• ISSN 2096-8957
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《世界地震译丛》编辑部

2019年5月31日

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多种面波层析成像方法及其在青藏高原的应用与对比
李伦, 蔡晨, 付媛媛, 方洪健
当前状态:  doi: 10.19975/j.dqyxx.2022-019
摘要(100) HTML全文(19) PDF 5840KB(41)
摘要:
面波层析成像是一种广泛应用的获取地壳与上地幔地震波速度与各向异性结构的地球物理方法. 本论文综述了面波层析成像方法的简要历史,阐述了多种常用的面波层析成像方法(双台法、双平面波法、程函方程法、Helmholtz方程法、背景噪声成像法与直接面波层析成像法)的基本原理及其优缺点. 双台法的理论与实际使用简单,但该方法要求震源与两个台站需近似位于同一大圆弧路径,在台站较少且记录时间较短的区域,获取的相速度水平分辨率偏低. 双平面波法能一定程度克服地震波多路径传播与散射对频散的影响,但其对面波波形数据要求较为严格,且通常适用于区域地震台网. 程函方程法和Helmholtz方程法可直接从地震记录同时获取相速度与方位各向异性,计算方便快速,无需经过正演与反演过程,但这两种方法要求台站分布密度要高,不适用于台站间距大且分布稀疏的区域. 与程函方程法相比,Helmholtz方程法不仅考虑了波形的相位,还利用了其振幅,能获取更准确的相速度与方位各向异性信息. 背景噪声成像法的优点是无需震源就可获取高分辨率地壳尺度的成像结果,但通常缺乏长周期面波的信息,难以约束岩石圈深部与软流圈结构. 直接面波层析成像法能直接从台站间的面波频散数据通过反演获取三维剪切波(S波)速度结构与方位各向异性信息,省去了反演相速度图的中间步骤. 此外,我们对比了多种方法在青藏高原获取的相速度结果. 结果表明,多种面波层析成像方法获取的同一周期相速度结果高度吻合,主要特征表现在:在中长周期的相速度图中,青藏高原内部主要以低速为主,而周缘区域(如,柴达木盆地、四川盆地等)以相对高速为主,这表明青藏高原中下地壳与上地幔的流变强度均比其周缘区域要弱,青藏高原的岩石圈变形受控于周缘块体的阻挡. 在青藏高原东南缘,短中周期(20~40 s)的相速度图像指示受强度较大的川滇地块阻挡,青藏高原中下地壳物质以地壳流的方式沿地壳薄弱带(即红河断裂带与鲜水河断裂带)向南挤出逃逸. 此外,祁连山在短中周期(20~40 s)的相速度图中都表现为低速特征,可能与局部地幔物质上涌造成地壳的高温度异常有关. 地震面波层析成像方法(双台法、双平面波法、程函方程法、Helmholtz方程法)与背景噪声层析成像法结合可获取短长周期范围(如,4~200 s)的瑞利波与勒夫波相速度,用于同时构建壳幔速度与各向异性结构. 本文还提出开展地震高阶面波、伴随成像与联合反演等方法综合研究可望获取精度更高与更为可靠的壳幔结构.
喉区极光模型再考
韩德胜, 邱荟璇, 石润
当前状态:  doi: 10.19975/j.dqyxx.2022-036
摘要(11) HTML全文(19) PDF 3665KB(8)
摘要:
太阳风—磁层—电离层耦合是一个在太阳风驱动之下包含磁鞘区缓冲、磁层—电离层响应并反馈的系统性过程. 以往观测研究主要侧重于分析太阳风驱动作用,磁鞘区贡献及磁层、电离层反馈作用的研究明显不足. 在磁正午附近分立极光与弥散极光分别对应发生在磁层外部和磁层内部的过程. 喉区极光是一种只发生在磁正午附近的特殊分立极光结构,它的走向大体沿对流方向分布,并且与沿对流分布的条带状弥散极光密切相关,这表明它的产生可能会受磁层内部因素影响. 同时,它的发生率与径向行星际磁场相关,表明它的产生也会受到磁层外部因素影响. 此外,系列观测还表明喉区极光对应磁层顶上的凹陷结构,并伴随明显的磁层顶重联特征. 为了系统性解释上述所有观测结果,本文对前期提出的一个喉区极光概念模型进行了修正. 修正新模型认为电离层反馈影响磁层顶重联是产生磁层顶凹陷的关键,而径向行星际磁场条件下在磁鞘中产生的高速流在产生磁层顶凹陷过程中可能只起促进重联发生的作用. 模型综合考虑了磁层内、外因素对太阳风—磁层—电离层耦合过程的影响,可能会为全面理解该过程提供一个新的思路.
