人工源电磁法是深部资源探查的重要手段,其核心在于通过创新技术提升探测深度和精度。电磁法的探测模式由远场转向近场是电磁法的重要变革,研究近源电磁探测方法是近年来的国际前沿。基于最新发展的广域电磁法和多通道瞬变电磁法,作者团队提出短偏移距瞬变电磁法(SOTEM)。该方法的特点在于收发距离小,短偏移情况下信号更强、带宽更宽,更有利于实现大深度和高精度的探测。本专栏收集了8篇关于短偏移距瞬变电磁探测方法、技术、软件和应用的文章,这些研究成果将有力支持更深层次的精细探测需求。

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。

电性源短偏移距瞬变电磁法(SOTEM)在野外数据采集中涉及诸多参数,它们的选择与实测数据的信号质量、探测灵敏度等密切相关。本文依据中国地球物理学会团体标准《电性源短偏移距瞬变电磁法勘探技术规程》(T/CGS 002—2021)中的相关规定,并结合一些数值模拟和实际案例,对发射源长度、发射基频、偏移距、装置类型、观测分量等关键参数的选取依据进行了分析与阐述,获得的相关认识对指导SOTEM野外施工、发挥SOTEM探测性能具有重要意义。

黑土层厚度是黑土的一项基本属性,是衡量土壤肥力和侵蚀程度的重要指标,其空间预测的研究对支撑我国黑土地保护工程、保障粮食安全具有重要意义。本文参考土壤系统分类中黑土层的诊断特征,将有机碳含量高于成土母质6×10^-3作为黑土层的判定标准,并利用有机碳在土壤垂向剖面上的指数分布规律,推算出黑土层厚度的计算公式。基于多目标区域地球化学调查获取的62 896个表层土壤和15 687个深层土壤的有机碳测试数据,对松辽平原黑土层厚度进行了详尽的空间预测分析,并探讨了黑土层厚度与土壤类型和气候因子之间的关系。 结果显示,松辽平原黑土层厚度在0~165 cm之间,中位数为23.33 cm。黑土层空间分布呈现出显著的非均质性,整体呈西南薄、东北厚的分布特点。沼泽土和泥炭土的黑土层平均厚度最大,在60~80 cm之间,其次为黑土,平均厚度为56 cm,白浆土和草甸土的黑土层平均厚度在40~50 cm之间。黑土层厚度的空间分布与气候条件关系紧密,主要表现为与温度呈显著的负相关,与降雨量呈正相关。同时,研究发现年均温0 ℃是影响黑土厚度的一个重要温度阈值,当年均温高于0 ℃时,黑土层平均厚度在80 cm以上,并且不再随温度发生变化。随着气候变暖,年均温0 ℃等温线的南移可能对黑土层厚度产生重要影响。

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。

蟒岭矿集区岩浆活动强烈,是近年来北秦岭构造带深部找矿的热点地区,区内钼矿的形成与晚侏罗世酸性小岩体关系密切。为实现该区深部找矿突破,本文在重力异常圈定的腰庄隐伏岩体上开展了广域电磁法测量。测量结果显示,深部存在明显的高阻异常,推断高阻异常的凸起部位为腰庄隐伏岩体;其电阻率反演结果基本刻画了该岩体的顶面变化特征,推断顶面海拔介于-300~620 m、南北宽度1 300~1 600 m。通过对优选出的深部成矿有利部位进行钻探验证,揭示了隐伏岩体和隐伏钼矿体的存在。结果表明,广域电磁法探测深度大、分辨率高,是蟒岭矿集区深部找矿的有效勘查方法。

近年来,推荐系统算法受到数字地球科学研究领域的关注,有望在成矿预测领域得到广泛应用。海量地学数据中包含着多种语义信息,而在传统的成矿预测研究中并未对其进行充分挖掘。深度兴趣演化网络(deep interest evolution network,DIEN)作为推荐系统算法,对语义信息挖掘充分,可以达到对用户偏好的预测。故本文采用DIEN作为预测模型,根据西澳大利亚政府提供的数据库,选取由解释基岩提取的语义信息作为控矿要素。通过训练模型对研究区进行成矿预测,结果显示92.95%的铀矿点分布在预测图内中高概率区域,并且部分未知区域显示为较高预测概率,在去除部分区域已知铀矿点后重新训练模型,该区域仍显示中高预测概率。表明DIEN对成矿预测研究中语义信息进行了有效挖掘,且模型对于研究区存在较好的预测能力,为成矿预测研究开辟了全新的思路。

针对当前日益增长的大规模野外地震采集需求,综合考虑仪器的功能性、经济性与部署便捷性,研发一种基于MEMS传感器的低成本多功能节点式旋转地震仪RBWL。仪器采用低成本、低功耗的MEMS传感器进行三分量平动(T_x、T_y、T_z)以及三分量旋转(R_x、R_y、R_z)进行地震信号采集。为降低环境因素对测量的影响,系统自动记录温度、姿态等实时信息,并对测量结果进行相应补偿校正。为实现采集节点的实时监控与数据传输,系统集成了基于4G—云端—客户端的数据传输链路,经实测最大数据传输速率可达100 Mbps。通过开展H/V谱比的实验,不仅验证了仪器系统功能与主要性能参数,而且证明了其在工程物探中的应用效果。

