中国中、西部城市或城镇居民区有很多位于山前冲积扇形成的冲积平原之上,揭露冲积扇的地质结构和稳定性对城市建设规划和土地合理利用具有重要意义。六盘山东麓冲积扇上分布有固原市城镇居民区和村落,人口密集。冲积扇发育多套事件沉积层,记录了构造活动和气候转变控制下冲积扇的活动性特征。本文通过野外地质调查、光释光测年、可控源音频大地电测深和常规氡气测量等手段,揭露了六盘山东麓冲积扇地层结构,厘定了晚更新世以来两期事件沉积层,沉积时代分别为~43.33 ka B.P.和22.92~20.72 ka B.P.。基于可控源音频大地电磁测量和常规氡气测量结果,揭示在海原断裂带和清水河断裂活动的影响下,六盘山东麓冲积扇至今仍存在较高活动性。该研究结果可以为六盘山地区地壳稳定性评价、地质灾害防治和工程设施建设提供基础数据支撑。

构造叠加晕找盲矿法是以攻深找盲为目标,在研究原生晕找盲矿理论——原生晕轴向分带基础上,提出了“原生叠加晕理论”和“构造叠加晕理论”两个新理论而开创的找盲矿新方法。构造叠加晕预测盲矿的准确性决定于预测标志与指标的正确性。本文在总结100多个热液矿床深部盲矿预测的构造叠加晕7条共性标志的基础上,将4条可定量化的重要定性预测标志提升为定量化预测指标,详细阐述了在矿区深部及外围精准预测盲矿和判别矿体剥蚀程度的17种情况不同组合的构造叠加晕预测标志与指标,并建立了预测盲矿和判别矿体剥蚀程度的构造叠加晕实用理想模型。该模型中共性预测标志与指标对典型热液矿床深部盲矿预测具有重要的指导意义,在100多个矿山应用中取得了显著的找矿效果,累计找到金金属量突破340 t,实践证明了构造叠加晕理论与预测指标—标志的正确性及准确性。

通过地震反射剖面和钻井等资料,厘定了二连盆地塔北凹陷反转构造类型和样式,进而探讨了构造反转成因机制及其与砂岩型铀矿之间的关系。结果显示:塔北凹陷东部和西部遭受了不同程度的正反转构造作用,东部发育典型的反转构造样式,西部巴彦乌拉、芒来等地区沿反转断层F₁上盘的赛汉组被抬升,近乎被完全剥蚀,原有的反转构造几何形态被破坏。在早白垩世赛汉组晚期(113~98.9 Ma)及晚白垩世—古新世初(66~42 Ma),古太平洋板块俯冲方向由NW转为NWW向,二连盆地塔北凹陷应力状态由伸展转变为挤压反转,形成一系列压性、压扭性构造,赛汉组及上白垩统被抬升剥蚀,形成区域性的角度不整合。构造反转作用一方面造成塔北凹陷赛汉组沉积体系由湖相转变为河流相,另一方面导致赛汉组与上覆地层差异性升降并遭受不均衡剥蚀,形成剥蚀天窗,有利于含铀、含氧流体向深部深入和流动,控制了层间氧化带的形态和发育,促进了铀矿富集。

山西运城盐湖区地热田埋藏于人口稠密的城区下方,影响了该地热田的进一步勘查和开发。基于盐湖区地热田深部地温梯度西南高、东北低的分布特征,在运城盐湖区城镇南部设计1条NE向微动剖面,旨在探测盐湖区地热田的深部热储结构及NW向构造展布情况。微动二维速度结构剖面显示,在剖面东部存在一明显的低速异常体,应是由多条NW向张性断裂所形成的断裂破碎带所引起。该隐伏断裂破碎带与盐湖区地热田东北部的低地温梯度异常在空间上大致对应,推测该断裂破碎带可能促使地表冷水快速下渗,从而降低研究区东北部深部岩石的温度,形成较大规模的低温异常带。此外,微动方法揭示的断裂在研究区另一可控源反射地震剖面中可以追溯到,两种方法可以相互补充和验证。本次研究在前人工作的基础上进一步揭示了运城盐湖区地热田的深层地热结构和构造,为该区地热田的勘查和资源评价提供了更多的依据和指导,同时还证明了微动勘探技术在城市地质地热研究中的有效性和优越性。

