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(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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

化探数据中地质矿产信息的深入挖掘,是数学地质学和地质大数据的热点研究之一。目前国内积累了丰富的区域化探数据,但对数据中的地质矿产信息深入挖掘有限,需要尝试建立科学有效、简单易行的数据处理流程和分析研究方法。本次以甘肃省徽县高桥地区为研究区域,依据地质背景,根据元素性质与地球化学行为理论对相关元素数据进行处理,挖掘化探数据中蕴藏的地质矿产信息,初步建立了侵入岩体边界圈定和岩相划分的数学模型,科学指导地质填图工作;初步建立构造蚀变岩型金矿床靶区圈定模型,并进行了有效性验证,圈定了7个新的、有较好找矿前景的靶区,通过矿产检查已发现矿点5处,提交矿致异常4处,其中2处正在开展甘肃省地勘基金矿产勘查工作。本次研究成果证明,根据元素地球化学性质原理对数据进行计算处理,可进一步挖掘区域化探数据中的隐藏信息,有效指导和修正地质填图工作,提升填图效率和工作质量;可进一步高质量提取化探异常信息,高质量指导新区找矿工作。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

北山地下实验室建设项目是我国“十三五”规划的重点项目,在地下实验室建设和运行期间,开展的现场试验将产生大规模科研数据,为确保数据的完整性、可靠性、真实性和可追溯性,同时确保科研人员能够便捷、高效地管理和利用各类数据,有必要研发一套专门针对地下实验室科研数据的动态管理系统,为处置工程技术研发和安全评价等各项工作提供数据支撑和决策依据。本文介绍了北山地下实验室科研数据动态管理系统的研发背景和总体需求,提出总体设计方案,并全面介绍了系统功能架构和内容。该系统主要由系统管理、系统状态管理、基础数据管理、元数据管理、试验信息化管理、试验数据管理、数据质量管理和数据可视化等功能模块组成,目前已初步应用于北山地下实验室现场试验流程管理及数据管理中,取得了良好的效果。

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。

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。

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。

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。

为优选镶黄旗毕山地区找矿预测靶区,开展1∶1万土壤地球化学测量工作。采用多元统计综合分析方法对研究区土壤中Au、Ag、Cu、Pb、Zn、Mn、Mo、Li、W、Sb、Bi、B、Hg和As共14种元素进行分析,结果表明:研究区土壤中Au、Ag、Pb、Zn、Li、As 6种元素富集程度较高,成矿潜力最大;具有较高含量的元素异常主要受下二叠统三面井组凝灰岩及凝灰质火山角砾岩与花岗岩之外接触带控制;成矿元素主要受NW向断裂构造带控制,硅化、白铁矿化、黄铁矿化、方铅矿化、闪锌矿化等蚀变为找矿主要标志;结合该区成矿地质条件,圈定了综合异常3处,找矿靶区2处,经工程验证发现了Ag矿体。研究显示,土壤地球化学测量方法是成功寻找多金属矿体的关键所在,为后续矿产勘查工作的开展奠定了重要基础。

常规拼接处理方法以满足构造解释为目的,更多是基于地震数据本身使大套地层反射能量、频率趋于一致为目标,尤其在处理重叠区数据时仅采用其中一个工区的地震资料,无法充分利用各个工区地震资料的有效信息,导致重叠区地震资料保真度低,严重影响后续储层连通性及含油气性的判别。本文提出一种基于加权融合的重叠区数据拼接方法,在重叠区将不同工区的地震数据与相应的权值进行加权融合输出为一道地震数据。实际地震资料应用结果表明,基于重叠区数据融合拼接的处理结果能够有效改善地震资料品质,剖面上同相轴连续性变好,更有利于浅层砂体连通性的判别。

掌握硒在土壤和农作物中的分布规律对于富硒产业发展至关重要。湖北省恩施市分布大量富硒土壤,为发展当地富硒农业,本文以鄂西典型高硒区恩施新塘乡为研究区,通过对2 469件土壤样和玉米、土豆、水稻、萝卜、白菜、茶叶6种共237件农作物样的硒地球化学数据进行整理分析,系统地总结出该区土壤硒分布规律及影响农作物硒含量的因素。结果表明:新塘乡表层土壤硒含量范围为(0.14~25.74)×10^-6,背景值为0.81×10^-6,是全国土壤硒背景值的3.7倍,且达到富硒土壤标准的土壤面积占总面积的86.23%,存在2条NEE向的富硒带;土壤硒空间分布与成土母质密切相关,成土母质为二叠系黑色岩系的土壤中硒含量明显较高,富集系数达到3.74;高硒区水稻、萝卜、白菜富硒率均超过65%,除土豆外的农作物硒含量与对应根系土硒含量均呈正相关,其中茶叶(P<0.01,R=0.84)相关性最高,说明富硒作物硒含量与根系土硒含量关系密切;成土母质为二叠系黑色岩系类及三叠系碳酸盐岩类的耕地区农作物硒生物富集系数较高,成土母质为二叠系黑色岩系的农作物中硒平均值最高,说明成土母质对农作物硒含量影响较大。

