东北黑土区作为世界四大黑土区之一,分布着肥沃、珍稀的黑土资源,它的保护和利用历来备受关注。土地利用/覆盖变化影响生态系统的结构、功能和健康,对实现土地资源的可持续利用具有重要意义。本文选取1970年、1995年、2010年和2020年四期土地利用/覆盖数据,应用土地利用转移矩阵、综合动态度、空间变化模型等方法分析东北黑土区近半世纪以来的土地利用变化时空特征,发现:①近半世纪以来东北黑土区建设用地、耕地及草地面积总体增加,湿地、林地及未利用地面积总体降低,地类变化主要集中于三江平原、松嫩平原西北部及西辽河平原地区;②各地类变化均以交变量占主导优势,存在大量空间位置转移;③土地利用程度呈逐年小幅增长的趋势,但仍低于全国水平,土地开发利用的潜力巨大。未来,应进一步研究东北黑土区土地利用变化时空特征、机制及其对生态环境、生态服务功能、碳收支平衡的影响,优化国土空间布局,实现“把黑土地用好养好”。

土壤有机碳(SOC)和全氮(TN)不仅是可持续农业的基础,更是土壤肥力的关键,对维持土壤养分的含量具有重要作用。基于穆棱河—兴凯湖平原1:25万土地质量地球化学调查土壤养分元素数据和第二次全国土壤普查土壤养分元素数据,运用地统计学方法和GIS技术,探讨1979~2019年穆兴平原表层土壤SOC含量和TN含量的时空变化规律。结果表明:研究区表层土壤SOC含量和TN含量主要处于三等以上水平,呈现出整体较丰富和丰富、局部缺乏的分布特征。经过40年演变,SOC含量下降了25.65%,TN含量下降了29.87%,C/N比增加了6.00%;与1979年相比,2019年的表层土壤不同土壤类型中SOC、TN含量都在下降,只有水稻土增加;自然生态系统转变为农田导致SOC、TN含量都在下降;说明土壤类型和土地利用方式变化等因素对研究区土壤养分的空间变异程度有着显著影响。

通过野外调查、土壤化学成分分析、土壤黏土矿物X-射线衍射(XRD)图谱分析和土壤风化程度分析,对松嫩平原北部黑土区大豆/玉米轮作农田、林地、草地、退耕还林等多种土地利用方式土壤剖面黏土矿物组成进行研究,探究不同土地利用方式下土壤剖面化学成分、黏土矿物组成以及风化程度变化规律及其对环境的指示意义。结果表明:不同土地利用方式土壤剖面中钾、钠、钙元素含量依次为草地>耕地>林地>荒地;在剖面60 cm以上有机碳含量为耕地>林地>草地>荒地,60~80 cm以下,有机碳含量为荒地>草地>林地>耕地。研究区不同土地利用方式土壤风化程度依次为退耕、荒地>林地>耕地>草地;土壤淋溶程度为荒地>草地、林地>耕地。研究区不同土地利用类型土壤总体上黏土矿物以蒙脱石、高岭石、蛭石、水云母和绿泥石为主,其中耕地、林地以2:1型非膨胀性黏土矿物为主,草地以2:1型膨胀性黏土矿物为主,荒地以1:1型黏土矿物为主。通过研究区不同土地利用类型的黏土矿物组合及其含量对比,结合剖面的风化程度计算,得出随着风化程度和成土作用的加深,土壤中绿泥石等矿物向高岭石、蒙脱石转化,水云母向蛭石转化,而其环境条件也由干冷转为湿热气候。

地统计学和多元数据分析是讨论土壤中重金属元素来源的有效方法。对比不同地质背景区表层和深层土壤中重金属元素的含量和分布情况,可以为研究土壤中重金属元素的来源提供依据。三江平原是我国沼泽湿地分布相对集中的地区之一,属于温带湿润、半湿润大陆性季风气候,是我国重要的粮食生产基地,以农业生产为主。本次以三江平原为典型地区,从区域尺度上研究影响耕地土壤中的重金属元素分布的主要因素,分别对表层和深层土壤进行取样,计算As、Cr、Cu、Hg、Ni、Cd、Pb和Zn共8种重金属元素的最小值、最大值、中值、平均值、变异系数及富集系数。结果表明,三江平原土壤环境质量优越,表层土壤中重金属元素(除Cd外)As、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn含量均略低于深层土壤;元素富集系数均小于2,仅有个别点位的表层Cd、Hg、As富集系数存在较大的值;通过地统计学和Pearson相关性分析,在5种成土母质区域,确定了表层和深层土壤中重金属元素的主要影响因子,综合分析表明, Cr、Cu、Ni和Zn的主要物质来源于成土母质,Cd、Hg、As在部分地区可能受到人类活动的叠加影响。