在塔里木盆地勘探程度较低的探区,地震地质条件复杂,多次波发育广泛,特别是受古生界膏岩等强反射界面产生的层间多次波影响,破坏了奥陶系地层真实信息的成像,导致奥陶系碳酸盐岩裂缝孔洞型储层成像不清晰,影响了地层解释。精确对玉北地区层间多次波预测及压制是多次波处理的难题,制约了该区油气勘探部署。常规的层间多次波预测每个反射界面产生的多次波,其运算量大且效果不理想。为此,提出模型法自适应层间多次波压制技术,从层间多次波预测原理出发,利用模型正演结果,将产生多次波的主要反射界面作为模型层,采用逐层预测和压制的思路,最后采用自适应匹配相减技术进行压制。实际资料处理结果表明,本文方法能够有效预测和压制有影响的层间多次波,消除多次波干涉效应,解决了穿层现象及平层产状问题,提高了地层构造、断裂和裂缝孔洞型储层成像精度。

在地震数据处理流程中,层间多次波的形成机理异常复杂,如何对其准确识别与有效压制一直是地球物理勘探领域中的一个难题。传统的层间多次波压制方法往往需要人工识别地下反射层,在地下介质结构复杂的情况下较难适用。而且这类方法不仅过程繁琐,在预测层间多次波时,通常只能保证时间位置一致,振幅大小往往与实际数据中的观测值不符,一般需要借助自适应匹配相减算法来消除层间多次波。基于Marchenko理论的层间多次波压制方法在处理过程中,通过格林函数的褶积相关互易定理构建聚焦函数与格林函数的波场关系,利用聚焦函数基于波场关系求解得到格林函数,最终得到格林函数构建的多次波或一次波,该方法在迭代进行多维相关和褶积计算过程中只需提供背景速度或原始数据本身作为算子,步骤简便,计算效率高。本文基于Marchenko方程利用格林函数构建一次波场的表达式,通过SMAART模型和墨西哥湾实际数据的测试证明了Marchenko方法能够有效压制复杂地下介质条件下的层间多次波,迭代计算过程中无须速度信息,相比常规方法具有较大优势,在处理难以区分层位的复杂地下环境时具有很好的应用前景。

传统大规模重磁位场数据正反演对计算机性能要求较高,同时计算效率较低。针对这一问题,本文定义了位场footprint判定方法,分析其影响因素,并首次提出了一种footprint-FFT位场正演策略。该算法从3个方面改善这一过程:①基于位场衍生性质计算核矩阵,大幅精简位场核矩阵大小;②引入并定义适用于位场的footprint概念,实现数据规模和核矩阵大小的“脱钩”,改善核矩阵计算效率和硬件成本;③在前两者基础上对计算区域划分子空间,首次提出footprint-FFT策略,实现子空间的位场批量计算,加速正演计算过程。该方法降低了核矩阵计算量和存储量,在大幅提高运算速度的同时,保证了计算精度。基于本文提出的方法,在笔记本电脑上实现了10多亿网格的位场快速正演,并在数分钟内完成计算。理论算例表明该方法效率高,同时对计算机的配置要求不高,在大规模位场数据正反演上潜力巨大。

为了解决传统电阻率反演方法依赖反演初始模型的选择、反演过程容易陷入局部极小且反演耗时较长的缺点,本文提出了一种基于Res-UNet神经网络的井地电阻率实时反演方法,通过Gmsh软件获得大幅扩展的正演响应数据集,并针对数据特性选取合适的网络参数进行反演实验。实验结果表明,Res-UNet算法能充分挖掘数据特性,快速获得符合地层电性特征的电阻率成像结果,在电阻率正演数据集上的预测值和正演响应的均方误差为0.019 44,在测试集上的均方根误差为0.075 8,与传统反演方法相比,成像结果有显著提升。基于Res-UNet网络的井地电阻率反演方法在仿真模型的反演计算中得到了较好的结果,能快速、准确地反演出地下异常体的位置和形态,且具有较好的抗噪声能力,为电阻率数据和真实地电结构之间的映射关系提供了一种新的方法和思路。