地震Lg波衰减成像方法、算法、数据处理流程及应用
赵连锋, 谢小碧, 何熹, 沈琳, 张蕾, 姚振兴
当前状态:  doi: 10.19975/j.dqyxx.2022-024
摘要(6) HTML全文(3) PDF 19805KB(2)
摘要:
随着现代地震观测系统的快速发展,地震信号能够在更宽的频带、更大的动态范围和更高的空间密度以数字形式被准确地记录下来,由此提供了利用大量高质量地震数据获取地下介质品质因子Q值精细分布的可能性. 地震Lg波是区域地震记录中最显著的震相之一,因其主要在地壳内以导波形式传播或能量集中在壳内的高阶面波的叠加,所以常常被用来研究地壳的衰减属性. 本文对利用Lg波进行地壳衰减测量的理论和实践进行了系统回顾,对相关的反演方法进行了介绍,同时也对与此有关的大量实际问题有所述及,例如区域地震资料收集、震相分离、噪声分析和数据质量控制,振幅谱计算、去噪处理等. 进一步介绍了衰减成像结果在研究地质学、地球物理学和地球动力学方面的应用. 以中国台湾及周边地区的地震数据处理为例,介绍了地壳Lg波成像的具体流程. 根据416个区域地震事件在86个宽频带地震台站的8650条垂直分量波形记录,建立了台湾岛及周边宽频带、高分辨率的地壳Lg波Q值模型,模型频率范围为0.05~10.0 Hz. 在数据覆盖较好的地区,分辨率可达0.25º×0.25º. 模型揭示出该区地壳Lg波Q值横向变化显著,以岛内高Q值、周边低Q值为主要特征. 低Q异常主要出现在台湾东北部南日岛盆地、东南部台南盆地、台湾东部菲律宾板块俯冲带以及欧亚板块的碰撞带、花东海盆、琉球弧和冲绳海槽等区域. 这些强衰减区与板块碰撞引起的强烈构造活动有关.
震形图APP:一种基于Android系统的地震形变模拟应用程序
倪瑞胜, 许文斌
当前状态:  doi: 10.19975/j.dqyxx.2022-037
摘要(10) HTML全文(6) PDF 5264KB(3)
摘要:
若能在短时间内了解发震区域的地表变形程度,对及时评估受灾程度、配合抗震救灾工作的开展具有重要意义. 空间大地测量技术具有监测精度高、空间分辨率高等优势,已广泛应用在地震形变监测相关领域. 通过处理InSAR数据得到的地震同震形变图能够直观地展现地震产生的地表形变、为判断发震区域受灾情况提供参考. 但是现实中,由于数据的获取存在滞后性,往往无法在地震发生后短时间内提供同震形变数据. 本文利用近实时USGS NEIC的震源机制解、地震弹性位错模型和地震经验公式,基于Java和Python语言开发了一种基于Android智能手机的地震形变模拟应用程序(简称:震形图APP,下载链接:https://wenbin16.github.io/js/Codefmap.apk). 该程序具有全球地震目录查询、主动获取USGS NEIC震源参数、显示震中位置、自动计算同震形变的功能,对于重要地震事件能够在一天内给出形变模拟结果,尤其适用于隐伏型震级较大的地震,可在一定程度上为判定潜在危险区域和早期抗震救灾提供参考依据.