准确获取兴凯湖平原土壤有机碳含量及空间变异主控因素,对土壤有机碳调控、恢复及农业可持续发展具有重要意义。本研究基于野外实地采集的4 151个表层(0~20 cm)土样,探讨兴凯湖土壤平原有机碳空间分布特征及其主控因素。运用地统计学、回归分析等方法对比了成土母质、土壤质地、土壤类型、土地利用方式和土地开垦年限这5种因素对兴凯湖平原土壤有机碳空间分布的影响。结果表明: 研究区表层土壤有机碳含量为0.35%~14.49%,平均值2.80%,变异系数为 0.44,属中等强度的空间变异性。块金效应 C₀/(C₀+C)为 47.06%,表明空间分布受结构性因素和随机性因素的共同影响,土壤有机碳总体呈现“中、西部低,东、北部高”的分布格局。上述5种因素对土壤有机碳的影响均为极显著(P<0.01),其中成土母质、土壤类型、土地利用方式及开垦年限分别能够独立解释6.8%、3.8%、9.2%和3.3%的土壤有机碳空间变异,而土壤质地能独立解释30.1%的土壤有机碳空间变异,远大于其余4种因素,是研究区土壤有机碳空间分布的主控因素。

利用1:25万土地质量地球化学调查数据,根据《土地质量地球化学评价规范》和《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》,对逊克平原土壤质量和绿色产地土壤环境质量进行评价。结果显示: 逊克平原土地肥沃,环境优良,适合于发展绿色农业。①逊克平原土壤养分N、P、K、有机质、CaO、MgO、Fe₂O₃、S、B、Zn、Mn、Cu、Mo、Co、Ge、V 16项中,CaO、MgO、Cu、Zn为较缺乏,Ge、B缺乏,其他指标均为丰富和较丰富。土壤养分综合等级以丰富和较丰富为主,面积分别为6 088 km²和4 984 km²,分别占全区面积的44.58%和36.5%。②土壤环境质量综合等级以无风险为主,面积13 600 km²,占调查区面积的99.59%; 风险可控区面积56 km²,占0.41%。③土壤质量综合等级以优质土壤为主,面积为11 028 km²,占全区面积的80.76%; 良好土壤面积2 072 km²,占全区的15.17%; 中等土地面积556 km²,占4.07%,没有差等(四等)和劣等(五等)土壤。④逊克平原满足一级(AA级)绿色产地要求的土壤面积为13 396.45 km²,占全区面积的98.1%; 满足二级(A级)绿色产地要求的土壤面积为148 km²,占全区面积的1.1%; 不符合绿色食品产地要求的土壤面积为112 km²,占全区面积的0.8%。逊克平原土壤养分充足,环境清洁,开发绿色食品产地潜力巨大。

黑龙江省乌裕尔河流域是克山病和大骨节病并存的地方病高发区,根据东北黑土地1:250 000土地质量地球化学调查数据,对乌裕尔河流域土壤中B、Cu、Fe、Mn、Mo、Zn植物必须的微量营养元素全量和有效态含量分布特征进行研究,结果显示:①土壤中Mn含量丰富,Fe含量较丰富,Cu、Mo含量中等,B、Zn含量较缺乏;②表、深层土壤微量元素含量比较,除Mo稍有贫化外,其他元素均属于自然状态,未发生富集和贫化;③土壤有效Cu、Fe含量丰富,有效Mn含量较丰富,有效B、Zn含量中等,有效Mo含量缺乏;④建议在Mo缺乏的地块施用钼肥,增加土壤有效Mo的含量,提高农产品产量和质量。

