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基于优化聚类的人工源电磁法数据信噪分离方法

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地球物理学报 2024年第1期67卷 394-408页

作者：胡艳芳刘子杰李帝铨张贤索光运湖南工商大学微电子与物理学院长沙410205 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 中南大学地球科学与信息物理学院长沙410083

为了降低强电磁干扰对人工源电磁法(Controlled Source Electromagnetic Method,CSEM)有效信号的影响,改善CSEM实测数据处理结果因人而异且效率低的不足,本文针对CSEM有效信号周期性特征提出了一种加权自适应带宽均值漂移聚类(Weighted ... 详细信息

为了降低强电磁干扰对人工源电磁法(Controlled Source Electromagnetic Method,CSEM)有效信号的影响,改善CSEM实测数据处理结果因人而异且效率低的不足,本文针对CSEM有效信号周期性特征提出了一种加权自适应带宽均值漂移聚类(Weighted Adaptive Bandwidth Mean-Shift Clustering,WAB-MSC)信噪分离方法.首先在传统均值漂移聚类(Mean-Shift Clustering,MSC)算法的基础上增加核函数,降低处理结果对带宽选择的敏感度,提高算法的稳健性;其次结合实测CSEM数据的分布特征提出了一种基于局部密度梯度的带宽估计方法,实现了自适应带宽选择;最后通过仿真数据与实测数据对本文方法进行了验证,结果表明:本文方法能有效消除强电磁干扰对CSEM数据的影响,最大程度保留受噪声影响较小或未受噪声影响的数据,提高数据信噪比,降低强干扰噪声对CSEM初始资料的影响程度,获得更为真实的地电响应模型,为后续数据处理提供保障.

关键词：人工源电磁法强电磁干扰信噪分离自适应聚类算法

钦杭成矿带中段钨锡与铜铅锌矿床的深部探测研究(英文)

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Transactions of Nonferrous Metals Society of China 2022年

作者：戴前伟段旦刘飚吴堑虹严家斌孔华陈社发宗琦汤钰御中南大学地球科学与信息物理学院有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室

在覆盖区岩浆热液有关的钨锡与铜铅锌矿床的深部探测已成为矿床学研究与勘探的重点。在本次研究中，野外与显微构造调查，断层中方解石微量元素与C-O同位素分析、岩脉中锆石U-Pb定年与广域电磁测深被联合使用来重建构造-岩浆-成矿的时... 详细信息

在覆盖区岩浆热液有关的钨锡与铜铅锌矿床的深部探测已成为矿床学研究与勘探的重点。在本次研究中，野外与显微构造调查，断层中方解石微量元素与C-O同位素分析、岩脉中锆石U-Pb定年与广域电磁测深被联合使用来重建构造-岩浆-成矿的时空演化过程与揭示其成因联系。研究结构表明存在四期构造变形事件：D;变形为东西向挤压，主要形成SN向或者NE向的褶皱、挤压劈理带与区域逆断层，但未发生成矿作用；D;变形为从SE向NW的逆冲，可能与古太平洋板块的俯冲有关；D;变形为NW到SE的伸展事件，伴随着大规模的花岗岩体侵位以及与之有关的钨锡与铜铅锌成矿；D;变形为成矿后的右型走滑。另外在野外露头与深部钻孔中，我们发现了两期方解石：第一期稀土配分型式主要为平坦型，具有显著的Ce负异常与高的δ;O;值（10.6‰～14.8‰），指示其主要与沉积灰岩地层有关；第二期稀土配分型式主要为LREE富集型，具有Eu的负异常与低的δ;O;值（9.78‰～12.3‰），与矿床中方解石的稀土配分型式与C-O同位素组成完全一致，证实了断层中第二期方解石是岩浆热液活动结果且与钨锡与铜铅锌成矿关系密切，可以用来示踪深部隐伏岩体与成矿。广域电磁剖面进一步揭示了1.5～5 km深度的构造-岩浆岩-矿床的几何学特征，花岗岩体主要沿着SN向或NNE向的区域断层侵入，与三叠系与泥盆系灰岩接触带形成矿体。结合钻孔与矿床数据（0～1.5 km），我们推测浅部的钨锡与铜铅锌矿体往深部（1.5～4 km）具有稳定的延深，尤其是在花岗岩体与灰岩的接触带上，证实了钦杭成矿带中段的深部具有较好的找矿前景。因此，地表调查、地球化学分析与广域电磁测深结合的方法在覆盖区对钨锡与铜铅锌矿床的深部探测是十分有效的。

