发展地球立体探测技术，提高地学仪器装备水平
摘要：弗兰西斯·培根提出了一个重要的哲学概念一实验是自然科学的基础．伽利略把这一哲学概念变成了可以实践的科学方法，并且给定了科学实验的两个基本要素：用科学仪器进行测量和通过数字记录予以表达，使实验结果成为可以定量分析和精确计算的数据．可见，仪器仪表是人类扩大科学视野，探索自然奥秘的重要工具，它本身总是处于永不止息的创造发展之中．重视仪器仪表，才能跟上信息时代的前进步伐．深水大地电磁数据采集的若干理论要点与仪器技术
摘要：深水环境下进行大地电磁数据采集，信号幅值微弱，高频分量被严重衰减；仪器承载的环境压力巨大，且伴随底流推曳、淤泥吸附等不利因素；海上作业情况复杂多变，带给设备投放与回收诸多困难．针对这螳特殊问题，从理论上分析了大地电磁场在海水及其以下层状介质中的传播规律，计算了电场与磁场随不同水深的衰变比值，研讨了与仪器上浮速度相关的物理因素；从技术上阐述海底大地电磁仪的工作原理，包括信号传感器、数据采集器、声控释放单元以及机械组装部件等等．整套仪器信号分辨率达到nV级，频带宽度为10～0．3×10^3Hz，最大工作水深4000m．该仪器搭载“海洋六号”科学考察船，在我国南海中沙群岛海域进行了国内首次深水环境下的大地电磁数据采集试验．结果显示，所研发的仪器性能指标吻合先前的理论推算值，达到设计要求．我国的海底大地电磁探测技术已完全享有自主的知识产权．地下工程灾害水源的磁共振探测研究
摘要：地面磁共振探测（Surface Magnetic Resonance Sounding,SMRS）是近年来发展起来的一种地球物理新方法,这种在地面直接探测地下介质中氢核丰度的技术,不仅可以用于缺水地区的地下水资源勘查与评价,还可以在地下水引起的堤坝渗漏、滑坡、海水入侵等地质灾害水源的探测预警中发挥独特的作用.本文首次提出了地下磁共振探测方法（Underground Magnetic Resonance Sounding,UMRS）,将SMRS方法引入到地下工程领域,实现隧道工程和煤矿开采等地下狭窄空间极端环境的探测.为应用UMRS方法,需要深入研究地下水超前探测理论、准全空间处理与反演方法、旋转多匝小线圈探测模式,强电磁干扰环境自适应噪声压制策略、以及复杂地质环境磁共振与瞬变电磁联合探测关键技术等难题.论文还简要介绍了超导磁探测技术和工程盾构及掘进实时探测等新技术在地下工程生产安全探测预警中的应用前景.无人飞艇长导线源时域地空电磁勘探系统及其应用
摘要：以无人飞艇作为载体的时域地空电磁探测系统，具有高效、低成本、勘探深度大和空间分辨率高等优点．本文基于二维有限差分方法，分析了长导线源地空电磁响应的特征和变化规律、以及飞行高度的影响；在此基础上，采用32位Cortex-M3内核处理器，以全差分模拟前端压制电磁干扰，实现了24位低噪声多通道海量电磁数据的同步采样及存储，研制了一套可搭载于无人飞艇的时域电磁接收系统，并基于Wi—Fi Mesh无线多跳网络实现了地面远程监控．通过分析飞艇发动机的电磁噪声特点，采用独立分量分析法进行实测数据的噪声去除．研制的地空电磁接收系统使用无人飞艇搭载，在江苏省南通市如东县和内蒙古巴彦宝力格地区进行了电磁探测实验，地空电磁勘探结果与地面瞬变电磁和大地电磁方法进行了对比，证明了地空电磁探测方法的有效性．无人飞艇时域地空电磁探测系统的成功飞行实验，为在我国草原沙漠地区、海陆交互地带、沼泽地带、无人山区等特殊景观地区开展矿产资源、水资源、地质灾害等电磁探测提供了新方法和新思路．地面磁共振测深分布式探测方法与关键技术