黑土剖面中常量元素及其比值的地球化学特征与土壤的形成和发育有很大的关系,既反映了土壤发生、发育的程度,又反映了物源区的环境变化,是松嫩平原环境演化和气候变化的重要地质记录。为了探讨东北典型黑土的成因、成土母质来源以及化学风化的强度,选择具有代表性的海伦地区9条黑土剖面进行了常量元素分析,并与典型风成堆积物的元素地球化学特征进行对比,结果表明:①海伦黑土剖面主要常量元素(SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃)之和以及UCC标准化曲线均与典型风成堆积物具有较好的相似性,表明海伦典型黑土成土母质可能为风成成因;②化学蚀变指数CIA值平均为63.97,CIA—w(Na)/w(K)图解均显示属于初等化学风化程度,与典型风成堆积物相比,风化强度顺序为:哈尔滨荒山黄土>镇江下蜀土>西峰红黏土>海伦黑土≈洛川黄土;③ 0~30 cm黑土比30 cm以下的黑土具有更高的w(SiO₂)/w(TiO₂)、w(SiO₂)/w(Al₂O₃)比值,说明晚期海伦典型黑土粒度较粗,石英含量较高。元素地球化学特征显示,表层和深层典型黑土的气候环境及物源可能并不完全一致,在30 cm左右发生了变化。

以海伦市研究区1 175件表层(0~20 cm)土壤样品主要微量元素(B、Cu、Mn、Mo、Zn)的实测含量为研究对象,采用地统计学与GIS相结合的方法,对土壤微量元素的含量及空间分布特征进行分析。结果表明:研究区表层土壤中B和Mo含量较缺乏;Mn和Mo的块金效应大于75%,空间自相关性弱,B、Cu和Zn块金效应在25%~75%之间,属于中等空间相关,空间变异主要受到自然因素影响;B和Cu的空间分布相似,由中心向四周逐渐减少,Mn和Mo含量呈明显带状分布,Zn含量北部高于南部。微量元素之间既存在着共生关系,也可能存在拮抗关系。土壤有机质含量、成土母质、土壤类型和土地利用对微量元素均有不同程度的影响。

土壤全氮(TN)、全磷(TP)及氮磷比(N/P)是衡量土壤肥力和土壤质量的重要指标,研究其空间异质性特征对土壤养分管理以及生态环境监测等政策的制订具有重要意义。本文通过土样采集和室内实验分析,结合地统计分析及地理信息系统(GIS)等方法,对建三江地区表层(0~20 cm)土壤中的氮、磷生态化学计量空间变异及影响因素进行研究。结果表明:土壤全氮、全磷以及氮磷比的均值分别为2.49×10^-3、0.81×10^-3和3.20。土壤全氮和氮磷比空间自相关性很强,而土壤全磷空间自相关性处于中等程度,且均符合指数模型。从空间分布来看,土壤全氮高值区主要呈斑块零星分散在东部、南部和西北地区,而低值区主要在西北和中西部地区零星分布;土壤全磷高值区主要分布在东部和西北地区,中部地区则为低值地区;土壤氮磷比分布则呈镶嵌状,高值区以斑块状分散于中部、南部和东北部地区,而低值区主要位于西北地区。研究区土壤类型、第四系类型和土地利用类型是影响土壤氮、磷生态化学计量特征的重要结构性和随机性因素,而土壤母质和地貌类型则对土壤氮、磷生态化学计量特征影响不大。

土壤地球化学分类对农业区划和生态区划具有指导意义。本文基于多目标区域地球化学调查获取的土壤常量元素数据,利用主成分分析和K均值聚类组合方法——主成分聚类法,对东北典型黑土区进行地球化学分类研究。结果显示:成土母质是土壤常量元素特征的主要控制因素,利用主成分聚类法将典型黑土区土壤样品划分为5类最为合理,各类样品的常量元素含量具有显著性差异(P<0.05)。土壤地球化学分类结果与第四纪地质单元有一定的对应关系,而分类结果更能反映成土母质的真实分布情况。同时,松花江南部黑土区较高的SiO₂含量指示了黑土的沙化生态问题,在黑土地保护中应给予重视。