川西冕宁—德昌地区是我国最重要的轻稀土成矿地带,为在德昌地区进一步寻求稀土资源找矿突破,对其开展了1:5万水系沉积物测量。测试数据特征分析和化探异常提取结果表明稀土氧化物(REO)总量具有富集规律,且比较明显,元素异常与相关地质体空间分布叠合性较好。通过累积频率法、迭代法综合分析确定异常下限值,在此基础上编制元素异常图,并圈定5处主要异常区域。通过开展异常综合评价,优选出黄家坝、角坝村、一把伞和花椒园4个找矿靶区。通过成矿地质条件分析,采用赣南钻进行异常查证,在黄家坝找矿靶区发现3处轻稀土矿床,在角坝村找矿靶区发现2处重稀土矿床,在一把伞找矿靶区发现2处重稀土矿床,在花椒园找矿靶区发现2处重稀土矿床。研究认为,区内三叠纪黑云母钾长花岗岩和黑云母二长花岗岩为离子吸附型稀土矿成矿母岩,稀土主要在全风化层富集成矿。在德昌地区利用1:5万水系沉积物测量,分析稀土氧化物总量地球化学特征,圈定的成矿远景区指示稀土元素富集于母岩;再根据富集地段表生条件,选择有利于风化壳形成、保存的地段快速圈定找矿靶区;实践证明,该思路是“内生外成”离子吸附型稀土矿简洁、有效的找矿模式。

岩溶、软弱土及富水区等不良地质体在我国分布较广,强降雨作用下地质不良区域容易产生塌陷等地质灾害。新余市渝水区下村镇靠近沪昆高速铁路的区域出现了严重的地质塌陷,塌陷基坑周围空间受限且地下管线等干扰源较多,传统瞬变电磁法早期信号受收发线圈互感效应影响,存在探测精度低、抗干扰能力差等问题,并且还有明显的浅层盲区。为了查明该区域不良地质体的发育位置,并为地质灾害防治提供治理建议,本研究应用了等值反磁通瞬变电磁法(opposing coils transient electromagnetic method,OCTEM),并且辅以钻探验证,结果表明:OCTEM法具有较高的精确性,研究区地球物理成果与钻探结果一致性较好;研究区低电阻带分布范围较广,经实地钻孔验证,低电阻异常均为地下水引起;地层从上至下依次为软可塑粉质黏土—硬可塑粉质黏土—软塑粉质黏土—中风化灰岩;塌陷区域地下微承压水上涌,逐步侵蚀区域周边软可塑粉质黏土层,塌陷基坑内静水位面标高为55.60 m,位于地表下约1.4 m处;塌陷区域下方存在地下水通道,灰岩层在水流长时间冲刷侵蚀作用下形成土洞;长期抽取地下水可能会引起地下渗流区扩张发育,主体责任单位必须及时封堵塌陷区地下水,防止其进一步侵蚀周边松散土层。

滁河断裂带上发育了多个与构造活动有关的温泉,除南端的半汤温泉外,其余温泉大多热能利用不甚理想,给当地相关产业的发展带来了影响,因此有必要选取滁河断裂带上的典型温泉,从水化学特征及其形成机理上进行研究,以期为后续温泉群地热资源的合理利用及勘查方法的选择提供科学依据。据此,以滁河断裂带半汤、昭关和香泉的温泉为研究对象,分别采集了温泉水、冷井水、地表水样品,总计9个样品,完成了样品中阴阳离子、常量和微量元素25个指标的组分测试,开展了样品的氢氧同位素数值测定。通过25个指标实测数据的分析,以及氢氧同位素示踪地热水来源及受控因素研究,结果表明:3个地区的温泉水都偏向于CaSO₄型,均与地下水和围岩发生相互作用密切相关;半汤和昭关地区各自的温泉水、冷井水及地表水具有同源特征,地热水主要由当地降水、地表水进行直接补给,香泉地区温泉水、地表水和冷井水同源特征较弱,地下冷水径流与地热水来源不同,需要在温泉主控因素判断中引起注意;研究区玉髓温标的计算结果与采出地表热水温度接近,而石英温标的计算结果与深部的热储温度相近。研究结果初步揭示了滁河断裂带温泉水的地球化学特征,温泉水的补给关系及水岩相互作用状况,提出了该区有效的地球化学温标,有助于加深滁河断裂带温泉机理及调控因素的认识,在后续温泉功能提升和地热资源开发利用方面具有实际应用价值和研究方法示范。

扩展空间自相关(ESPAC)微动探测(天然源面波勘探)技术由于其简便快捷、效果精确等优势,在浅部地层探测方面得到广泛应用。然而在实际应用中会出现基于ESPAC法提取的频散能量成像效果不尽人意的现象,特别是不同的观测台阵布置情况会对采集的频散曲线提取结果造成一定的影响。通过对ESPAC法成像原理的分析研究,利用背景噪声模拟的方法进行了天然源微动记录模拟实验,比较了不同子波主频分布情况下频散能量的差异,定量分析了不同台站布置情况和采集时间长度对频散能量成像质量的影响,经过对比研究得到了ESPAC法在浅地表勘探时的成像规律,在兼顾效率和探测成本的条件下最大程度提高基阶模式下的频散能量成像质量。将研究结果应用到工程实例中,取得了不错的实际勘探效果,验证了模拟结果的实用性。

