共轭观测
波粒相互作用是环电流损失的重要机制之一,但波粒相互作用导致的环电流离子沉降而损失迄今为止缺乏直接的观测证据.基于磁层及电离层卫星的协同观测,本文报道了发生在2015年9月7日,由电磁离子回旋波(EMIC波)导致环电流质子沉降的共轭观测事件.在等离子体层的内边界,Van Allen Probe B卫星观测到,存在EMIC波的区域和不存在EMIC波的区域相比,离子通量的投掷角分布的各向异性变弱.我们将Van Allen Probe B卫星沿着磁力线投影到电离层高度,同时在该投影区域内DMSP 16卫星在亚极光区域观测到环电流质子沉降.而且,通过从理论上计算质子弹跳平均扩散系数,我们进一步证实观测的EMIC波确实能将环电流质子散射到损失锥中.本文的研究工作为EMIC波导致环电流质子沉降提供了直接的观测证据,揭示了环电流衰减的重要物理机制:EMIC波将环电流质子散射到损失锥中,从而沉降到低高度大气层中而损失.
2020 Vol. 63 (6): 2131-2140 [摘要] ( 13 )  HTMLNew  PDF (3241 KB)   ( 14 )
2141 王玉尤婷, 张效信, 何飞, 林瑞淋, 吕景天
基于VAP卫星的等离子体层顶电子密度波动统计分析
基于范艾伦辐射带探测卫星的观测数据(2012年9月至2015年11月),收集了584个等离子体层顶密度波动事件,研究了这些事件分布随磁地方时、磁壳值以及地磁活动的变化关系,并使用快速傅里叶变换分析了全部事件平均功率谱.统计结果表明,等离子体层顶密度波动事件主要发生在磁地方时黄昏扇区,其分布与磁地方时和地磁活动具有明显的相关性.等离子体层顶密度波动在1~100 mHz区间内具有接近-5/3的功率谱斜率,表明存在二维磁流体动力学湍流.本文统计结果将有助于进一步深入理解等离子体层顶密度波动在内磁层中能量传输的具体作用,并且将促进对等离子体层顶波动的激发、增强与传播过程的进一步研究.
2020 Vol. 63 (6): 2141-2148 [摘要] ( 14 )  HTMLNew  PDF (2592 KB)   ( 9 )
2149 刘泽源, 倪彬彬, 付松, 项正, 郭建广, 曹兴, 顾旭东, 易娟, 郭英杰, 郭德宇, 王敬之
磁暴期间辐射带电子相空间密度的多卫星联合观测
地球外辐射带是一个高度动态变化的空间环境,辐射带电子通量的变化在磁暴期间尤为明显.要分析潜在的电子动态变化机制,需要排除绝热效应产生的影响.在以三个绝热不变量组成的相空间坐标中,利用相空间密度(PSD)可以反映电子的真实加速和损失情况.本文详细分析两颗范艾伦卫星和三颗GPS导航卫星在2013年3月的同步电子通量观测数据,发现在3月17日磁暴期间,当太阳风动压增大、行星际磁场南向时,辐射带电子通量会发生骤降.进一步将电子通量转换成电子相空间密度并利用不同第一、第二绝热不变量(μ,K)组合条件下PSD径向分布的差异性,深入探究磁暴期间辐射带电子的动态变化机制.结果表明:磁暴初期由于电子的局地加速导致PSD不断上升;磁暴主相期间,由于磁层顶阴影效应以及伴随的向外径向扩散损失导致PSD快速降低;位于不同空间位置的多颗卫星观测为明晰辐射带电子动态物理过程提供了重要的便利.
2020 Vol. 63 (6): 2149-2158 [摘要] ( 75 )  HTMLNew  PDF (7874 KB)   ( 55 )
2159 李沐, 何飞, 林瑞淋, 张效信
基于Weimer模型的高纬地磁扰动预测
地磁扰动是空间天气中的重要现象,对地基技术系统具有重要的影响.准确预报地磁扰动可以有效避免重大灾害发生.本文基于Weimer电势和磁势模型发展了高纬地区地磁扰动的模拟方法,并与地面台站观测数据进行了比较.地表磁场扰动主要受电离层电流系统的影响,利用Weimer模式计算出电离层等效电流分布后,基于毕奥-萨伐尔定律推导了地磁扰动三分量与电流的关系,最终计算出地磁扰动量.模型的输入参数为太阳风速度、太阳风密度、行星际磁场和磁偶极倾角.模型计算结果与不同纬度和经度的地磁台站观测结果对比表明本文的计算方法能有效地模拟地磁暴期间地磁扰动特征.本文结果对今后发展高纬地区地磁场预报模型奠定了重要基础.