利用Sentinel-2A多光谱遥感影像,结合实测土壤信息,对黑龙江省孙吴县黑土区土壤有机质含量进行反演研究。对影像进行预处理后,通过相关分析和随机森林(RF)选取特征波段,采用偏最小二乘法和BP神经网络构建土壤有机质含量多光谱模型反演红旗林场土壤有机质含量。研究表明:相关性选取的倒数对数一阶微分反射率波段和RF选择的组合波段能够有效提高土壤反演精度,组合波段的RF-BP神经网络模型反演效果最佳,R²=0.724 5,RMSE=1.312 7%。本次研究可为实现土壤有机质动态监测提供技术支持和参考。

本文通过选取二连盆地塔北凹陷西部地区3条典型地震剖面,运用2D Move软件分别对其进行平衡剖面恢复以及伸展量、伸展率的计算,分析了塔北凹陷早白垩世以来地质演化过程和构造演化特征。研究结果表明:(1)塔北凹陷整体受北西侧主干正断层的影响,形成西断东超形态的“单断式箕状”断陷湖盆,垂向上具有“下断上坳”的结构特征。(2)塔北凹陷各时期的伸展量、伸展率变化特征与构造演化历程相耦合,呈现出先增强后减弱,表明伸展作用 “由弱向强再减弱”的趋势。(3)塔北凹陷主要经历了四期构造运动:①阿尔善组沉积时期,塔北凹陷断裂初始发育,沉降受正断层活动控制,塔北凹陷初具雏形;②腾格尔组沉积时期,凹陷内部断裂持续发育,整体受断陷控制明显,伸展量和伸展率逐渐增大,并且在腾格尔组二段沉积时期达到顶峰;③赛汉组沉积时期凹陷整体受断裂影响微弱,沉积中心逐渐远离主干断层,总体表现为坳陷沉降和超覆不整合发育;④赛汉组沉积末期至今,断陷活动消亡,盆地逐渐收缩,地形趋于平缓,此后塔北凹陷一直处于抬升状态。

二连盆地砂岩型铀矿集中产出在巴—赛—齐古河谷内。古河谷北部多被玄武岩覆盖,增加了铀矿勘探的难度。根据玄武岩覆盖区的电性特征,优选并开展音频大地电磁测量(AMT),获取了断裂、砂体、玄武岩展布和基底、构造格架等铀成矿信息,为评价区内找矿前景提供深部电性数据支撑。玄武岩覆盖区存在玄武岩盖层、沉积地层和基底三元电性结构。区内有利铀成矿的赛罕组砂体和断裂较为发育,深部热流体可以为铀的叠加成矿提供热源。铀矿勘探需关注近玄武岩盖层的沉积地层的铀聚集。另兼顾铀源条件,建议查明玄武岩覆盖区以NNW走向的断裂展布,为热流体叠加成矿的铀矿勘探提供依据。

物性参数是地球物理与地质之间的纽带,也是地球物理解释和推断反演合理性的关键。为系统掌握南秦岭安康汉中地区岩(矿)石物性特征,提高解释准确性,服务基础地质研究和矿产资源调查评价,本次工作深入南秦岭安康汉中腹地,野外实测岩石物性点458处,采集磁化率数据13 740个、能谱数据458组,根据岩石地层年代及岩性对岩石物性进行分类统计。磁化率数据统计结果表明:古元古代基性及部分中性岩体在研究区内属于强磁性地质体,磁化率均值达4 000×10^-5SI以上,其中辉长岩为最强;区内最主要的磁性地层为震旦系耀岭河组凝灰岩、古元古界西乡群,磁化率均值多接近1 000×10^-5SI,高值者达2 000×10^-5SI以上测量单位。经实验室测定,区内大多数磁性地质体以感磁为主,少数凝灰岩、辉长岩及含磁铁辉长岩具有较强的剩磁,在异常反演中必须加以考虑。能谱参数物性分析表明区内古生界和震旦系变质岩放射性较高,其中黑色岩石(含炭质)普遍放射性较高。通过庙坝村西和石泉县东南两处示例说明了磁、放物性参数在磁放资料解释中的重要作用,建立了航空磁放信息与地质信息之间的连接,提高了解释可靠性。