致密砂岩是天然气和石油的重要储层之一,通过致密砂岩岩石相的识别,可以更加深入地了解储层发育特征。采用岩心观察和测井数据处理相结合,分析新场地区致密砂岩岩石相与沉积微相的特征以及内部联系,通过沉积微相特征数据挖掘,构建具有地质内涵的随机森林分类模型。 结果表明:①致密砂岩可划分为泥岩、沙纹层理粉砂岩、块状细砂岩、平行层理细砂岩、块状中粗砂岩、平行层理中粗砂岩、交错层理中粗砂岩7种典型岩石相;②研究区主要沉积微相为水下分流河道、水下分流间湾、河口坝以及前三角洲泥,且与岩石相的沉积联系紧密;③分类模型中可以将沉积微相内GR曲线的相对重心(RM)、变差方根差(GS)、平均中位数(AM)以及平均斜率(M)作为特征参数,增加数据集的特征数;④考虑沉积微相特征尤其是水体能量与水体动荡情况,可以显著提升随机森林分类模型性能。研究结果为机器学习方法识别岩石相提供了新思路,并为致密砂岩油气勘探提供了重要的参考。

高放废物地质处置地下实验室是验证潜在处置库场址安全性和适宜性,以及开发处置技术的关键设施,其在潜在处置库的选址和系统设计、处置工程理论与技术研发、安全与特性评价、全尺度现场试验和现场示范等方面都起到了不可替代的作用。本文着重介绍了地下实验室的定义、分类和功能,并对国内外已有的主要地下实验室进行了归类,即地下实验室一般可分为普通地下实验室(第一代)和特定场址地下实验室(第二代)。随着我国处置库选址工作从全国筛选、区域筛选、地段筛选,进入到场址筛选及评价、地下实验室建设阶段,在总结国内外主要经验的基础上,我们于2010年和2014年分别提出了“特定场址地下实验室”和“第三代地下实验室”的概念,并建立了首座高放废物地质处置地下实验室“北山地下实验室”,也是世界上第一座特定场区地下实验室。笔者对该实验室的选址历程、规划、定位和功能,以及在建设过程中主要科研试验内容的功能和主要开展的现场试验进行了介绍,为下一步的处置库的选址和研发提供指导意见。

近年来,在东昆仑地区以地质找矿为目的开展的大比例尺1:2.5万地球化学测量工作,具有快速、准确定位异常源的特征,在找矿勘查中被广泛应用,并取得了良好的找矿成果。通过开展1:2.5万水系沉积物测量工作,在东昆仑茫崖河东地区圈出了以Cu、Co、Ni等元素组合为主的综合异常12处,其中以Co为主的综合异常有1处,各元素异常套合较好,相对规模大,异常强度高,具有明显的浓度分带。Co异常与奥陶系祁漫塔格群地层关系密切,区位一致性好。经异常查证,在GA16、GA26、GA11、GA39等异常内发现4条钴矿化带,带内圈定出了3条钴矿体及多条矿化体。综合分析认为该区具有优越的成矿地质条件、良好的地球化学特征,取得了较好的找矿效果,具备大中型钴矿的找矿潜力。

借线遥控电极阵列是一种新型供电—观测电极阵列,它借助常规电法勘探的供电导线和测量导线载波传送信号,遥控各导线与其链接的系列编码电极开关,从而有序地开展供电和测量。这种阵列的电极点距可灵活改变,供电电极间距可逐渐遥控扩大,实现了梯度测深阵列化测量。借线遥控器可以与单道电测仪、多测道电法仪、高密度电法仪等配合使用,组合后电极的阵列能更有效地开展二维/三维电法勘探。应用实例表明,与传统探测方式或高密度方式相比较,借线遥控电极及其组合阵列在矿产、岩溶等复杂地形地质条件下展现出高效率和高灵活性,拓展了电法勘探深部探测应用技术体系,具有推广价值和应用前景。

准确识别断层对于油气田的勘探和开发具有重要意义,在此基础上进一步进行断层提取对于后期综合研究意义重大。目前应用较多的断层提取技术主要包括断层自动追踪、断层切片解释以及手工解释3类。然而面向实际勘探开发的断层提取技术及应用通常存在以下问题:基于属性体的自动追踪方法所提取的断层往往精度较低且连续性较差,断层切片解释及传统手工解释方法周期又较长,耗时严重。针对以上问题,本文采用一种基于构造导向滤波处理的断层提取技术,首先对原始叠后地震数据进行构造导向滤波处理以提高基础数据质量同时增强断层边界特征,然后基于滤波数据体建立相对等时模型并提取能够刻画断层的敏感属性,最后在断层组合关系分析的基础上采用平面和剖面相结合的综合解释方法实现断层的提取。该技术成功应用于SB某区块,实际应用效果表明,相比断层自动追踪解释,该技术可靠性与准确性要更高,相比断层切片解释及手工解释又能大大节省时间,因此具有良好的适用性。

