交互集合耦合模式系统对北太平洋SST变率和ENSO的模拟检验
摘要：清华大学地球系统科学研究中心在一个标准耦合模式（SC）的基础上建立了交互集合耦合模式系统（IE），该系统可以实现多个不同大气模式或者同一大气模式采取不同初值组成的多个分量集合之后与海、陆、冰模式进行耦合．本文利用同一大气模式七个不同初值分量与其它模式分量开展在线集合耦合试验，利用积分稳定之后100年的试验结果，分析了IE在减小海一气界面大气噪音的情况下，对北太平洋海表面温度（SST）变率和ENSO的模拟，并与SC模拟结果进行了对比．分析表明，IE减小了北太平洋中高纬度SST方差的85％以上，表明该区域SST变率主要受大气的影响，且主要是通过改变海表湍流热通量实现的．黑潮延伸体区和北太平洋中部副热带涡旋区域平均SST8年左右的低频周期主要受来自大气内部动力过程的驱动．在集合耦合模拟中，无论是副热带涡旋区SST与ENSO的联系，还是ENSO与北太平洋中高纬度SST的联系都能模拟出来，而标准模式未能模拟出这些现象，意味着大气噪音过强将掩盖ENSO与太平洋热带外SST的联系．IE对与ENSO关联的“太平洋-北美”（PNA）遥相关型的合理模拟，并通过湍流热通量对海表温度的影响，是其能够更好模拟ENSO与北太平洋中高纬度SST关系的重要原因．本文通过分析验证了所建立的交互集合耦合模式系统的合理性，揭示了该系统在海一气相互作用研究领域方面具有一定应用前景．利用GRACE重力卫星观测数据反演全球时变地球重力场模型
摘要：本文基于短弧长法开发了一套由低轨卫星数据解算重力场的系统ANGELs（ANalyst of Gravity Estimation with Low-orbit Satellites），成功用GRACE Level1B数据解算出全球时变重力场模型（第一版IGG-CAS系列模型），并与国际三大知名重力卫星相关研究机构：美国德克萨斯大学空间中心CSR（Center for Space Research）、德国GFZ地学研究中心（GeoForschungsZentrum）和美国宇航局JPL喷气推进实验室（Jet Propulsio nLaboratory）的全球时变重力场模型（RL05模型）进行了详细的比较分析.通过每阶大地水准面差距的对比结果表明，IGG-CAS模型的精度接近RL05模型的精度.对以上四家机构在2004--2010年的时变重力场模型经过相同的去条带和高斯滤波处理，可以发现四家GRACE反演陆地水时变信号的空间分布十分接近，在长江流域反演的陆地水时变信号，两两之间的相关系数均大于0.8.通过反演撒哈拉沙漠干旱地区的时变信号来评估反演的精度水平，IGG-CAS、CSR-RL05、GFZ-RL05和JPL-L05反演结果的均方差分别为1.5cm、1.1cm、1.1cm和1.2cm等效水柱高.综合表明IGG-CAS时变重力场反演模型的精度接近于目前国外主要机构最新公布的时变重力场模型.深内部地球结构对内核平动振荡本征周期的影响
摘要：地球固态内核的平动振荡是地球的基本简正模之一，又称Slichter模，其本征周期大约为几个小时，与地球内部结构密切相关.为了研究影响内核平动振荡的本征周期与内部结构的依赖关系，本文利用球对称、非自转、弹性和各向同性地球模型（SNREI），通过自由振荡运动方程的数值积分，以地球模型PREM为基础，理论上系统研究了地球内部介质（包括密度、地震波速等）分布异常对Slichter模本征周期的影响.