为减少铀矿钻探工程风险,基于音频大地电磁法(AMT)资料,对龙首山成矿带中的马路沟断裂及次级断裂的深部发育特征进行了探究。通过对马路沟断裂与次级断裂正演理论模型响应特征分析,论证了方法的可行性,在此基础上,结合地质、岩石电性参数和钻探资料,对反演电阻率断面进行了推断解释,大致查明了区内断裂的深部发育特征。研究结果表明:马路沟断裂(F₁₀₁)走向NW,倾角约80°,其中X501—X502剖面之间倾向NE,X502—X506剖面倾向SW;次级断裂F₁₀₂、F₁₀₃走向NW,均倾向NE,倾角75°~80°;上述断裂具有切割深度大、倾角较陡特征。该结果为后期钻探工程的布置提供了依据,提升了铀矿地质勘查的效果与效益。

地震资料的质量对于地质解释起着至关重要的作用。实际地震数据通常会携带大量噪声,使地层模糊,断层构造不清晰。非局部均值滤波方法(NLM)可以有效地压制随机噪声,但其计算效率较低,因此在大型地震数据处理应用中具有局限性。本文给出了一种快速自适应NLM算法,该方法利用中心对称数据积分算法提高NLM方法的计算效率,并利用相似度标准差估计均匀性来自适应地调整滤波参数,进一步提高去噪效果。因此,改进后的非局部均值滤波方法可以有效地提高计算效率,同时可以增强噪声压制效果。最后,通过模型数据和实际数据验证了该方法的可行性、有效性。

当前油气勘探目标具有“隐、碎、薄、小”等特点,对偏移成像技术提出了更高的要求。因采集方式特殊,井中地震具有资料分辨率高、波场信息丰富且干扰少等优势,理论上能够对井周的“隐、碎、薄、小”等复杂储集体实现高精度成像。井型对震源的布设有较大的限制,实际中除直井外,还存在斜井、曲斜井、水平井等多种井型,相同深度震源在不同井型中所处位置不相同,相同数量震源在不同井型中的空间分布也不同,使得地震波传播路径存在显著差异,影响成像质量。然而,当前井型对于偏移成像的影响具体如何,还没有定性或定量的认识,本文基于黏声逆时偏移成像方法,通过对比多种不同井型条件下的理论模型井中地震偏移成像结果,分析井型对偏移质量的影响。数值试算结果阐明了井型与井中地震偏移成像质量及有效成像范围间的定性关系,该结果也为井中地震采集系统设计提供了相应的理论支撑。

黏声波高阶傅里叶有限差分法数值模拟可以更精准地反映具有大地吸收效应的高倾角地层地震响应,它能适应任意横向速度变化并压制大倾角处有限差分法出现的频散现象及背景噪声。高倾角地层偏移精度取决于差分算子常系数确定及阶数的求取。本文使用梯度下降法对傅里叶有限差分算子中的高阶有限差分校正项进行了优化,根据相对误差和约束系数优化结果,在不提高方程阶次的情况下达到更高阶方程的逼近效果,并将其扩展到黏声介质。通过设计的模型算例可以得出,文中方法适应具有吸收衰减效应的强空间变速介质的正演模拟,且具有较高的计算精度和计算效率,能对复杂地质构造进行准确的地震数值模拟。

数据重建是地震资料处理中一项重要的前期工作。压缩感知(compress sensing, CS)已经在数据重建领域取得了很好的应用。CS的关键是采样的随机性,随机采样将常规欠采样引起的互相干假频转化为较低能量的不相干噪声。一方面,传统的随机采样方法缺乏对采样点的约束,导致产生过多的噪声干扰,分段随机采样可有效地控制采样点之间的距离。另一方面,单一的数学变换会导致信号的不完全稀疏表达,影响数据重建效果,形态分量分析(morphological component analysis, MCA)将信号分解成几个具有显著特征的成分以逼近数据复杂的内部结构。本文在MCA框架下找到了一个新的字典组合(Shearlet+DCT),并使用块坐标松弛(block coordinate relaxation,BCR)算法得到最优解,从而获得理想重构结果。对实际资料的实验表明,该方法在重建分段随机采样数据时具有较好效果。

