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High-precision modeling of tide-induced 3-D magnetic field and analysis of geomagnetic satellite orbit requirements

Science China Earth Sciences 2024年第1期67卷 165-178页

作者： Zhengyong REN Cong YANG Hongbo YAO Xu tang jingtian tang Keke ZHANG Key Laboratory of Metallogenic Prediction of Nonferrous Metals and Geological Environment Monitoring Ministry of Education Central South UniversityChangsha 410083China Hunan Key Laboratory of Nonferrous Resources and Geological Hazards Exploration Changsha 410083China School of Geosciences and Info-Physics Central South UniversityChangsha 410083China State Key Laboratory of Lunar and Planetary Sciences Macao University of Science and TechnologyMacao 999078China

Ground-based magnetic observatories and geomagnetic satellites can observe the induced magnetic field generated by the motion of seawater containing sodium and chlorine *** the three-dimensional(3-D)spatial distribution of tide-induced magnetic fields(TIMF)is crucial for inverting the electrical conductivity structure of the oceanic *** also serves as an essential basis for designing optimal geomagnetic observatories and satellite ***,existing methods for simulating TIMF suffer from limitations in inaccurately modeling realistic coastlines,heterogeneous land and sea surface properties,and complex deep Earth structures,thereby the interpretational level of TIMF data is *** overcome this issue,we developed a tetrahedral-based finite element method for simulating TIMF,which can efficiently approximate realistic coastlines,heterogeneous land and sea surface properties,and complex deep Earth ***,we derived the boundary value problem for the seawater motion-induced electromagnetic field,which was solved using the vector finite element method based on tetrahedral ***,using the latest ocean depth and seafloor sediment layer models,we constructed a 3-D conductivity model of the Earth,which includes realistic coastlines,heterogeneous land and sea conductivity *** then computed the TIMF using the M_(2)tidal source as an example and validated our method by comparing it with results obtained from spherical harmonic finite element and integral equation ***,utilizing the computed high-precision M_(2),N_(2),and O1 TIMF signals,we marked global observatories capable of observing strong M_(2),N_(2),and O1 TIMF signals and predicted alternative stations suitable for tide signal ***,we calculated TIMF at heights of 450 and 200 km for the Macao Science Satellite 1 and its subsequent *** results indicate that the amplitude of the tidal-induced magnetic field at

关键词： Ocean motional induction Electromagnetic induction Ocean tides Geomagnetic satellite Macao Science Satellite 1

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磁矢量势的全球电磁感应时间域三维有限元正演计算方法

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地球物理学报 2024年第5期67卷 2015-2028页

作者：杨聪任政勇陈程姚鸿波唐旭汤井田中南大学有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室长沙410083 自然资源部深地科学与探测技术实验室北京100094 有色资源与地质灾害探查湖南省重点实验室长沙410083 中南大学地球科学与信息物理学院长沙410083 中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司长沙410014

全球电磁感应测深方法能获得地球深部电导率结构分布,目前被广泛应用于地球内部结构与热状态研究.地磁台站与地磁卫星观测的电磁感应数据为时间序列信号,在时间域分析全球电磁感应数据,特别是分析频谱极宽的磁暴脉冲响应,具有天然的优势... 详细信息

