用非线性磁场梯度方法对空间磁结构模型的重构研究

空间等离子体中的各种磁结构的形成是空间物理过程发展的产物,理解磁结构的拓扑形态对于认识空间物理过程有着重要作用.由于磁结构的三维(Three-dimensional, 3D)图像无法直接被观测到,因此通过卫星的局地观测来重建磁结构就成为一种很重要的研究途径.迄今已发展出多种空间磁结构的重构方法,其中“非线性磁场梯度”(Nonlinear Magnetic Gradients, NMG)方法(Shen et al., 2021)能够完备地利用四颗卫星星座的磁场与电流的局地观测和物理原理来计算星座质心处磁场的一阶梯度和二阶梯度以重构出星座附近磁场的近似形态.本文采用NMG方法重构了四种与磁层磁重联相关的动理学尺度磁结构模型:(i)一维(One-dimensional, 1D)Harris电流片与地球偶极磁场的叠加,星座质心位于赤道面X=-20R_E(地球半径)和Y=0;(ii) X线重联模型,星座质心位于X点(r=0);(iii)离子尺度轴对称的磁通量绳模型,星座质心位于通量绳轴线上;(iv) 3D分形线(separator)重联模型,星座质心位于正、负零点连线的中心.本工作重点对重构结果进行细致的误差分析及检验.结果表明,在距离星座质心显著大于10倍卫星平均间距空间范围内,用NMG方法获得的这四种磁场拓扑形态均与模型磁场相符.进而,对于前三个不存在磁零点的磁结构,NMG方法可以近似重现星座周边~10倍卫星平均间距空间范围内磁场模型的数值和方向,重构结果与模型磁场基本一致.对于存在两个磁零点的分形线重联模型,在接近与两个磁零点扇形(fan)面平行的方向上,NMG方法可以近似重现星座周边~5倍卫星平均间距空间范围内的磁场,在其他方向上NMG方法仍可以近似重现星座周边~10倍卫星平均间距范围内的磁场.由此可见,NMG方法为重构空间磁结构提供了一种有效的途径.但是必须注意,对于有磁零点的磁结构,扇形面的存在,会导致重构精度降低.

非洲Okavango裂谷及邻区三维剪切波速度与径向各向异性结构研究

非洲Okavango裂谷是东非裂谷系最年轻且仍处于发育初期阶段的裂谷,研究其地下结构及变形特征有助于深入了解东非裂谷系裂解初期结构构造特征,并进一步完善对裂谷系裂解动力学机制的认识.本文收集Okavango裂谷区域内41个宽频地震台站的连续波形数据,采用背景噪声技术获取Rayleigh和Love波相速度频散数据,进一步通过直接成像技术获得研究区地下50 km深度范围内的三维剪切波速度和径向各向异性结构.剪切波速度和径向各向异性结果显示,Okavango裂谷的中地壳具有低速和负径向各向异性(V_(SH)V_(SV))的特征,结合前人资料,本文认为Okavango裂谷的发育可能是在先存构造薄弱带上由板内相对运动所提供的水平方向构造应力诱发的.此外,我们的结果还显示,在邻区Zimbabwe克拉通西南部,中、下地壳呈现出负径向各向异性,这一观测支持Okavango岩墙群侵入地壳导致该区域地壳增厚的认识.

中国大陆的强震与火山相互作用

强震活动和火山喷发都是地球内部圈层能量交换的显著表现.新近观测研究表明:强震与火山活动存在密切的相互作用,但人类对强震与火山的孕育环境和发生过程了解还十分有限,对火山内部岩浆系统的认识还远远达不到预测强震触发火山喷发或岩浆扰动及火山流体引发强震活动的需求.中国大陆的长白山和腾冲火山区存在强震-火山相互作用的迹象,腾冲这一潜在的强震和火山活动危险区是开展强震-火山相互作用研究的理想场所.立足于中国地震科学实验场的跨学科基础观测设施和相关科研项目,有望在腾冲火山区取得强震-火山关联性研究的新突破,为有效预防强震和火山灾害及热能开发提供科技支撑.

