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地球物理学报
地球物理学报

刘光鼎

月刊

0001-5733

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010-82998105

100029

北京市9825信箱

地球物理学报/Journal Chinese Journal of GeophysicsCSCD北大核心CSTPCDEISCI
查看更多>>本刊为专业学术性刊物。报道地球物理学领域的研究成果，刊登论文、研究简报及综述等。内容涉及地震及地球内部物理学和化学、地磁及空间物理、重力及大地测量学、大地构造物理学、地球动力学、勘探地球物理、海洋及大气物理等方面。读者对象为地球物理及其相关学科的科学技术工作者和大专院校师生。
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    沁水盆地构造煤弹性各向异性及裂缝特征研究

    龚飞王国伟康武江彭苏萍...
    3544-3555页
    查看更多>>摘要：煤的弹性及其各向异性特征是煤层气储层预测的基础,由于煤矿物组成和孔隙结构十分复杂,其弹性及其各向异性性质不够明确.因此,本文选取沁水盆地四组中高阶构造煤,在不同围压条件下对垂直层理、平行面割理、平行端割理和与层理呈45°四个方向的柱塞样开展了超声速度测试,分析煤样的弹性及其各向异性特征.结果表明:煤样速度随围压呈非线性增加,不同方向速度应力敏感性差异较大.煤样速度存在明显的各向异性,垂直端割理方向的速度最大,垂直层理方向最小.煤样在面-端割理方向速度差异均小于5％,远小于平行层理方向与垂直层理方向之间的速度差异,可被近似当作横向各向同性介质.煤样速度各向异性参数与围压呈负相关,压力增加导致的各向异性变化量远小于最高压时速度各向异性,说明层理是煤样各向异性的主导因素,裂缝的存在增强了煤样的各向异性.此外,我们对煤样不同方向的裂缝密度进行了定量表征,并讨论了与弹性及其各向异性特征之间的关系.研究结果可为煤层气储层各向异性反演及面-端割理识别等提供岩石物理支撑.

    构造煤弹性性质各向异性裂缝

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    基于径向多项式密度Tesseroid体的大尺度重力场快速正演计算

    欧阳芳陈龙伟邵志刚
    3556-3575页
    查看更多>>摘要：在大尺度重力模拟中,为了考虑地球曲率的影响,通常将质量体沿经度、纬度及径向方向剖分为多个Tesseroid体,然后根据叠加原理将所有Tesseroid体重力效应之和近似为质量体的总重力场.在现有大多数方法中,总重力场的计算一般通过将各Tesseroid体的重力效应直接累加获得,尽管这种做法十分简单,但对于大尺度的复杂密度模型,其计算量十分巨大.为此,本文充分利用重力位、重力加速度及重力梯度张量核函数积分在经度方向的卷积特性,提出一种基于快速离散卷积算法和优化重力公式的高精度大尺度重力场模拟方法.该方法采用具有径向任意阶多项式密度的Tesseroid体来描述复杂密度分布,并以变密度Grombein优化公式为基础进行重力场正演模拟,从而有效克服经典球坐标系重力公式引起的极轴观测点奇异问题;同时联合Gauss-Legendre求积(GLQ)和水平方向的自适应网格剖分,实现重力积分的高精度计算,最后结合快速离散卷积算法获得质量体的重力效应.本文方法的加速策略通过如下途径实现:①假定经度方向的Tesseroid体具有相同尺寸,观测点位于同一高度且其采样间隔与Tesseroid体尺寸相等,由此建立与重力积分核对应的Toeplitz权系数矩阵,并利用Toeplitz对角线元素相等的特性,计算其第一列和第一行元素来复原完整矩阵,以此大大降低计算内存及计算时间;②利用基于FFT的离散卷积算法实现权系数矩阵与密度矩阵乘积的快速计算,从而进一步提高计算效率.数值算例表明,本文方法可实现近地表至卫星高度重力位、重力加速度及重力梯度张量的高精度计算,且其计算效率相较于直接累加法高出约3～4个数量级.该方法在WINTERC-G全球模型重力效应计算中的应用进一步证实了算法的可靠性和灵活性.本文快速算法是经典3D-GLQ方法的重要补充,对研究大尺度重力正反演问题、地形效应及地球内部结构等有重要意义.

    区域及全球尺度重力效应模拟FFT加速径向多项式密度Tesseroid体球坐标系

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    高磁导率楔形体外磁标势的分数阶微积分形式

    王瑞健随阳轶嵇艳鞠
    3576-3587页
    查看更多>>摘要：在二维情形下,线电荷与导电楔形体的电势分布可用分数阶导数来表示.本文将电的情形推广到磁中,研究了线磁偶极子磁化高磁导率楔形体后的磁标势,将它的表达式用分数阶导数表示,并使用Ansys仿真软件验证.进一步地,在地球物理中,强磁性对称背斜的顶端附近可近似成楔形体,如果它被均匀地磁场磁化,它的磁标势同样也可以用分数阶微积分表示.这两种情况下的磁标势表达式表明,式中的分数阶微积分因子只与楔形体本身的形状有关,而与外部磁场无关.分数阶微积分阶次取决于楔形体尖端角度,一般不是整数,体现了分数阶微积分的过渡性质.