倾子矢量作为大地电磁测深法中的一个重要参数,适用于推断介质横向不均匀的断裂构造。地下断层构造一般具有三维性和复杂性的特点,为了揭示三维断层模型的大地电磁倾子响应特征,本文基于矢量有限元法开展了三维断层模型的大地电磁倾子响应数值模拟。首先,通过理论模型试算,并与前人的有限元法计算结果对比,验证了三维倾子正演计算程序的正确性。在此基础上,分别对直立断层、正断层、逆断层和走滑断层4种典型的三维断层模型进行正演模拟,获得倾子响应的实部、虚部、振幅和相位。模拟结果表明:在两种极化模式下,倾子实部、虚部和振幅响应特征对4种不同类型断层的性质、走向、倾向等信息反映效果明显,同时又表现了断层横向不均匀的边界位置,可作为判别断层类型和特征的重要依据;相比于倾子实部、虚部和振幅的响应特征,倾子相位响应特征较为复杂,难以有效反映断层特征信息。

在大地电磁法中,强干扰噪声限制了该方法还原真实地下结构的精度,会对后期资料解释造成不良影响。本文基于大地电磁时间序列的特点,对不同类型噪声的特征进行分析,提出了一种基于VMD(变分模态分解)与LSTM(长短时记循环神经网络)预测重构的信号去噪技术。首先通过VMD信号分解算法对原始大地电磁数据进行去基线漂移处理,对处理好的时间序列继续通过VMD分解为多个不同的模态IMFs,选用含噪声轮廓信息的RSE分量中无干扰数据训练LSTM时间序列检测模型,对RSE分量进行识别并标记含噪时间段,计算噪声的步长,将噪声信息传递给原始信号并截断删除。最后通过对IMFs训练LSTM多维预测模型,对空缺的位置预测不同模态下的信号,将所有模态输出结果叠加可得大地电磁预测信号,重构信号后针对VMD方法识别度不高的尖脉冲噪声进行二次信噪分离即完成去噪。通过该技术可精确识别大地电磁信号中的强干扰噪声,只针对噪声发生时间段进行处理,有效保护了信号中无干扰数据,且预测数据误差可控制在大地电磁信号数据处理的误差允许范围内,去噪效果显著。

如何有效地分离目标异常,减小过分离或者分离不足是重磁场分离的难点之一。为此,本文使用低秩稀疏分解的方法进行重磁异常场的分离,并且针对影响位场分离效果的平衡参数选择问题,提出了基于相关系数最小的平衡参数最优化估计方法。通过对理论重磁模型采用不同分离方法的试验结果进行分析,表明本文方法能够较好地分离区域异常和局部异常,显著地减小了传统滑动窗口平均、小波分析方法存在的分离不足或过分离现象。中国西部某矿区布格重力异常场分离的结果显示,分离的局部异常能够较清晰地反映出本区低磁性高密度的岩矿体。模型试验和实例分析表明,本文提出的方法提高了位场分离的准确性和实用性。

岩石物理数据反演能对岩石内部微观裂隙结构进行成像,可洞察岩土内部裂隙的随外界环境变化演化规律,是研究深部岩土灾变机理直观可靠的方法。文章介绍了岩石物理数据的采集系统和电阻率正、反演算法。基于上述工作,分别开展了岩石物理二维和三维反演成像的数值模拟工作,二维反演成像的数值模拟结果表明,该方法可刻画充填高电阻率和低电阻率的毫米级岩石裂隙;三维数值模拟结果表明,该方法对充填高电阻率和低电阻率的毫米级缝洞可进行精确定位和有效识别。针对微波破裂岩石样本,开展了砂岩加热破坏前、砂岩加热至熔融状态和砂岩从熔融状态至冷却3种状态下的数据测量和反演成像工作,初步揭示了微波加热砂岩裂隙变化规律,为研究深部岩土灾变机理提供了一种新的方法。

随着社会经济和科技的进步,在日常生活和工业领域,人们对于油气资源的需求不断增长,致密砂岩储层一直是勘探开发的重点。然而,致密砂岩储层参数和品质评价等问题仍然存在许多难点。本文通过对鄂尔多斯盆地神木气田太原组地层的岩石样品进行物性、孔隙结构、电性等实验测试,建立了孔渗关系模型、毛管压力预测模型和分类饱和度评价模型。此外,还基于I-Kr模型在井中获得了逐点变化的气水两相相对渗透率。提出了储层品质评价因子,综合考虑物性、孔隙结构和多相渗流能力,对目标研究区井段进行实际处理获得了较好的效果,该方法为致密砂岩储层品质测井评价提供了可靠的依据。