频率域声波方程仿射25点格式高精度数值模拟

构造一个高效的有限差分算子在提升频率域有限差分正演模拟的计算效率方面具有重要意义.旋转坐标系法以其良好的几何特性被广泛用于各种数值格式的构造.前人开发的广义双9点格式具有较高的数值精度且适用于任意矩形网格采样.仿射坐标系作为一种广义的坐标系统,以其不限制坐标轴彼此正交的特性而受到关注.在本研究中,我们基于仿射变换对广义双9点格式进行了深入分析,发现其并不严格遵循旋转坐标系方法.因为其在非均匀网格间隔和低波数下具有零阶截断精度.此外,考虑到广义双9点格式对有限差分模板利用不充分,我们基于仿射变换提出了一个具有更高精度的仿射25点格式.在相等或不等网格间距的情况下,仿射25点格式在低波数时都严格收敛.在高波数时,为限制相速度误差在1%以内,仿射25点格式仅需每最小波长的网格点数不多于2.2个.数值算例证明了仿射25点格式的准确性和优越性.

极低频数据中的Pc1地磁脉动自动识别

极低频电磁台网成功观测到大量的Pc1地磁脉动事件,研究极低频Pc1地磁脉动的自动识别方法对于全面分析地球空间电磁物理环境具有重要意义.本文采用了YOLOv8目标检测网络、ResNet残差网络和定向特征增强技术,提出了一种基于计算机视觉的Pc1地磁脉动自动识别模型(Automatic Detection Model for Pc1 Geomagnetic Pulsation,简称ADM-Pc1).以大连台站和丽江台站的极低频观测数据为例,利用2015—2016年的数据作为训练集进行模型的监督学习,并使用2017—2022年的数据作为测试集对模型性能进行评估.实验结果显示,ADM-Pc1模型的F1-Score值达到了95%,错分率仅为0.9%,虚警率仅为5.8%,漏检率仅为9%,处理1天数据平均耗时是2.72 s,显著优于现有的最优识别模型.这表明,ADM-Pc1模型在识别效果和计算速度方面均能更好地满足实际工程需求.

基于注意力机制U-Net的复杂地表地震初至拾取方法

地震数据的初至拾取是近地表初至波反演、静校正等工作的基础,是后续地震数据处理中不可或缺的一部分.随着地震数据量的不断增加,近地表条件更为复杂,信噪比越来越低,传统的自动拾取方法逐渐无法满足海量的拾取任务,需要大量的人工校正工作.因此需要一种更为精确的地震数据自动初至拾取方法.本文的贡献主要有以下几点.本文提出将一个注意力机制的U-Net网络应用于信噪比低、强近地表干扰的地区的初至拾取方法.首先将注意力门结构加入到一个标准的U-Net模型中,逐步抑制不相关的背景部分特征,提升拾取的准确性.其次本文提出使用地震波形数据与能量表象(Energy Semblance,ES)作为双通道数据体,可以使U-Net不仅关注相位信息,而且关注到初至的能量属性.此外,我们使用单通道的"0-1"标签作为网络的输出,可以大大缓解标签值分布不均衡的问题,提升预测精度.最后我们提出构建复杂近地表特征的合成数据集,包含复杂初至特征及复杂非均匀噪声的样本,验证方法的鲁棒性,并证明Dice-loss函数可以提升拾取精度.本文提出的方法对于强噪声干扰、缺道坏道及复杂近地表情况均有良好的适应性.

植硅体分析揭示成都平原先秦农业发展及其环境背景分析——以宝墩和三星村遗址为例

长期以来,由于受到考古样品保存和研究方法的限制,成都平原先秦农业结构变化、人类生业方式、农业发展与微环境的关系等研究尚不够完善。本文对成都平原的新津宝墩遗址和青白江三星村遗址约4500 cal.a B.P.以来的文化层沉积物进行了农作物植硅体分析,结果表明宝墩文化(4500~3700 a B.P.)以利用水稻(Oryza sativa)为主体(约84%),仅有少量粟(Setaria italica)、黍(Panicum miliaceum)出现(约16%);宝墩文化晚期(约4000~3700 a B.P.)水稻植硅体浓度到达峰值(303160粒/g)后有所下降,粟、黍基本消失;到三星堆文化早期(3700~3400 a B.P.)水稻浓度仍保持下降趋势,粟、黍仍未出现,揭示了以宝墩文化为代表的成都平原新石器文化是以水稻为主,兼有少量粟、黍的稻-旱兼作农业结构,这一结构至少持续至三星堆文化早期。宝墩遗址中水稻驯化程度自文化层底部开始,整体呈逐渐上升趋势,推测与成都平原农业活动不断加强,遗址区域水资源增加有一定关系。上述发现,不仅为理解成都平原新石器时代农业发展进程提供了新的参考资料,同时也为我国稻旱兼作农业的研究提供了新证据。