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沙尘暴对火星表面探测器的影响:回顾与展望

科学通报 2023年第4期68卷 368-379页

作者：王誉棋魏勇范开何飞戎昭金周旭谭宁中国科学院地质与地球物理研究所中国科学院地球与行星物理重点实验室北京100029 中国科学院大学地球与行星科学学院北京100049 中国科学院地质与地球物理研究所北京空间环境国家野外科学观测研究站北京100029 中国科学院地质与地球物理研究所中国科学院新生代地质与环境重点实验室北京100029

沙尘暴会对火星表面探测器带来发电量减少、环境温度降低、通信不稳定和仪器污染等方面的影响.为保障我国祝融号火星车的安全运行及未来火星表面探测任务的顺利开展,亟须评估沙尘暴对火星表面探测器的影响.通过系统性地回顾1997~2018年... 详细信息

沙尘暴会对火星表面探测器带来发电量减少、环境温度降低、通信不稳定和仪器污染等方面的影响.为保障我国祝融号火星车的安全运行及未来火星表面探测任务的顺利开展,亟须评估沙尘暴对火星表面探测器的影响.通过系统性地回顾1997~2018年间火星表面探测器(包括着陆器与火星车)对沙尘的响应,初步认清了沙尘对火星表面探测器的影响规律——探测器太阳能电池阵列表面的尘埃以比较稳定的速率积累,而尘埃的沉积速率在沙尘暴期间,尤其是全球性沙尘暴期间会大大加快;同时,受多方面影响,电池阵列表面也会发生具有季节性模式的除尘事件.为规避沙尘暴带来的风险,在美国洞察号着陆器(InSight)的设计阶段就全面评估了沙尘暴对其着陆硬件系统及太阳能电池阵列的影响,并采取了一系列应对措施.洞察号应对沙尘暴的举措为我国未来的火星采样返回任务提供了重要启迪——前瞻性的科学指导是保障工程任务成功实施的关键.通过分析我国火星采样返回任务的初步轨道设计方案,建议未来火星探测器发射的最优窗口为2028年1月左右,以合理规避沙尘暴带来的风险.

关键词：火星车着陆器沙尘暴太阳能电池阵列火星采样返回

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随钻声波发射换能器宽频阻抗匹配设计及实验

仪器仪表学报 2022年第3期43卷 186-193页

作者：苟阳付欣中国科学院地质与地球物理研究所深地资源装备技术工程实验室北京100029 中国科学院地质与地球物理研究所页岩气与地质工程重点实验室北京100029 中国科学院地球科学研究院北京100029 中国科学院大学北京100029

发射换能器是随钻声波测井仪器的核心部件,其工作带宽及辐射声波能量的强弱是仪器的关键技术指标。换能器是一个非线性容性负载,可以采用阻抗匹配的方式增强有功功率并拓宽工作频带。本文将换能器多模态等效电路与阻抗匹配网络结合,利... 详细信息

发射换能器是随钻声波测井仪器的核心部件,其工作带宽及辐射声波能量的强弱是仪器的关键技术指标。换能器是一个非线性容性负载,可以采用阻抗匹配的方式增强有功功率并拓宽工作频带。本文将换能器多模态等效电路与阻抗匹配网络结合,利用电路网格方程对元件参数进行求解。最终在消声水池进行声场测试,观测换能器有功功率、声场辐射声压、发射电压响应等电、声特性,综合评估阻抗匹配网络的效果,为后续的随钻仪器研发及实验测试提供帮助和指导。实验结果表明,本文所设计的阻抗匹配网络能够明显改善换能器的声波辐射性能,频带宽度拓宽3.3倍,有功功率提高1.7倍,声压增强1.8倍,发射电压响应提高5 dB,在12~16 kHz的频带内发射电压响应最高可达125 dB。

关键词：随钻声波测井仪器压电换能器阻抗匹配网络理论计算水声实验

基于Poynting矢量行波分离的最小二乘逆时偏移

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地球物理学报 2021年第2期64卷 645-655页

作者：王晓毅张江杰许宏桥田宝卿中国科学院地质与地球物理研究所中国科学院油气资源研究重点实验室北京100029 中国科学院地球科学研究院北京100029 中国科学院大学北京100049 中国科学院地质与地球物理研究所中国科学院页岩气与地质工程重点实验室北京100029