地形因素对大地电磁三维反演结果有显著影响,虽然前人在压制地形影响上已经取得了丰富的研究成果,但在复杂地形(高程变化大)的网格剖分上还存在设计网格复杂与数据高程点校正困难的问题。本文针对主流大地电磁三维反演模块ModEM,提出了一种基于无监督学习的快速带地形网格自动设计剖分新方法,核心内容包括K-means++算法和聚类效果评价,与不考虑地形的均匀分层、等比分层方法相比具有以下优点:①基于聚类的分层方法生成的地形网格具有更高的地形近似度,将地形网格与实际地形之间的平均误差降低了25%;②一定程度上避免了数据高程地形改正的匹配计算;③不仅可用于快速的设计地形网格,其分层特点还可以被参考用于其他建模软件的网格剖分。利用该方法演示了某矿区复杂地形高程数据剖分的全部流程,生成了更能代表实际地形特征的电阻率结构模型,并基于该模型获得了更加精细的三维反演结果。理论和实际应用说明该方法极大地提高了网格剖分的地形适应性,对于压制大地电磁三维反演地形影响具有重要的意义。

AVO反演以Zoeppritz方程为基础,可从叠前地震资料中提取多种隐藏的岩石物性参数。在地震资料中,角度数据是以偏移距形式记录的范围值,两者相互转换容易产生计算误差;在不同工区使用同一套近似式,适用性会受到实际地质条件影响;而精确Zoeppritz方程较复杂,会产生更大的计算量。为此,构建一种基于二次编解码网络的适应性叠前反演方法,利用深度学习极强的特征关系提取能力代替传统关系式,来弥补角度误差,适应不同工区、不同地质条件的差异。该网络以二次型算法为优化算法,改进了常规编码—解码(Encoder-Decoder)结构,达到效率最大化;同时结合Xavier方法让模型初始化更具随机性,提高网络抗干扰能力。结果表明,通过正交试验优选后的二次编解码网络比单解码网络预测效果更好,与实际测井曲线吻合程度更高,反演所得的纵、横波速度和密度成果剖面均符合研究区地质情况,横向连续性强,能够实现高效、高稳定的叠前反演任务。

海洋电火花震源地震资料具有噪声干扰发育、子波形态复杂和电缆羽状漂移与起伏导致的信号畸变及多次波干扰严重等问题,严重影响了资料的成像品质。本文根据海洋电火花震源数据特征与处理难点,建立了海洋电火花数据处理流程,详细介绍了流程中的关键技术,如LIFT高保真噪声压制技术、电缆漂移校正技术、地表一致性模拟退火静校正技术、子波处理技术、自由表面多次波压制技术等。实际应用效果表明了该处理流程能够有效解决海洋电火花震源地震资料处理中的难题,提高资料的信噪比,恢复地震数据的子波频带,得到宽频成像效果好、地质现象清楚的地震剖面。该处理方法为海洋宽方位地震资料的应用提供了新的技术手段。

鄂尔多斯盆地马四段白云岩储层具有厚度较薄、致密、孔隙形状复杂、非均质性显著、地震响应相对较弱的特征。储层地震预测机理尚存疑,流体识别具有一定困难。传统的单一属性地球物理方法未能准确预测流体,因此我们以对孔隙形状与孔隙连通性的综合考虑为基础,借助岩石物理建模和分析,结合波动理论的叠前AVO反演、流体因子的频变AVO反演与基于PNN的孔隙结构参数预测,构建了一种新的综合流体识别方法。该方法全面考虑了弹性参数、物性参数与频散属性的影响,取得了显著的效果。相对于传统单一属性流体识别方法,综合流体识别方法展现出更高的精度,尤其在含气层区域表现出显著的指示效果,充分验证了其在流体识别领域的有效性,具备广泛推广和应用的潜力。