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。

地磁场是空间中的矢量场,传统海洋磁力测量以地磁总场强度测量为主,丰富的地磁矢量场信息未能被充分获取和利用。鉴于当前现状,研制了海上拖曳式地磁矢量测量系统,该测量系统可应用于海上动态条件下,并最终测量获得地理坐标系下的地磁矢量场信息。对该测量系统开展了海上测量试验,完成了网格测线和重复线测量;海上实测数据经预处理后,重复线内符合精度优于6.7 nT、交叉点内符合精度优于6 nT,表明该测量系统初步具备了海上地磁矢量场测量的能力,可应用于近海或远海的地磁场测量任务,获得更加丰富的地磁场信息。

在探地雷达的实际探测作业中,环境噪声与仪器误差等不利因素常导致信号中混杂大量噪声,严重削弱了信号品质及分析结果的可信度。鉴于此,提出了一种融合最小均值交叉熵的时频峰值滤波方法(TFPF-MMCE)用于探地雷达信号的去噪处理。该方法将时频峰值滤波技术与交叉熵函数相结合,通过精准优化信号的时频表征,实现了对噪声的有效抑制与有效信号的精准保留,从而显著提升了探地雷达信号的质量。通过数值模拟与实地探地雷达实验验证,TFPF-MMCE具有很好的噪声去除能力,能够有效去除信号中的随机噪声,显著提升了信号的清晰度与可靠性。相较于传统的去噪方法,TFPF-MMCE在去噪效果与抗噪稳定性上均展现出显著优势,预示着其在探地雷达信号处理领域的广泛应用前景与重要实践价值。

在过去的20年里,高灵敏度环形激光陀螺展示了旋转观测数据在全球地震学中的潜力,而商用光纤三分量旋转地震仪的出现也预示着旋转地震学的发展进入了新的阶段。高灵敏度便携光纤旋转地震仪的场地实验在我国起步稍晚,但其相关的数据分析研究工作已经在国外取得了一定的进展。本文详细介绍了一次主动源和一次天然地震的六分量(6C,平移运动三分量和旋转运动三分量)联合共址观测实验,内容涵盖了实验方案、实施步骤以及后续数据分析。同时,对比分析了实验的相似性和差异性,揭示了可能影响实验结果的主要因素。光纤旋转地震仪与传统地震计需固定在同一块刚性面板上来保证接收信号的一致性,良好的地面耦合以及进行掩埋处理更容易得到高质量的实验数据。同时,实验结果也表明,水体的存在会影响面波表现和P波清晰度等。这些发现不仅丰富了地震旋转观测实验的实践经验,也可为未来旋转观测实验设计提供参考,帮助更好地完成实验,获得更高质量的数据。在数据应用上,本文优化了预处理方案,该方案将主动源两测点后方位角计算精度分别提高了58.8°和50°,被动源两测点的后方位角计算精度分别提高了24.1°和29.4°,证实了该优化方案的可行性。单台六分量的数据应用也表明额外的旋转分量观测可以带来更多的地震波场信息,引入旋转观测可以提高中国目前庞大的地震观测数据的利用率。光纤旋转地震仪拓宽了地震监测领域的技术边界,也为地震学的研究注入了新的活力,为未来地震学的研究开辟出新的可能。

为评价金蟾山矿区资源潜力,应用电吸附方法对金蟾山矿区2条化探剖面土壤样品进行金属元素含量测试分析。结合矿区地质条件,通过研究化探剖面土壤金属元素含量特征,得出以下结论:已知矿床上方Au、Ag、Cu、Pb、Zn呈明显正异常,元素异常区与矿体对应良好,证实该技术方法在该区有效、可行;研究发现矿区1线剖面拐棒沟—阳坡—小西沟矿化带西边见Ⅰ、Ⅱ两处化探异常,2线剖面夹于拐棒沟—阳坡—小西沟矿化带和南大洼—李麻子沟—漏风峁矿化带中间地段及该剖面最西端见Ⅲ、Ⅳ两处化探异常,综合矿区地质情况分析,Ⅰ、Ⅲ两个异常区成矿地质条件良好,是有利的勘查区。通过本次有利区预测,为该矿区下一步的勘查指明了方向。

随着高精度、高密度三维地震技术的应用及采集效率的极大提升,节点地震采集产生的数据量急剧增加,对节点地震采集质量监控要求也越来越高,尤其是节点数据共炮点道集数据合成滞后,影响了地震数据的质量监控及地震资料处理效率,因此,节点地震数据采集过程的质控技术需求愈加凸显。为此,深入研究了采集前节点状态可视化监控、节点数据合成及地震数据质量监控等技术,自主研发了节点地震采集质量监控平台,实现了节点采集过程中“设备状态—数据合成—数据质控”的全生命周期质控,该平台应用到实际地震采集项目中,取得了较好的应用效果。