关键词：断层花岗岩体方解石稀土模式广域电磁测深

基于几何多重网格预条件技术的三维大地电磁高效正演模拟

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地球物理学报 2022年第5期65卷 1839-1852页

作者：王永斐柳建新郭荣文刘嵘李健陈杭杨刚强中南大学地球科学与信息物理学院长沙410083 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

几何多重网格法(GMG)将细网格上的大型稀疏矩阵的求解转化为较粗网格上的更容易求解的问题,从而快速求解大型稀疏方程组.但是由于大地电磁法(MT)正演模拟中涉及双旋度算子,传统GMG无法有效平滑高频误差导致其收敛慢甚至发散.为此,我们... 详细信息

几何多重网格法(GMG)将细网格上的大型稀疏矩阵的求解转化为较粗网格上的更容易求解的问题,从而快速求解大型稀疏方程组.但是由于大地电磁法(MT)正演模拟中涉及双旋度算子,传统GMG无法有效平滑高频误差导致其收敛慢甚至发散.为此,我们引入了四色分块高斯赛德尔法(GS)作为平滑算法,该算法局部满足电流散度为零的条件,无需额外的散度校正且具有高度并行性,可以显著提高GMG的收敛效率.但是随着系数矩阵各向异性(比如电导率的强烈变化等)增加,GMG收敛速度会变慢.Krylov子空间求解法如稳定双共轭梯度法(BiCGstab)可以改善这种收敛变慢的问题.因此,在本文中针对交错网格有限差分法(FDM)提出了一种结合四色分块GS平滑算法GMG和BiCGstab的MT高效正演模拟方法.在该方法中,将四色分块GS平滑算法GMG作为BiCGstab求解器的预条件技术,从而显著提高正演效率.我们设计了一个层状电阻率模型,通过与其解析解对比验证本文所提算法的正确性.然后设计了一个双异常体电阻率模型和一个Dublin模型1(DTM1),基于BiCGstab,对比了GMG预条件技术与其他传统预条件技术的数值表现,如超松弛预条件技术(SSOR)、分块不完全LU分解预条件技术(block ILU)和高斯赛德尔预条件技术(GS).结果显示本文提出的算法在迭代次数,计算时间和稳定性方面都远远优于传统预条件技术.对于所有例子,GMG预条件技术均能在10次以内达到收敛,计算时间比传统预条件技术减少70%以上,显示了本方法的稳定性和高效性.

关键词：大地电磁正演几何多重网格预条件技术

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重力异常场空间-波数混合域三维数值模拟

地球物理学报 2020年第5期63卷 2107-2119页

作者：戴世坤陈轻蕊李昆凌嘉宣中南大学地球科学与信息物理学院长沙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长沙410083

重力勘探中复杂条件下的三维正演计算量大存储要求高,使得这种条件下重力勘探高效、精细正反演变得困难.针对这一问题,提出一种空间-波数混合域数值模拟方法,该方法将空间域引力位积分进行水平方向二维傅里叶变换,将三维空间域卷积问题... 详细信息

