空間實體學·大氣實體學·大地測量學
01
極區受激電磁輻射實驗研究
陳靓, 楊巨濤, 何淩磊, 李清亮, 郝書吉, 馬廣林, 闫玉波, 車海琴, 梁勇敢, 李海英, 張文超
2024, 67(7): 2487-2495. doi: 10.6038/cjg2024R0524
摘要：受激電磁輻射(stimulated electromagnetic emissions,SEE)複雜的譜線特征,為研究電離層加熱實體機制提供了強有力的研究手段.本文基于2017年和2022年大陸學者利用EISCAT加熱系統開展電離層加熱實驗期間的SEE資料,分析了加熱電磁波的極化、頻率、功率以及波束指向對SEE譜線特征的影響,研究結果表明:(1)相比于非尋常波,加熱波為尋常波實驗期間更易觀測到豐富的SEE譜線結構,如頻率上移分量最大值(upshifted maximum,UM)、熱窄帶連續譜(thermal narrow continuum,NCth)及向下偏移最大值(downshifted maximum,DM)等;(2)加熱頻率由4.07 MHz增至4.10 MHz,向下偏移峰值(downshifted peak,DP)頻移與加熱頻率呈強線性相關,當加熱頻率達到電子回旋倍頻時,DP和DM譜消失,上混雜波的産生過程被抑制.是以,結合電離層加熱過程中DP和DM譜特征可以實時快速估算加熱區内電子回旋頻率的大小;(3)加熱功率由24 MW增至192 MW,在DM和加熱頻率之間出現了一種新型下移譜特征,即中間向下偏移最大值(intermediate downshifted maximum,IDM),本實驗中觀測到UM随功率的變化是IDM相對于加熱波頻率的鏡像行為;(4)結合超高頻非相幹散射雷達聯合探測發現,加熱波束指向為垂直方向逆時針夾角6°時,更易激勵振蕩雙流不穩定性的密度純增長模式,形成更多人工密度不均勻體,進而獲得更強DM譜線.
02
基于FY-3D電離層光度計資料開展夜間135.6 nm輝光輻射強度對赤道環電流指數Dst的響應特性研究
江芳, 毛田, 付利平, 王勁松, 胡秀清, 賈楠, 王天放, 李葉飛
2024, 67(7): 2496-2505. doi: 10.6038/cjg2023R0187
摘要：遠紫外氣輝探測儀小型電離層光度計IPM于2017年11月15日随FY-3D衛星發射升空.IPM通過對地測量夜間O⁺和電子輻射複合産生的135.6 nm輝光輻射、白天光電子激發産生的OI 135.6 nm和N₂ LBH波段的輝光輻射,可以得到夜間電離層峰值電子密度、電子總含量以及白天大氣氧原子和氮分子的柱密度比O/N₂等參數.本文基于IPM夜側資料研究了在非極光區的中低緯度上,135.6 nm波段輻射強度在磁暴時與磁平靜時的相對變化.研究表明,135.6 nm波段輻射強度極易受到磁暴影響發生擾動,對Dst指數響應十分敏感,即使是較弱的磁暴,135.6 nm波段輻射強度也會出現增強,輻射增強出現的時間與磁暴的主相與恢複相有很好的對應性;通過與IGS(International GNSS Service)提供的TEC比對研究表明,磁暴期間135.6 nm輻射增強并非僅由與電離層電子密度資訊正相關的O⁺和電子輻射複合機制産生的輻射貢獻引起;多個不同強度的磁暴事件研究表明,135.6 nm輻射強度在磁暴時相對平靜時的增加量與Dst指數呈反比,即Dst指數越低,135.6 nm輻射強度的增加量越大,且緯度越高,135.6 nm輻射強度的增加量越大.
03
磁暴期間極區電離層等效電流無旋分量變化1.個例分析
葛攀澤, 李彙軍, 成巍, 黃瑩瑩, 王承志
2024, 67(7): 2506-2518. doi: 10.6038/cjg2023R0046
摘要：磁暴期間極區電離層電導率分布發生變化,導緻場向電流和電離層電流無旋分量形成的電流回路也随之發生複雜變化.通過地磁反演擷取極區電離層等效電流,有助于分析磁暴期間上述電流回路變化規律.本文應用低秩近似方法實作了極區INTERMAGNET地磁台網磁擾觀測資料的反演,獲得了2015年9月20日、11月30日兩次典型磁暴活動期間北半球極區電離層等效電流資訊,重點考察了無旋分量在磁暴期間變化規律.主要結論有:電離層等效電流包含無源分量和無旋分量,磁暴期間總體呈現為無源分量主導,無旋分量占比較少的特征;磁暴急始階段,地磁場擾動源主要來自磁層頂,電離層電流沒有明顯變化;磁暴主相階段,極區電離層等效電流無源分量呈雙渦結構,與以往的研究一緻,而無旋分量主要由晨側流向昏側;恢複相階段,極區地磁活動減弱,等效電流無源分量雙渦結構發生演化,無旋分量中由日側流向夜側的電流成分增加;恢複相後期等效電流無旋分量主要由昏側流向晨側,與主相時相比流向相反.無旋電流流向的變化能夠反映場向電流在電離層中的閉合電流的總體流向變化,流向出現反轉可能是受場向電流變化的影響.