2020 Vol. 63 (6): 2159-2169 [摘要] ( 8 )  HTMLNew  PDF (4973 KB)   ( 11 )
2170 郭海龙, 刘宇迪, 崔新东
风垂直切变对大气静力适应过程的影响——第一部分:波动响应
本文基于描述可压缩大气静力适应过程的线性模型,分别采用正交模法和WKBJ法,从波动响应的角度研究了风垂直切变对大气静力适应过程的影响.结合实际天气现象构造了四种风垂直切变模型,分别为垂直无切变的定常模型、类似锋面特征的线性切变模型、表征东风急流的反气旋式切变模型和类似西风急流的气旋式切变模型.分析了相应模型下静力适应过程中的波动特征及波能量演变规律.得到结论:(1)在定常模型中,破坏静力平衡的能量激发出四支两两成对的、传播性质类似声波和重力波的波动,波动能量在闭合系统假设下为守恒量;(2)风切变的存在改变了波动及其能量的传播特征,也改变了波动能量的守恒性;(3)在大气稳定层结下,若波动多普勒频率大于0且小于0.7倍的浮力振荡频率,则发展(衰亡)型波动的螺旋结构分别为:(a)在线性切变模型中,等相位线自下而上需向西(东)倾斜;(b)在反气旋式切变模型中,等相位线在急流轴上层自下而上需向西(东)倾斜,在急流轴下层自下而上需向东(西)倾斜;(c)在气旋式切变模型中,等相位线在急流轴上层自下而上需向东(西)倾斜,在急流轴下层自下而上需向西(东)倾斜;若波动多普勒频率大于0.7倍的浮力振荡频率,则情形相反.
2020 Vol. 63 (6): 2170-2183 [摘要] ( 9 )  HTMLNew  PDF (6758 KB)   ( 7 )
2184 武洁, 高艳红, 潘永洁, 蒋盈沙, 李哲, 马佳宁
青藏高原中东部地区土壤湿度模拟性能评估以及误差分析
土壤湿度不仅是地表水循环的重要组成部分,而且对天气和气候也有重要影响,它的模拟误差严重阻碍了人们对水循环的认知.本文首先评估了1°×1°水平分辨率的全球陆面数据同化产品(Global Land Data Assimilation System,GLDAS)对青藏高原中部那曲地区和东部玛曲地区土壤湿度的模拟性能;鉴于GLDAS较粗的分辨率无法精细描述分析区域土壤湿度空间分布特征,于是我们基于通用陆面过程模式(Community Land Surface Model,Version 4.5),开展了高分辨率0.1°×0.1°的模拟,并对高分辨率模拟土壤湿度误差的原因进行了深入分析.结果表明:(1)GLDAS陆面数据同化产品和高分辨率陆面模式模拟结果都可以反映出土壤湿度的季节变化特征,但在非冻结期均存在不同程度的干偏差,尤其是在玛曲地区;(2)对比观测和模拟的土壤湿度发现,观测数据表现出强烈的空间异质性,而模拟结果呈现出的是空间均一性.按照模拟误差进行归类分组,对比模拟性能优劣的两组站点发现,模式物理过程不是模拟性能差异的主要因素,而两组站点间地表特征参数中的土壤质地和地形参数,以及驱动数据均没有体现出空间异质性,这可能是土壤湿度模拟结果没有表现出空间异质性的原因.
2020 Vol. 63 (6): 2184-2198 [摘要] ( 22 )  HTMLNew  PDF (5410 KB)   ( 28 )
目录
0
2020年6月第63卷 第6期 目次
2020 Vol. 63 (6): 0-0 [摘要] ( 10 )  HTMLNew  PDF (681 KB)   ( 125 )
0 中国地球物理学会
纪念著名空间科学与行星物理学家万卫星院士
2020 Vol. 63 (6): 0-0 [摘要] ( 35 )  HTMLNew  PDF (290 KB)   ( 182 )
地球动力学·地震学
2199 秦加岭, 孙新蕾, 张鹏, 范安
地球内核顶部300 km速度和衰减各向异性的区域变化
衰减结构是地球内核的重要性质,它可以与地球内核的速度结构结合,对内核的形成和演化机制提供更全面的信息.本文系统收集了1991年到2014年全球、区域和临时地震台网的PKPDF和PKPBC数据,研究了澳大利亚、非洲和太平洋中部下方内核顶部300 km的速度和衰减各向异性结构.速度结果表明,澳大利亚下方内核的速度没有明显的各向异性,但是非洲和太平洋中部下方的内核具有明显的各向异性,且非洲的速度各向异性强于太平洋中部.同时,相对于AK135模型,澳大利亚的平均速度快0.5%,而非洲和太平洋中部的平均速度与参考模型没有明显差异.对于内核的衰减结构,我们得到以下结果:1)在东西方向,内核顶部200 km左右的区域,澳大利亚的衰减最强(Q值在400左右),非洲和太平洋中部的Q值分别在600和500左右.2)澳大利亚下方的内核衰减没有明显的各向异性,非洲和太平洋中部下方的内核衰减存在明显的各向异性.此外,内核在非洲地区的衰减各向异性强于太平洋中部的各向异性.3)最后,内核中三个区域的速度和衰减具有良好的相关性,即高/低速对应于高/低衰减.考虑到以上结果以及三个区域的位置,我们认为内核顶部的速度和衰减结构都存在区域变化,而不是简单的半球变化.这种区域变化很可能是由于核幔边界热结构的不均一性和内核耦合,使得内核顶部的不同区域在形成过程中受不同的变形影响,从而形成铁晶体不同的生长和排列,引发了不同的各向异性特征.