摘要：地面核磁共振方法（MRS）因具有对地下水探测定性、定量的特点而备受地球物理工作者关注.传统研究中,人们局限于—维探测方法,假设层状含水构造,导致复杂地质环境下难以确定井位、不均匀含水层小水体难以分辨的反演解释瓶颈.针对现有测量中的不足,本文提出了MRS二维分布式探测模式,依据激发场不均匀特性,定义了实际测量中的测线方位角α,推导了分布式接收线圈MRS响应核函数表达式,实现了二维正演计算,探索了α角与探测灵敏度之间的关系.在此基础上,首次将Occam方法用于MRS二维反演解释中,实现了磁共振断层成像MRT（magnetic resonance tomography）.模型试算中,根据含水层位置以及环境噪声变化的磁共振响应,客观评价了分布式MRS探测适用范围.理论先行可推动仪器完善,本文通过分布式接收单元设计、接收线圈数量和匝数增加与调整、放大器参数自适应设置与矫正,成功研制了地面分布式磁共振探测系统,并进行了野外验证.本文的研究成果将为基岩裂隙水定位、堤坝渗漏灾害水源评价,喀斯特溶洞含水构造精确探测提供有力的科学支撑.无线遥测式数字地震仪关键技术
摘要：介绍了一种完全自主开发的便携无线遥测式浅层数字地震仪．系统以无线自组网为核心，基于双ARM和FPGA平台，采用多功能IP软核驱动方式及嵌入式操作系统，从硬件方面提高系统的集成化程度，缩小设备体积．设计可动态配置信号调理单元保证系统前端的动态范围和保真性，采用并行双缓存循环预采集存储技术，实现不确定传输延时情况下的多道严格并行采集．文中详细分析了适合于地震数据传输的无线射频和无线以太网两种传输方式，以及相应的组网方案和关键技术难点，解决了分布式无线信号采集站的采集同步和非均匀采样问题．信号采集站单站集成12路并行采集道，各通道在4k采样率时有效分辨率达18位，且参数可远程配置．软件中所集成的现场质量控制功能，非常适于复杂环境下的工程勘探，且由于移除了多个附加配件，从而缩小了设备的体积和重量，降低施工布线的复杂性，提高环境适应能力和勘探效率．基于磁通负反馈结构的高灵敏度感应式磁场传感器研制
摘要：感应式磁场传感器广泛应用于地球物理电磁勘探仪器,但也是阻碍我国地球物理电磁勘探仪器装备研发和推广应用的瓶颈技术.在我国SinoProbe计划中“地面电磁探测（SEP）系统”项目支持下,我们研制出用于大地电磁测深（the Magnetotellurics MT）方法的高灵敏度磁场传感器.研制过程中,采用磁通负反馈技术,增强传感器系统工作稳定性;采用斩波稳零放大电路技术,有效降低低频1/f噪声对传感器灵敏度的影响;采用高磁导率合金材料,增加磁场传感器的灵敏度.最终,MT磁场传感器工作频率范围为1 mHz～1 kHz,噪声水平0.1Hz时为1.5 pT/（√）Hz;1 Hz时为0.15 pT（√）Hz;10 Hz时为0.03 pT（√）Hz;长度96 cm,重量≤6 kg.理论和测试结果表明：与同类产品比较,本文研制的感应式磁场传感器在≥10 Hz时,平均噪声水平从150 fT（√）Hz,下降至30 fT/（√）Hz,噪声水平更优,测量精度更高,能够更好地满足MT方法的需求.高精度组合式轻便小型可控震源的研究