    分数阶微积分高磁导率楔形体磁标势过渡性质

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    改进YOLOv5的探地雷达常见地下管线识别

    王惠琴罗佳何永强曹明华...
    3588-3604页
    查看更多>>摘要：针对当前探地雷达(Ground Penetrating Radar,GPR)图像识别准确率低,且小目标识别困难等问题,本文将YOLOv5(You Only Look Once)和ConvNeXt网络相结合,提出一种适用于GPR图像的常见地下管线识别网络ConvNeXt-YOLOv5,显著提高了雷达图像中小目标的识别精度.同时,为了解决因地下管线原始信息不足而导致的模型训练精度低的问题,使用实测GPR图像、时域有限差分法(Finite-Difference Time-Domain,FDTD)与混类增强算法Mixup模拟图像构建数据集.然后,在此数据集上验证了本文所提方法对常见地下管线的识别效果,并用识别后的二维GPR B-scan图像还原出地下管线的三维图像.实验结果表明,对镀锌输水钢管、PVC管、电缆线和含水塑料瓶等常见地下管线进行识别时,ConvNeXt-YOLOv5表现出优良的识别性能.尤其是对PVC管的识别精度提升明显.与YOLOv4、YOLOv5、YOLOv7和Faster R-CNN模型相比,其平均精度均值分别提高了 3.83％、2.82％、1.9％和3.72％.同时,三维探地雷达图像更直观的还原了地下管线信息.

    探地雷达地下管线深度学习ConvNeXt三维显示

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    直流电阻率法三维各向异性多尺度有限元数值模拟

    齐彦福伍亮曹华科李貅...
    3605-3617页
    查看更多>>摘要：在使用传统数值方法模拟大规模各向异性复杂地质模型三维直流电场分布时,需要进行大范围精细网格剖分,导致计算量巨大.为了提高计算效率,本文开发了直流电阻率法三维各向异性多尺度有限元正演模拟算法.通过在多尺度网格上并行求解局部偏微分方程的边值问题,构造多尺度基函数,将小尺度电性信息反映到大尺度上.然后,通过在大尺度粗网格上求解原电流传导问题,实现大规模复杂介质模型快速正演.针对由于网格大小与非均质目标尺寸相近引起的共振效应,本文采用过采样技术,压制共振误差,提高多尺度有限元法的计算精度.为了检验本文算法的准确性,我们首先建立了各向异性层状介质模型,通过与解析解进行对比,验证了本文算法的精度.在此基础上,建立了具有复杂结构的三维各向异性电阻率模型.通过与精细网格上传统有限元正演结果进行对比,我们发现本文算法在保证计算精度的同时具有更高的计算效率.最后,进一步分析了过采样技术以及多尺度网格粗细比对多尺度有限元算法的数值精度和计算效率的影响,进而为多尺度有限元最佳参数的设定提供指导.

    多尺度有限元各向异性直流电阻率三维正演过采样

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    自然电位法实时监测地下流体运移实验研究

    谢静崔益安郭友军
    3618-3629页
    查看更多>>摘要：查清地下流体运移的规模和渗透路径对工程渗漏检测以及水文地质调查具有重要意义.流体流动产生的动电效应会引发电荷的自然极化,通过定性或定量解释自然电位信号可表征地下水流的运移情况.本研究基于三维多通道自然电位观测系统搭建了室内沙箱实验平台,通过沙箱进水和排水试验,实时监测了非饱和-饱和以及饱和-非饱和过程的自然电位信号.实验结果表明自然电位偶极性分布特征与流体运移方向有着显著的相关性,符合动电效应理论.采用最小二乘正则化梯度算法反演实验测量数据,获得流动电流源密度并解释沙箱内部水流分布.此外还对野外堤坝渗流过程的自然电位数据进行类似的定量解释,反演的流动电流源所构建的水流指向与现场观测一致.本文从理论、方法、室内实验以及野外实测数据处理等多个角度论证了自然电位法在渗流监测中的效用,表明自然电位法是一种极具潜力的地下流体运移探测工具.

    自然电位实时监测流体运移物理实验梯度反演

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    钻孔瞬变电磁法拟地震全波形反演

    薛俊杰程久龙韩杨春
    3630-3639页
    查看更多>>摘要：钻孔瞬变电磁法是将发射与接收装置布置于钻孔中,因距离目标体近,探测精度得到提升,有利于煤矿钻孔周围含水体精细探测.常规的钻孔瞬变电磁法通过多分量响应近似判断异常体方向,难以对异常体的边界位置进行刻画,而且因瞬变电磁场的扩散特征,常规的反演方法对地质异常体的边界位置分辨率偏低.针对以上问题,结合钻孔瞬变电磁法扫描探测定位方法,通过波场转换将钻孔瞬变电磁法数据转换成虚拟波场数据,然后进行全波形反演与成像.针对虚拟波场直达波能量较强且属于干扰波,采用剪切波变换去除虚拟波场直达波,避免了虚假界面;其次由于波场转换过程中核函数病态性强的特点,引入虚拟电导率,降低了虚拟波场速度,从而降低了波场转换核函数病态性;为了对虚拟波场进行高精度反演与成像,分别采用阻尼最小二乘法和伴随状态法实现虚拟波场全波形反演.结合钻孔瞬变电磁法探测的数值实验得出阻尼最小二乘全波形反演方法的反演结果更加准确,可以实现对钻孔孔壁外围地层信息的精细刻画,提高了钻孔瞬变电磁法扫描探测的效果.

    钻孔瞬变电磁法虚拟波场全波形反演扫描探测

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