地球磁层中合声波的扫频机制研究
滕尚纯, 陶鑫
当前状态:  doi: 10.19975/j.dqyxx.2022-032
摘要(9) HTML全文(6) PDF 5767KB(0)
摘要:
哨声模合声波是地球磁层中常见且重要的电磁波动,其扫频结构的激发机制经过了近几十年的研究取得了重要进展. 本文以合声波扫频结构激发模型的发展为脉络,结合卫星观测和数值模拟方法,讨论波动扫频结构的激发条件,扫频激发过程中的非线性波粒相互作用,以及历史上两类主流的合声波激发模型. 其中一种模型的扫频率正比于背景磁场不均匀度,与地球磁层中的观测吻合较好,但无法解释均匀磁场下的扫频;另一种正比于波动振幅,可以被自洽的粒子模拟所验证,但两种扫频率的形式迥异. 本文将重点回顾最新提出的命名为“TaRA”(Trap-Release-Amplify)的理论模型. 该模型根据波动传播方向,将空间中赤道附近区域(即波动源区)分为上下游. 这两个区域在波动激发过程中扮演着不同的角色. 在下游区域,非线性波粒相互作用形成了相干的电子相空间结构;而在上游区域,当满足相位锁定条件时,为使得波动和粒子能量传输达到最大化,电子会选择性放大新的波动,造成波动扫频结构的形成. 本文还将比较TaRA模型与过去两类主流模型的异同. 合声波扫频机制的研究不仅可以解释与合声波精细结构有关的特征,加深理解波粒相互作用的非线性过程,还可以用于解释其他相关现象,如均匀磁场中合声波的扫频结构、地球磁层中电磁离子回旋波的扫频结构,以及存在于其它行星上的相关波动的扫频结构.
地震体波速度与各向异性层析成像研究进展
黄周传
当前状态:  doi: 10.19975/j.dqyxx.2022-018
摘要(42) HTML全文(24) PDF 7677KB(33)
摘要:
地震层析成像被称为地球CT,是利用地震观测资料反演获得地球深部的结构. 利用体波走时反演速度结构是最稳定、最重要的层析成像方法,成功地揭示了地球的深部结构,推动了地球科学的发展. 近年来,随着地震数据的快速积累与计算机能力的大幅度提升,地震体波成像的理论与应用均取得了显著的进步,在揭示地球内部的物质循环与动力学、大地震的孕震与发震构造等领域均发挥了重要的作用. 本文总结了21世纪以来地震体波成像的新方法和取得的重要进展,特别详细描述了各向异性层析成像的原理和方法. 结合东亚、东南亚地区的研究,本文总结了地震层析成像在揭示俯冲板片的形态、结构的应用,发现东亚地区俯冲太平洋板片大规模滞留在地幔转换带中,但在东南亚大量的俯冲印度—澳大利亚板片直接穿过转换带进入下地幔;地震波各向异性进一步约束了俯冲板片及其上覆地幔的变形特征,东亚地区存在强烈的大地幔楔对流,东南亚的上地幔对流相对复杂,并可能受到青藏高原演化的影响. 在大地震构造区,地震层析成像揭示了明显的速度和结构异常,陆内大地震的震源附近常常发现低速异常,可能指示了流体对大地震的重要影响;在板块边界,发生在俯冲带逆冲断层面的板间大地震与高速异常的分布密切相关,各向异性反映了断层面的应力状态,可以用来研究逆冲断层面的地震构造. 最后,本文探讨了地震体波层析成像存在的问题,展望了该方法如何在地球内部结构演化与动力学领域进一步发挥更大、更重要的作用.