摘要：由于自动控制、信号叠加等技术的不断发展,使得可控震源不断完善,成为我国地震勘探的重要手段之一.高精度组合式轻便小型可控震源是地震勘探中用于浅层地震勘探的一种高精度的激振设备,其组合安装模式适合于特殊复杂的野外环境,可以实现流动野外地震观测,能够产生高重复性,高精度的叠加信号,弥补了炸药震源在地表条件差及城市环保区无法施工的缺陷,在中浅层勘探中取得了较好的效果.发展适用于中浅层地震勘测的高精度轻便小型可控震源应用于地震野外勘探,也适应了当前技术及市场的需求.本文从工作原理、系统构成和结构特点等角度对高精度组合式轻便小型可控震源进行了初步的研究,并针对野外的数据验证其可靠性和实用性.投弃式海流电场剖面仪研制
摘要：本文分析了投弃式海流电场剖面仪的发展，简介了海流感生电场的基本原理，提出了投弃式海流电场剖面仪的技术方案．根据投弃式海流电场剖面仪的实际需求，研发了XCP海流电场传感器，并通过XCP探头的自旋转（16r／s），实现了将海流电场信号AM调制并频移至海流电场传感器的超低噪声频段，解决了在高噪声背景下快速测量纳伏级微弱海流电场信号．设计实现了XCP探头前端弱信号处理电路，对海流电场微弱信号进行滤波提取的同时可实现对海流电场同向分量进行硬件电路补偿，在一定程度上克服了XCP探头下沉引起感生电场的强干扰．在XCP探头内部采用SoPC技术实现对海流电场信号、罗盘线圈信号和温度信息的快速测量及其数字化处理，并将数字信息以UART协议及LVDS物理层数传方式发送到XCP浮筒端．开创了长度2km、直径0．1mm漆包线动态数据传输技术，解决了XCP探头和XCP浮筒之间的数字化数据传输问题．根据XCP探头所采集的海流电场信号与罗盘线圈信号的同相分量In、正交分量Q、基线量B。数据，研究了XCP探测方法，从而计算出了海流的东向与北向相对速度分量VEr、VNr采用所研发的XCP，在我国南海海域首次采集到海面至海下千米深度的XCP海流电场信息和海洋温度信息．勘查天然气水合物资源的海洋可控源电磁发射系统
摘要：海洋可控源电磁探测（MCSEM）是勘查天然气水合物资源的有效方法之一．海洋可控源电磁发射系统是实现MCSEM的重要硬件组成部分．本文以天然气水合物在海底的一维地电模型为例，研究电偶源发射频率、发射偶极侧向漂移、源偶极矩大小对电场响应的影响，进而指导发射系统研制．该系统包括：甲板升压控制单元，可将船载大功率电能升为高压并通过万米光电复合缆输送至海底的发射机；水下变压器，可将深拖缆中的大功率高压转换为低压；拖曳式大功率电磁发射机，其内部的控制电路硬件和嵌入式驱动软件可将水下变压器输出的电能逆变为大功率矩形脉冲，并通过发射偶极将脉冲发送至海水介质中；借助水动力学设计的发射机拖体，用于装载发射系统水下部件和保持拖曳过程中的平衡与稳定；甲板端上位机监控单元，利用万米光电复合缆中的光纤实现船上计算机与海底发射机的远程数据通信．2012年5月和2013年5月海洋试验的结果均表明，所研制的发射系统可作为天然气水合物资源勘探的有效激励场源．海洋拖曳式水平电偶源数值模拟与电场接收机研制
摘要：海洋天然气水合物资源调查中,电磁法已成为地震勘探最有效的补充手段之一,而我国海洋水合物电磁探测中的拖曳式电场接收机此前是空白.本文从方法原理、仪器设备和海洋试验等方面,对海洋拖曳式水平电偶极偶极方法进行研讨.建立三维电阻率模型,进行数值模拟,讨论收发距、发射频率、拖曳装置离海底高度等参数与电场异常响应的关系,针对特定模型给出了最佳观测参数以指导仪器硬件设计与海洋测试.在此基础上,采用高级嵌入式计算机的智能化控制、前端低噪声斩波放大、高精度同步采集等技术,研制了由拖体、承压舱、采集电路、低噪声电场传感器等组成的海洋拖曳式水平轴向电场接收机,其系统噪声达到2 nV/（√）Hz@（1～100Hz）.将自主研制的电场接收机用于国内首次拖曳式电偶极-偶极方法的海洋试验与评估,并对海试资料进行了处理与分析.研究结果表明,所研发的仪器达到了设计指标,能够用于海洋天然气水合物调查.基于自适应遗传算法的MRS—TEM联合反演方法研究