04
地磁平靜期赤道電集流的模組化研究
文昕, 周雲良, 熊超
2024, 67(7): 2519-2527. doi: 10.6038/cjg2024R0714
摘要：本文利用Swarm-A衛星從2013年11月到2023年2月近十年觀測的赤道電集流(Equatorial Electrojet,EEJ)資料,挑選地磁活動平靜時(Kp ≤3)EEJ的峰值電流密度為研究對象,建構了一個以經度、地方時、季節、太陽輻射通量和月相為參數的EEJ經驗模型.将模型計算的EEJ與上述模組化所用的Swarm-A衛星實測的EEJ進行比較發現,兩者的相關系數約為0.76,平均絕對誤差(均方根誤差)約為20.91 (27.32) mA·m⁻¹.該模型可較好地反映Swarm-A衛星從2013年11月到2023年2月觀測到的EEJ典型特征,比如,EEJ的幅度随着太陽輻射通量的增加而增加;EEJ有明顯的日變化特征,在正午出現峰值,日出附近常出現反向EEJ;EEJ随經度變化呈現顯著的波狀結構;EEJ的季節變化特征明顯,二分季節附近出現峰值,二至季節附近出現谷值;月相對EEJ産生明顯影響,正午的EEJ在新月和滿月附近出現極大值.為了進一步檢驗上述建立的EEJ模型的性能,我們利用Swarm-B衛星2013年11月到2023年2月期間地磁平靜條件下觀測的EEJ資料,對上述模型進行了驗證,結果表明本文所建立的EEJ模型能較好地重制Swarm-B衛星觀測的EEJ變化.
05
不同指向模式下星載冷原子梯度儀對重力場解算精度的影響
穆慶祿, 王長青, 闫易浩, 鐘敏, 馮偉, 梁磊, 朱紫彤
2024, 67(7): 2528-2545. doi: 10.6038/cjg2023R0045
摘要：冷原子幹涉測量技術(CAI, Cold-Atom Interferometry)的發展為未來衛星重力梯度測量任務提供了新的測量思路.目前基于該任務概念的模拟研究均基于單一的觀測指向模式對CAI梯度儀的對地觀測能力進行論證.本文在GOCE衛星任務背景下,通過數值閉環模拟評估了CAI梯度儀在近地指向和慣性指向模式下對重力場觀測影響.實驗結果表明:在近地指向觀測模式下,CAI梯度儀受衛星旋轉角速度的影響,重力場解算的精度僅在50階以内優于GOCE衛星的模拟結果.若當衛星搭載軌道旋轉補償系統時可以有效地減弱衛星旋轉對CAI梯度儀的影響,進而提高重力場模型的解算精度.梯度張量主對角線三分量的聯合解算精度在全頻段内都要優于GOCE衛星相應分量的結果,精度可提高1.5~6倍.在慣性指向觀測模式下且僅考慮衛星殘餘角速度的影響時,CAI梯度儀的解算結果在30階以後比GOCE衛星所搭載的GRADIO梯度儀的精度低.而在綜合考慮衛星殘餘角速度和衛星軌道面旋轉後,解算得到的重力場在100階以内優于GOCE衛星解算精度.進一步比較兩種指向模式下分别基于單軸、雙軸和三軸觀測的結果可以發現,三軸觀測時兩種指向模式的解算精度相當,在所有階次上都要優于GRADIO梯度儀的結果.但基于單軸進行觀測時,近地指向模式下Vzz分量的精度更高,而對于雙軸觀測的情況,慣性指向下的組合(Vxx+Vzz和Vyy+Vzz)解算精度更高.本研究通過對不同指向模式下CAI梯度儀對地觀測影響的分析,可為基于CAI梯度儀的新型空間量子-地球重力場測量任務提供相應的參考.
06
基于GRACE星間重力位差的Slepian局部地表品質變化反演法
鐘波, 譚江濤, 李賢炮, 李建成, 李瓊
2024, 67(7): 2546-2567. doi: 10.6038/cjg2023Q0970
摘要：根據Slepian基函數在頻域和空域的局部集中特性，建立了利用GRACE星間重力位差（GPD）估計局部地表品質變化的Slepian基函數反演模型及病态問題求解算法，并以亞馬遜流域的陸地水儲量變化（TWSC）反演為例，評估了反演方法的精度和有效性. 首先，通過閉環數值模拟比較了Slepian基函數法（GPD SBF）、基于GPD的mascon方法（GPD Mascon）和球諧系數法（GPD SH）反演2005年亞馬遜流域TWSC的性能，結果表明：Slepian基函數法通過限定信号的頻域和空域範圍，降低了反演過程中向下延拓帶來的不确定性，有效削弱了法方程求解的病态性，其解算結果的穩定性明顯優于GPD Mascon；GPD SBF的反演精度及可靠性總體上優于GPD Mascon和GPD SH，并且能夠更好地恢複邊緣區域的信号和減小洩漏誤差的影響. 其次，利用實測的GRACE GPD資料反演了2004—2015年亞馬遜流域的TWSC時間序列，結果顯示：GPD SBF相比GPD Mascon反演的TWSC與官方mascon模型（CSR、JPL和GSFC RL06 mascon）更為一緻，并且GPD SBF反演結果呈現出更多的空間細節和更好的信噪比. 最後，利用不同GRACE反演結果計算的$ {mathrm{d}}S/{mathrm{d}}t $（TWSC的一階導數）和水文氣象資料（GPCP降水、ERA5蒸散發）由水量平衡方程估計了亞馬遜流域Obidos水文站的月平均徑流量，并采用測站的實測徑流量進行檢驗，結果表明：GPD SBF和GPD Mascon估計的徑流量與實測值扣除季節性信号後的內插補點STD分别為12.35 mm和14.54 mm，相關系數分别為0.71和0.69，并且GPD SBF和各種官方mascon模型估計的徑流量與實測徑流量更為接近. 本文研究證明Slepian基函數法可削弱病态問題求解對正則化限制的依賴，其比傳統的GPD Mascon解算精度和可靠性更高，為反演高精度、高分辨率的局部地表品質變化提供了一種新的解決方案.