系外行星的大气环流
连雨辰, 胡永云
当前状态:  doi: 10.19975/j.dqyxx.2022-027
摘要(18) HTML全文(11) PDF 9770KB(7)
摘要:
迄今为止,已有五千多颗太阳系外行星和两千多颗褐矮星被确认,它们展现出了丰富的多样性. 伴随着愈来愈多系外行星的发现,关于系外行星大气的观测和理论研究均在迅速发展. 本文将回顾近几十年来系外行星和褐矮星探测的主要进展,依序介绍系外行星中的热木星、具有大气层的类地行星,以及孤立并快速旋转的褐矮星大气环流的基本特征,这些大气环流特征是未来系外行星探测的基础. 然后,将介绍基于观测建立的大气模式对这些系外行星和褐矮星大气演化和动力学特征的模拟结果,包括大气的垂直温度分布、层结的稳定性、辐射传输、大气成分等. 热木星受到强烈辐射且被潮汐锁定,环流模式预测其具有大的昼夜温差和赤道地区向东的急流. 温木星通常不会被潮汐锁定,展现出广泛的自转率倾角和轨道偏心率,导致环流模式与热木星相比有很大不同. 潮汐锁定的类地行星具有类似热木星的大气环流模式,但可能存在的海洋以及各种化学过程会深刻改变类地行星的气候,在这一部分本文还将讨论系外行星研究的最终目标——寻找宜居行星. 褐矮星作为行星和恒星之间的过渡状态,通常是缺乏外部辐射并快速旋转的星体,内部具有剧烈的对流,大气表现出云层和温度的不均匀性. 最后,我们将对系外行星和褐矮星大气这一前沿科学领域未来所面临的关键问题和挑战给出展望.
沉积层结构被动源探测方法及其在典型盆地的应用
张瑞青, 况春利, 张笑晗, 李永华
当前状态:  doi: 10.19975/j.dqyxx.2021-063
摘要(21) HTML全文(15) PDF 5253KB(14)
摘要:
准确的沉积层结构,对盆地地区油气资源勘探和矿场资源调查、地震动场地效应评估和壳幔深部结构成像研究等具有重要意义. 近二十年来,随着地震观测技术的进步和大量流动台阵数据的积累,利用被动源资料探测沉积层结构的地震学方法研究取得了长足的发展. 本文对这些主要方法进行了归纳总结,阐述了基本原理及相关进展. 其中,基于远震体波数据的研究方法主要有:接收函数和转换函数、波场反延拓的H-β方法、以及P波质点运动分析等. 基于近场体波资料约束沉积层结构通常采用的是高频波形拟合方法. 此外,还简要介绍了谱比法、背景噪声面波成像和Rayleigh波Z/H幅度比,以及多种方法的联合反演. 最后,对我国东部典型盆地地区,如松辽盆地和华北盆地下方沉积层结构已取得的研究进展进行了总结.
地球磁鞘:结构、波动与湍流
黄狮勇
当前状态:  doi: 10.19975/j.dqyxx.2022-014
摘要(46) HTML全文(30) PDF 4144KB(30)
摘要:
地球磁鞘是位于弓激波和磁层顶之间的过渡区域. 磁鞘作为太阳风和地球磁层直接作用的区域,其间发生的物理过程对磁层有着直接的影响,因此磁鞘的研究对于理解磁层动力学过程以及空间天气等具有重要的意义. 地球磁鞘是研究等离子体动力学的天然实验室,在磁鞘中存在着多种多样的结构和波动现象;同时,磁鞘等离子体的湍动特性也为研究等离子体湍流提供了良好的条件. 近年来,得益于Cluster和MMS等卫星的高精度等离子体和电磁场数据,磁鞘中的一些等离子体动力学过程得到了深入的研究. 本文主要回顾近年来国内学者利用Cluster和MMS卫星数据在研究地球磁鞘的结构、波动和湍流方面取得的最新进展,同时也提出了一些尚未解决的问题和未来可能研究的方向.
浅地表面波成像技术研究进展与展望
汪利民, 夏江海, 罗银河, 卞爱飞
当前状态:  doi: 10.19975/j.dqyxx.2022-008
摘要(104) HTML全文(74) PDF 3084KB(67)
摘要:
基于主动源和被动源的面波成像技术近年来发展迅速,已在全球和区域尺度的地球内部圈层精细结构成像、油气田勘探与开发、浅地表地质调查、工程质量超声检测、环境污染治理成效监测等领域开展了广泛的应用研究. 关于面波成像技术的研究成果,涉及到了从理论到应用的众多方面. 本文简要回顾了主要基于瑞利波和勒夫波的浅地表面波成像技术的发展历程,较为详细地调研并综述了高阶模式面波的应用、多道面波波形反演、被动源面波成像、多分量面波成像等技术的研究进展. 并简要分析了其他关于面波信号采集与处理技术的研究情况,如基于高速铁路噪声信号的高铁地震学和基于光信号在光纤内部后向瑞利散射原理的分布式光纤声波传感技术. 最后对浅地表面波成像技术的发展前景进行了简要地展望.
