中国大陆时变重力观测:技术探索、挑战与应用展望

近年来,陆地高精度时变重力观测技术迅猛发展,除了以量子重力仪为代表的绝对重力装备不断实用化,中国大陆重力观测网络的布局也日趋完善。目前,中国大陆主要活动构造区已经建成优于百km尺度分辨率能力的μGal级时变重力场观测网络。本文从中国大陆时变重力观测技术方法的角度,首先介绍陆地时变重力观测系统、仪器分类以及中国大陆高精度重力观测系统的建设发展、存在问题及优化建议;其次,介绍时变重力技术方法与模型产品以及应用进展;最后,围绕中国大陆时变重力数据产品和应用中的问题,提出面向中国地震科学实验场和深地科学问题的下一代陆地重力观测系统设计布局设想。作为国家地球物理监测网络的重要组成部分,陆地时变重力观测能够提供高精度的时变重力模型产品,为深入探索地壳深部动力学机制、地球物理导航和国防建设提供重要的数据支撑。

蓟县地震台gPhone、DZW和GS-15重力仪重力噪声水平对比

选取蓟县地震台同址观测的3台不同型号重力仪(gPhone、DZW和GS-15)2022年全年的连续观测数据,研究不同类型仪器对环境噪声的响应,计算3种重力仪的重力噪声水平,同时计算地震频段(200~600 s)的地震噪声等级,并与全国gPhone重力仪的地震噪声等级进行对比。结果表明:1)在频率低于10-3 Hz时,扣除固体潮和气压改正可以明显改进重力噪声水平;2)相同台站不同仪器重力噪声水平不同,gPhone型重力仪的背景噪声水平低于DZW型重力仪和GS-15型重力仪,其SNM值为3.355;3)2022年全国gPhone重力仪的地震频段噪声水平均值为5.418,蓟县台的噪声水平平均值为3.465,低于全国的噪声水平。研究结果可为3类重力仪观测数据的研究应用提供参考。

复杂地区局部重力场带限SRBF二次逼近法

本文利用基于带限球面径向基函数(SRBF)的重力场二次累积逼近法,对地形复杂地区重力场模型的构建进行了较为详细的数值分析和验证工作。首先,利用带限SRBF将卫星重力场模型(GGM)数据与航空重力数据进行融合,构建了研究地区的初始重力场模型(基于SRBF的重力场第一次逼近)。与仅依赖于航空数据得到的重力场模型相比,初始重力场模型与GPS/水准数据之间的大地水准面差异标准差(STD)在研究区域降低了约0.022 m,表明了融合GGM和航空重力数据进行初始重力场建模的有效性。然后,在移去参考重力场模型、初始重力场模型和残余地形模型效应的基础上,利用残余地面和航空重力数据进行了基于带限SRBF的重力场第二次逼近。与传统的基于SRBF的一次逼近方法相比,二次SRBF逼近方法所得模型在研究区域的大地水准面差异STD和RMS值分别降低了0.036 m和0.024 m,显示了带限SRBF二次累积逼近方法的优越性。此外,研究区域地形属于复杂的山区,可以为复杂地区重力场模型的构建提供一定参考。

基于航空重力梯度数据重建高分辨率局部重力场的径向基函数方法

基于径向基函数技术,研究了利用航空重力梯度数据重建局部重力场模型的方法,建立了泊松小波径向基函数和航空重力梯度张量之间的解析关系.以频率域变换和等效源方法为例讨论了不同梯度分量转换方法对重力场建模的影响,分析了基函数埋深深度对建模的影响.以澳大利亚珀斯Kauring试验场为例,采用实测航空重力梯度垂直分量构建了高分辨率重力场模型.结果表明,局部地形扰动对建模的影响较大,即使在平原或丘陵区域,也要考虑其影响.此外,不同梯度分量转换方法对于区域重力异常恢复的影响较小.再者,基函数埋深深度对建模影响较大;相比于采用重力数据建模而言,基于航空重力梯度数据求解时,基函数的适宜埋深深度更浅.联合航空重力梯度数据求解能显著提高重力场模型在高频和甚高频波段的分辨率和精度.与实测航空重力数据对比表明,利用航空重力梯度数据可构建分辨率约为0.15 km、精度优于1 mGal的重力场模型.