2020 Vol. 63 (6): 2199-2209 [摘要] ( 18 )  HTMLNew  PDF (3479 KB)   ( 15 )
2210 陈飞, 刘泰, 付广裕, 佘雅文
震后GPS观测数据揭示的日本MW9.0地震周边地区地幔黏滞性结构垂向变化
本文利用大范围的震后GPS数据和黏弹性球形地球位错理论,定量研究了日本MW9.0地震周边地区地幔黏滞性结构的垂向变化.首先结合陆地和海底的GPS观测数据,以及基于球形地球位错理论格林函数和贝叶斯反演方法,反演了该地震的同震滑动分布,发现其最大错动量高达59 m.然后在均一地幔黏滞性结构的假设前提下,确定了震源周边地区地幔黏滞因子的最优解,发现依据该地幔黏滞因子获得的理论远场震后位移和GPS观测结果之间的均方根误差高达0.81 cm,不能解释远场观测结果.为解决上述问题,本文对震中周边地区地幔黏滞性结构沿垂向方向进行分层,建立了一个随深度变化的地幔黏滞性构造模型,然后综合利用远近场的GPS数据对该地区地幔黏滞因子进行反演研究,结果表明,震源周边地区岩石圈弹性层厚度最优解为40 km,40~220 km深度的地幔黏滞因子最优解为6×1018Pa·s,220~670 km深度之间的地幔黏滞因子最优解为1.5×1019Pa·s.上述地幔黏滞性构造使远场的均方根误差降为0.12 cm,仅为利用均一地幔黏滞性构造所得均方根误差值的15%,大大提高了远场模拟结果的准确性.最后,观测值和模拟值之间的均方根误差分析表明,近场震后形变数据主要约束浅层的地幔黏滞性结构,而远场震后形变数据主要约束深部的地幔黏滞性结构.
2020 Vol. 63 (6): 2210-2220 [摘要] ( 13 )  HTMLNew  PDF (5752 KB)   ( 34 )
2221 付广裕, 王振宇
新疆精河6.6级地震周边地区密度构造、均衡异常以及岩石圈挠曲机理
依据EIGEN-6C4重力模型和ETOPO1高程模型数据,围绕新疆精河6.6级地震展开岩石圈均衡与挠曲机理研究,得到如下结论:(1)震中附近的布格与自由空气重力异常分别为-221和-92 mGal(10-5m·s-2),震中位于重力异常高梯度带上;(2)震中周边地区地壳厚度约为50 km,密度结构总体变化平缓,东西方向地壳厚度变化较小,但自南向北地壳厚度逐渐变薄,精河6.6级地震初始破裂发生在上中地壳分界面附近;(3)震中附近岩石圈承载的垂向构造应力为20 MPa左右,震中位于岩石圈垂向构造应力极大值附近的高梯度带上;(4)地震周边地区岩石圈有效弹性厚度最优解为26 km,加载比最优解为F1=1,F2=F3=0,表明该区域岩石圈相对坚硬,且导致岩石圈变形的初始加载全部来自地表.
2020 Vol. 63 (6): 2221-2229 [摘要] ( 18 )  HTMLNew  PDF (2958 KB)   ( 50 )
2230 张晖, 高原, 石玉涛, 陈安国, 翟浩, 魏建民
鄂尔多斯块体北缘与西缘地区地壳各向异性特征
本研究使用内蒙古自治区数字测震台网2010年1月至2017年10月区域小地震的波形记录资料,采用SAM方法,进行了地壳剪切波分裂的分析,得到鄂尔多斯块体北缘与西缘地区地壳介质地震各向异性的初步研究结果.根据15个台站161个有效地震记录的分析,鄂尔多斯块体北缘与西缘地区的快剪切波平均偏振方向为NE44.4°±38.4°,慢剪切波平均时间延迟为1.7±1.6 ms·km-1.研究区域的快剪切波偏振显示出两个优势方向,一个是NE方向,另一个是近NS方向.区内的逆冲凸起与走滑正倾断层构造对剪切波分裂产生了直接的影响,造成了剪切波分裂参数的复杂分布,反映了剪切波分裂参数受到区域应力和构造共同作用的影响.鄂尔多斯块体北缘的快波偏振特征有NE和近NS两个优势偏振方向,其东区与西区的快剪切波偏振表现出明显不同的特征.东区的第一快剪切波优势偏振方向为NE,第二快剪切波优势偏振方向为近NS;西区的第一快剪切波优势偏振方向为近EW,第二快剪切波优势偏振方向为近NS.鄂尔多斯块体北缘的区域背景主压应力方向可能总体上为近NS方向,但空间分布有差异,东区NE方向的优势偏振与西区近EW方向的优势偏振更可能反映了断裂与构造的影响.鄂尔多斯块体西缘的快剪切波偏振特征显示出非常清楚的NE向的优势偏振方向,近NS向的优势偏振方向则不太明显,反映出该地区复杂构造对各向异性分布的影响.慢波时间延迟呈现出西低东高的特点,时间延迟的高值出现在鄂尔多斯块体北缘的东部,时间延迟的这种西低东高的各向异性强度变化,可能反映了区域构造活动西强东弱的特性.