07
顧及土壤熱傳導-對流效應的InSAR凍土活動層厚度估計
楊沙, 王琪潔, 李佳晨, 張亞
2024, 67(7): 2568-2581. doi: 10.6038/cjg2022Q0617
摘要：凍土活動層厚度（Active Layer Thickness，ALT）的變化是反映青藏高原多年凍土發育情況及其狀态的一個重要名額，監測活動層厚度變化對寒區景觀穩定發展、碳循環等方面具有非常重要的意義. 由于合成孔徑雷達幹涉測量（Interferometric Synthetic Aperture Radar，InSAR）技術具有大範圍、高精度、高時空分辨率等優勢，近年來逐漸被用于反演活動層厚度. 已有研究中基于InSAR和土壤一維熱傳導模型的活動層厚度估計方法，沒有充分考慮到凍土中土壤水分對流引起的熱量傳遞. 是以本文提出了基于InSAR時序形變及土壤熱傳導-對流模型的活動層厚度估計方法，利用土壤熱傳導-對流模型建立InSAR探測的最大融沉形變與最高地溫之間的滞後時間與活動層厚度之間的相關關系，實作了由滞後時間直接推算大範圍、高分辨率的凍土活動層厚度. 本文以青藏高原五道梁多年凍土區為例，利用116景Sentinel-1影像圖作為實驗資料，估計了該地區2017—2020年的平均活動層厚度. 結果表明，活動層厚度值範圍為0～7.0 m，平均活動層厚度為3.06 m，與已有研究中相近時間段相關成果及觀測資料結果一緻. 本文方法兼顧凍土水熱過程，證明了土壤熱傳導-對流模型在凍土活動層厚度反演中具有良好的應用前景，可用于青藏高原其他偏遠地區的高空間分辨率活動層厚度反演.
08
一種基于譜分析的重力場統計特征模組化方法
黃佳喜, 邊少鋒, 紀兵, 楊軍軍
2024, 67(7): 2582-2595. doi: 10.6038/cjg2022Q0485
摘要：重力場的統計特征主要包括協方差（相關函數）、功率譜密度、球諧階方差等參量，是從空域、頻域和球諧域描述重力場變化規律的主要依據. 本文以擾動位的距離倒數協方差模型為核函數，研究了一種能在不同重力場元之間自洽解析轉換的統計特征模組化方法. 分别利用高分辨率的地面重力異常和實測航空重力梯度資料進行功率譜分析，結合EGM2008模型建構了3組重力場統計特征模型，分析了本文模型與經典模型的差異，并用于高頻重力場随機模拟，驗證了本文方法在不同頻率區間模組化的可行性和實用性. 本文模型可用于重力梯度探測、高頻重力場随機模拟、重力場推估等方面的定量分析，相關算法和思路也可為建構更精細的統計特征模型提供借鑒.
地球動力學·地震學·地磁學
09
青藏高原東北隅斷層活動及地殼變形模式
徐炜祥, 蘇小甯, 虞思晗, 朱慶
2024, 67(7): 2596-2611. doi: 10.6038/cjg2024R0475
摘要：精準分析青藏高原東北隅斷層活動和地殼變形模式對于了解區域大地震空間分布特征和地震危險性分析具有重要意義.本文在已有GPS速度場的基礎上,通過建立由21個GPS連續觀測站組成的3條跨斷層剖面的加密觀測,獲得研究區較高空間分辨率的GPS速度場.利用K-中心點和歐拉矢量結合的方法分析GPS速度場的空間聚類特征,發現在隴西塊體内部存在顯著的差異性變形,進而結合區域已有塊體-斷層劃分模型,給出與最新GPS速度場更為吻合的塊體-斷層模型.改進模型的最大特點是在隴西塊體内部存在一條北北東向的右旋剪切帶.利用最新GPS速度場和改進的塊體-斷層模型,基于負位錯理論反演主要塊體的運動特征和主要斷層的滑動速率,結果顯示在改進塊體-斷層模型中新增的右旋剪切帶在配置設定該地區應變積累特征時扮演着重要的角色,進而計算的六盤山斷裂的擠壓速率遠小于已有的結果,其地震危險性也可能相應地降低.