针对迭代最近等值线点(ICCP)算法在地磁变化平缓的区域匹配误差大,甚至出现误匹配的问题,本文首先建立ICCP算法的误差模型,阐明ICCP算法在这些区域匹配误差大的原因,并基于该误差模型,提出适用于地磁梯度匹配导航的迭代搜索最近等值线点(ISCCP)算法,该算法在ICCP的基础上改进了最近点搜索方式,利用地磁3个正交方向梯度信息进行迭代搜索。最后通过仿真实验表明,ISCCP算法平均点位误差能控制在半个网格长度以内,精度相较于ICCP算法提高了约15倍,有效解决了ICCP算法在地磁变化平缓的区域匹配误差大的问题。

工频噪声源于社会生产活动中产生的电磁噪声,常会造成视电阻率曲线病态或发散。为了提高数据处理与解释的精度,本文针对EH-4数据中常见的工频噪声,采用希尔伯特—黄变换进行去噪处理,通过对实际数据的时间序列处理分析可知,该方法利用数据自身的时间尺度特征自适应地分解信号,能够很好地去除工频噪声,为大地电磁信号的去噪提供了一条有效的路径。另外,本文还针对经验模态分解过程中产生严重的模态混叠及“端点效应”进行分析,运用聚合经验模态(EEMD)对仿真信号及实测数据的时间序列进行分解,有效地解决了模态混叠等问题。

和传统欧拉反褶积相比,重力梯度数据联合欧拉反褶积具有更高的计算精度和反演分辨率。为了消除计算产生的发散解,在应用中须使用不同的筛选方法,使得计算流程变得相对繁琐。可见提供有效的筛选方法与开发一个易用的可视化软件有利于提高该方法的准确性、便捷性和使用效果。因此,本文提出基于相关系数边界识别约束的重力梯度数据联合欧拉反褶积,并依据界面直观、功能实用、代码简洁的设计原则,针对算法流程与功能需求,利用Python语言及其函数库设计了一种支持数据/文件管理、二/三维可视化、边界识别、重力梯度数据联合欧拉反褶积等功能的软件系统。通过理论模型与实测数据试验,验证了计算的准确性和软件的实用性,设计的软件系统能够提高应用效果。

地理底图是航空物探专题图的重要基础环节及组成部分,但以往人工手动抽稀处理方法较为繁琐。本文对航空物探专题底图的作用和现状问题进行分析, 引入空间分析方法,借助1:25万公众版地形数据库进行规划底图编制实践,完成地理要素矢量化。以四川省达州—华蓥测区为例进行测试,证实该方法制作的地理底图简便实用,相比以往处理方法,更加智能化,且制作成果快速准确,符合相关精度要求;此方法为航空物探专题图的精准制作提供了有力支撑,方便用户使用,同时也为航空物探的发展奠定了一定基础。

瞬变电磁法现阶段的资料处理解释仍以一维反演为主,因此开发一套功能齐全、高效稳定的一维反演系统对进一步提高国内瞬变电磁法的应用水平仍具有重要意义。本研究开发的地面回线源瞬变电磁法一维反演系统包括了基于高斯牛顿法的最小构造反演和Occam反演,也包括了基于阻尼最小二乘法的横向约束反演和空间约束反演。以内蒙古那仁宝力格煤田玄武岩岩体形态探测为例,将该反演系统的最小构造反演和Occam反演结果与商业软件IX1D进行了对比验证,发现不同反演方法获取的电阻率二维断面图中,玄武岩岩体形态相似、电阻率范围一致;结合钻孔资料,这些一维反演结果清晰反映了玄武岩岩体除岩浆上涌通道区域外的分布形态。将横向约束反演和空间约束反演应用于该实例,结果表明:相邻测点间玄武岩岩体电阻率差异缩小,玄武岩与沉积岩界面的连续性得到增强。

非线性优化算法在给定的参数搜索范围内对最优解进行全局搜索,在全局搜索方面具有先天的优势,具有一定的跳出局部极值的能力。本文将一种新兴的非线性优化算法——麻雀搜索算法引入瑞利波频散曲线反演问题,针对频散曲线反演问题瑞利波频散曲线反演问题多参数、多局部极值的特点,引入自适应t分布对算法进行改进。三种理论模型的反演实验数据表明,改进的麻雀搜索算法与传统麻雀搜索算法相比具有更好的反演精度和稳定性,同时具有较好的抗随机噪声的能力。与粒子群算法和差分进化算法两种较成熟的非线性优化算法进行对比,改进的麻雀搜索算法较好地平衡了迭代前期的全局搜索和迭代后期的局部搜索,取得了与粒子群算法和差分进化算法相比更好的效果。