2020 Vol. 63 (6): 2230-2247 [摘要] ( 15 )  HTMLNew  PDF (8807 KB)   ( 41 )
2248 田原, 瞿辰, 王伟涛, 于常青, 李丽
四川盐源盆地短周期密集台阵背景噪声分布特征分析
短周期密集台阵的高频背景噪声互相关函数(NCF)是探查地球浅层精细结构的重要数据.然而高频背景噪声成分复杂且容易分布不均,分析其对NCF信号提取的影响,有助于获取可靠成像结果.本文基于布设于川滇地区盐源盆地的209个短周期台站组成的盐源台阵,利用密集台阵的噪声水平评估以及基于NCF的相干噪声分析两种方法,分析了其记录到的噪声波场特征及其对NCF的影响.结果表明,盐源台阵的整体噪声水平呈现北低南高的不均匀分布,高频噪声水平的强弱受控于当地的人类活动,亦受到浅部松散沉积层的影响.台阵垂直分量NCF中主要信号为基阶Rayleigh波,且产生该信号的相干噪声源的优势方位在不同频带具有较大区别:0.3~0.5 Hz的噪声源强度较强且随时间变化较为稳定,主要能量来自台阵的南侧;0.5~1 Hz的相干噪声源强度较低,有两个优势方向,其中较强的一个来自于台阵南侧,可能与0.3~0.5 Hz的噪声同源,较弱的一个来自于台阵北偏东方向;1~1.5 Hz的背景噪声有四个较弱的优势方向,在台阵的不同区域有不同的优势方向,可能受到不同的局部噪声源的控制.垂向NCF中Rayleigh波的信噪比主要受控于波场的复杂程度,台阵南部受人文活动及沉积层影响,噪声水平较高,且由于盆山边缘复杂的反射、散射作用,其NCF波形复杂,信噪比偏低.受高频噪声源分布不均与及复杂地质结构的共同影响,盐源台阵的高频NCF中的信号复杂,后续对面波频散特征的提取应充分考虑噪声源对NCF的影响以获取可靠结果.
2020 Vol. 63 (6): 2248-2261 [摘要] ( 16 )  HTMLNew  PDF (11494 KB)   ( 43 )
2262 张小艳, 郝金来, 高星, 王伟
基于恢复地震数据获取震级、震源机制及破裂过程的评价——以2013年四川芦山MW6.6地震为例
区域地震波形对于震源研究非常重要,但限幅问题限制了区域地震台网数据的运用,并影响到震源参数测定的准确度.本文利用恢复后的芦山地震区域地震波形,研究了芦山地震的震级、点源机制解以及破裂过程.基于震中距99~300 km恢复前与恢复后地震数据获取的面波震级分别为7.01与7.06级.分别利用7个震中距150~250 km宽频带台站的恢复前和恢复后的数据反演点源机制解,与参考机制解相比,滑动角偏差自13°减小到了4°.基于7个震中距81~134 km的区域地震波形联合远场数据获得的震源破裂过程结果,其主要参数(如滑动分布、破裂速度等)与强地面运动波形联合远场数据得到的结果具有很好的一致性.研究结果表明,本文所采用的数据恢复方法具有较高的可靠性,有效提高了震源参数测定的准确度.
2020 Vol. 63 (6): 2262-2273 [摘要] ( 13 )  HTMLNew  PDF (5981 KB)   ( 18 )
2274 盖增喜, 陈晨旭
SH波地表散射的局域边界元模拟
本文提出了一种计算不规则起伏地形中SH波散射的有效方法——局域边界元法.本方法基于传统边界元法,为计算复杂地表散射问题提供了一种更加高效的解决方案.根据地震波满足的边界积分方程中牵引力格林函数的特性,我们将自由边界分解成水平部分和起伏部分.通过公式推导,可将水平部分的位移由起伏部分的位移通过格林函数线性叠加表示,因此只需对起伏部分的位移进行直接求解,从而极大地减少了待求解的未知数个数,显著提高了计算效率.通过与半圆形山谷SH波平面波入射的解析解比较,验证了方法的正确性.数值模型比较显示,局域边界元模拟结果与传统边界元数值解完全吻合,但是大幅提高了计算效率.因此,局域边界元法可以作为模拟不规则地形中地震波散射的有效工具.
2020 Vol. 63 (6): 2274-2280 [摘要] ( 11 )  HTMLNew  PDF (2739 KB)   ( 17 )
2281 万永革
震源机制与应力体系关系模拟研究
为理解震源机制和所作用的应力张量之间的关系,模拟了东西向挤压、垂直向拉张的挤压应力体系,南北向挤压、东西向拉张的走滑应力体系和垂直向挤压、东西向拉张的拉张应力体系所产生震源机制及其剪应力和正应力的表现.结果表明:挤压应力体系可以产生逆断型、走滑型和逆走滑型的震源机制,并随着应力形因子R的增大,逆断型震源机制数目逐渐减小,而走滑型和逆走滑型震源机制数目逐渐增加;走滑应力体系兼有各种类型的震源机制,随着R值的增大,正断型和正走滑型震源机制数目逐渐减小,而逆断型和逆走滑型震源机制数目逐渐增加;拉张应力体系兼有正断型、走滑型和正走滑型震源机制,随着R值的增加,正断型震源机制数目逐渐增加,而走滑型和正走滑型震源机制数目逐渐减小.挤压应力体系在震源机制节面上的最大剪应力分布在R=0时沿倾角45°分布,随着R值增大至1,逐渐演变为沿着以(0°,90°)和(180°,90°)为中心的圆弧分布;拉张应力体系的最大剪应力分布则随着R值自0增大至1,最大剪应力自以(0°,90°)和(180°,90°)为中心的圆弧分布逐渐演变为沿倾角45°分布;走滑应力体系则随着R值自0增大至1,最大剪应力自以(0°,90°)和(180°,90°)为中心的圆弧分布逐渐演变为以(90°,90°)为中心的圆弧分布.三种应力体系所表现的震源机制PT轴分布呈现复杂多样性:R越小,震源机制的T轴分布在拉张主应力周围的区域范围越小,而P轴分布在挤压轴周围的区域范围越大,R=0.5时两者分布区域范围均衡,R超过0.5时越接近1,震源机制的P轴分布在挤压主应力周围的区域范围越小,而T轴分布在拉张轴附近的区域范围越大.