重力勘探中复杂条件下的三维正演计算量大存储要求高,使得这种条件下重力勘探高效、精细正反演变得困难.针对这一问题,提出一种空间-波数混合域数值模拟方法,该方法将空间域引力位积分进行水平方向二维傅里叶变换,将三维空间域卷积问题转换为多个不同波数之间相互独立的空间垂向一维积分问题,一维积分垂向可离散为多个单元积分之和,每个单元采用二次形函数表征密度变化,可得出单元积分的解析表达式.该方法计算量和存储需求少,算法高度并行;保留垂向为空间域,优势之一在于可根据实际情况合理调整单元疏密程度,准确模拟任意复杂地形和密度异常体的重力异常,兼顾计算精度与计算效率;优势之二在于用形函数拟合求得积分的解析解,计算精度和效率高;充分利用一维形函数积分的高效和高精度,不同波数之间一维积分高度并行性及快速傅里叶变换的高效性,实现重力异常场三维数值模拟.设计棱柱体模型,通过数值解和解析解对比验证了该方法的正确性、适用性和高效性.针对任意复杂地形条件下的重力场及其张量的模拟问题,提出一种快速算法,对其有效性进行了验证.探究标准FFT法的截断效应对计算精度的影响,对比分析Gauss-FFT法和标准FFT扩边法两种方法的计算精度和效率,总结了二者的选取策略,结果表明选用标准FFT扩边法计算效率更高.实际地形的数值模拟表明本文算法适用于任意复杂地形的高效计算.

关键词：重力数值模拟空间-波数混合域傅里叶变换形函数积分

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基于BTTB矩阵的快速高精度三维磁场正演

地球物理学报 2022年第3期65卷 1107-1124页

作者：袁洋崔益安陈波赵广东柳建新郭荣文中南大学地球科学与信息物理学院长沙410083 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

本文改进了一种快速、高精度空间域三维正演算法,用来计算地下场源在水平观测面产生的磁异常ΔT场及其梯度场,以解决传统空间域正演计算效率低的问题.算法采用长方体对场源区域进行剖分,观测点与场源剖分单元体中心点在水平面上的投影重... 详细信息

本文改进了一种快速、高精度空间域三维正演算法,用来计算地下场源在水平观测面产生的磁异常ΔT场及其梯度场,以解决传统空间域正演计算效率低的问题.算法采用长方体对场源区域进行剖分,观测点与场源剖分单元体中心点在水平面上的投影重合.改进的算法具有以下三个特点:(1)采用无解析奇点的解析解公式计算磁异常,保证计算精度.(2)通过构造特殊的分块托普利兹(BTTB,Block-Toeplitz Toeplitz-Block)矩阵,利用其结构特性压缩核矩阵,并且用预先计算并存储中间变量,优化计算核矩阵的过程以提高计算效率.(3)基于BTTB矩阵的特殊性质,将核矩阵与磁化率向量的乘积转化为二维离散卷积的形式,因此能利用快速傅里叶变换进一步提高计算效率.模型实验显示,当剖分个数较多时,改进的快速正演算法比传统解析解方法快约5个数量级,比现有的8点高斯-快速傅立叶变换(Gauss-FFT)正演算法快约两个数量级,而且绝对误差极小(最大约为10^(-6) nT),同时将反演时核矩阵的内存占用降低约5个数量级,证明了该正演算法具有高精度、高效率、低存储量的优点.最后设计了一个合成模型实验,将改进后的快速正演算法运用到磁异常ΔT反演中,反演所得三维磁化率与真实模型特征一致,且大幅降低反演计算时间和内存占用,验证了快速正演算法的实用性.