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從震源機制中準确識别發震斷層面對重構應力場的意義
李振月, 萬永革, 郭祥雲, 劉瑞豐
2024, 67(7): 2612-2624. doi: 10.6038/cjg2023R0193
摘要：基于震源機制的應力場反演,需要從震源機制的兩個節面中準确地識别出發震斷層面,然後通過拟合發震斷層面的滑動方向獲得應力場.然而,目前的技術和方法不能保證能夠從所有的震源機制中準确地識别出發震斷層面.是以,用于應力場反演的斷層資料中會參入小部分輔助斷層面,這部分假斷層的存在會造成重構的應力場與實際應力場産生多大程度的偏離？本文通過合成實驗揭示出,從部分震源機制中錯誤地選擇斷層面可能會造成重構的應力場方向和主應力相對大小(R)與實際産生較大偏離,重構應力場的偏離程度主要與實際的應力R值、錯誤選擇斷層面的震源機制所占的比例以及震源機制中包含的噪聲大小這三個因素有關.當實際的應力R值為中間值附近時,隻有準确地選擇斷層面才能準确地重構R值,當實際的應力R值較小時,準确地選擇斷層面有助于準确地重構應力方向,故準确地從震源機制中選擇斷層面可以保證在不同的背景應力場下都能準确地重構應力場方向和R值,這對于根據重構的應力場合了解釋構造運動具有重要意義.
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2023年甘肅積石山MW6.0地震震源特征與災害機理
華思博, 徐晨雨, 周江誠, 徐貝貝, 馮萬鵬, 張勇, 房立華
2024, 67(7): 2625-2636. doi: 10.6038/cjg2024S0089
摘要：2023年12月18日發生的甘肅積石山MS6.2（MW6.0）地震是一次導緻較大傷亡的小規模逆沖型強震（M≥6）事件. 我們在破裂過程快速反演後，開展了地震矩張量和破裂過程聯合反演，比較分析了此次地震的發震斷層參數；在此基礎上，測定了地震的輻射能，确定了較寬頻帶範圍内的震源特征，據此讨論了與震源過程相關的災害機理. 結果顯示，本次地震斷層東傾的可能性更大，主要破裂區域位于積石山縣與大河家鎮之間，空間上與烈度分布顯示的極震區位置較為一緻. 地震的上盤效應，破裂朝西北及淺處擴充的多普勒效應，以及容易在淺土層中放大的高頻地震波輻射，可能是此次地震震害嚴重的主要震源因素.
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利用接收函數研究四川威遠地區地殼結構特征
劉嘉棟, 吳慶舉, 強正陽, 朱敏
2024, 67(7): 2637-2653. doi: 10.6038/cjg2023R0313
摘要：利用在威遠地區布設的40台寬頻帶流動地震儀記錄的遠震波形資料,提取了徑向P波接收函數.接收函數中可以看到清晰的Moho面轉換波,并且在此震相之前存在一組正負相間的震相.通過合成測試,判斷負震相C2為沉積層基底的PpSs+PsPs震相.通過拾取C2震相的到時,與模組化合成的接收函數進行對比,得到了研究區沉積層厚度的分布.正震相C1可能是沉積層基底PpPs震相或康拉德界面轉換波.在這兩種情況下,C1震相的到時随射線參數的變化趨勢相反,前者表現為負斜率,後者表現為正斜率.利用這一特征,對各台站C1震相的成因進行了分析,威遠背斜之外主要為正斜率,推斷存在Conrad界面.然後通過H-κ疊加估計了研究區地殼厚度和平均波速比,并使用共轉換點(CCP)疊加方法獲得了研究區Moho面和殼内界面的起伏形态.結果顯示,研究區沉積層厚度在3.0~7.0 km之間,威遠背斜較薄,自貢台凹較厚;研究區地殼厚度40.9~49.2 km,平均約44.1 km,整體上表現出背斜區域厚,向斜等區域薄的特征.在背斜之外的區域,Conrad界面埋深大約為19 km.本文推斷威遠背斜上、下地殼在擠壓環境下均發生增厚,上地殼頂部沉積蓋層在隆升過程中遭受剝蝕,而下地殼得到了相對完整的儲存.研究區波速比橫向變化較大,在1.71~1.92之間,平均約1.79,與全球大陸平均值相同.研究區存在兩個高波速比區(>1.85),威遠背斜東段與李家場褶皺交彙處可能存在小規模的地幔物質上湧;而自貢台凹在受到地殼頂部較厚沉積蓋層影響的同時,中下地殼可能受到了川滇塊體殼内熱物質的影響,使地殼平均波速比明顯增高.威遠背斜核部和自流井背斜東南區域地殼平均波速比相對較低,其地殼成分可能主要為長英質或中性岩石.