2020 Vol. 63 (6): 2281-2296 [摘要] ( 19 )  HTMLNew  PDF (24590 KB)   ( 109 )
2297 高雅琪, 史保平
摩擦生热对断层演化过程的影响:Ruina-和Chester-Higgs-模型的对比分析
利用速率-状态摩擦定律(Rate-and State-Dependent Friction Law:简称RSF定律),结合McKenzie-Brune摩擦生热模型,本文分别从Ruina提出的RSF定律和Chester-Higgs提出的RSF定律出发,通过一维弹簧-滑块模型,采用四阶变步长的Dormand-Prince算法,对断层演化过程进行了数值模拟,探讨了摩擦生热对断层演化进程的影响.模拟结果显示,与Ruina-模型相比,Chester-Higgs-模型在断层高速滑动时存有更大的摩擦强度,表明摩擦生热对断层具有一定的强化作用,且同临界滑移距离的取值相关.而且,Chester-Higgs-模型在失稳时的断层面温度远远低于Ruina-模型,表明摩擦生热在断层演化过程中能抑制断层面温度的剧烈升高,且正应力和临界滑移距离越大,两种模型的温差越为明显,而断层的刚度和尺度则对温度的影响很小.模拟两种模型周期演化过程的结果表明,在相同的初始条件下,Chester-Higgs-模型给出的断层失稳周期明显比Ruina-模型更短,说明摩擦生热对断层自身演化最显著的影响是较大地缩短了地震重复发生周期.当断层进入周期性演化后,Chester-Higgs-模型给出的摩擦强度大于Ruina-模型,且对第一次非周期性失稳的摩擦强度和剩余应力的继承性更好.另外,由Chester-Higgs-模型给出的静态应力降远小于Ruina-模型给出的结果,所对应的单个事件的滑移量也小于Ruina-模型.
2020 Vol. 63 (6): 2297-2310 [摘要] ( 11 )  HTMLNew  PDF (2520 KB)   ( 8 )
2311 刘雁江, 刘彩彩, 张竹琪, 刘康, 任治坤, 张会平, 李传友, 徐红艳, 李雪梅
海原断裂带老虎山段断层岩磁学研究及其构造意义
断层岩,尤其是断层泥的磁性异常近年来被研究人员广泛关注,但关于其磁性异常的形成原因尚没有统一的解释.海原断裂是青藏高原东北缘一条重要的走滑断裂,前期研究发现海原断裂带景泰段出露有数十米至上百米的断层岩,是理想的研究材料.本研究选取海原断裂带景泰段老虎山山前一个断层岩剖面作为研究对象,拟通过测量断层岩的磁化率(χ)、非磁滞剩磁(ARM)、饱和等温剩磁(SIRM)、等温剩磁(IRM)以及磁化率随温度变化曲线(χ-T曲线)等磁学参数并结合粒度、碳含量、X射线衍射(XRD)等分析方法来探究海原断裂带老虎山段不同颜色断层岩的磁性特征及其形成机制.磁学研究显示黑色、红色及杂色断层泥相较于围岩和破碎带显示了低磁性,尤其是黑色断层泥,其磁化率值均小于10×10-8m3·kg-1.碳含量及矿物相分析结果指示黑色断层泥与断裂带附近石炭系煤层具有相似的矿物相组成,结合相似的χ-T曲线推断石炭系煤层为黑色断层泥的母岩.石炭系煤层经断层活动卷入断层,在断层强烈剪切摩擦作用下不断细化,形成伊利石等黏土矿物,并促使一部分顺磁性含铁硅酸盐矿物或其他含铁矿物发生化学变化形成亚铁磁性矿物,使得黑色断层泥的磁化率较其母岩石炭系煤层有一定升高.通过黑色断层泥的铁磁性磁化率结合χ-T曲线计算获得断层泥所经历的最高温度约为420℃,不超过450℃.老虎山段厚层碳质断层泥的存在为该地区发现的浅层蠕滑现象提供了一种解释.
2020 Vol. 63 (6): 2311-2328 [摘要] ( 19 )  HTMLNew  PDF (10552 KB)   ( 17 )
2329 吴航, 邱楠生, 冯乾乾, 常健, 姜凯, 张应鳞, 吴世祥
利用热运动学方法恢复构造隆升过程的探索
构造隆升过程研究对矿产资源勘查及评价具有重要意义,是地质学家长期探索的关键科学问题之一.现有构造隆升过程的研究方法均具有一定的适用性和局限性,正反演方法之间难以建立定量关系.本文利用热运动学方法,通过离散元数值模拟,提取变形过程中离散单元的运动路径作为热年代学样品热史恢复的地质约束,实现了构造变形模拟和热年代学分析的定量耦合,在构造隆升研究中展现出巨大潜力.本文以川东地区多层滑脱褶皱作用作为研究对象,重点恢复了方斗山—齐岳山背斜在距今170~70 Ma内的隆升变形过程.热运动学分析表明:先存的齐岳山断裂串联了深部拆离面和浅部滑脱层,湘鄂西褶皱带在170~110 Ma开始形成;140~110 Ma间齐岳山断层由断展褶皱作用向断弯褶皱作用转化,齐岳山背斜开始发育,略早于东部的利川复向斜;约110~90 Ma,方斗山背斜发育,隔挡式褶皱带开始形成;约90~70 Ma,隔挡式褶皱规模逐渐增大,利川复向斜逐渐紧闭.正演模型建立、地温梯度计算、三维建模技术和应力演化分析是制约热运动学方法发展和完善的关键性因素.