微动勘探技术具有较强的空间适应能力和抗机械干扰能力,在复杂城市环境的地质勘探中被广泛应用。微动特征曲线的正演模拟均基于水平层状介质模型,而实际地层为典型非均匀地质模型,导致特征曲线拟合度不理想,有必要基于非均匀介质条件进行正演研究。水平层状介质假设的地质模型无法满足微动特征曲线的高精度正演要求,需基于非均匀模型进行正演。本文提出的动态优选法微动特征曲线正演技术,在等效水平层状介质理论特征曲线的基础上,计算随频率变化的孔径范围和优选系数,可实现非均匀介质的高精度特征曲线正演。以谱比曲线为例,采用动态优选法微动特征曲线正演技术能够更好地反演非均匀介质的横波分布,具有更高的横向分辨率和勘探精度。

为了提高基桩检测水平,减少重大安全隐患,基于2.5维井间超高密度电阻率的正反演数值模拟,构建了单桩、长短桩和群桩3种地电模型,分析其响应特征及规律;鉴于基桩检测环境的复杂性,结合两则基桩埋深探测的实例,进一步阐述了该方法的应用特点和效果。研究结果表明:井间超高密度电阻率成像技术应用于桩埋深检测,具有精度高、施工灵活方便等优点,可以大规模检测基桩的长度,而不需要1个检测孔对应1根基桩,极大提高了基桩埋深的探测水平。

快速高效地查明城市中引起地面塌陷的隐患,对于城市建设、灾害防护及保护人民财产具有重要意义。将城市浅层地面塌陷归纳为3类:溶蚀作用造成的空洞塌陷、无序抽排地下水造成的土洞塌陷以及人防工程老旧空洞塌陷,通过正演计算,研究分析了3类空洞地质模型的等值反磁通瞬变电磁响应规律,以及各模型分别在高阻和低阻覆盖层下的衰减曲线的变化特征;利用岩石的瞬变电磁响应变化率分析了各类空洞地质模型的电性特征。正演结果表明:溶蚀空洞模型和土洞模型与围岩相比呈低阻特性,人防空洞模型呈高阻特性;3种模型的瞬变电磁响应变化率表明等值反磁通技术对各类空洞隐患均具有较好的识别能力。将等值反磁通瞬变电磁法应用于昆明、郑州等地的3类空洞探测,结果证明该方法对城市浅部空洞探测是行之有效的。

针对在基建工程前期探测中,传统物探反演方法对溶洞等不良地质条件的探测精度低的问题,提出了一种基于松鼠搜索算法的跨孔电阻率溶洞探测反演方法,用于改善传统的基于Tikhonov正则化的灵敏度迭代法对初值、噪声敏感、容易陷入局部最优等缺陷。采用小型、大型和串珠状溶洞3种数值算例,对不同智能搜索算法和灵敏度迭代法的探测结果进行了对比分析,并开展了室内模型试验和现场实验验证。研究结果表明:基于松鼠搜索算法的反演方法收敛速度快、精确度高,可显著提高跨孔电阻率溶洞的探测精度。

大定源回线是瞬变电磁方法的常用装置,移动发射框需要耗费巨大的人力和时间,极大降低了工作效率;电性源瞬变电磁法具有探测深度大、受地形限制小、工作效率高等优点,但偏移距较大时,采集信号强度衰减强烈,信噪比降低,在一定程度上限制了探测精度。为了解决精细地质探测的实际问题,采用多激励源瞬变电磁方法,通过构建正演模型,以甘肃魏家地煤矿含水采空区探测为例,比较了传统大定源回线、单激励源及多激励源电性源瞬变电磁的勘查效果;经钻孔验证,多激励源瞬变电磁法在研究区勘查效果更好。研究结果为邻区及类似地区煤矿采空区探测提供了技术支撑和可供参考的范例。