数值结果表明，Slichter模周期随着内外核边界（ICB）密度差的增加以类似于双曲线的特征显著减小，当ICB密度差从597kg·m^-3减小到200kg·m^-3时，周期增大66.44％，当ICB密度差从597kg·m^-3增大到1000kg·m^-3时，周期减小21.48％；Slichter模周期随着核幔边界（CMB）密度差的增大而缓慢增大；相对于PREM，地球模型1066A在ICB和CMB的密度差分别相差45.321％和1.132%，内部地震波速度和密度梯度也存在差异，但是，当密度差减小到1066A模型提供的数值时，得到的Slichter模周期与基于1066A获得的结果（4.599h）非常接近，差异分别只有3.762％和0.037％；表明Slichter模本征周期与地球内部介质的精细结构关系不大，而对ICB的密度差非常敏感.内、外核P波波速分布异常对Slichter模周期的影响基本相当，当内核和外核P波波速均增加5％时，Slichter周期分别减小1.02％和1.69％，P波波速分别减小5％时，Slichter模周期分别增加1.27％和1.847％，内核s波波速分布异常比P波波速分布异常对Slichter模周期的影响小1个量级；与地核相比，地幔中的地震波速异常对Slichter模本征周期的影响小1～2个量级；表明地核中地震波速异常对Slichter模周期的影响很小，目前有关Slichter模周期理论计算的差异主要来自于所采用的地球模型中内核边界的密度差的差异，本文结果可以为Slichter模的研究、探测�大陆岩石圈、地幔底部异常体与地幔对流相互作用的数值模拟
摘要：在地球表层存在着占地表面积约30％的具有低固有密度、高黏度的大陆岩石圈．由于其特殊的物理化学性质，大陆岩石圈通常不直接参与下方的地幔对流，但其与地幔对流格局有着重要的相互影响．大量研究显示，在中太平洋和非洲的下地幔底部，存在着两块占核幔边界（CMB）面积约20％的高密度热化学异常体（由于其剪切波速度较低，常称作低剪切波速度省（LSVPs））．LSVPs的演化既受地幔对流的影响，同时也影响地幔物质运动的格局和动力学过程．本文系统研究了存在大陆岩石圈，下地幔LSVPs的地幔对流模型．模拟结果显示：（1）当大陆体积较小时，其边缘常伴随着俯冲，大陆区域地幔常处于下涌状态，其上地幔温度较低，大陆岩石圈在水平方向处于压应力状态．随着大陆体积的增大，大陆边缘的俯冲逐渐减弱，大陆区域地幔由下涌转为上涌，其上地幔温度较高，大陆岩石圈水平方向处于拉应力状态．（2）岩石圈与软流圈边界（LAB）在大陆下方较深，温度较低；在海洋区域较浅，温度较高．随着大陆体积的增大，陆洋之间LAB深度、温度的差异逐渐减小．（3）大陆区域地幔底部LSVPs物质的丰度与大陆的体积呈正相关．当大陆体积较小时，大陆下方的LSVPs丰度比海洋区域少．随着大陆体积的增大，大陆下方LSVPs的丰度逐渐增大．（4）海洋地区地表热流高，且随时间波动大，大陆地区地表热流低，随时间波动较小；LSVPs区域的核幔边界热流低．青藏高原东缘中南部主要活动断裂滑动速率及其地震矩亏损
摘要：作为青藏高原南东向“挤出逃逸”的重要通道，青藏高原东缘中南部具有大型走滑断裂广泛发育和地震活动强烈而频繁的特征．本文使用线性球面块体模型理论，在前人活动地块研究的基础上吸收新近研究成果，建立研究区三维块体几何模型，使用1999--2007年的GPS数据反演得到青藏高原东缘中南部主要活动断裂滑动速率．使用反演得到的滑动速率和最优断层闭锁深度估算了川滇菱形块体主要边界和其内部断裂的地震矩积累，并利用历史强震目录估算了地震矩释放，在比较两者差异的基础上得到了研究区地震矩亏损（未释放的地震矩）较大的断层和断层段，该结果可以作为研究区强震中长期危险性研究的参考．鄂尔多斯东缘地震重定位及拉张盆地过渡区的地震分布特征