摘要：地面磁共振法（MRS）因具有定性、定量分析地下水能力,而备受关注.传统磁共振地层含水量反演多采用均匀半空间模型,忽略电阻率分布信息对结果的影响.针对这一问题,本文基于多层电介质中磁共振响应理论,提出MRS与瞬变电磁（TEM）联合反演方法,通过电阻率分布信息对含水量反演过程的实时修正,提高了解释结果的准确度.反演算法采用自适应遗传算法（AGA）进行,基于繁殖规则,动态调整交叉概率和变异概率,解决了标准遗传算法易未成熟收敛而难以得到全局最优解问题.模型数据表明,含噪10％情况下,联合反演仍能较准确地反映地下含水单元模型结构,对比MRS单独反演优势明显.同时,内蒙古白旗野外观测数据联合反演结果与钻井资料基本一致,充分验证了AGA反演算法的实用性及MRS-TEM联合反演的实际意义.固定翼航空电磁系统的线圈姿态及吊舱摆动影响研究与校正
摘要：固定翼时间域航空电磁探测系统在实际飞行测量过程中,发射线圈、接收线圈姿态和吊舱摆动状态不断变化,在测量数据中引入如发射磁矩方向、接收分量方向以及系统收发距等参数的误差,影响数据反演成像效果.本文基于固定翼时间域航空电磁正演理论,利用姿态变换,引入发射线圈、接收线圈双旋转矩阵;根据发射、接收线圈相对位置的几何关系,求得摆动格林张量;推导了任意姿态角度以及任意摆动角度情况下的固定翼航空电磁响应三分量计算表达式.通过层状大地模型的仿真计算,分别研究了发射、接收线圈各姿态以及吊舱摆动状态对航空电磁响应的影响,得出发射线圈、接收线圈俯仰旋转和吊舱同向摆动对系统电磁响应影响最强;仿真分析了实际测量中,三种角度同时存在情况下,航空电磁响应的定量变化规律.在此基础上,讨论了响应系数与大地电导率的关系,同时给出基于响应系数的固定翼航空电磁系统线圈姿态和摆动状态校正方法,准二维层状大地模型反演结果表明,校正后数据的反演精度提高了33.1％.励磁控制的CSAMT发送机若干技术研究
摘要：文章介绍了利用励磁控制来实现可控源音频大地电磁法（Controlled Source Audio-frequency Magnetotelluric Method,缩写为CSAMT）发送机的系统结构与工作原理,对发送机的主要模块进行说明.该系统最大的优点就是功率可扩展性极强,其低频发送功率基本上只受限于发电机的功率与开关器件的参数.目前在实验室内已完成30KW样机,野外已实现了850V/25A的发送.该系统电路结构简单,易于维护,稳定性高.该研究为其它有源电磁法勘探大功率发送机研制提供了行之有效的方案.川西地区实测自由空气重力异常与EGM2008模型结果的差异