基于时移微重力监测技术的SAGD蒸汽腔扩展规律研究

为揭示稠油油藏蒸汽辅助重力泄油(SAGD)蒸汽腔扩展规律,利用时移微重力监测技术,对新疆重油油田H井区侏罗系齐古组稠油油藏的蒸汽腔扩展规律进行研究。通过时移微重力监测获取了反映油藏剩余密度的剩余重力异常数据,利用该数据进行三维最小二乘反演,确定了蒸汽腔的纵向分布,并提出了解释蒸汽腔扩展规律与剩余重力异常关系的方法。该方法能够有效解释H井区5个井组蒸汽腔的扩展规律,把蒸汽腔的演变过程划分为上升阶段、横向扩展阶段及向下扩展阶段,并利用井温监测验证了该方法的准确性与可靠性。该方法揭示了SAGD蒸汽腔在油藏中的扩展规律,为稠油油藏的高效开发提供了技术支持,有助于优化稠油油藏的生产调控措施,也为同类型油藏开发提供了理论和实践基础。

理论自由空间重力异常处理在承德高原地区应用效果分析

布格重力校正方法中存在正常场校正的高程起算面误差、高程校正误差与地形和中间层校正误差,为避免传统布格重力校正方法中存在的误差影响,提高资料解释的准确性,本文采用了理论自由空间重力异常处理技术,对在承德御道口波状高原区的实测重力资料重新进行了处理。通过与布格重力异常的对比分析,对该方法进行了评价。研究结果表明,在波状高原地区,理论自由空间重力异常相较于布格重力异常能够较好地反映区域重力场的空间分布形态,对局部信息的展现也更加清晰、丰富,对构造形态表现更加合理、准确,根据不同的地质目的,合理选择布格校正和理论自由空间重力异常处理,可提升资料解释的可靠性。

宜昌台超导重力观测中的海潮与大气负荷效应研究

基于2017年宜昌地震台超导重力仪观测数据,对数据预处理、极移改正和长周期趋势改正后的重力潮汐观测数据进行调和分析,获得宜昌台精确地方重力潮汐参数,选取NAO.99b和osu.Chinasea.2010海潮模型研究海潮负荷对重力观测的影响。结果表明,宜昌台海潮负荷变幅约为25 nm·s^(-2),经海潮改正后潮汐因子有所改善。采用时域导纳方法以及基于全球大气模型ERA-Interim计算宜昌台大气重力负荷效应,研究结果表明,宜昌台大气重力导纳值为-3.2193 nm·s^(-2)·hPa^(-1),近区大气重力负荷变幅约为160 nm·s^(-2),远区大气重力负荷变幅可达70 nm·s^(-2),在进行超导重力数据处理分析时全球大气负荷效应不能忽略。

三峡库首区蓄放水重力效应模型的构建与观测

通过高分遥感影像精确提取三峡库首区水体边界,对水体部分构建精密的离散化数值模型,模拟计算三峡库首区在不同蓄放水位产生的重力效应,并对秭归站2017年gPhone 101重力仪与茅坪站2019~2021年gPhone 113重力仪的连续观测数据进行精细预处理。结果表明,在145~175 m蓄水过程中,模拟得到不同蓄水高度(间隔5 m)对岸边的重力变化值分别为0~28μGal、0~47μGal、0~60μGal、0~97μGal、0~170μGal、0~210μGal。当蓄水位升高5 m时,离岸2 km范围内存在10~20μGal的影响;当蓄水位升高30 m时,离岸5 km范围内存在30~40μGal的影响。重力残差主要反映水文重力效应信息,秭归站重力残差记录到约40μGal的重力变化,茅坪站重力残差记录到约50μGal的重力变化,重力变化趋势和水位变化呈现非常好的一致性,验证了模型模拟结果的准确性,可为三峡库首区及其岸边稳定性监测提供参考。

湖相重力流沉积主控因素与分类方案研究进展

深水重力流沉积是当前全球油气的勘探热点。近三十年来,在湖相重力流的沉积特征、主控因素及沉积模式等方面均取得了丰硕成果。然而,由于陆相沉积盆地构造复杂、重力流类型发育多样,湖相重力流分类研究仍存在欠缺。本文通过系统梳理重力流发展历程与研究热点,总结了一套基于沉积成因和主控因素的湖相重力流沉积分类方案,并将湖相重力流的研究热点概括为以下3个方面:1)重力流主控因素研究:不同类型盆地的湖相重力流沉积特征和沉积模式差异性明显,主要受盆内因素和盆外因素控制,盆内因素主要包括盆地类型(如地形坡度)、沉降速率、水体密度等,盆外因素主要包括沉积物的成分和来源。2)“源-汇”系统下的重力流砂体分布:湖相重力流的形成演化和砂体分布样式通常受控于“源-渠-汇”系统,该系统能够将盆内因素与盆外因素很好地联系起来。3)湖相重力流分类:陆相湖盆相较海相盆地具有规模较小、水体较浅、构造活动强烈等特点,导致重力流沉积的控制因素与沉积特征多样、分类复杂。基于不同研究目的,可按沉积成因、发育位置或物源供给进行分类,但湖相重力流的分类方案尚未统一。本文综合考虑重力流成因机制与主控因素,将湖相重力流分为3大类7亚类,具体包括洪水型(缓坡富砂型、缓坡砂泥混合型、缓坡富泥型、陡坡富砂型、陡坡砂泥混合型)、滑塌型(挠曲滑塌型、断控滑塌型)以及洪水-滑塌共存型。目前,湖相重力流的研究成果已十分丰富,但在流体、流态转化和深水水道成因机制上仍存在很大进步空间,综合动力学和沉积学交叉领域探究湖相重力流的形成演化与成因机理研究已成为当前的研究热点和发展趋势。