隧道盾构施工穿越岩溶地层城市密集房屋群,由于建筑物密集,钻探勘查不足,存在因岩溶发育导致地面开裂、塌陷的重大风险。本文选择复杂环境下抗干扰能力强的微动探测技术来解决此类问题:通过微动反演视横波速度剖面对地下岩层波速结构特征进行分析,结合地质钻探资料推测基岩界面、强风化松散地层及溶洞异常区。研究结果表明该区域地层由浅至深视横波速度逐渐增大,波速在300 m/s以上的地层推断为灰岩地层,300 m/s以下为第四系,岩土分界面深度在10~15 m;解释了7处视横波速度低值异常区,波速在150~240 m/s,推测为松散地层或溶洞,深度在8~30 m。该方法抗干扰能力强、准确性高,准确划分了地下剖面横波速度结构、地层岩性界面、松散地层及溶洞异常,是解决岩溶发育城市密集建筑区地质勘探的有效手段。

变差函数是量化空间相关性的重要工具,现有变差函数拟合方法存在拟合结果不稳定现象。针对现有方法的不足,本文提出一种基于深度学习的变差函数自动拟合方法,以提高自动拟合的精度与稳定性。实验变差函数的拟合本质是一种非线性优化问题,即实现实验变差函数与理论变差函数之间的匹配度最优化。新方法采用多组参数值不同的理论变差函数生成大量训练数据集并进行深度神经网络训练学习,最后采用训练模型完成实验变差函数自动拟合。多组实验结果表明,基于深度神经网络的强大拟合能力,新方法拟合稳定性、计算效率均优于最小二乘法,为地质统计学中变差函数自动拟合提供了新思路。

采用三维时域有限差分法对三维地电模型的SOTEM响应进行正演计算,发现:①采空区或陷落柱上方观测的电场E_x响应衰减曲线在早期高于背景响应,在晚期均低于背景响应;②偏移距越小,∂B_z/∂t响应信号的相对异常越大,发射源长度的增加能提升信号强度,但同时也会导致相对异常的略微下降;③当测线靠近发射源时,采空区或含水陷落柱的∂B_z/∂t响应在整体上低于背景值,当测线远离发射源时,采空区或含水陷落柱的∂B_z/∂t响应在整体上高于背景值。本文计算结果对于认识SOTEM对煤矿典型富水体的探测能力具有重要意义,为SOTEM装置参数选取及其在煤炭领域的推广应用打下理论基础。

徐州沛县某煤矿新生代在断陷盆地内沉积了砖红色的古近系和新近系,第四系普遍覆盖在各地层之上,其中第四系、侏罗—白垩系覆盖层较厚,可达500 m以上。采用电性源短偏移距瞬变电磁法进行探测,根据地电情况设计合理的观测参数,得到地下1 300 m深度范围内的电性结构,在地下900 m深度发现采空区,圈定的采空区域与矿区的开采现状吻合。探测成果对今后华北型煤田厚覆盖采空区探测有借鉴意义。

无损监测古建筑内部结构特征是进行文物保护的关键。为确定临海市古长城结构和墙体内部缺陷,本研究利用100 MHz和270 MHz天线组合的探地雷达对长城不同方位上墙体结构进行了无损检测。检测结果表明临海市古长城墙体结构分层情况明显,通过探地雷达信号反射图像发现,墙体内部缺陷反应清晰,存在内部疏松、缝隙、脱空等内部病害隐患。研究表明探地雷达方法在此类古城墙结构和缺陷检测中结果可靠,研究结果可为古长城结构保护提供技术支持。

瞬变电磁场至虚拟波场的转换是瞬变电磁拟地震处理的基础,瞬变电磁场满足扩散方程,而虚拟波场满足波动方程,二者之间通过Q变换相互转换。将瞬变电磁数据转换成虚拟波场属于积分反变换,具有典型的不适定特性,以往主要采用数值方法求解该积分反变换。在数值求解中,需对求解方法和参数进行优化,以获得最佳求解效果。为此,本文推导了电性源瞬变电磁法电场响应的虚拟波场解析解。从均匀半空间电磁场响应的解析解出发,借助于拉普拉斯变换对,得到了阶跃响应和脉冲响应的解析表达式,从而建立起瞬变电磁场和虚拟波场的解析变换对。该解析变换对能够用于测试数值求解方法的准确性和稳定性,还能用于检验虚拟波场特性,从而形成有效的虚拟波成像方法。

为改善浅层工程勘查中小回线瞬变电磁系统存在的设备质量过大、收发互感严重及人力需求高等问题,本研究基于等值反磁通瞬变电磁原理,计算了广义等值反磁通天线装置的磁场分布,设计制作了高效、便携天线并配套了相应系统。后续野外试验表明,该便携式等值反磁通瞬变电磁系统在确保勘探精度的同时,有效削弱了收发天线互感现象,显著减轻了人力需求,提高了勘查效率,初步验证了系统的可行性,为小型化浅层勘查设备的发展提供了新的技术路线。