塔里木盆地是中国最重要的石油勘探区之一,其盆地内沉积岩层厚,构造活动频繁,形成了大量的生油岩、储油岩和盖层,为石油等资源的生成和储存提供了良好的条件。但该地区地形起伏较大,极大地阻碍了观测系统布置和采集工程设计,同时起伏地表和地下复杂构造也对地震波的传播产生影响,从而降低地震勘探数据的质量,对数据预处理、成像及储层预测等方面造成困难。本文针对塔里木区块内由于不良采集所造成的数据缺失问题,利用压缩感知技术实现地震数据的高精度重建,希望为预处理或叠加阶段提供高完整度、高可信度和高精度的地震记录。压缩感知作为一种新型的采样技术,在数据重建领域发挥了重要作用,该理论的关键是对地震数据进行充分的稀疏表达,但Fourier和DCT等传统变换仅适用于简单的全局型构造,本文根据塔里木区块数据的高复杂型,引入Shearlet变换作为压缩感知重建的稀疏基函数并成功应用于塔里木盆地实际资料,处理结果证明所用方法在该区域具有高度准确性和适用性。

测网布设是物化探勘查的先行工作内容,手持GPS的广泛应用给中小比例尺物化探野外勘查的导航定位带来了极大的便利。本文从坐标系转换的基础理论出发,面向物化探勘查中规则和不规则两类设计测网,提出了一种可生成大批量航点的方法,并编制了相应的计算软件。该软件界面设计简洁,操作便利,无须借助第三方工具软件即可快捷地生成适合于重磁电测量、土壤测量、水系沉积物测量等方法的设计测网,用于野外作业时导航。

本文以攀西地区为例,结合航磁和小震精定位数据,在划分断裂的基础上判断断裂现阶段活动性强弱。在研究区内共划分断裂42条,推断现阶段仍在活动的断裂21条,其中新推断活动断裂10条。选取区内主要断裂局部段进行了三维结构特征研究。结果表明,小震精定位结果能反映出活动性强的断裂,并刻画其深部结构,在航磁圈定基底断裂的基础上,对活动断裂的位置加以约束,并补充划分沉积盖层中的隐伏活动断裂。该方法对于促进航磁研究断裂构造空间分布及活动性方面具有一定的现实意义。

依据不同时期洛阳市多目标区域地球化学调查点的重复采样分析数据,研究农田土壤全碳、有机碳的密度、储量空间分布特征、变化规律与影响因素。结果表明,2005年多目标调查区农田表层土壤全碳含量平均值为1.57%,全碳密度平均值为44.74 t/hm²;有机碳含量平均值为1.12%,有机碳密度平均值为34.27 t/hm²;全碳密度平均增长0.709 t/hm²,有机碳密度平均增长6.643 t/hm²;全碳年均增加量41.73 kg/(hm²·a),有机碳年均增加量390.75 kg/(hm²·a);全碳储量1 251.13万t,有机碳储量887.959万t;全碳储量变化量19.828万t,有机碳储量变化量185.78万t,均呈增长特征。2018年多目标调查区农田表层土壤全碳含量平均值为1.18%,全碳密度平均值为34.27 t/hm²;有机碳含量平均值为1.07%,有机碳密度平均值为30.94 t/hm²;全碳密度平均减少9.642 t/hm²,有机碳密度平均增长4.727 t/hm²;全碳年均增加量-2 410.5 kg/(hm²·a),有机碳年均增加量1 181.75 kg/(hm²·a);全碳储量196.35万t,有机碳储量177.261万t;全区农田土壤表层全碳储量为1 447.481万t,有机碳储量为1 065.22万t;全碳储量变化量-55.241万t,呈减少特征,有机碳储量变化量27.082万t,呈增加特征。研究区总体上全碳减少35.413万t,有机碳储量增加212.862万t;全碳与有机碳、CaO、MgO、N、P呈显著正相关,有机碳与全碳、N、P呈显著正相关,pH与CaO呈显著正相关;施肥增加了农田土壤中有机碳和全碳含量,全碳受CaO影响显著;碳酸盐区发育的碱性土壤环境下呈碳汇特征;在南部土壤变酸性环境下,土壤中碳酸盐类分解,形成碳损失和钙减少。该研究成果为洛阳市碳达峰、碳中和研究提供了重要科学依据。