四川地区流动重力观测及其在地震预测中的应用

通过回顾四川地区测网变迁和震例总结,客观阐述四川流动重力观测的发展历程及其在地震趋势判定中的应用效能。结果表明,利用流动重力资料观测到高梯度带、四象限分布、零值线拐弯等重力场时变异常信号,对川滇菱形块体内部及边界带发生的汶川地震、芦山地震、九寨沟地震、泸定地震等地震进行了准确的中期预测,尤其在强震地点判定上预测效果较好,准确率达60%。

基于BP神经网络的重力仪高机动状态快速调平修正技术

针对平台式重力仪大机动状态后测量能力恢复慢的问题,提出一种基于BP神经网络的重力仪稳定平台快速调平修正技术。首先,针对动态重力测量在测量平台大机动状态后调平能力不足的问题,研究了基于BP神经网络的平台姿态高效、准确解算方法;其次,利用惯性元件和卫星导航系统(GNSS)的信息优化BP神经网络,形成不同条件的平台姿态提取优化模型;最后,利用模拟仿真实验和实际机载动态重力测量数据验证所提方法的有效性和准确性。实验结果表明在大机动的动态条件下采用所提方法可以扶正重力仪稳定平台,将机动后重力仪稳定平台稳定时间缩短83.3%以上,提升动态重力测量效率。

模拟微重力条件下淫羊藿苷通过LncBGSF/miR-194-3p/OGN轴促进骨形成和成骨细胞分化的实验研究

目的探讨淫羊藿苷(ICA)对模拟微重力诱导的骨代谢异常和成骨细胞分化功能障碍的保护作用机制。方法细胞旋转培养系统和小鼠后肢卸载方法模拟细胞与动物层面的微重力环境,并观察ICA的骨保护作用。RNA测序联合生物信息学分析筛选目标Lnc RNA;核质分离技术及FISH确定目标Lnc RNA的亚细胞定位;loss-and gain-实验以及荧光素酶报告验证其与mi R-194-3p靶向关系;之后在动物层面验证Lnc BGSF-mi R-194-3p/OGN轴调控模拟微重力诱导的骨丢失和成骨细胞分化功能障碍的作用机制;最后探讨ICA通过调控Lnc BGSF/mi R-194-3p/OGN轴在模拟微重力环境下发挥骨保护的作用机制。结果模拟微重力环境下,骨组织代谢以及成骨细胞分化功能均受到不同程度的抑制,ICA治疗后表现出骨保护作用;NONMMUT085049.1(课题组命名为Lnc BGSF)是骨正相关Lnc RNA,主要位于细胞质,其表达与微重力暴露时间呈依赖性下调,且作为mi R-194-3p的分子海绵,调控OGN的表达;此外,ICA可以促进Lnc BGSF表达且使其核质发生改变,进而调控OGN的表达水平。结论模拟微重力环境下,ICA可能通过Lnc BGSF/miR-194-3p/OGN轴调控骨代谢和成骨细胞分化进程。

基于冷原子干涉原理的机载绝对重力测量

重力场测量在地质勘查、灾害预报、测绘与导航等领域均具有重要的意义,其中,航空重力测量因全地域、快速、成本低等优势而被广泛应用[1-8]。目前,航空重力测量所采用的仪器均属于相对式重力仪[4,6-7],而冷原子航空绝对重力仪具有无漂移、高精度等优势[9-11],因此成为未来航空重力测量的重要发展方向,受到国际资源勘查与自主导航领域的高度关注。在国际上,目前只有法国实现了基于冷原子干涉的机载重力测量实验验证,国内尚未有相关实验研究报道[12-17]。

六自由度机器人重力误差识别与补偿方法

为了提高六自由度关节机器人末端执行器的位置精度,文章基于自主设计研发的六自由度关节机器人进行重力误差识别和补偿方法研究。首先,基于D-H法建立机器人各关节转角与末端位置坐标的关系模型,提出采用Levenberg-Marquardt进行主要关节实际扭转刚度的计算方法;其次,基于有限元分析软件,进行不同位姿下机器人在重力场作用下的静力学分析,建立机器人位姿参数为输入、末端变形为输出的BP神经元网络模型,以实现机器人不同位姿下连杆弯曲变形导致的末端位置误差的在线预测;最后,基于自主设计的专用测头进行机器人末端位置误差补偿实验。实验数据表明,补偿后的定位精度比补偿前在X和Z方向分别提高了93.6%和92.2%。