塔里木盆地轮南地区三叠系整体为陆相三角洲沉积体系,研究区内发育有三角洲平原、三角洲前缘和前三角洲等亚相,储层相变快,砂泥岩高频交互沉积,导致储层薄、非均质性强,为高精度储层预测带来极大困难。为此,本文以沉积岩石学、地震层序地层学为指导,开展地震、地质综合研究,并以等时层序解释为基础,结合地震相分析成果,建立岩相模型,约束叠前地质统计学反演过程,落实砂体空间展布特征。实际应用表明,该方法在提高非均质薄储层纵向分辨能力的同时,大幅降低了横向不确定性,预测结果与井上实钻及生产动态数据相吻合,可为油气藏高效开发提供支撑。

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。

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。

随着银川盆地东缘地热井的成功实施,指明了围绕黄河断裂及其次级断裂寻找地热的新方向。为了进一步研究黄河断裂对银川盆地东缘地热资源的控制作用及缩小勘探靶区,共布设了 4 条 MT 测线,获得了71个测深点。通过对大地电磁测深资料进行预处理及二维反演,获得了研究区10 km以浅的二维电性结构。综合研究区以往地质、重力、微动、可控源音频大地电磁测深资料,对银川盆地东缘地层、断裂构造进一步解释,认为大地电磁测深测线所反映的奥陶系基底高阻内出现的相对低阻可能是黄河断裂后缘次级断裂发育部位,由奥陶系破碎充水所致,具有地热资源勘探的潜力。

自主水下航行器(autonomous underwater vehicle,AUV)搭载磁力仪开展水下目标磁异常探测,可进行长时间、大范围连续采样,具有隐蔽、高效、实用性高、应用范围广泛、机动性强、续航能力强的优势。为提升其测量精度,需要用海底同步观测的磁场数据作为参考,以抵消磁场环境噪声。为此,开发海底光泵磁力仪,为AUV磁异常探测数据处理提供参考。海底光泵磁力仪由磁场测量单元和水声释放单元组成,具备海底磁总场高精度自容采集、海底水声释放回收能力。磁场测量单元由光泵探头、电子学单元、计数器、电池包、尼龙承压舱等组成;水声释放单元由水声换能器、水声通讯板、电腐蚀脱钩器、水泥块、浮力块、框架等组成。重点解决了小型化、自容采集、水声通讯等技术难题。2022年于青岛近海海域开展磁异常探测试验,测试结果验证了海底光泵磁力仪的海底磁场自容采集、释放回收功能,为水下目标探测提供了有效参考数据。

由于青海尕林格铁矿区上覆有超过150 m厚的沉积覆盖层,矿体埋深大,使得磁异常形态平缓,难以刻画矿体的空间分布特征。因此,本文采用磁异常三维反演方法获得研究区地下三维磁化强度分布特征。结合该区围岩无磁性的先验信息,三维磁化强度模型不仅能较清晰地显示矿体的空间分布特征,而且反映了现有500 m以浅的钻孔下方存在强磁性体的分布,推断区内500 m深度以下存在隐伏矿体。研究结果表明,磁异常三维反演可以有效地提升目标体的识别能力,能够较清晰地显示磁性矿体的水平位置、深度及规模等信息,可以为钻探设计、储量评估等提供有力依据,值得在固体矿产勘探详查中推广应用。

海洋可控源电磁(marine controlled-source electromagnetic, MCSEM)探测方法通过揭示海底以下的电性差异来探测油气和天然气水合物等资源,以及深部地质构造。不同的激发频率对应不同的探测深度,为了更好地对海底以下目标进行电性成像,本文开展了海洋可控源电磁的任意频率波形产生技术的研究,用于灵活改变激发频率,提升勘探效果和效率。本论文基于直接数字频率合成(DDS)芯片AD9833,通过单片机和复杂可编程逻辑器件(CPLD)联合调控,可以在海洋可控源电磁探测中发射0~100 Hz的步进0.01 Hz的任意单频驱动信号,实现了有限精度任意频率波形的产生。最后对测试技术指标进行分析后得出,任意频率波形产生技术可以有效提高MCSEM的频谱适应性和灵活性。

土壤肥力是衡量土壤能够提供植被所需各种养分的能力,是反映土壤肥沃性的重要指标。为了解济源市南山林场不同林分类型土壤肥力状况,选取林场内侧柏、刺槐、栓皮栎、核桃4种不同林分类型土壤为研究对象,通过对不同层位(0~40 cm)土壤pH、有机质、全量养分(TN、TP、TK)和速效养分(AN、AP、AK)的测定,分析了不同林分类型土壤养分状况,并采用改进的内梅罗综合指数法对土壤综合肥力状况进行评价。 结果表明:研究区不同林分土壤理化因子除pH外均达到中等变异,土壤中全磷、全钾、有效磷、速效钾、pH均达到显著性差异水平。研究区土壤pH、容重均表现出随着深度增加而增大的趋势;有机质、全氮和速效养分则随深度增加而减少;全磷和全钾受深度影响不明显。土壤养分丰瘠评价表明,研究区土壤全氮、全磷和土壤速效养分相对贫瘠。4种林分不同深度土壤肥力综合评价表现为刺槐>栓皮栎>侧柏>核桃,肥力状况多处于一般等级,肥力较差层位多处于20~40 cm。综合分析表明,研究区全氮、全磷和速效养分缺乏,建议有针对性地增加有机肥以及氮、磷的投入。