在地震勘探中,受采集成本或地形环境的限制,地震数据往往存在缺失,因此数据重建是地震数据预处理的关键步骤。本文基于压缩感知理论框架,对合成数据进行二维随机欠采样,将三维地震数据划分为一系列时间切片,随后引入Shearlet稀疏变换,结合凸集投影(POCS)算法逐次对每个时间切片进行数据重建,从而实现了基于Shearlet变换的三维地震数据时间域重建方法。数值试验和实测数据结果表明,相对于Curvelet变换的重建方法,本文所提出的重建方法的信噪比更高,计算速度更快,效果更好。

尾矿具有资源利用价值,同时会对环境带来破坏和威胁,然而目前国内外对尾矿的元素地球化学特征研究较少,不利于尾矿的合理处置。本文选择邯邢铁矿尾矿,通过系统的取样、测试、分析,查明了尾矿中Fe、Co、S、Cu、Zn等元素在不同粒径尾矿中的含量特征和元素形态特征(可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机物结合态和残余态);基于元素的粒度效应和形态分布探讨了其对尾矿资源开发利用和环境风险评价的启示。研究结果有助于深化对邯邢铁矿尾矿元素地球化学特征的认识,对于尾矿的资源化利用和环境风险防范也具有积极意义。

高阶伪随机电磁信号的频谱包含了勘探工程所需的全部频率,具有提升工作效率及抗干扰性能强的特点,在城市环境下的电磁勘探中得到应用。因此,本文在济南城市轨道交通8号线一期工程专项勘查区内,具有强烈工频干扰地区进行的电磁勘探工作中,应用了高阶伪随机电磁信号进行有效信息的提取。为了高效率地提取高质量的有效信息,作者采用包络评价算法与高阶伪随机电磁信号相结合的方案。通过频谱包络值来较为准确地估计信号实际受到干扰的情况,对接收信号进行筛选,进一步避开工频干扰及其谐波影响,获得了更多的有效频率和地电信息,为后续反演解释提供了丰富的有效电磁数据。该方法为今后复杂城市环境下的电磁勘探工作提供了一种地下有效信息的提取技术。

有效地查明滑坡区地层结构及滑坡构造对防灾减灾具有重要意义。本文以无锡市雪浪山景区滑坡调查为例,对比分析了高密度电阻率法二维及三维反演的差异,探讨了三维反演带状效应的消除方法,开展了高精度地表高程数据及钻孔先验信息约束下的三维电阻率反演,构建了滑坡区三维地质模型。研究结果表明,三维电阻率反演在复杂滑坡调查中具有显著优势;通过优化网格间距、阻尼系数和反演滤波器参数可以有效抑制带状效应;精细化地形及先验信息约束可以显著降低地形影响和反演多解性,提高反演对地层界面和滑坡构造的分辨率。通过三维电阻率反演及地质建模,获得了滑坡区的三维地层结构和滑坡体、滑动面空间分布,并对滑坡机理进行了分析研究。该项成果为研究区滑坡地质灾害调查与治理提供了重要基础资料。

页岩地层原始发育的小微尺度断缝(断距小于10 m的断层和裂缝)对水平井段优质储层钻遇率、改造体积、产能均有较大的影响,对其开展精细预测尤为重要,但目前单一的方法很难准确识别和预测。本文结合四川盆地南部某地区龙马溪组页岩气层小微尺度断缝发育的情况,开展了模型组合正演模拟、响应机理和响应特征研究,提出预测+建模相融合表征的小微尺度断缝预测方法,并优选地震资料处理、小微尺度断缝预测、多尺度裂缝建模和融合表征技术开展研究。研究成果同研究区龙马溪组页岩气层水平井钻遇的小微尺度断层、地层漏失、井间压窜等地质异常情况吻合度较高,且同单井产能情况具有较好的正向关联性,证实了该方法预测小微尺度断缝的可行性,可为同类型层系小微尺度断缝的预测研究提供参考。