在重力场中的热力学基本方程及应用

通过引入组分B的摩尔重力势能,导出了在重力场中多组分系统的热力学基本方程。定义了重力化学势,据此判断变化的方向和限度。最后列举了重力化学势判据的应用实例:理想气体压力随高度分布公式,溶胶粒子在介质中沉降平衡公式。

关于水准测量高差重力异常改正方法的探讨

为了实现在没有条件实测重力和检索布格重力异常数据库的地区进行水准测量高差的重力异常改正,满足水准测量闭合差的限差要求,本文利用多种重力场模型计算的空间重力异常和不同插值方法得到的布格重力异常,对某隧道水准测量高差进行重力异常改正。根据误差传播定律计算重力异常中误差,分析三种不同正常重力平均值的计算公式对水准测量闭合差的影响。实例计算结果表明,在所有外业限差满足要求,但水准测量闭合差仍然超限的情况下,通过利用重力场模型和布格重力异常计算的重力异常改正对高差测量值进行改正后,两种方法均能使闭合差满足限差要求,部分布格重力异常插值方法优于重力场模型。同时验证三种重力异常改正的近似公式对结果影响并不大,可基于实际情况采用不同的公式进行计算。以上结论可为地形起伏较大地区的水准测量重力异常改正计算提供参考。

EGM2008模型计算重力扰动位及相关量的方法研究

地球重力场模型EGM2008提供了计算全球高分辨率和高精度重力场相关参量的可能。本文采用球谐综合的方法,对重力扰动位、重力异常、大地水准面高等物理量的计算步骤和方法进行了研究和分析,并编制了相应的计算程序基于EGM2008无潮模型和零潮模型对以上参量进行了计算,同NGA发布的计算程序计算的结果进行了比对,验证了计算的方法正确性和可靠性。

基于Ka/Ku波段测高及船载重力数据的全球海洋重力异常模型构建研究

海洋重力数据在海洋大地测量学、地球物理学、物理海洋、航空航天及军事应用等诸多领域都有重要的意义。随着卫星测量技术的发展,卫星测高已成为反演海洋重力最主要的数据来源。随着测高数据的不断获取,急需对不同类型的测高数据进行最优融合。近海海域中波形数据由于受到陆地影响,一定程度上降低了测高数据的精度。另外,海底地形变化剧烈的海域对应的大地水准面变化剧烈,也影响了重力反演的精度。因此,论文主要就测高数据精度分析、测高数据精细化处理、不同频率测高数据融合、重力异常最优反演方法及重力异常模型精化等方面展开系统地研究,最终建立全球高精度高分辨率的海洋重力异常模型。论文的主要研究内容和成果如下。

铁轨重力储能系统关键影响因素及其与风电场的耦合研究

大规模储能技术对于可再生能源的发展及电网稳定运行具有重要意义。铁轨重力储能(rail gravity energy storage,RGES)技术可灵活调度载重机车进行储/释能,有效解决风电场大幅度功率波动问题,在长时大规模储能应用技术中前景广阔。本文开展了RGES系统关键影响因素及其与风电场耦合调度的研究,基于MATLAB软件搭建了RGES系统模型及其与风电场的耦合系统模型,研究了储/释能过程中关键参数对RGES系统的影响规律,并且以减少风电场的弃风率为目的,选取了四个季节的典型日,详细研究了耦合系统的运行特性及RGES系统的配置方案。结果表明,储/释能功率随载重质量增加而增大,随匀速阶段的上/下坡速度增加而增大;储/释能效率及系统效率随载重质量的变化极小,随上/下坡速度增大而减小;RGES系统与风电场耦合运行时,可根据功率需求灵活配置各时段的载重车辆数及上/下坡速度进行储/释能,并可在四个季节典型日的用电高峰期分别实现22 MW、16 MW、27 MW、29 MW的恒定功率并网,且风电利用率平均增长17.1%。

连续重力观测潮汐与非潮汐信号提取与处理平台设计与实现

介绍了连续重力观测潮汐与非潮汐信号提取与处理平台的平台架构、数据库、主要功能模块、技术特点与功能特性等。该平台面向中国地震重力站网的大网运维业务需求和海量数据处理需求,以连续重力数据处理中的潮汐信号处理、非潮汐信号处理、时频变换等科学计算为核心,基于大数据技术实现了中国地震重力站网海量数据的自动清理、数据质量自动评估、数据产品自动产出,产出重力潮汐因子、时频图等24种数据产品,提升了连续重力观测数据的应用效能和地震重力站网的运行、管理和服务水平。