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背景噪聲頻率-貝塞爾變換法研究廈門島淺層S波速度結構
李海豔, 陳曉非, 陳舉慶, 蔡輝騰, 劉琦, 馮旭平, 張功恒
2024, 67(7): 2654-2667. doi: 10.6038/cjg2023R0129
摘要：為擷取廈門島淺層三維速度結構,本文使用福建省地震局于2019年布設的50個流動地震台站組成的密集台陣所記錄到的垂向分量波形資料,計算背景噪聲互相關,利用頻率-貝塞爾變換(F-J)法提取子台陣的瑞利波相速度頻散曲線進行反演,擷取子台陣下方一維S波速度結構,并通過插值得到廈門島4 km以内的三維S波速度模型.結果表明,整體上廈門島S波速度随深度增加呈現遞增趨勢,在近地表處的橫向不均勻性顯著.0~1 km深度的S波速度大體上呈現“北高南低”的特征,與岩性分布有較好的對應關系.随着深度的遞增,高低速特征分布逐漸呈現為連續性較好,近北東向展布的條帶狀.結合前人研究結果,本文推測這一現象與廈門島岩層在不同時期受到擠壓和拉張作用形成的褶皺和斷裂相關,反映了廈門島所經曆的多次構造變動和岩漿侵入事件.垂向剖面的速度差明顯區與研究區斷裂帶位置具有一定的對應關系.研究結果可為廈門島的構造演化研究和地質災害評估提供新的科學依據.
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基于熱重力改正的接收函數與重力聯合估計技術及福建地區的應用
唐晗晗, 郭良輝, 李永華
2024, 67(7): 2668-2682. doi: 10.6038/cjg2023R0204
摘要：接收函數與重力聯合估計技術是擷取台站下方地殼厚度和波速比參數的一種有效手段,重力資料的引入可改善傳統接收函數H-κ疊加法在殼内多次波信号不清晰時估計不準的問題.在大地熱流較高的地區,熱重力擾動成為布格重力異常的不可忽略的重要組成部分,此時正常接收函數與重力聯合估計技術并不适用.本文給出基于熱重力改正的接收函數與重力聯合估計技術,通過熱重力改正削弱熱異常對重力資料的影響,同時采用接收函數Ps震相與重力資料的聯合限制算法,避免多次波不清晰而引入誤差的問題,實作高熱流背景地區地殼厚度和波速比的有效估計.模型測試驗證了本文技術的有效性和穩健性,給出了啟動熱重力改正的門檻值(-10 mGal).典型高熱流背景的福建地區實際資料應用結果表明,福建地區地殼向沿海地區減薄(約28 km),閩西和閩東南地區泊松比偏高(＞0.26),暗示其下方存在地殼減薄的同時伴随着幔源物質的底侵.
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方向性效應對2022年四川泸定MS6.8地震主餘震長周期地震動的影響
張峻傑, 馬強, 解全才, 林德昕, 陶冬旺
2024, 67(7): 2683-2696. doi: 10.6038/cjg2024R0453
摘要：2022年四川泸定MS6.8地震主震是一次較為典型的近垂直斷層走滑型地震,為研究地震動強度的方向性效應,本文利用震中距100km範圍内121台強震儀和地震烈度儀的加速度記錄,與中國西南地區衰減模型的預測結果進行了對比,利用譜加速度殘差的分布對長周期地震動進行了分析,并與兩次震源機制不同的餘震進行了對比.結果表明:泸定主震的方向性效應明顯,在周期T=1.5~3 s,東南向的向前放大效應顯著;在周期T=0.5~1.5 s,西北向的向後方向削弱效應顯著;方向性效應在傾滑型的餘震中沒有明顯展現;不同走滑型地震的方向性效應在不同周期展現不同,泸定主震在T=0.5~4 s的方向性效應較其他長周期段更大,對比2022年的馬爾康系列地震和2016年日本熊本地震,前者分别集中在T=2 s和3~6 s,後者方向效應随周期增大而增大.
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利用遠震面波估計涼山州地震綜合觀測鑽孔應變儀的耦合系數
王曉蕾, 薛兵, 朱小毅, 崔仁勝, 李江, 席繼樓, 張兵, 高尚華, 陳全勝
2024, 67(7): 2697-2711. doi: 10.6038/cjg2023Q0790
摘要：分量鑽孔應變觀測中的耦合系數(A、B)對于定标應變觀測量具有重要意義,本文通過中國地震科學實驗場深井地震綜合觀測項目積累的地震儀與應變儀共點觀測地震波資料,驗證了鑽孔應變觀測面波标定方法的可行性.利用三個觀測台站的多個遠震記錄,開展了多頻點面波标定實驗,所擷取的耦合系數對比理論固體潮标定結果具有更好的穩定行和合理性.本文的研究結果表明,提高現有鑽孔應變觀測台站的采樣率至不少于1 Hz,深入開展遠震應變地震波和共點(或近場)地震儀的面波記錄對比研究,有利于擷取全頻段的耦合系數結果,對于提高應變觀測資料的準确度及其深入應用具有重要意義.
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利用深度學習與實體特征預測儀器地震烈度
鄭周, 林彬華, 金星, 于偉恒, 李軍, 韋永祥, 王士成, 李水龍, 周施文
2024, 67(7): 2712-2728. doi: 10.6038/cjg2023R0521
摘要：快速準确地預測記錄台站的儀器地震烈度,并在地震預警過程中向潛在使用者提供及時和準确的警報至關重要.本文提出了一種結合深度學習和實體參數特征的算法,用于更可靠地預測儀器地震烈度.收集并處理了2001—2021年日本K-NET和KiK-net強震儀台網記錄的3386次地震事件作為研究樣本.對這些地震事件進行截取、基線校正、品質篩選等預處理,共得到25714條三通道地震波形.使用18000條地震記錄(90%訓練,10%驗證)建構了一個窗長為3秒的儀器地震烈度預測模型(CNN-PP),并對7714條地震記錄進行了測試.結果表明,CNN-PP模型在預測儀器地震烈度方面優于傳統的單一特征參數方法.此外,離線震例測試結果顯示,CNN-PP模型的報警成功率達到95.03%,沒有出現誤報情況,為解決地震預警儀器地震烈度的測定提供了一種潛在方法.