全球电磁感应测深方法能获得地球深部电导率结构分布,目前被广泛应用于地球内部结构与热状态研究.地磁台站与地磁卫星观测的电磁感应数据为时间序列信号,在时间域分析全球电磁感应数据,特别是分析频谱极宽的磁暴脉冲响应,具有天然的优势.然而,当前的全球电磁感应数据解释技术一般在频率域进行,缺少时间域中的研究成果.为了弥补缺少时间域全球电磁感应数据解释方法的问题,本文开发了一种基于磁场矢量势的全球电磁感应时间域三维有限元并行正演求解方法,具备高精度快速计算源于地球外部时变电流源的地球感应电磁场时间序列的能力,特别适合于计算与分析频谱极宽的磁暴脉冲电磁感应时变响应.首先,建立基于磁场矢量势的全球电磁感应时间域微分控制方程,结合磁层外部电流源的物理属性建立边界条件和初始条件,从而构建出全球电磁感应时间域初始边界值问题.然后,利用四面体矢量有限元技术和无条件稳定的隐式后退欧拉公式,分别实现磁场矢量势的空间域和时间域离散,进而获得不同时刻的实系数大型有限元线性方程组,借助于高性能并行直接求解器,快速高精度地求解不同时刻的磁场矢量势与感应磁场.最后,利用理论模型验证本文算法的正确性.利用Dst磁暴环电流指数建立的时间域电流源与真实地球三维电性模型,研究"澳科一号"后续卫星200 km轨道对中国和澳大利亚下方地幔转换带高导体的探测能力,结果表明这些地幔转换带异常体在200 km卫星轨道高度能产生明显异常.综上所述,本文开发的时间域全球电磁感应方法不仅具备精确快速计算全球感应电磁场时间序列响应的能力,还能为反演与解释"澳科一号"等我国地磁卫星观测数据提供技术支持.

关键词：时间域全球电磁感应矢量有限元法三维正演地幔电性结构

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利用重力梯度张量等位面曲率的地质体定位

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地球物理学报 2024年第4期67卷 1641-1655页

作者：胡双贵李广汤井田侯振隆张林成中国矿业大学资源与地球科学学院江苏徐州221008 东华理工大学南昌市地质灾害智能感知技术与仪器重点实验室南昌330013 有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室(中南大学) 长沙410083 东北大学资源与土木工程学院沈阳110819 湖南城市学院信息与电子工程学院湖南益阳413002

针对重力梯度张量曲率的研究,前人的工作主要集中在重力张量曲率的解释及边缘检测中,几乎没有涉及到地下密度异常体的定位.本文结合重力矢量和重力梯度张量提出了一套基于重力梯度张量等位面曲率的地下密度异常体位置估计策略.首先,从... 详细信息

针对重力梯度张量曲率的研究,前人的工作主要集中在重力张量曲率的解释及边缘检测中,几乎没有涉及到地下密度异常体的定位.本文结合重力矢量和重力梯度张量提出了一套基于重力梯度张量等位面曲率的地下密度异常体位置估计策略.首先,从重力梯度张量等位面曲率的基本定义出发,计算重力梯度张量等位面曲率.然后,通过寻找球面或圆形等位面的重力梯度张量曲率,提出了利用最大主曲率定位地下密度异常体位置的源参数估计方法,并详细推导了估计3D球体(质点)和2D水平线源位置信息的解析表达式.再者,针对噪声和多源存在的情况,提出了一套利用重力梯度张量等位面曲率获得密度异常体位置信息的稳健估计流程,并利用模糊C均值聚类算法进一步确定地下密度异常体的中心位置.最后,通过理论模型测试和文顿盐丘实测航空重力梯度数据测试,验证了本文算法的可行性和可靠性.结果表明:在满足曲率半径定义条件的情况下,本文所提出的源参数估计方法可以定位单个或多个地下3D和2D密度异常体的空间位置,具有较好的稳健性和抗噪能力.该方法拓展了重力梯度张量曲率的应用范围,可为重力梯度张量的三维反演工作提供先验的空间位置信息.