利用因子分析对山东省莒县—五莲地区1:5万水系沉积物测量数据进行研究,通过提取出的8个具有代表性的因子,确定了元素的组合类型,并利用各因子得分值进行元素组合分区,分别讨论了各子区与其地质背景的关系,依据地球化学分区结果,综合地质成矿条件,确定了成矿有利地质体及找矿方向。本区最具成矿意义的组合为Au-Cu-Ag-Mo-Bi,其次为Pb-Zn;V-Ti-Co-Mn组合和Ni-Cr组合可作为探途元素,指示组合异常地段的中心及深部可能存在有利的成矿机制。在本区或者区域上火山岩分布区寻找寄火山口、隐爆角砾岩筒是重要的找矿方向;在研究区东部石场—坊子村一带,具备一个F₂-F₄-F₁三因子组合模式的综合分区,中生代埠柳序列、伟德山序列岩体是成矿有利地质体,其中的NE向构造带是成矿有利场所,指明了找矿方向。

表面多次波压制是地震资料处理的重要环节。目前海洋资料处理中最常用的SRME方法可以有效预测表面多次波模型,通过匹配相减实现多次波压制。但是SRME方法需要全波场信息,对观测系统要求比较严格,受陆上不规则采集限制难以在陆上处理中应用推广。为此,引入一种改进的SRME方法,通过构建最小误差约束函数,将临近道进行时差校正参与多次波预测,提升对复杂观测系统的适应性。将该方法应用于实际陆地地震资料处理,通过对表面多次波压制前后的道集、速度谱、叠前时间偏移剖面以及合成记录的对比,验证了该方法的有效性。

为提高银额盆地上古生界地震探测效果,以银额盆地西部居延海坳陷为试验区,调研了该区以往地震采集特点及资料处理技术现状,开展了地震野外采集试验和室内处理攻关,探索总结了银额盆地上古生界的地震探测技术。结果表明,该区地震激发应因地制宜采用井炮及可控震源相组合的方式;接收方面应首先满足排列长度的前提下再考虑增加接收密度;采取配套的各向异性处理、谱约束反褶积、楔形变换自适应去噪等针对性处理技术可有效提升深层地震成像质量。本研究为相似地区开展工作提供了经验和借鉴。

在复杂环境下进行隧道施工,需要解决对溶洞、裂隙等小规模不良地质体的精细探测。为此设计了掌子面前方存在小规模溶洞的隧道施工模型,在掌子面中心点向隧道施工方向打一个钻孔,将电性源放入孔中进行激发,在掌子面上进行阵列式数据采集,采用时域有限元方法对模型进行瞬变电磁三维正演计算。结果表明可以通过源的移动对目标体进行电磁测深,通过掌子面上电磁场分布规律确定不良地质体的平面位置。采用孔中电性源激发的方式,可以提高瞬变电磁对小规模溶洞的探测能力,为隧道环境中提高超前预报精度提供一种可行性手段。

近年来四川盆地勘探开发实践表明,侏罗系陆相致密砂岩已经取得了重大突破,但是由于致密砂岩低孔低渗的特征,常规的叠后反演分辨率不足,并不能满足实际勘探储层预测精度的需求,因此需要利用叠前反演来进行致密砂岩的精细刻画,而在叠前反演中横波速度信息至关重要。本文以近年来川东南陆相探井为基础,研究了一套针对于川东南致密砂岩的岩石物理建模技术:充分考虑致密砂岩渗透率低以及孔隙中流体不均匀混合的特性,优选Domenico模型计算孔隙流体模量;考虑到实际地下情况,流体模量和密度必然是变化的,前人在岩石物理建模过程中大多用的是定值,本文则是与深度相关的值;川东南地区致密砂岩孔隙度一般都小于10%,利用Nur模型、Krief模型计算出来误差较大,本文优选Lee-Pride模型进行骨架模量的计算,通过引入固结参数α的值来控制岩石基质和骨架之间的关系。将建立好的致密砂岩岩石物理模型应用于实际工区,从应用效果来看与实钻井吻合度高,通过统计测井数据,优选敏感参数泊松比开展叠前高精度反演,可以对河道砂岩内幕进行精细刻画及预测。

目前广泛应用于探地雷达(ground penetrating radar,GPR)信号的速度谱分析方法大都通过叠加相干信号的振幅能量来构建速度谱,并估计地下介质电磁波速度;当信号子波出现多个波峰和波谷时,基于振幅的方法所构建的速度谱会出现多个能量团,不利于后续能量峰值的判别、拾取和速度估计。为此,提出了一种基于共偏移距GPR信号包络和三维速度谱分析的地下介质电磁波速度估计方法。该方法通过扫描GPR剖面中的双曲线绕射波信号包络来构建叠加能量随零偏双程走时、试速度以及测点位置变化的三维速度谱,并根据三维速度谱中双曲线顶点出现位置,提取二维速度谱切片。在此基础上,拾取二维速度谱切片中能量峰值对应的试速度并作为地下介质的电磁波速度。数值试验结果表明:与基于信号振幅的三维速度谱分析方法相比,基于信号包络的三维速度谱分析方法计算的速度谱中连续能量团更少、能量更集中、速度估计误差更小,且可更有效地构建逆时偏移的速度模型。