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。

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。

重力仪器的性能试验是重力调查工作的一个重要内容,贯穿外业调查的始终。工作中,普遍采用“均方误差”“精度”和“中误差”对仪器性能试验结果进行定量化表述。通过对比地质调查、石油、测量这3类规范中的动态试验、一致性试验理论算式,发现“均方误差”“精度”和“中误差”存在明显的混用现象,其中,在3类规范中一致性试验的算式一致,计算结果却采用上述3种表述。本文通过对3类规范的动态、一致性试验的算式研究,分析了“均方误差”和“中误差”的区别,阐明了“中误差”相对于“均方误差”的规范性,确定了“中误差”的使用范围,为避免混淆,建议规范中采用“准确度”作为定性表述,“中误差”作为定量表述。

为进一步降低电磁探测系统中电场传感器的极差漂移与本底噪声,提升电场测量精度,本文通过研究极差漂移和本底噪声的产生机理,明确了电场传感器的设计需求,攻克了基于Ag-AgCl体系的石墨烯基稳定电解质凝胶制备工艺,优化设计了基于高分子微孔隔膜的多仓式、多触角电极结构,研制了低极差漂移、低噪声的石墨烯基电场传感器。该传感器利用石墨烯的离子保持能力,结合反应区、过渡区、缓冲区3区分立的多仓式结构,减缓了内部离子扩散速率,从而降低了因离子浓度变化而引起的极差漂移。利用石墨烯的导电能力降低了电场传感器的内阻,通过多触角增强与大地的接触,降低了电场传感器的接触电阻,从而降低了电场传感器的本底噪声。所研制的石墨烯基电场传感器极差漂移不超过20 μV/24 h,本底噪声不高于25 nV/ \sqrt{Hz}。在黑龙江多宝山地区开展了24小时野外大地电磁探测试验,获取了0.000 125~320 Hz频段的高质量电场数据,视电阻率相位曲线与商用电极测量结果一致,验证了石墨烯基电场传感器的野外工作有效性。

地—井瞬变电磁法在实际勘探中容易受到不规则发射回线和倾斜钻孔的影响,这会增加三分量感应磁场的测量误差,并导致解释精度下降。本文首先在建立任意形态发射回线源激发下的地—井瞬变电磁三分量测量模型的基础上,通过坐标变换得到倾斜钻孔下的地—井瞬变电磁响应的计算公式,然后采用数值滤波算法实现了全空间瞬变电磁场的一维正演。多个典型模型的计算结果表明,瞬变磁场三分量受发射回线形态影响严重,其中X、Y水平分量响应所受到的影响远大于Z垂向分量的响应;偶数边的正多边形回线源装置的瞬变电磁三分量场分布均匀且对称,且在周长相同的情况下,边数越多,其激发的一次场能量越大,野外采用矩形回线源装置最具性价比;井斜角和偏移距主要影响三分量响应的幅值大小,而钻孔方位主要影响水平分量的符号,含有比较丰富的定位信息。在地—井瞬变电磁勘探中,需要准确测量场源路径和井几何形态,以便进行必要修正,从而提升解释的准确性和可信度。

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。

针对少井且构造沉积双复杂的古近系地层,为了提高储层反演精度,首先在地震资料处理时,采用稀疏脉冲反演一次波估算和各向异性Q叠前深度偏移两项关键技术,提高了地震道集质量和成像品质,然后采用叠前同时反演方法开展研究工作。方法步骤如下:①使用叠加速度,通过层约束Dix反演获得纵波阻抗低频模型;②使用分角度叠加数据和经过井震标定的子波进行弹性阻抗反演,得到远、中、近道弹性阻抗体;③通过Fatti反演,获得初始纵波阻抗、初始横波阻抗和初始密度;④开展叠前同时反演,获得最终的纵波阻抗、横波阻抗和密度;⑤利用岩性和物性反演结果,预测储层展布范围。该方法基于三维地震数据驱动,且对测井依赖程度低,可为类似地质条件下的储层预测工作提供借鉴。

基于射线追踪的初至走时层析被广泛用于近地表速度建模,解决复杂近地表地震资料的静校正问题。该方法需要进行射线追踪计算初至波路径和多次迭代更新初始速度模型,导致其应用于实测三维高密度地震资料时存在耗时极大的问题。为此,本文提出一种在三维起伏地形下利用回折波走时信息快速建立近地表速度模型的方法。基于起伏地形下速度在纵、横向变化时的回折波走时及射线方程,采用共偏移距数据集自地表向下逐层确定介质的速度分布。该方法无需射线追踪和迭代更新速度模型,具有很高的建模效率。理论模型数据测试验证了本文方法的有效性。将该方法应用于三维实测地震资料,取得了和菲涅尔体初至走时层析方法相当的静校正效果,且显著提高了计算效率。

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。