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日本海溝俯沖帶海底地震動累積能量參數的條件預測模型
張文斌, 胡進軍, 胡磊
2024, 67(7): 2729-2743. doi: 10.6038/cjg2023R0382
摘要：阿裡亞斯強度(IA)、累積絕對速度(CAV)和峰值地面加速度(PGA)已被廣泛用作地震動強度的評價名額. 為了研究海底地震動特征及其能量累積效應,采用日本海溝區域的138次淺地殼地震的2605組三分量記錄、125次俯沖闆内地震的2669組三分量記錄和267次俯沖闆間地震的5693組三分量記錄來建立IA-PGA和CAV-PGA條件模型, 并研究其對震級(MW)、震源機制、斷層距(Rrup)、海水深度(DW)以及剪切波速(VS)等于1.5 km·s⁻¹的深度(D15)等解釋變量的潛在依賴性. 基于條件模型, 建立了海域的IA和CAV地震動預測方程(GMPE). 研究結果表明: 各個解釋變量對條件模型有着不同影響, 震級為主要影響因素; 震級對海域的能量累積效應影響較大, 随着震級增大, 能量累積效應越大. 通過基于條件模型得到IA和CAV預測模型與現有陸域的IA和CAV模型進行了比較, 在相同震級和距離下, 海域的能量累積效應要大于陸域. 本文提供了海域的從PGA估算IA、CAV的方法, 能用于損傷預測和評估、地震預警(EEW)和海嘯預警等.
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祁連造山帶中生代古地磁新結果及其地質意義
譚金生, 王彬, 段亮, 孟慶任, 劉萍
2024, 67(7): 2744-2760. doi: 10.6038/cjg2024R0712
摘要：祁連造山帶位于青藏高原北部,儲存了古特提斯洋和新特提斯洋關閉過程的遠端構造響應記錄.為了确定祁連造山帶多期次構造響應事件的變形特征,本文在南祁連構造帶天峻縣中三疊世及北祁連構造帶祁連縣早白垩世地層中進行了詳細的古地磁學及岩石磁學研究.實驗結果顯示,三疊紀樣品分離出了穩定的高溫特征剩磁并在樣品水準下通過了倒轉檢驗,白垩紀樣品分離出的高溫特征剩磁通過了褶皺檢驗.代表了岩石形成時的原生磁化,相對應的古地磁極為:(T2: 82.3°N, 223.6°E, A95=4.8°; K1: 65.9°N, 188.3°E, A95=6.2°).對比同時代阿拉善、華北古地磁資料表明:中三疊世之後,天峻地區相對于阿拉善參考極發生了20.2±6.8°的順時針旋轉.早白垩世之後,祁連地區相對于華北參考極沒有發生明顯的塊體旋轉(0.3±8.6°).結合前人的研究成果,我們認為晚侏羅世-早白垩世拉薩/歐亞碰撞的遠端效應造成祁連造山帶東西兩側發生差異性構造縮短活動(西段以逆沖推覆構造縮短為主,東段以走滑活動為主),進而造成祁連整體發生順時針旋轉.早白垩世之後,祁連西段阿爾金斷裂附近及東段西甯—蘭州盆地發生區域性構造旋轉,祁連主體以NE向構造縮短為主.
應用地球實體學
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采用非穩相偏振濾波的DAS-VSP資料P/S波分離方法及其應用
王騰飛, 程玖兵, 孟濤, 曹中林, 胡善政, 段鵬飛
2024, 67(7): 2761-2772. doi: 10.6038/cjg2023R0564
摘要：分布式光纖聲學傳感(DAS)因成本低、易布設以及高密度采樣等優勢正成為重要的地震觀測技術,尤其是越來越多地與垂直地震剖面(VSP)結合,用于主動地震勘探或被動地震監測.DAS傳感器通過感覺彈性波場産生的軸向應變或應變速率來觀測地震波場振動.然而,目前單分量DAS-VSP資料未完整地記錄地下彈性波場的三維矢量振動信号,是以如何從中分離出P波或S波用于後續地震成像與參數反演是重要且很有挑戰的課題.以彈性波傳播理論為基礎,本文根據P波和S波的頻散關系估算接收點處各自的偏振方向,通過随頻率和空間位置變化的偏振濾波實作DAS-VSP資料的P/S波分離.理論模型合成資料與東海實際DAS-VSP資料實驗結果表明,該方法能有效地将P波和S波信号從單分量DAS-VSP資料中分離出來,可為後續縱橫波速度反演、PP與PS波成像提供關鍵的資料預條件處理.