2020 Vol. 63 (6): 2329-2344 [摘要] ( 10 )  HTMLNew  PDF (8777 KB)   ( 14 )
2345 王同利, 崔博闻, 叶青, 李菊珍, 王丽红, 童琼
九寨沟MS7.0地震地电阻率变化时空演化分析
本文应用归一化变化速率(NVRM)方法,研究了2017年九寨沟MS7.0地震周边800 km范围内25个地电阻率台站2012—2018年的连续观测数据,分析了震中区周围的地电阻率时、空演化过程.结果显示:(1)25个台站中共有14个台站在震前出现了地电阻率变化,结合本次地震震源机制等分析其时空变化,认为邻近地震破裂带的临夏、通渭、武都和宝鸡台地电阻率在震前出现了下降—折返回升型的变化,符合前人已总结的强地震前地电阻率的变化过程.(2)地震发生前震中区周围大区域内出现了地电阻率负异常变化,且以震中区为中心呈条带分布,异常区的长轴方向与地震断裂带走向或地震烈度分布的长轴方向几乎垂直,与地震主压应力轴方向吻合.本文认为九寨沟MS7.0强震发生之前,震中区周围出现的区域性地电阻率异常空间丛集现象是很好的中期和短临前兆;地电阻率震前异常动态演化、各向异性等特征对认识本次强震发震断层活动以及震源区应力场分布有启示意义.
2020 Vol. 63 (6): 2345-2356 [摘要] ( 8 )  HTMLNew  PDF (6156 KB)   ( 28 )
应用地球物理学
2357 陈国金, 陈占国, 雷朝阳, 张亚红, 张洁, 孙振涛, 张卫红, 吴永栓
VSP地震干涉成像及应用研究
受井中检波器串级数局限,垂直地震剖面(VSP)反射波成像范围窄,且不能对井中最浅接收点上方区域有效成像.虽然多次波成像能扩大成像范围,但在实际应用中尚有诸多困难和挑战.本文根据Wapenaar的地震干涉理论,基于上下行波场分离技术,研发了VSP地震干涉成像方法.该方法将VSP自由表面多次波重建为在地表震源位置激发(虚震源)接收的拟地面地震反射波,然后偏移成像,以达到对多次波间接成像的目的.通过数值模型实验,测试了VSP干涉成像的极限分辨率,并讨论了主要采集参数的影响,结果表明:该方法的垂向和水平极限分辨率分别达约10 m和20 m,且能分辨深度达6500 m处的50 m×100 m溶洞;采用12至24道井中检波器串采集的VSP资料,其干涉成像结果显著优于VSP反射波成像,与相应的地面地震成像效果相当.将本文方法应用于新疆地区采集的VSP资料,结果表明:与VSP反射波成像相比,成像同相轴更加连续,成像范围显著扩大;与地面地震成像相比,成像结果相当,尤其在浅中部甚至更好.新方法不仅无需进行井中接收点静校正,且能显著增大成像范围,有利于成像同相轴的追踪对比、地震属性提取和地质解释,尤其对中国新疆地区深部缝洞型储层的成像,具有广泛的实际应用前景.
2020 Vol. 63 (6): 2357-2374 [摘要] ( 16 )  HTMLNew  PDF (15683 KB)   ( 37 )
2375 张智, 孙丽霞, 唐国彬, 徐涛, 王赟, 王敏玲, 郭希
六分量弹性波场数值模拟与分析
地震波传播过程中,质点的振动不仅包括三个独立的平移部分,还包括三个独立的旋转部分.本文基于一阶速度-应力弹性波方程,采用分裂完全匹配层(SPML)的吸收边界条件,推导了时间导数二阶精度和空间导数高阶精度的交错网格有限差分格式的弹性波速度与应力各分量计算公式,模拟了各向同性介质中均匀模型和层状模型下的六分量波场,并对二维各向同性层状模型下的三个分量地震记录做高分辨率线性拉东变换得到各自的频散能谱.数值模拟分析结果表明:(1)旋转分量的能量要比平动分量弱的多;(2)在平动分量上,面波能量强,频率低,反射P波能量较强,反射S波能量稍弱;在旋转分量上,反射P波能量很弱,S波能量强;(3)与平动分量相比,旋转分量的频散能谱效果更好,能看到基阶和完整的高阶面波,即旋转分量能反映更多的地下介质信息.
2020 Vol. 63 (6): 2375-2385 [摘要] ( 19 )  HTMLNew  PDF (4449 KB)   ( 35 )
2386 朱伟, 赵峦啸, 王晨晨, 单蕊
基于数字岩心动态应力应变模拟的非均匀孔隙介质波致流固相对运动刻画
地震波传播激发的不同尺度的流固相对运动(宏观、中观和微观)是许多沉积岩地层中地震波频散和衰减的主要原因,然而野外观测和试验测量都难以对非均匀多孔介质孔隙压力弛豫物理过程进行精细刻画.通过数字岩石物理技术,本文建立了三个典型的数字岩心分别用于表征孔隙结构、岩石骨架和斑状饱和流体引起的非均质性,利用动态应力应变模拟技术计算数字岩心的位移和孔隙流体增量图像.通过分析和比较三个数字岩心的位移和孔隙压力增量图像,细致刻画了发生于非均匀含流体多孔介质内的宏观、中观和微观尺度的流固相对运动:1)宏观尺度的波致孔隙流体流动导致波长尺度上数字岩心不同区域的孔隙压力和位移差异;2)中观尺度的流体流动发生在软层与硬层之间、气层与液层之间;3)微观尺度的流体流动发生在孔隙内部或相邻孔隙之间.数值模拟试验也证明基于数字岩心的动态应力应变模拟技术可以从微观尺度上更好的理解波致孔隙流体流动发生的物理机理,从而为建立岩石骨架、孔隙流体、孔隙结构非均质性和弹性波频散-衰减特征的映射关系奠定基础.