摘要：在四川盆地西部建立了一个由302个观测站组成的区域观测网,并进行了高精度流动重力与GPS观测,其目的是获取区域自由空气重力异常（简称重力异常）的分布特征,并对EGM2008模型在该区域的结果进行验证分析.研究区域实测的重力异常总体为负值,由西到东逐步从-160×10^-5ms^-2平缓变化到-60×10^-5 ms^-2左右.EGM2008地球重力场模型揭示的模型重力异常较好地勾画出研究区域的总体地形分布形态,龙泉山脉以及四川盆地与青藏高原的边界皆存在明显的模型重力梯度带.研究区东南部的模型重力异常大约为-50×10^-5 ms^-2左右,但在龙泉山西部成都平原地区,模型重力异常则达到-120×10^-5ms^-2左右.在区域观测网内绝大部分观测点上,模型与实测重力异常的差值几乎为一个常数（-10×10^-5 ms^-2左右）,说明EGM2008地球重力场模型可较好地反映实际重力场的空间分布形态.如果配以一定数量的地面观测数据进行整体调节,EGM2008地球重力场模型就可以较真实地反映实际地球重力场.青藏高原东北缘岩石圈三维密度结构
摘要：综合重力观测资料和地震波走时资料反演了青藏高原东北缘岩石圈三维密度结构，并对该区岩石圈结构及动力学特征进行了讨论．首先利用收集到的P波近震和远震走时数据进行地震层析成像，得到研究区岩石圈三维P波速度结构．然后利用速度-密度经验关系式，将速度扰动转化为密度扰动建立研究区三维初始密度模型．最后利用分离的布格重力异常反演得到了岩石圈三维密度结构．反演结果表明：青藏高原东北缘地壳密度结构特征有利于地震孕育发生和地壳物质侧向流动；地壳内，密度异常等值线走向与地表断裂走向基本一致，进入地幔后，密度异常等值线走向发生了顺时针旋转，这表明青藏高原东北缘地壳和地幔具有不同的构造运动模式，暗示该区可能发生了壳幔解耦；80～100km深度上，P波速度异常较密度异常明显偏低，推测该区可能发生了部分熔融或者岩石含水量的增加；印度板块俯冲和周围坚硬块体阻挡联合作用，使得青藏高原东北缘形成了强大的区域构造应力场，并导致深部软流圈热物质上涌，为该区壳幔解耦、部分熔融和P波涑唐降低俐浩了条件．地球内部应变与应力固体潮
摘要：本文详细介绍了地球内部应变和应力固体潮的计算理论，基于PREM地球模型计算了地球内部的Love数，并计算了地球内部的应力和应变的6个独立分量在不同深度和纬度处的时间变化序列．结果表明：应力潮汐的振幅达到10^3Pa，应变潮汐振幅达到10^-8；不管应力或是应变潮汐，其振幅随深度的不同都有较大的变化；6个应力和应变分量对纬度依赖较大，但没有表现出南北纬度上的严格的对称性，与纬度的对应关系由引潮位展开的大地系数确定．本文结果可有效应用于地球内部应变或应力潮汐观测的固体潮改正；另外，将本文结果应用于研究潮汐触发地震问题，给出了中国中部地区的一个算例，结果表明地震断层正应力潮汐和应力张量第一不变量潮汐与发震时刻具有明显的相关性，而这种相关性并未在其他如剪切应力以及库伦破坏应力潮汐中表现出来．利用Terra和Aqua卫星地表温度探索汶川地震同震热响应
摘要：如何从卫星热红外遥感影像中提取出可靠的、能够验证的、与构造活动有关的热信息，是利用热红外信息研究构造现今活动亟待完善的问题之一．从信息提取的角度看，地震前后所对应的物理变化最为强烈，同震热响应可能是利用热信息探索现今构造活动潜在的突破点．本文以MODIS／Terra和MODIS／Aqua两颗卫星的地表温度为基础，探索汶川地震同震热响应．首先，去除了由地形等静态因素和太阳年周期组成的稳定背景；其次，去除大气环流的影响，获得由本地因素产生的原地温度场．最后，在原地温度场中，发现了汶川地震的同震温度响应．经过检验，上述温度响应的空间展布形态与发震断层的活动方式产生的力学效应吻合．从应力变化与温度响应的关系看，本文相当于借助热信息获得了汶川地震同震拉张或卸载区的空间展布情况．