关键词：磁异常正演计算 BTTB矩阵直立长方体三维反演

含膏盐建造铁矿床中磁铁矿LA-ICP-MS微量元素测定与地球化学特征研究

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岩矿测试 2022年第4期41卷 564-574页

作者：胡靓张德贤娄威胡子奇刘金波中南大学地球科学与信息物理学院湖南长沙410083 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

膏盐建造会影响成矿流体的氧逸度和成矿流体成分,表现在磁铁矿元素组成会发生变化,从而对铁矿床的形成具有重要的指示作用,因此可以应用磁铁矿元素组成变化进行矿床类型划分和成因的厘定。膏盐建造广泛发育在新疆“帕米尔式”铁矿床和... 详细信息

膏盐建造会影响成矿流体的氧逸度和成矿流体成分,表现在磁铁矿元素组成会发生变化,从而对铁矿床的形成具有重要的指示作用,因此可以应用磁铁矿元素组成变化进行矿床类型划分和成因的厘定。膏盐建造广泛发育在新疆“帕米尔式”铁矿床和长江中下游宁芜铁矿床中,但膏盐建造的控矿机制尚不清楚。本文以新疆“帕米尔式”铁矿床和长江中下游宁芜玢岩铁矿床中的磁铁矿为研究对象,应用激光剥蚀电感耦合等离子体质谱法(LA-ICP-MS)测定其元素组成,分析磁铁矿中微量元素种类、含量及其地球化学特征,进而反演两种类型磁铁矿的成矿过程与形成环境,探讨膏盐建造在磁铁矿床形成过程中的控制作用。结果表明:①宁芜地区磁铁矿主要具有高Ti(平均含量16401μg/g)、V(平均含量2256μg/g)特征,说明其与岩浆作用密切相关。②新疆塔什库尔干地区磁铁矿床中的磁铁矿中Nb、Ta、Zr、Hf等高场强元素(HFSE)含量明显偏低,结合磁铁矿类型判别图将该地区磁铁矿床主要划分为两种成因类型,即与海相火山活动相关的岩浆热液型磁铁矿特征和热液交代矽卡岩型。分析表明两地区膏盐建造控矿作用明显不同:在塔什库尔干地区磁铁矿床形成过程中改变了氧逸度,而在宁芜地区玢岩铁矿形成过程中,为成矿提供了重要成矿物质来源。

关键词： LA-ICP-MS 膏盐建造磁铁矿微量元素 “帕米尔式”铁矿宁芜铁矿

中国活动构造与地震及地质灾害的关系研究进展及展望

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自然灾害学报 2022年第1期31卷 1-14页

作者：刘玉国李欢郑涵谭富诚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

本文通过回顾活动构造的研究历史、活动构造的定义分类,综合大量已有研究资料,总结了中国地震及地质灾害的主要特征,以及不同尺度的活动构造及其相互之间的联系。中国地震具有频率高、震源浅、西强东弱、分块成带的特征,同时空间分布、... 详细信息

本文通过回顾活动构造的研究历史、活动构造的定义分类,综合大量已有研究资料,总结了中国地震及地质灾害的主要特征,以及不同尺度的活动构造及其相互之间的联系。中国地震具有频率高、震源浅、西强东弱、分块成带的特征,同时空间分布、类型分布与总体危害程度存在明显地区差异性。对岩石圈流变学、岩石圈的垂向分层模式、特殊地区中部地壳的应变局部化等的深入研究将有助于进一步理解地震的发震机制。活动断裂与地震及其地质灾害之间联系紧密,主要体现在活动断裂的几何学、运动学特征、断裂间的相互作用、分段性、多期次与周期性、与地震的耦合性关系等方面。结合GIS、遥感、数值模拟等新技术方法的应用,提出未来活动构造的研究重点应主要集中在岩石圈流变动力学、结构性质、中部地壳应变局部化、活动构造与地震及其地质灾害的相关关系等方面。本文对中国活动构造与地震及地质灾害之间的关系的梳理,可为将来地震及地质灾害的研究和监测提供有价值的信息。

关键词：活动构造地震及地质灾害板块运动活动地块活动断裂

郴州市郴江河流域水质与土地利用关联的空间异质性分析

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自然资源遥感 2023年第3期35卷 230-240页

作者：周石松汤玉奇程宇翔邹滨冯徽徽中南大学地球科学与信息物理学院长沙410083 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