2020 Vol. 63 (6): 2386-2399 [摘要] ( 14 )  HTMLNew  PDF (7107 KB)   ( 13 )
2400 王文化, 文晓涛, 张波, 张懿疆, 王威
基于Remez迭代算法求解差分系数的双相介质自适应有限差分正演模拟
利用传统有限差分方法对基于Biot理论的双相介质波动方程进行数值求解时,由于慢纵波的存在,数值频散效应较为明显,影响模拟精度.相对于声学近似方程及普通弹性波方程,Biot双相介质波动方程在同等数值求解算法和精度要求条件下,其地震波场正演模拟需要更多的计算时间.本文针对Biot一阶速度-应力方程组发展了一种变阶数优化有限差分数值模拟方法,旨在同时提高其正演模拟的精度和效率.首先结合交错网格差分格式推导Biot方程的数值频散关系式.然后基于Remez迭代算法求取一阶空间偏导数的优化差分系数,并用于Biot方程的交错网格有限差分数值模拟.在此基础上把三类波的平均频散误差参数限制在给定的频散误差阈值和频率范围内,此时优化有限差分算子的长度就能自适应非均匀双相介质模型中的不同速度区间.数值频散曲线分析表明:基于Remez迭代算法的优化有限差分方法相较传统泰勒级数展开方法在大波数范围对频散误差的压制效果更明显;可变阶数的优化有限差分方法能取得与固定阶数优化有限差分方法相近的模拟精度.在均匀介质和河道模型的数值模拟实验中将本文变阶数优化有限差分算法与传统泰勒展开算法、最小二乘优化算法进行比较,进一步证明其在复杂地下介质中的有效性和适用性.
2020 Vol. 63 (6): 2400-2414 [摘要] ( 14 )  HTMLNew  PDF (4866 KB)   ( 18 )
2415 赵维娜, 张训华, 王惠刚, 陈珊珊, 吴志强, 郝天珧, 郑彦鹏, 刘凯
海底地震仪浅海广角探测的数据特征与噪声组合压制——以南黄海OBS2016测线为例
2016年6月在南黄海海域实施了海底地震仪(OBS)的二维深地震探测.本文详细分析了在该次地震探测中获得的浅水水域OBS数据的特征,提出了噪声的组合压制方法.研究表明,浅海水域的OBS数据在系统时间、能量及子波等方面存在明显差异,海底多次波干扰严重、有效频段中陷波问题突出,原始台站记录信噪比低、品质差、大炮检距的有效震相难以识别和拾取.本文提出的噪声组合压制处理技术与流程,主要由基于统计子波反褶积的子波整形、基于多项式插值的t-x域线性噪声压制和采用自动搜索的海底多次波压制等三部分组成.净化处理之后,反射/折射震相的波组特征清晰,信噪比得到有效改善与较大提高,可识别震相的范围较常规处理平均扩大60%以上.本文完善了浅水区OBS数据处理的步骤与流程,将为后续地壳结构研究提供可靠的基础数据,可更好的服务于地壳深地震及油气资源的探测.
2020 Vol. 63 (6): 2415-2433 [摘要] ( 19 )  HTMLNew  PDF (21432 KB)   ( 35 )
2434 齐彦福, 李貅, 殷长春, 戚志鹏, 周建美, 孙乃泉, 刘云鹤, 张博
时间域航空电磁各向异性大地三维自适应有限元正演研究
各向异性介质模型电性结构复杂,如何进行合理的网格剖分成为获得高精度正演结果的关键,为此本文开展时间域航空电磁各向异性大地三维自适应有限元正演算法研究.通过结合非结构时间域有限元算法和自适应网格优化技术,实现各向异性介质条件下三维时间域航空电磁自适应正演.考虑到时间域航空电磁响应随时间的衰减特性,为了综合评价不同时刻的后验误差,本文将时间作为加权因子,调整各个时刻后验误差的相对权重,进而实现对浅部和深部网格的同步优化.通过与一维解析结果进行对比验证了本文算法的可靠性.数值实验结果显示电导率各向异性对自适应网格影响严重,其最大主轴电导率的数值及其分布特征直接决定了网格加密效果.此外,各向异性对时间域航空电磁三分量响应的分布形态和异常幅值也会产生严重影响,利用全域视电阻率极性图,可以很好地识别各向异性主轴方向.