因为在逆时偏移中基于双程波动方程构建震源波场和检波器波场,所以在波场延拓过程中地震波遇到波阻抗界面时,背向发育的反射波会与正常传播的波场互相关产生较强振幅的低频噪声.这一特点使得以逆时偏移为基础的最小二乘偏移方法在梯度... 详细信息

因为在逆时偏移中基于双程波动方程构建震源波场和检波器波场,所以在波场延拓过程中地震波遇到波阻抗界面时,背向发育的反射波会与正常传播的波场互相关产生较强振幅的低频噪声.这一特点使得以逆时偏移为基础的最小二乘偏移方法在梯度计算时同样存在着低频噪声的干扰,从而导致反演收敛的速度减慢.考虑到计算量和存储成本的因素,本文借助Poynting矢量良好的方向指示性实现波场的上下行波分离,并在早期迭代的梯度计算中只保留震源波场和检波器波场沿不同垂直方向传播的组分之间的互相关,有效避免了成像噪声的干扰,提高了算法收敛的速率.数值算例验证了方案的有效性.

关键词： Poynting矢量行波分离梯度算子最小二乘逆时偏移

祝融号火星车巡视区2022年沙尘暴活动趋势初步分析

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科学通报 2022年第17期67卷 1938-1944页

作者：魏勇何飞范开戎昭金王誉棋中国科学院地质与地球物理研究所中国科学院地球与行星物理重点实验室北京100029 中国科学院大学地球与行星科学学院北京100049

作为我国首次火星探测任务天问一号的重要部分,祝融号火星车于2021年5月15日着陆在乌托邦平原南部,22日成功驶离着陆平台,开展科学探测工作.目前,火星已经进入沙尘暴多发季节,而祝融号所处区域——乌托邦平原南部则是火星季节性沙尘暴... 详细信息

作为我国首次火星探测任务天问一号的重要部分,祝融号火星车于2021年5月15日着陆在乌托邦平原南部,22日成功驶离着陆平台,开展科学探测工作.目前,火星已经进入沙尘暴多发季节,而祝融号所处区域——乌托邦平原南部则是火星季节性沙尘暴的高发区.利用火星全球沙尘光学厚度的历史数据,本文分析了第24~35火星年(1998~2021年)的全球沙尘暴发生特征,对当前和未来一段时间内祝融号巡视区沙尘暴的活动趋势进行了预测.分析结果表明,祝融号巡视区在2022年3~12月可能出现强沙尘暴,对祝融号的探测工作可能造成显著影响.火星的探测研究是国家战略和科学前沿,火星沙尘暴的分析和预测是行星科学界与探测工程界共同关注的重大问题,需要更多学者尽快对此开展更广泛、更深入的研究.

关键词：天问一号祝融号乌托邦平原沙尘暴

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基于震例探讨大地震的物理机制

地球物理学报 2016年第10期59卷 3696-3710页

作者：吴晓娲秦四清薛雷杨百存李培张珂中国科学院地质与地球物理研究所中国科学院页岩气与地质工程重点实验室北京100029

查明大地震物理机制对地震预测和防震减灾具有重要意义.本文评述了当前主流地震机制假说,指出用于描述浅源地震机制的弹性回跳说和粘滑说存在诸多缺陷;前人提出的脱水致裂、相变失稳、剪切熔融和反裂隙断层作用等中-深源地震机制假说,... 详细信息

查明大地震物理机制对地震预测和防震减灾具有重要意义.本文评述了当前主流地震机制假说,指出用于描述浅源地震机制的弹性回跳说和粘滑说存在诸多缺陷;前人提出的脱水致裂、相变失稳、剪切熔融和反裂隙断层作用等中-深源地震机制假说,均存在与观测事实不符的情况.本文简要介绍了近些年我们发展的孕震断层多锁固段脆性破裂理论,指出断层运动导致锁固段累进性破裂发生地震,称锁固段在体积膨胀点和峰值强度点发生的显著地震为标志性地震事件.震例分析表明,浅源、中源、深源及其混合型地震区标志性地震事件的孕育规律均遵循该理论.进一步的讨论指出,弹性回跳说和粘滑说均隐含着断层面上存在锁固段的假设;深源地震震源体具有发生脆性破裂的环境条件;该理论能合理解释地震应力降远小于室内岩石破裂应力降、热流佯谬和自组织临界性这些难点问题.这充分说明,大地震物理机制均可统一解释为锁固段脆性破裂.