土壤碳库是全球陆地碳库的重要组成部分,对土壤碳库的研究在全球碳循环和全球变化中具有重要意义。本文依据多目标区域地球化学调查获得的土壤碳数据,估算了塔里木盆地北缘绿洲土壤0~20 cm、0~100 cm和0~180 cm深度的土壤有机碳、无机碳密度及储量,并对碳密度空间分布特征进行了研究。结果表明:研究区不同土壤深度的碳库组成不同,土壤0~20 cm深度有机碳储量占总碳储量的20.66%,随深度的增加有机碳储量占比逐渐减少,但无机碳储量占比逐渐增加,0~180 cm深度无机碳所占比例为85.73%,土壤碳库组成以无机碳为主;3种土壤层次的有机碳密度分别为1 956.45 t/km²、7 913.37 t/km²和11 973.19 t/km²,无机碳密度分别为71 722.84 t/km²、37 605.54 t/km²和71 914.93 t/km²,各层土壤有机碳密度均低于全国平均水平。研究区不同统计单元土壤碳库构成也具有一定差异,各土壤类型、土地利用方式中,潮土、棕钙土、灌淤土和盐土的有机碳、无机碳密度较高,风沙土、灌漠土较低;耕地土壤有机碳和无机碳密度最高,未利用地和建设用地的土壤碳密度较低。各地貌间,起伏山地土壤有机碳密度最高,冲洪积平原无机碳密度相对较高;研究区土壤碳密度空间分布呈现焉耆盆地为有机碳密度高值区,喀什三角洲部分区域(西、南部局地及东部边缘)为有机碳密度中等水平区,阿克苏地区为无机碳密度高值区的特征。综上,在极端干旱背景下,塔里木盆地北缘绿洲具有较大的无机碳碳汇潜力,但土壤类型、土地利用方式、地貌景观等因素对土壤碳固存的影响较大。

土壤碳库在调节全球碳平衡和减缓温室气体方面有着重要的地位,估算土壤碳储量对评价陆地生态系统碳循环具有重要意义。利用研究区土地质量地球化学调查获取的土壤碳数据,采用“单位土壤碳量”方法,估算了西北地区各层土壤全碳、有机碳和无机碳储量,分析了不同土壤、土地利用和地形地貌类型下的土壤有机碳和无机碳中碳含量特征。结果表明,研究区上下全层(0~2.0 m)土壤中累计求得总碳10 099.4 Mt,表层(0~0.2 m)总碳1 224.8 Mt,上层(0~1.0 m)5 345.9 Mt,下层(1.0~2.0 m)4 753.5 Mt,各层中总碳含量以无机碳为主,占比自上而下逐渐增大,有机碳主要集中在表层。无机碳含量高值区主要分布在青海湟水谷地、甘肃陇中、陕西北部和宁夏南部黄土高原等地区,有机碳高值区主要分布在祁连山一带。风沙土具有最低的表、深层有机碳、无机碳和总碳含量;黑垆土和黄绵土具有最高的表层无机碳含量;黑毡土具有最高的表层有机碳含量;黑垆土具有最高的深层有机碳含量,且具有最高的表层和深层土壤总碳含量。森林具有最高的表层和深层有机碳及表层总碳含量;草原具有最高的表层无机碳和总碳含量;耕地具有最高的深层无机碳含量;裸地具有最低的无机碳、有机碳和总碳含量。山地具有最高的表层和深层土壤有机碳和总碳含量;黄土具有最高的表层和深层无机碳含量;平原总体介于黄土和山地之间。高海拔地区具有极高的有机碳含量。

以起步区东部浅层地下水为研究对象,依据53组样品的水质分析结果,运用水化学成分图示、比例系数分析、相关分析、水文地球化学模拟等方法,分析浅层地下水中F^-质量浓度分布特征及形成机制。结果表明:浅层地下水中F^-质量浓度变化范围为0~2.85 mg/L,变异系数为72.78%,在水平方向上分布不均匀;高氟浅层地下水在水平方向上主要分布在西北部以及北部。高氟地下水的水化学类型较复杂,总体上弱碱性、低钙及高钠的浅层地下水环境有利于氟离子富集。浅层地下水中F^-富集主要受气候、地形地貌、水文地质条件的影响;浅层地下水对含氟矿物的溶解及自身的蒸发浓缩作用是高氟水形成的主要机制,此外离子交替吸附作用也对F^-富集产生促进作用。研究区北部浅层地下水中的F^-对人体的健康风险指数超过阈值,应进行管控。该研究成果为高氟地下水的开发利用提供了科学依据。