2020 Vol. 63 (6): 2434-2448 [摘要] ( 376 )  HTMLNew  PDF (7831 KB)   ( 245 )
2449 顾观文, 李桐林
基于矢量有限元的带地形大地电磁三维反演研究
研究了基于矢量有限元方法的大地电磁带地形三维反演算法并开发了三维反演计算程序代码.在大地电磁场正演数值模拟方面,采用并行直接稀疏求解器PARDISO且无需进行散度校正的快速正演方案,对典型地形模型,在中等规模计算条件下,与双共轭梯度法(BICG)计算结果比较,发现PARDISO比BICG快10倍以上;通过理论模型试算,并与前人的有限元法计算结果对比,验证了带地形三维正演计算程序的正确性.在反演方面,本研究基于共轭梯度方法编写了大地电磁带地形三维反演代码,为了避免直接求取雅可比矩阵,将反演中的雅可比矩阵计算问题转为求解两次"拟正演"问题,进而将PARDISO的快速正演方案应用于"拟正演"问题的求解,以提高反演计算效率.利用开发的反演算法对多个带地形地电模型的合成数据进行了三维反演,反演结果能很好地重现理论模型的电性结构,验证了本文开发的三维反演算法的正确性和可靠性.最后,利用该算法反演了某矿区大地电磁实测数据,反演得到的三维电性结构清晰地反映了研究区的地电特征,将反演结果与该区已有地质资料结合进行解释,应用效果明显,进一步验证了本文算法的有效性.
2020 Vol. 63 (6): 2449-2465 [摘要] ( 13 )  HTMLNew  PDF (5825 KB)   ( 31 )
2466 张晓雨, 康天合, 侯鸣晓, 康健婷, 郭俊庆, 李立功, 张润旭, 胡耀青
电极材料对电化学改性无烟煤前后甲烷吸附解吸特性影响的实验研究
针对电化学作用能够显著增强煤中甲烷解吸渗流特性,但对其电极材料的选择缺乏依据的问题,采用实验的方法研究了铝、铁、铜和石墨四种电极材料对电化学改性无烟煤甲烷吸附解吸特性的影响.结果表明:(1)未改性自然煤样的甲烷饱和吸附量a为39.92 mL·g-1,由铝、铁、铜和石墨四种电极材料进行电化学改性后阳极区域煤样的甲烷饱和吸附量a分别降低了5.22%、8.48%、9.24%和11.33%,阴极区域煤样的甲烷饱和吸附量a分别降低了9.53%、4.97%、6.25%和4.97%;(2)未改性自然煤样在300 min的甲烷解吸率为83.17%,经铝、铁、铜和石墨四种电极材料改性后阳极区域煤样的甲烷解吸率分别提高了9.50%、7.10%、8.36%和15.75%,阴极区域煤样的甲烷解吸率分别提高了1.76%、1.12%、6.10%和16.23%;(3)采用石墨作为电极的电化学对无烟煤甲烷解吸的影响效果最为明显,原因在于石墨阳极处电解反应生成较多的H+离子,一方面对煤表面进行酸化,抑制了煤甲烷的吸附,另一方面更多地溶蚀煤中的碳酸盐和硫酸盐矿物,增加了煤中的孔隙,使得甲烷最终解吸率有所升高.本文的研究结果可为电化学强化煤甲烷解吸电极材料的优选提供基础依据.
2020 Vol. 63 (6): 2466-2477 [摘要] ( 24 )  HTMLNew  PDF (3791 KB)   ( 14 )
2478 李盛清, 苏远大, 唐晓明
基于四分量偶极横波远探测的井周构造走向快速反演方法研究
偶极声源的辐射特性及仪器的四分量正交采集系统使得偶极横波远探测可在一维井筒中对井外构造进行方位探测.基于反射横波幅度随声源偏振方向呈余弦平方变化这一特征,本文提出一种利用函数拟合快速反演井周构造走向的方法.根据这一规律,该方法仅用4个方位剖面数据即可准确反演井周构造走向,同时得到井周构造的离井距离和倾角.数值模拟和物理实验模拟均验证了幅度随方位的变化以及反演方法的可行性.根据这一方法做的现场实例也进一步证明了该方法的适用性.本文工作为利用四分量偶极数据进行井周构造的反射横波成像提供了实用而有效的处理方法.
2020 Vol. 63 (6): 2478-2487 [摘要] ( 14 )  HTMLNew  PDF (6233 KB)   ( 34 )
2488 吴洋, 吕伟国, 杨蒙恩, 崔志文, 刘金霞, 王克协
孔隙地层轻质水泥套管井中偶极弯曲波的激发与传播特性
针对软地层套管井中弯曲波频散移向高频,以致超出了现行偶极声波测井仪器的激发频带的问题,本文在井外为孔隙地层时,采用Biot模型对套管井多极源激发的声波场进行了理论推导,对套管井偶极弯曲波的频散特性进行了数值模拟,考察了高密度水泥(或快速水泥)和低密度水泥(或轻质水泥)情况下的弯曲波频散,分析了不同水泥环对弯曲波主频散区和激发谱偏移的影响,重点对轻质水泥套管井中偶极源激发的模式波频散与激发谱及临界折射P、S波激发特性进行了研究,并考察了渗透率、孔隙度对弯曲波频散及衰减的影响,利用实轴积分法计算了偶极声源激发的时域全波波形.分析对比结果表明,在快速水泥情况下弯曲波频散曲线随着地层特征横波速度的减小会迅速向高频移动,随着快速水泥向轻质水泥变化,弯曲波频散曲线向高频移动将会减缓,对于特征横波速度低于1400 m·s-1的软地层,偶极弯曲波基础模式主频散区(或截止频率)可以由原来13 kHz向低频移动至4 kHz;在轻质水泥套管井中,无论是硬地层还是软地层,在目前偶极声波测井仪器声源主频激发下,接收波形中弯曲波均占主导地位.
2020 Vol. 63 (6): 2488-2496 [摘要] ( 13 )  HTMLNew  PDF (2622 KB)   ( 25 )
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