为了研究郴州市郴江河流域水质与土地利用关联的空间异质性特征,采集了2021年9月流域水质与高分遥感数据;通过不同类型、不同尺度的流域缓冲区划分,计算土地利用组分及各地类斑块形状、尺寸及分布等景观配置;利用单因子、多因子相关性分... 详细信息

为了研究郴州市郴江河流域水质与土地利用关联的空间异质性特征,采集了2021年9月流域水质与高分遥感数据;通过不同类型、不同尺度的流域缓冲区划分,计算土地利用组分及各地类斑块形状、尺寸及分布等景观配置;利用单因子、多因子相关性分析,进行区域土地利用对水质的空间异质性影响分析。结果表明:①在水质与土地利用单因子空间异质性关联分析中,圆形缓冲区的普适性优于河岸缓冲区,而河岸缓冲区在分析建筑用地占比对各水质参数的影响方面起补充作用。在多因子空间异质性关联分析中,河岸缓冲区土地利用对水质参数的解释率普遍高于圆形缓冲区,圆形缓冲区土地利用对水质参数的总解释率最大值出现在半径700 m尺度。②不同土地利用组分对水质的影响不同,耕草地、林地、水域面积占比与水质呈正相关关系,建筑物、裸地呈负相关关系,其中耕草地与建筑用地对水质影响最大;在进行土地利用规划时,要考虑到土地利用组分的影响,合理分配人工地物和自然地物面积占比。③不同土地利用景观配置对水质影响不同。其中反映斑块形状与尺寸的景观形状指数(landscape shape index,LSI)、最大斑块指数(largest patch index,LPI)对水质存在负面影响,反映斑块分布的散布与并列指数(interspersion and juxtaposition index,IJI)和水体氨氮(ammonia nitrogen,NH3-N)含量在小尺度内呈负相关。在进行土地利用规划时更要考虑到景观配置的合理性,例如要控制缓冲区内优势地类斑块大小。研究结论找出了最能影响水质的缓冲区大小,揭示了最能解释郴江河水质的土地利用组分及其景观配置,为郴江河水质恶化的科学治理措施提供选择依据,对水环境保护有一定意义。

关键词：流域水质土地利用空间异质性分析郴州市郴江河

基于深度学习的铁路路基雷达检测信号中强干扰压制方法研究

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地球物理学进展 2023年第6期38卷 2714-2723页

作者：林皓肖建平刘志航刘郅静邓宇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 中南大学地球科学与信息物理学院长沙410083

探地雷达具有快速、非接触式、无损的特点,已成为铁路路基病害检测的重要手段.但由于铁路路基检测对于探地雷达而言具有复杂的电磁干扰环境,尤其是来自轨枕强反射干扰湮没了路基介质层病害的弱反射雷达信号.针对上述问题,本文开展了铁... 详细信息

探地雷达具有快速、非接触式、无损的特点,已成为铁路路基病害检测的重要手段.但由于铁路路基检测对于探地雷达而言具有复杂的电磁干扰环境,尤其是来自轨枕强反射干扰湮没了路基介质层病害的弱反射雷达信号.针对上述问题,本文开展了铁路路基雷达检测信号中轨枕强干扰压制方法研究.论文首先介绍了深度学习网络框架以及原理,并对随机生成的含典型病害铁路路基模型进行时域有限差分法正演,获得探地雷达仿真数据;然后将仿真数据预处理后导入深度学习网络中训练,并且利用测试集中数据验证该深度学习网络对一维探地雷达信号的噪声压制效果;最后,从图像上分析并评价了深度学习处理铁路路基雷达信号噪声压制的效果.采用上述方法处理后的雷达图像中异常体反射信号明显,同轴信号连续清晰,图像分辨率提高.研究结果表明该处理方法能有效压制轨枕强干扰信号,显著提高了雷达信号的信噪比,而且训练好的网络能实时处理海量的路基检测资料.

关键词：深度学习探地雷达铁路路基病害检测轨枕噪声压制