关键词：重力梯度张量等位面曲率源参数估计模糊C均值聚类算法

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基于聚合型代数多重网格法的三维直流电法自适应有限元正演

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同济大学学报（自然科学版） 2024年第11期52卷 1794-1802,1812页

作者：潘克家王鹏德胡双贵王晋轩邱乐稳汤井田中南大学数学与统计学院长沙410083 中国矿业大学资源与地球科学学院江苏徐州221000 中南大学地球科学与信息物理学院长沙410083

在各向异性、起伏地形、真实地质模型电法模拟中,经自适应有限元离散后形成的大型稀疏线性系统存在内存消耗高、求解效率低等缺陷。为此,提出了聚合型代数多重网格(AGMG)法与自适应有限元法的联合算法,在提高正演精度的同时提升计算效率... 详细信息

在各向异性、起伏地形、真实地质模型电法模拟中,经自适应有限元离散后形成的大型稀疏线性系统存在内存消耗高、求解效率低等缺陷。为此,提出了聚合型代数多重网格(AGMG)法与自适应有限元法的联合算法,在提高正演精度的同时提升计算效率,实现复杂模型三维直流电法大规模正演模拟。对于三维直流电法满足的二阶椭圆边值问题,采用非结构化四面体网格的有限元法离散,并通过自适应策略进行局部加密,再利用AGMG法求解离散形成的大规模稀疏线性方程组。最后,通过复杂地电模型和实际地质模型验证了联合算法的有效性。在千万级自由度的求解中,联合算法比传统迭代法快了20多倍,比代数多重网格法快了近10倍,随着模型复杂度的提高,联合算法的效率优势更加明显。

关键词：代数多重网格法自适应有限元各向异性直流电阻率起伏地形

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Through-Wall Tracking of Human Movers Using Continuous-Wave Radar

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Chinese Journal of Electronics 2014年第2期23卷 334-340页

作者： DING Yipeng tang jingtian Cheng Dong Fang Guangyou School of Geosciences and Information Physics Central South University School of Physics and Electronics Central South University College of electrical and information engineering Hunan University Institute of Electronics Chinese Academy of Sciences

An intelligent frequency fitting algorithm is presented for continuous-wave radar to track human movers through walls. With the proper fitting dimension,which is usually determined by the practical detection requirements, this technique can improve the localization accuracy and the tracking performance without introducing too much calculation burden, and more precisely identify different targets even in the frequency ambiguous *** technology can also help to match the estimation results to their corresponding targets automatically, which is of great importance to certain urban sensing applications,such as specific target surveillance and tracking. To further improve the detection performance and better identify the weak targets in the presence of strong noise, CLEAN algorithm and adaptive filter technology are also *** results are provided to illustrate the algorithm performance.

关键词： Continuous-wave through-wall radar(CW-TWR) Frequency ambiguous effect Frequency fitting technology CLEAN algorithm Adaptive filt

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A global mantle conductivity model derived from 8 years of Swarm satellite magnetic data

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Earth and Planetary Physics 2023年第1期7卷 49-56页

作者： HongBo Yao ZhengYong Ren KeJia Pan jingtian tang KeKe Zhang Key Laboratory of Metallogenic Prediction of Nonferrous Metals and Geological Environment Monitoring Ministry of Education(Central South University)Changsha 410083China Hunan Key Laboratory of Nonferrous Resources and Geological Hazards Exploration Central South UniversityChangsha 410083China School of Geosciences and Info-Physics Central South UniversityChangsha 410083China School of Mathematics and Statistics Central South UniversityChangsha 410083China State Key Laboratory of Lunar and Planetary Sciences Macao University of Science and TechnologyTaipaMacaoChina

Mantle conductivity imaging is one of the scientific goals of the forthcoming Macao Science Satellite-1(MSS-1).To achieve this goal,we develop a data analysis and inversion scheme for satellite magnetic data to probe global one-dimensional(1D)mantle conductivity *** this scheme,we present a new global mantle conductivity model by analyzing over 8 years of Swarm satellite magnetic ***,after sophisticated data selection procedures and the removal of core and crustal fields,the inducing and induced spherical harmonic coefficients of magnetic potential due to the magnetospheric ring current are ***,satellite Cresponses are estimated from the time series of these ***,the observed responses are inverted for both smooth and threejump conductivity models using a quasi-Newton *** obtained conductivity models are in general agreement with previous global mantle conductivity models.A comparison of our conductivity model with the laboratory conductivity model suggests the mean state of the upper mantle and transition zone is relatively *** scheme can be used to process the forthcoming Macao Science Satellite-1 magnetic data.