关键词：地震区锁固段大地震物理机制脆性破裂

利用电磁方法探测内蒙古塔木素高放废物预选场址岩体的内部构造

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地球物理学报 2016年第6期59卷 2316-2325页

作者：薛融晖安志国王显祥底青云中国科学院页岩气与地质工程重点实验室中国科学院地质与地球物理研究所北京100029

高放废物地质处置库选址要求围岩完整稳定,它与岩体深部地质结构密切相关,因此是场址评价中必须考虑的因素.在高放废物储库选址新区内蒙阿拉善塔木素岩体,采用可控源音频大地电磁法进行了剖面探测.分析了典型测深曲线,区分了地质构造和... 详细信息

高放废物地质处置库选址要求围岩完整稳定,它与岩体深部地质结构密切相关,因此是场址评价中必须考虑的因素.在高放废物储库选址新区内蒙阿拉善塔木素岩体,采用可控源音频大地电磁法进行了剖面探测.分析了典型测深曲线,区分了地质构造和完整围岩的响应特征;针对高放废物预选场址的特点,对原始数据进行了处理;结合已有地质、钻井及测井资料完成了解释;结果表明,利用可控源音频大地电磁法有效地查明了该地岩体内部结构,该岩体存在裂隙和破碎,完整性欠佳.

关键词：高放废物预选场址岩体构造 CSAMT探测

平面应变条件下不同裂隙方向原状膨胀土变形破坏性状与剪切带演化特征

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岩土力学 2023年第9期44卷 2495-2508页

作者：高志傲孔令伟王双娇刘炳恒芦剑锋中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点试验室湖北武汉430071 中国科学院大学北京100049 中国科学院地质与地球物理研究所页岩气与地质工程重点实验室北京100029

富含裂隙是膨胀土的重要特性之一,原生裂隙以及受力过程中的裂隙扩展对土的力学行为影响显著。为了调查裂隙对膨胀土的变形规律与破坏模式的影响,借助改进型真三轴仪,对不同原生裂隙主方向角的原状膨胀土(I型裂隙试样长轴垂直优势裂隙... 详细信息

富含裂隙是膨胀土的重要特性之一,原生裂隙以及受力过程中的裂隙扩展对土的力学行为影响显著。为了调查裂隙对膨胀土的变形规律与破坏模式的影响,借助改进型真三轴仪,对不同原生裂隙主方向角的原状膨胀土(I型裂隙试样长轴垂直优势裂隙方向、II型裂隙试样长轴45°斜交优势裂隙方向、III型裂隙试样长轴平行优势裂隙方向),开展固结排水平面应变剪切试验,并利用数字图像相关(digital image correlation,简称DIC)技术分析变形规律,重点研究裂隙影响的变形局部化特征。结果表明:同一围压作用时,II型裂隙试样的峰值应力最小,应力-应变曲线呈应变软化型,其破坏类型为滑动破坏;I型裂隙试样峰值应力最大,且I型裂隙试样与III型裂隙试样的应力-应变曲线呈应变硬化型。I型裂隙试样的破坏类型为压缩剪切破坏,III型裂隙试样的破坏类型随围压不同而存在差异。同一围压作用下,I型裂隙试样产生的剪切带倾角较其他裂隙类型样品小,且基本不随围压变化。II型裂隙试样的剪切带沿原生裂隙面发育形成,其倾角大小随围压变化并无明显规律,围压影响II型裂隙土试样剪切带发育的数量。对于III型裂隙试样,围压影响剪切带发育类型,且随着围压增大,主剪切带倾角减小。利用Roscoe理论得到不同裂隙方向土样的剪切带倾角大小与试样实际破坏时剪切带的倾角较为符合。该试验为研究裂隙性膨胀土力学特征各向异性奠定了基础。

关键词：膨胀土裂隙性平面应变试验数字图像相关技术剪切带演化

基于余震重定位和震源机制解研究青海玛多M_(S)7.4地震序列的发震构造和断裂形态

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地球物理学报 2022年第2期65卷 552-562页

作者：张建勇王新陈凌刘杰中国地震台网中心北京100045 岩石圈演化国家重点实验室中国科学院地质与地球物理研究所北京100029 中国科学院地球与行星物理重点实验室中国科学院地质与地球物理研究所北京100029 中国科学院大学地球与行星科学学院北京100049