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一般各向異性媒體中qS1和qS2波波前分離
李興旺, 王迪, 白超英
2024, 67(7): 2773-2784. doi: 10.6038/cjg2023R0482
摘要：地震波在各向異性媒體中傳播時存在橫波分裂現象,可用于研究岩石中地震波傳播特征和了解地下媒體各向異性參數.一般各向異性媒體中計算三種地震波(qP,qS1,qS2)相速度和群速度的研究日趨成熟,但分離qS1和qS2波的波前仍然是一項具有挑戰性的工作.為此,本文基于新近給出的一般各向異性媒體中三種波(qP,qS1,qS2)群速度的解析計算公式,依據相速度光滑連續的條件給出相鄰方向上qS1和qS2波識别方法;為避免數值計算誤差造成識别錯誤,建構了置信度函數,并借鑒快速行進法的思想逐點進行判别以分離qS1和qS2波的波前,最終得到三種波(qP,qS1,qS2)各自獨立且完整的波前面.多個數值模拟試驗結果表明,該算法适用于不同類型各向異性媒體,且不受波前複雜程度的影響,具有較高的穩定性,可為一般各向異性媒體中多次波射線追蹤、多震相走時反演以及橫波分裂研究等提供算法支援.
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FISTA架構下基于構造導向空變中值濾波的含異常噪聲地震資料重建
張元鵬, 周輝, 張強, 方金偉
2024, 67(7): 2785-2801. doi: 10.6038/cjg2023R0456
摘要：受實際環境、采內建本等因素的制約,野外觀測的地震資料經常出現不規則缺失的現象.為了給後續地震資料處理和成像提供完整的資料,勢必要對缺失地震道進行插值重建.基于稀疏變換的插值方法被廣泛用于地震資料重建,但傳統的基于稀疏變換的插值方法對異常噪聲非常敏感,當采集資料中存在異常噪聲時會嚴重影響該方法的重建精度.為了克服這一問題,本文在快速疊代門檻值收縮算法(FISTA)架構中引入構造導向中值濾波技術,提出了一種能同時壓制異常噪聲并對缺失地震道進行高精度重建的插值方法.該方法在FISTA的每次疊代中都對地震信号沿其局部傾角方向進行中值濾波以衰減異常噪聲并最大限度地保護有效信号不被損害.得益于此,新方法可對含異常噪聲的欠采樣地震資料進行高精度重建.模型和實際資料測試均表明,當采集資料存在異常噪聲時,新方法在插值精度和穩定性方面均優于傳統稀疏促進插值方法.
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潛江組頁岩彈性性質分析及各向異性岩石實體模組化
闫博鴻, 趙建國, 肖增佳, 鐘慶良, 歐陽芳, 王斌, 李智, 馬銘
2024, 67(7): 2802-2819. doi: 10.6038/cjg2022Q0724
摘要：岩石實體模組化是定量描述頁岩油氣儲層彈性性質的重要手段，然而不同地質成因、不同相态油氣藏的彈性響應機理存在差異，需要結合岩石實體實驗與地質特征分析予以明确，進而合理地開展理論模組化研究. 本研究針對江漢盆地潛江組鹽間頁岩油儲層，綜合數字岩心微觀結構表征與岩心測試分析，在考慮研究區地質背景、岩石學特征、孔隙結構特征與彈性各向異性規律的基礎上，提出了一套各向異性岩石實體模組化流程，聯合岩心資料與測井資料對本文建構的岩石實體模型以及由此獲得的岩石實體解釋量版進行了驗證. 進一步，基于該各向異性岩石實體模型與Metropolis-熱浴算法提出了一種各向異性參數反演政策，并在潛江凹陷B井潛四下段展開應用，預測的縱、橫波速度平均相對誤差分别為–1.32%和–2.39%. 研究結果表明，礦物的紋層特征、黏土的定向排列以及水準層理縫的存在共同影響着潛江組頁岩的各向異性，将各向異性SCA、Backus平均、T-matrix理論組合後建立的岩石實體模型能夠比較準确地描述潛江組頁岩彈性響應規律. 此外，基于該各向異性岩石實體模型的反演可以獲得不同類型的孔隙含量、層理縫縱橫比及各向異性，結果可為頁岩儲層力學性質評價、精确的速度模組化以及工程地質參數分析提供依據.
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頻率矯正廣義S變換及在儲層含油氣性預測中的應用
劉乃豪, 魏聖焘, 張澤洲, 楊陽, 王治國, 劉镕菖, 路漫, 高靜懷
2024, 67(7): 2820-2829. doi: 10.6038/cjg2024R0579
摘要：随着大陸油氣勘探程度的不斷加深,陸相頁岩油氣等非正常油氣逐漸成為大陸勘探開發的重點,陸相頁岩非均質性強、儲層薄且縱橫向變化劇烈等典型特征導緻含油氣性預測精度差,影響後續井位部署和生産等.時頻變換方法是儲層含油氣性預測最有效的工具.為了提高儲層含油氣性預測的精度,本文提出了一種頻率矯正廣義S變換(Frequency-Corrected Generalized S-Transform,FCGST),該變換既具有S變換多尺度多分辨率的特性,又可以通過自适應選取窗函數參數以控制窗函數的帶寬和主頻等,這一特性可以适用于不同工區地震資料的處理與解釋.與傳統的S變換和廣義S變換不同,該變換修正了傳統S變換和廣義S變換中的尺度因子,改善了S變換和廣義S變換等傳統方法中時頻譜主頻向高頻方向偏移的問題,有利于精确描述複雜儲層含油氣性.合成資料算例表明,頻率矯正廣義S變換提升了地震信号局部時頻特征的表征能力;将頻率矯正廣義S變換應用于鄂爾多斯盆地某工區儲層含油氣性預測中,實鑽結果資料進一步驗證了該時頻分析方法在儲層含油氣性解釋中的有效性和潛力.