关键词： Macao Science Satellite-1 satellite magnetic data mantle conductivity global electromagnetic induction

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SQUARE WAVE COHERENT METHOD FOR EXTRACTING IP EFFECT

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中国有色金属学会会刊：英文版 1995年第2期5卷 1-6页

作者： He, Jishan Wang, Shaowu tang jingtian(Central South Univercity of Technology, Changsha, 410083) Central South Univ of Technology Changsha China

ＳＱＵＡＲＥＷＡＶＥＣＯＨＥＲＥＮＴＭＥＴＨＯＤＦＯＲＥＸＴＲＡＣＴＩＮＧＩＰＥＦＦＥＣＴ￥Ｈｅ，Ｊｉｓｈａｎ；Ｗａｎｇ，Ｓｈａｏｗｕ；ＴａｎｇＪｉｎｇｔｉａｎ（ＣｅｎｔｒａｌＳｏｕｔｈＵｎｉｖｅｒｃｉｔｙｏｆＴｅｃ... 详细信息

ＳＱＵＡＲＥＷＡＶＥＣＯＨＥＲＥＮＴＭＥＴＨＯＤＦＯＲＥＸＴＲＡＣＴＩＮＧＩＰＥＦＦＥＣＴ￥Ｈｅ，Ｊｉｓｈａｎ；Ｗａｎｇ，Ｓｈａｏｗｕ；ＴａｎｇＪｉｎｇｔｉａｎ（ＣｅｎｔｒａｌＳｏｕｔｈＵｎｉｖｅｒｃｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ，...

关键词： dual-frequency IP method square wave coherent method Fourier coherent methed EM effect.

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EQUIVALENT CIRCUIT OF NONLINEAR EFFECT OF SPECTRAL IP

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中国有色金属学会会刊：英文版 1995年第4期5卷 1-7页

作者： He, Jishan Li, Daqing tang, jingtian(Department of Geology, Central South University of Technology, Changsha 410083) Central South Univ of Technology Changsha China

ＥＱＵＩＶＡＬＥＮＴＣＩＲＣＵＩＴＯＦＮＯＮＬＩＮＥＡＲＥＦＦＥＣＴＯＦＳＰＥＣＴＲＡＬＩＰ￥Ｈｅ，Ｊｉｓｈａｎ；Ｌｉ，Ｄａｑｉｎｇ；Ｔａｎｇ，Ｊｉｎｇｔｉａｎ（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＧｅｏｌｏｇｙ，Ｃｅｎｔｒａｌ... 详细信息

ＥＱＵＩＶＡＬＥＮＴＣＩＲＣＵＩＴＯＦＮＯＮＬＩＮＥＡＲＥＦＦＥＣＴＯＦＳＰＥＣＴＲＡＬＩＰ￥Ｈｅ，Ｊｉｓｈａｎ；Ｌｉ，Ｄａｑｉｎｇ；Ｔａｎｇ，Ｊｉｎｇｔｉａｎ（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＧｅｏｌｏｇｙ，ＣｅｎｔｒａｌＳｏｕｔｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆ...