摘要：利用双差地震定位方法对鄂尔多斯东缘地区（34°N-41°N，110°E-115°E）2008年1月-2012年12月的中小地震进行了重新定位．重定位后，定位精度得到改善，震中分布更加集中．鄂尔多斯东缘拉张盆地内部震源深度较浅，大多小于13km，向盆地两端震源深度有加深的趋势，特别是太原盆地北端，临汾盆地北端，以及运城与临汾盆地之间的峨眉台地，震源深度可达20～25km左右．我们认为盆地内部地壳减薄，上地幔上隆，热作用导致地壳内部脆性层减薄，致使最大震源深度变浅；盆地之间的横向隆起区受区域应力场挤压剪切作用以及盆地内部上地幔上拱产生的水平向挤压力作用等，在横向隆起区与盆地接触带易产生应力集中，导致地震的发生，由于受脆性层厚度变化等的影响，在盆地向横向隆起区过渡部位出现震源深度加深的现象．鄂尔多斯东北缘地区地震分布弥散、震源深度相对较浅，可能与源自地幔的大范围深部热作用以及地壳脆性层厚度减薄有关．根据地震的空间分布特征，对部分盆地内部的断层特征进行了讨论．龙门山断裂带精细速度结构的双差层析成像研究
摘要：利用川西流动地震台阵、汶川地震震后应急台网记录到的P波到时资料，对2008年5月至2008年10月期间发生的汶川地震余震序列应用双差层析成像方法进行了地震震源和三维P波速度结构的联合反演．结果显示，联合反演获得的地震重定位结果与基于一维地壳参考模型的双差定位方法结果相近；研究区15km以上速度结构与地表断裂分布密切相关，20km以下深度呈现北东向和北西向交错结构．汶JIl地震破裂带南段龙门山断裂带之间上地壳呈现高速异常，速度结构的非均匀变化是控制余震分布和主震破裂传播的主要因素；联合反演结果给出了小鱼洞-理县方向存在隐伏断裂的速度结构证据，同时发现，破裂带北东段可能沿新发断裂扩展；结果确认了汶川地震起始段的高角度逆冲断裂特征，也确认了前山断裂和中央断裂在约20km深度合并到脆韧转换带的特征．云南南部地区深部电性结构特征研究
摘要：在云南南部地区布设了一条孟连一罗平的北东向大地电磁测深剖面，以开展该地区的深部电性结构探测和孕震环境探查．沿该剖面进行了114个大地电磁测深点的观测，经过对观测资料的远参考Robust处理、定性分析和二维反演，得到了沿该剖面地壳、上地幔电性结构模型，从模型的电性结构特征进一步探讨了剖面穿过的3个地震区的深部地震孕育环境．研究结果表明：沿剖面的地壳上地幔电性结构反映出与区域地质构造资料基本一致的构造特征；该区的三个强震带地球深部都存在壳内低阻体，地震发生在电阻率梯度带上；断裂带的两侧块体介质的电阻率差异是强震活动带重要的深部背景．基于微CT技术的砂岩数字岩石物理实验
摘要：数字岩石物理技术可弥补传统岩石物理实验的诸多不足，为岩石物理学研究提供一个新平台．本文以常规砂岩为研究对象，利用微CT扫描结合先进的图像处理技术建立了具有真实孔隙结构特征的三维数字岩芯模型；应用Avizo软件内含的多种形态学算法进行数字岩芯孔隙结构量化及表征研究，统计获取了孔隙度、孔隙体积分布及孔径分布特征，建立了等价孔隙网络模型；将Avizo与多场耦合有限元软件Comsol完美对接，实现了孔隙尺度的渗流模拟并计算获得绝对渗透率，对于考虑固相充填孔隙的情况，模拟计算了岩石有效弹性参数，并与近似Gassmann方程良好验证．本文所提出的将Avizo与Comsol结合使用的方法丰富了现有的数字岩石物理研究手段，为其大规模发展提供了一条新途径．南大巴山前陆褶皱带荆竹坝-石窝剖面磁组构特征及其对构造演化的制约