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地震疊後和疊前混合驅動下的頁岩油儲層多尺度裂縫預測方法
陳剛, 李世昌, 宋斯宇, 李映豔, 何吉祥, 唐廷明, 朱福玉, 趙楊, 盧明輝
2024, 67(7): 2830-2849. doi: 10.6038/cjg2023Q0910
摘要：不同尺度、不同類型的天然裂縫的系統性表征有利于識别優質儲層、改進開發效果.建立可靠的多尺度裂縫模型是提高頁岩油儲層鑽遇率的重要依據,其關鍵在于精細預測小尺度裂縫的空間分布,指導鑽井鑽進和壓裂過程.然而,基于地震屬性的傳統裂縫預測方法隻能各自突出單一尺度的斷裂,不同裂縫屬性的數學獨立性給綜合裂縫系統的識别帶來嚴峻挑戰.我們提出一套改進的全尺度裂縫系統評估方案,其關鍵在于通過優化的各向異性蟻群裂縫識别算法确定小尺度裂縫的發育機率,将小尺度裂縫的發育機率與傳統螞蟻追蹤産生的大尺度斷層的機率進行融合,得到的綜合裂縫系統可以實作全尺度裂縫的感覺.詳細的屬性分析過程表明,方位各向異性能夠精确描述微觀裂縫特征.基于此,我們将各向異性分析得到的裂縫密度和裂縫走向融入蟻群追蹤裂縫的各個階段,在提高裂縫密集區搜尋強度的同時,還對小斷距裂縫的發育方向實作了精準刻畫.針對頁岩油藏的應用案例證明,根據改進方案得到的全尺度裂縫系統能夠同時表征大尺度斷層、小裂縫和裂縫破碎帶的分布情況.研究區的成像測井結果進一步驗證了小尺度裂縫預測發育方向的準确性及可靠性,能夠為頁岩油水準井開發部署提供理論指導.
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基于分布式光纖聲傳感火車噪聲屬性的車型識别及運作規律
鄭興鵬, 邢磊, 張漢羽, 徐團偉, 劉懷山, 吳時國
2024, 67(7): 2850-2862. doi: 10.6038/cjg2024R0573
摘要：火車運作時産生強烈的移動噪聲傳播至地下空間,形成一種綠色環保、強能量的人工地震波.由于載荷系統形态基本固定,火車運作時間規律,震源重複性高,這種火車震源被廣泛應用于軌道安全監測、近地表成像和城市地下空間探測等領域.分布式光纖聲傳感是一種新興的地震采集技術,擁有密集采樣、布設簡單、抗電磁幹擾能力強等優點,近年來在城市交通事件微震監測、裂隙探測和地下空間成像領域逐漸應用.本研究基于分布式光纖聲傳感技術獲得的秦皇島試驗場火車移動噪聲資料,拾取了30個火車交通事件,開展火車噪聲視速度、波形和頻譜、能量時空變化的屬性分析.結果表明:試驗區光纖傳感的火車噪聲具有明顯的屬性差異,低速度重載荷的火車比高鐵引起的地震振幅更大、能量更強,低速火車産生的噪聲包含了豐富的低頻資訊;根據已知的視速度、振幅屬性、時頻屬性,劃分了4種類型的火車,并揭示了它們的進出站規律.本研究拓展了分布式光纖傳感的應用場景,證明分布式光纖聲傳感有望應用于不同車型的通勤監測.
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海底地震儀資料丢失異常及内部時間校正
李子正, 丘學林, 張佳政, 賀恩遠, 王強, 張浩宇
2024, 67(7): 2863-2873. doi: 10.6038/cjg2022Q0513
摘要：TS03航次使用國産海底地震儀（Ocean Bottom Seismometer，OBS）在馬裡亞納海溝南段進行了一系列主動源和被動源地震作業，旨在擷取跨越海溝的殼幔結構和地震活動性. 但在資料處理過程中，我們發現POBS04台站地震剖面的直達水波到時異常，給接下來的計算模拟工作帶來困難. 為此，本文計算了直達水波理論到時，對比SAC檔案中氣槍信号到時，以此進行異常資料的檢查分析. 結果表明，POBS04台站記錄過程中發生了部分資料丢失，進而造成其内部時間存在錯誤，展現在SAC檔案中氣槍信号到時提前，以及相鄰資料檔案之間存在數十秒的時間間隔. 是以，本文在SAC軟體中将整段氣槍信号進行延後，使其可以和直達水波理論到時準确對應；之後再進行裁截、分道排列和SEGY格式轉換，最終得到了正常的單台地震剖面. 這項研究發現了一種新型資料異常，為後續準确的OBS位置校正和地殼結構計算模拟提供了可靠的資料保障，也為國産儀器的改進及其異常資料修複提供了新的參考.