关键词： spectral IP nonlinear effect equivalent circuit admittance anode/cathode polarizaTion

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论电场近区双频测深的可行性

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矿产勘查 2024年第9期15卷 1738-1749页

作者：周聪伍师莹汤井田李杰肖晓东华理工大学核资源与环境国家重点实验室江西南昌330013 中南大学有色金属成矿预测教育部重点实验室湖南长沙410083 香港中文大学(深圳)城市地下空间及能源研究院广东深圳518172 普洱绿色能源与矿产资源研究院云南普洱665000

非平面波区测深是频率域电磁勘探方法理论发展的重要动力。广域电磁法不对非平面波区电磁场表达式做简化,通过迭代求解获取全区视电阻率,极大拓展了人工源频率域电磁法的观测空间范围与探测深度。E-Ex模式是现今最为常用的广域电磁法观... 详细信息

非平面波区测深是频率域电磁勘探方法理论发展的重要动力。广域电磁法不对非平面波区电磁场表达式做简化,通过迭代求解获取全区视电阻率,极大拓展了人工源频率域电磁法的观测空间范围与探测深度。E-Ex模式是现今最为常用的广域电磁法观测模式,但其近区测深能力有限。本文探讨了两种广域电磁法E-Ex模式近区双频测深方案的可行性。首先,简述了高阶近似和低阶近似两种近区电场双频测深视电阻率计算方案的基本原理;然后采用一维模型进行数值模拟,对比了半空间模型中E-Ex模式不同场成分的强度与感应数的关系,计算了典型地电模型的视电阻率,分析了频率间隔及观测误差等对计算结果的影响。结果表明:高阶近似方案基本不具备可行性;低阶近似双频测深方案在理想条件下可以获得近区地电介质的变化信息,对地下低阻层反映更为灵敏,受观测角度、接地导线偶极长度及观测频率间隔等因素影响均较小,但对观测数据误差极为敏感,观测总场中较小的误差也将导致近区视电阻率信息提取失败。因此,广域电磁法E-Ex模式近区双频测深方案实际应用的关键在于控制观测精度。

关键词：电磁法电磁测深频率域近区广域

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广域电磁法在深部矿产勘查中的应用——以铜陵冬瓜山铜矿为例

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矿产勘查 2024年第9期15卷 1593-1606页

作者：肖晓李银航汤井田刘寄仁徐锦通杨智杨亮周聪中南大学地球科学与信息物理学院湖南长沙410083 中南大学有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室湖南长沙410083 中南大学有色资源与地质灾害探查湖南省重点实验室湖南长沙410083 湖南文理学院计算机与电气工程学院湖南常德415000 东华理工大学核资源与环境国家重点实验室江西南昌330013

铜陵市冬瓜山铜矿是中国目前最大的现代化井下坑采铜矿山,目前浅部矿产开发已近成熟;矿体埋深在-690~-1007 m,开采历史已经超过50年。为在冬瓜山铜矿床地区寻找第二成矿空间,查明区内-1~-3 km深度的地层、构造及岩浆岩分布,揭露和成矿... 详细信息

铜陵市冬瓜山铜矿是中国目前最大的现代化井下坑采铜矿山,目前浅部矿产开发已近成熟;矿体埋深在-690~-1007 m,开采历史已经超过50年。为在冬瓜山铜矿床地区寻找第二成矿空间,查明区内-1~-3 km深度的地层、构造及岩浆岩分布,揭露和成矿密切相关的奥陶系—志留系界面的空间分布,本文针对冬瓜山铜矿强电磁干扰的勘探环境,开展了三维广域电磁勘探。通过现场干扰情况调查和数据采集试验设计了合理的广域电磁数据采集参数,获得了高质量广域电磁数据;在对强干扰区含噪数据进行精细去噪后,开展了拟二维反演;综合区域物性资料、钻孔资料、拟二维反演结果以及巷道揭露的1 000 m以浅的地层、岩体和矿体空间分布,开展了基于地质模型和岩石物性引导的广域电磁三维反演,验证了探测区1 000 m以浅的精细电性结构,并遵循“从已知到未知,从浅部到深部”的解译原则,推断了-1~-3 km范围内深部岩体及奥陶系—志留系界面的空间分布。研究成果可为冬瓜山矿体深边部找矿、成矿靶区预测及钻探选址提供了地球物理依据。

关键词：广域电磁法深部矿产勘查精细去噪三维反演

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