2021年5月22日02时04分(北京时间),青海果洛州玛多县发生M_(S)7.4地震,震后余震不断.地质调查和卫星观测对地表断裂痕迹有较好的约束.然而,对于理解区域应力场、地震的产生、传播和终止具有重要意义的地下断层几何结构的约束精度略显不... 详细信息

2021年5月22日02时04分(北京时间),青海果洛州玛多县发生M_(S)7.4地震,震后余震不断.地质调查和卫星观测对地表断裂痕迹有较好的约束.然而,对于理解区域应力场、地震的产生、传播和终止具有重要意义的地下断层几何结构的约束精度略显不足.利用国家地震台网的连续波形记录,本研究首先基于双差定位法对玛多地震震后25天的余震序列进行重定位,结果显示余震序列大致沿NWW向的江错断裂呈线性分布,位于主震震中两侧,延伸总长~170 km.主震东南侧存在一余震稀疏区,在断裂带东西两端余震分布转向且出现分叉现象,反映出发震断层的复杂几何形态,这与前人研究结果基本一致.进一步采用波形反演方法和P波初动极性反演方法,获得了玛多震源区132个中小余震的震源机制解与震源矩心深度,并基于此对该主余型地震的发震构造与断裂形态进行了初步分析.震源机制解结果表明,玛多M_(S)7.4主震的发震断裂主要为左旋走滑性质,余震与主震性质整体相同,在断裂带东段存在部分逆冲型余震.震源机制解约束的区域主应力方向约N60°E,与区内整体走滑断裂作用相一致.余震震源深度略微起伏,主要集中在10~12 km,且浅部余震较少,表明浅部应力可能主要通过主震释放,余震深度分布可能限定了主震同震破裂的下边界.玛多主震破裂起始于断裂带走向和倾向发生明显变化的位置,表明断裂带的复杂几何结构可能是此次玛多M_(S)7.4地震初始破裂空间分布的决定因素.主震破裂结束的两端都有"马尾状"构造(或次级断层),表明这种分叉断层复杂的几何形态可能控制着主震破裂的最终位置.

关键词：玛多M_(S)7.4地震双差定位震源机制解发震构造破裂形态

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地-空瞬变电磁法电阻率成像研究与应用

地球物理学报 2021年第3期64卷 1090-1105页

作者：马振军底青云薛国强高雅中国科学院深地资源装备技术工程实验室中国科学院地质与地球物理研究所北京100029 中国科学院页岩气与地质工程重点实验室中国科学院地质与地球物理研究所北京100029 中国科学院地球科学研究院北京100029 中国科学院大学北京100049 中国科学院矿产资源研究重点实验室中国科学院地质与地球物理研究所北京100029

地-空瞬变电磁法(Semi-airborne transient electromagnetic,SATEM)凭借适应能力强、探测深度大、实时性强等特点,适用于湖泊、沼泽、山区等地形复杂地区观测.SATEM接收数据量大、精度要求高,传统成像方法基于地面视电阻率计算未考虑飞... 详细信息

地-空瞬变电磁法(Semi-airborne transient electromagnetic,SATEM)凭借适应能力强、探测深度大、实时性强等特点,适用于湖泊、沼泽、山区等地形复杂地区观测.SATEM接收数据量大、精度要求高,传统成像方法基于地面视电阻率计算未考虑飞行高度,开展SATEM的高精度快速成像研究对实际运用有重要作用.针对SATEM中电性源发射装置感应电流分布,接收装置设置于空中以及两者不在相同平面的特点,本文考虑横向、纵向感应电流差异,飞行高度对视电阻率影响等因素,提出电性源SATEM电阻率成像方法.首先,基于电性源瞬变电磁场感应电流分布特征及各分量空间分布、扩散特性分析,推导出基于均匀半空间磁场与感应电压解析解,然后定义了电性源地-空瞬变电磁法早期、晚期、全期视电阻率;最后根据对感应电流分布分析定义了横向分量和纵向分量的成像深度,并研究了成像深度受飞行高度、发射磁矩、偏移距、偏移角度的影响;对煤炭采空区的实测结果表明,利用本文提出的电阻率成像方法可以更加精确定位目标体位置.

关键词：电性源地-空瞬变电磁法电阻率-深度成像采空区探测