电(磁)法探测技术历经百年发展,从早期的直流电阻率法、激发极化法,逐步发展为涵盖大地电磁法、人工源电磁法及各种混场源电磁法的地球物理探测技术体系。然而,在我国开启新一轮找矿突破战略行动的新阶段,出现了深部找矿需求增加、人文噪声干扰加剧及三维结构解释不足等问题,严重制约了传统电(磁)法的应用效果。为突破技术瓶颈,大功率—超大功率电(磁)法技术成为关键发展方向之一。大功率—超大功率电(磁)探测技术通过增大发射电流,可以压制人文噪声、增大探测深度,有助于实现高分辨、多参数的三维探测,推动了方法技术、观测平台以及应用场景的拓展与创新。本文梳理了大功率—超大功率电(磁)法仪器发展历程与相关技术研究现状,并指出激发极化法真三维全波形采集与三维反演、张量可控源电磁法采集与三维反演、时频电磁法多参数联合约束反演及广域电磁法多分量全区探测等技术,可以显著提升深部目标体的探测能力。未来需进一步攻克各向异性三维反演、带场源全域反演以及复杂约束下极化率、磁化率提取等问题,推动电(磁)法向大深度、高精度、智能化方向发展,更好地服务新一轮找矿突破战略行动。

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。

无人机作为半航空瞬变电磁的飞行平台,其本身会产生电磁信号,对采集的瞬变电磁信号产生影响。本文研究了半航空瞬变电磁数据采集过程中无人机产生的噪声对采集数据的影响,通过开展野外试验、系统性能测试等,分析了不同转速、不同吊挂长度、不同飞行高度、不同飞行速度对无人机噪声的影响,提出了通过确定最优吊挂长度、加入屏蔽层等措施进行无人机噪声的压制方法。本文研究基于KWT-X8L-25八旋翼无人机开展,其研究过程与研究思路同样适用于其他型号的无人机,可以为半航空瞬变电磁飞行平台的遴选提供借鉴。

针对地形高起伏地区大比例尺放射性矿产勘查的需要,研制了基于小体积NaI(Tl)晶体的航空伽马能谱探测器,与F-120无人直升机集成了航空γ能谱测量系统。利用该系统在南方某地区开展了铀矿异常检查测量,与地面γ能谱测量结果比对,两者的高异常区域位置、形态基本一致,且前者的异常形态更细致,特别是与铀含量直接相关的铀道数据对区内已知铀矿点反应更明显,数据质量更优。据此认为,无人机航空γ能谱测量有望替代地形起伏大的地区铀矿异常查证工作中的现有地面γ能谱测量。

四川石棉大渡河地区金矿带位于松潘—甘孜造山带南段稀有金属、贵金属和有色多金属成矿带,区内构造复杂,地形陡峻,严重制约找矿勘查的实践运用。本文总结区域成矿地质背景和条件、地球物理特征,以石棉县倮倮坪金矿为典型矿区,开展以音频大地电磁测深(AMT)为核心的地球物理深部勘查工作,圈出3个低电阻率异常体M1、M2和M3,与矿化蚀变带I号、金矿化带Ⅲ号和金铜矿体具有对应性,说明地球物理方法深部找矿具备有效性和适用性。结合地质认识和工程手段验证成果,总结典型矿区地质和地球物理找矿标志,建立适用于地区金矿带的地质—地球物理找矿模型,为地区深部找矿提供技术支撑。

甘肃省张掖盆地是国家现代农业示范区,也是1990s迄今唯一农业土壤调查与区域地球化学勘查相重合的地区。笔者搜集了1990s甘肃省物探队与化探队在张掖盆地及其周围山地采集的岩石、表土层深部土壤和水系沉积物的地球化学调查数据,按照拉依达法则和采样介质计算了元素在各个地质单元中的背景值;进而以重金属为主线,采用将区域表土层深部土壤背景值与中国土壤背景值和同时期耕作层土壤平均值作对比、第四系地层土壤背景值与区域土壤背景值作对比,以及将地球化学混合模型与地理学要素相结合的方法,探讨1990s张掖盆地表土层深部土壤重金属分布特征及其物质来源。相对中国土壤元素背景值,研究区表土层深部土壤富集Cu和Cd,贫Zn;与同时期耕作层土壤相比,Cr显著富集,Cu、Zn、Pb和As显著贫化。重金属Zn、Cd和As主要源于北祁连;Pb来源于龙首山;Hg和Cr可能主要与人类活动有关;表土层深部土壤中的H3潜在生态风险指数异常是西北风和东南风共同作用的结果。重金属在表土层深部土壤中的富集程度与人类活动强度正相关,与新构造运动强度负相关。本次研究为探讨该区区域土壤环境演化提供了科学数据。