基于时序InSAR分析的高精度同震形变监测方法
吴雄骁, 冯光财, 贺礼家, 卢昊
当前状态:  doi: 10.19975/j.dqyxx.2022-023
摘要(24) HTML全文(6) PDF 8705KB(8)
摘要:
合成孔径雷达干涉测量(InSAR)技术凭借全天时、全天候对地监测、高空间分辨率等特点,成为监测地表形变的重要手段,并广泛地应用到地震形变监测领域. 然而同震形变监测中最常用的D-InSAR技术在水域和植被覆盖严重等区域中容易受到时空失相关的影响,导致获取的同震形变场会受到严重的污染,此外还包含有大气延迟误差. 本文提出基于时序InSAR分析的高精度同震形变监测方法获取地震同震形变结果,主要是通过选择合适的干涉对和选择稳定点两步来提高形变场精度. 凭借充足的Sentinel-1A/B卫星SAR数据的支撑,利用大量震前和震后影像生成众多干涉图,按照一定标准挑选受误差影响较小的干涉图进行研究,减少大气延迟误差造成的影响;同时对震前影像的幅度图进行统计分析,从幅度值、相干性和幅度离散指数等方面设置阈值选择稳定点目标,削弱噪声干扰,提高形变场精度. 本文以2018年中国台湾花莲MW6.4地震为例,详细地介绍了高精度同震形变监测方法的数据处理流程,并与传统D-InSAR方法的结果进行了精度比较,结果表明本文方法能削弱形变场中的噪声误差,提高同震形变的信噪比. 应用本文方法获取了14个不同震级和位置的地震形变,结果表明通过选择稳定点的方式能提高形变场精度,且对于获取不同地震的同震形变场具有普遍适用性.
太阳爆发活动三维复杂磁结构研究
江朝伟
当前状态:  doi: 10.19975/j.dqyxx.2022-022
摘要(26) HTML全文(14) PDF 11443KB(8)
摘要:
剧烈的太阳爆发活动,如耀斑和日冕物质抛射等,是地球与行星空间天气变化的主要驱动源. 因此理解太阳爆发机理、进而预测太阳爆发是实现空间天气准确定量预报的重要前提. 太阳爆发的根源在于日冕磁场的复杂结构和演化. 研究太阳爆发活动相关的日冕磁场,关键在于获得日冕三维磁场的数据,从而基于磁场进行深入分析. 由于太阳日冕磁场难以直接测量,人们主要基于光球磁图,采用一定的物理模型,并通过数值方法来求解,从而对三维日冕磁场进行静态重建和动态模拟. 近年来人们在太阳爆发三维复杂磁结构研究方面取得一系列重要进展,包括发展新的日冕磁场外推方法、开发由时序矢量磁图数据驱动的磁流体日冕演化模式,这些新方法在刻画日冕复杂磁场形成与演化、揭示爆发物理机制方面发挥了巨大的优势:例如能够完整追溯日冕磁通量绳的产生历程、分析光球运动对其形成的具体作用、诊断其不稳定性,并真实再现其爆发的三维磁场演化. 通过结合观测和模拟对磁拓扑和演化的深入分析,显著拓展了我们对日冕三维磁场复杂性的认识,并将不断刷新我们对太阳爆发机制的理解.
大地震破裂过程反演中的灵活性需求:现状及探讨
岳汉
当前状态:  doi: 10.19975/j.dqyxx.2021-054
摘要(95) HTML全文(49) PDF 2432KB(54)
摘要:
对于大地震破裂过程的反演是震源研究的重要问题,也是震源物理研究的基础. 虽然大地测量、地震精定位等方法和数据的引进为大陆内部地震破裂过程的精细研究提供了重要依据,但对于大洋底部、俯冲带等区域的地震复杂破裂过程依然需要灵活度高的方法来获得多样的断层几何结构,并支持破裂过程反演. 本文集中讨论震源研究中的一类灵活度高的方法:多点源模型反演. 并结合震源反投影、有限断层模型等方法,分析这些方法在大地震破裂过程反演中的优势互补,提出反投影→多点源→有限断层模型串行的思路. 通过上游方法的稳定性获得下游算法的先验约束,最终获得具有高灵活性、高时效性以及高精度的串行反演策略.