摘要：通过野外构造观测、岩石磁学与磁组构综合分析，本文研究了南大巴山前陆褶皱带荆竹坝一石窝剖面的叠加构造特征及其形成演化．从北东向南西，剖面构造变形总体呈减弱趋势，褶皱轴面总体倾向北东，大尺度褶皱枢纽均以小角度向北西倾伏．古应力分析显示最大主压应力为北东一南西向，反映以南大巴山的推覆为主．剖面J3之前的采样层位主要表现为变形组构，而J3-K。的采样层位则表现为初始弱变形组构．磁线理呈NW-SE向的优势方位，与剖面主构造线基本平行，主要反映来自南大巴山的推覆挤压．剖面发育特殊磁组构：①磁面理与地层面斜交，主要与褶皱作用中的平行层简单剪切相关；②磁线理均不同程度斜交于地层走向，指示构造叠加背景．沿剖面北东向南西区段K的倾伏角随构造变形强度减弱而增大，据此相关性可将Km的倾伏角作为判别弱变形沉积岩变形强度的标志．本文认为，在晚侏罗世以南大巴山的推覆为主而米仓山短轴背斜与川东褶皱带挤压次之的联合作用使南大巴山前陆褶皱带具有构造叠加特征，之后的早白垩世仍主要表现为南大巴山的推覆，而其他两个方向的挤压较之前相对较弱．该结果也反映了秦岭J3-K，陆内造山作用及燕山期雪峰陆内构造变形的影响，为探索陆内构造与陆内造山的大陆动力学提供了佐证．米仓山楔入冲断构造模型低温热年代学证据及其意义
摘要：基于低温热年代学特征的构造重建（或解译）与浅部地表过程模型在诠释盆-山结构与演化过程中受到越来越广泛的重视与应用．青藏高原东缘米仓山一川北前陆盆山系统楔人冲断构造模型与浅部地貌建造（非）耦合的检验校正为米仓山造山带构造变形及其动力学模型研究提供了契机．基于稳态楔入冲断构造低温热年代学模型研究表明，米仓山-川北前陆盆-山结构带盆山地貌的建造和低温热年代学（磷灰石裂变径迹和（U-Th）／He）特征具有明显的耦合性，二者统一于（盆地向）具～4°古地貌斜坡的楔入冲断构造模型．现今米仓山地区低温热年代学不具有明显的海拔高程和年龄线性关系，但当古地貌具有～4。坡度时低温热年代学与古地貌具有明显的线性相关性，揭示晚白垩世米仓山东西段具有一致（或相似）的稳态抬升剥露特征，东西段剥露速率分别为0.05mm／a和0.03mm／a．古地貌坡度与古地温梯度具有较好的相关性（R2=5％～98％），相关古地温梯度（25～35℃／km）符合米仓山稳态剥露地质结构特征．米仓山造山带楔人冲断构造模型的发育可能受控于多套滑脱层系（尤其是深部和浅部滑脱层系）和扬子板块能干性基底对造山带盆地向扩展变形过程的阻挡作用．基于非平稳相似性系数的构造导向滤波及断层检测方法
摘要：不连续地质体（如断层）的自动检测一直以来都是叠后地震数据解释中的关键问题之一，尤其在三维情况中尤为重要．然而，大多数边缘检测和相干算法都对随机噪声很敏感，随机噪声衰减是叠后地震数据解释的另一个主要问题．针对构造保护去噪和断层检测问题，本文基于非平稳相似性系数完善一种构造导向滤波方法并且提出一种自动断层检测方法，形成了一套匹配的处理技术．该构造导向滤波既能够有效地衰减随机噪声又可以很好地保护地震资料中的断层等信息不被破坏，增强地震剖面中弯曲、倾斜同相轴的连续性．根据地震数据局部倾角走向，利用相邻道构建当前地震道的预测，通过预测道的叠加得到参考道，计算预测道与参考道之间的非平稳相似性系数可以设计出数据驱动的加权中值滤波．另一方面，预测道与原始道之间的非平稳相似性系数能够用于带有断层指示性的相干分析．这两种方法都基于构造预测和非平稳相似性系数，但是使用不同的调节参数和处理方案．理论模型和实际数据的处理结果证明了本文提出构造导向滤波和断层检测方法的有效性.起伏地表弹性波传播的间断Galerkin有限元数值模拟方法
摘要：间断Galerkin有限元法（DG-FEM）作为一种有效的高阶有限元法受到了国内外学者的广泛关注．本文基于任意高阶间断Galerkin有限元法对弹性波方程进行空间离散，并将离散后所得的非齐次线性常微分方程系统齐次化，最后结合针对齐次问题的强稳定性保持龙格库塔（SSPRunge-Kutta）算法，将DG-FEM推广至时间任意高阶精度．另外，借鉴近最佳匹配层（NPMI。）的思想，基于复频移（CFS）拉伸坐标变换推导了一种新的PML吸收边界条件（简称为CFS-NPML），该CFS-NPML能够与DG-FEM算法很好地结合，形成有效的起伏地表地震波传播数值模拟技术．数值试验结果表明，DG-FEM具有高阶精度，可以适应任意复杂起伏地表和复杂构造情况下的弹性波传播数值模拟．同时，CFS-NPML对包括面波等震相的人为边界反射都具有良好的吸收效果．三角谱元法及其在地震正演模拟中的应用
摘要：谱元法（SEM）是基于有限元（FEM）的一种算法，在地震正演模拟中应用广泛，但是大部分研究都是基于四边形网格下的谱元法．本文给出了2阶谱元法在三角网格中（TSEM）的基本原理，包括Lagrange形函数的构建，数值积分公式的选取．在此基础上，分析了2阶TSEM方法的数值频散特性以及稳定性条件，并引入三角网格下3阶有限元方法进行分析对比，数值算例的结果证明2阶TSEM相比于3阶FEM具有更高的计算精度，以及更宽松的稳定条件．最后，本文将TSEM方法应用于中国西部地区的两个含溶洞介质的地质模型中，数值模拟结果表明TSEM方法能够有效地模拟复杂结构的介质，有助于对地震波场传播特性的认识．基于二维三次卷积插值算法的辛几何射线追踪
摘要：射线追踪是地震波走时层析成像的基础，射线空间位置的准确性及射线走时的精度决定了层析成像的可靠性．本文根据哈密尔顿系统可以有效提高程函方程解稳定性的特性，采用辛几何算法（SAM-Symplectic Algorithm Method）及二维三次卷积插值技术进行地震波射线追踪．由于采用了SAM算法，保证了地震波波前精度，提高了射线空间位置的准确性．数值模拟结果表明SAM既能保证哈密尔顿系统的稳定性又具有运算速度快的特点，提高了射线追踪的计算精度．基于单程波偏移算子的地表相关多次波成像
摘要：在常规地震资料处理中，多次反射波被视为噪声并从地震数据中去除，以免在之后的地震资料解释中造成误解．而事实上，多次波也是地震信号，是照明波场的一部分，能够对地下构造成像的精度做出贡献．本文分析了多次波在传统单程波叠前深度偏移中产生构造假象的机制和表现，为实现基于单程波偏移算子的多次波成像，修改了单程波叠前深度偏移的边界条件，即将输入的震源波场用包含多次波的记录来替代，输入的记录波场用预测出的表层相关多次波来替代，实现了基于单程波偏移算子的地表相关多次波成像，并从理论上给出了其成像依据．通过基于二范式最小能量差原则求取的匹配因子，将多次波成像结果与一次波成像结果进行匹配叠加，应用多次波成像来弥补一次波成像的不足．简单模型验证了基于单程波偏移算子的多次波成像方法的有效性，最后对Sigsbee2B模型进行了一次波与多次波联合成像试算，盐边界高陡构造成像质量得到了明显改善．基于反演的稳定高效衰减补偿方法
摘要：反Q滤波方法是提高地震数据分辨率的一种有效途径，可以用来补偿振幅和校正相位．常规的反Q滤波方法一般基于波场延拓理论，具有不稳定性或振幅补偿不足的缺点．本文基于波场延拓的正Q滤波方程，借鉴反演的思想以及正则化策略提出了一种新的衰减补偿方法，该方法稳定、精确，利用该方法可最终得到高分辨的地震记录．该方法仅计算有效频带内的频率分量，提高了计算效率．模拟数据以及实际数据处理验证了本文方法的有效性．最大准则优化技术在贴体网格中的应用
摘要：贴体网格在地质数值模拟中具有广阔的应用前景，为解决贴体网格生成时边界离散问题，提出了最大长度准则和最大面积准则，把曲线逼近和曲面网格优化问题转化为数学优化问题，为求解该问题，提出了改进的单粒子优化算法．试验表明，最大长度准则和最大面积准则的优化效果好于常规方法；以改进的单粒子优化算法求解该问题时，计算效率是智能单粒子优化算法的30倍左右（节点量为200），从而实现最大长度准则和最大面积准则在贴体网格生成中的应用．针对最大面积准则优化曲面网格不能控制网格步长的情况，提出了限定步长的网格优化算法，使网格步长合理化，并通过实例验证了该算法的有效性．研究成果提供了生成贴体网格时边界优化准则和求解方法，对今后复杂边界的贴体网格生成具有重要意义．