地核的热输运性质与地核对流的驱动机制
张友君
当前状态:  doi: 10.19975/j.dqyxx.2022-035
摘要(21) HTML全文(6) PDF 407KB(8)
摘要:
地球环电流动力学过程研究
庄雁, 乐超
当前状态:  doi: 10.19975/j.dqyxx.2022-021
摘要(48) HTML全文(76) PDF 1404KB(17)
摘要:
地球环电流主要分布在赤道附近约2~7 个地球半径的区域,是地球磁层最重要的电流系统之一. 高能离子(~1 keV 到数百 keV),例如质子和氧离子,被认为是环电流的主要载流子. 地球磁暴期间环电流的增强被广泛认为是地球表面水平磁场扰动的主要原因. 在磁暴主相之后,环电流通常需要几天(即磁暴恢复相)才能恢复到平静时期的水平. 本文介绍了不同种类的粒子,特别是氧离子,对环电流的相对贡献以及环电流在磁暴恢复相期间的损失情况. 在高极光电集流水平时,不同种类粒子的等离子体压强显著增加,其中H+离子的压强主要分布在等离子体层内,并始终占主导地位. 重离子和电子的压强在等离子体层外增加,形成强烈的晨昏不对称性,并分别在黄昏和黎明侧达到峰值. 此外,无论是平静时期还是活跃时期,能量从50 keV到几百keV的氢离子贡献的压强是环电流等离子体压强的主要组成部分,而氦的贡献一般较小. 在活跃时期,10 keV < E < 50 keV的O+离子和0.1 keV < E < 40 keV的电子的贡献逐渐变得显著,它们在夜侧的贡献分别超过25%和20%. O+离子对环电流的贡献与地磁活动密切相关. 在sym-H值小于−60 nT的大磁暴中,无一例外的总是存在丰富的O+离子,其相对压强贡献可以和H+离子相当(O+离子压强与H+离子压强比R>0.8),在L小于3的情况下,其相对压强的贡献量有时甚至会大于H+离子. 与没有O+离子贡献环电流的情况相比,当O+离子对环电流有明显贡献时,O+离子和等离子体总压强明显增大,随着sym-H的减小,压强峰值向低L值移动. 此外,当sym-H小于−60 nT时,在大多数L壳层上没有O+离子的概率都为0. 这些观测特征都表明,在地磁活跃时期,O+离子在环电流中起重要作用,可以说,没有O+离子就没有磁暴. 另一方面,在地磁相对平静的情况下,R值越小,O+离子不出现的概率越高. 这种强相关性表明,在地磁平静的情况下,O+离子总是不存在的. 在磁暴恢复阶段,H+离子和O+离子的寿命普遍随着 L 值的增加而增长,当粒子能量 < ~50 keV 时,H+离子的寿命比O+离子的寿命短,而当能量> ~50 keV 时情况相反,这与理论预测是一致的. 同时,理论计算得到的电荷交换寿命与观测结果基本一致,这证实了电荷交换是磁暴恢复相期间环电流离子损失的主要机制.
全球电离层GNSS星座监测与仿真
苟晓晨, 于锡峥, 李磊, 吴小成
当前状态:  doi: 10.19975/j.dqyxx.2022-003
摘要(25) HTML全文(11) PDF 3225KB(4)
摘要:
太阳是引起电离层扰动的主要根源,而电离层暴等电离层扰动对短波通信、卫星导航等均有重大影响,实现全球电离层的精准探测对预报扰动非常重要. 本文以全球电离层监测为目标,采用8×8颗轨道高度为1020 km的太阳同步轨道卫星组网,构成电离层GNSS掩星星座,可实现全球电子密度、总电子含量(TEC)等电离层参数的同步监测. 轨道仿真结果显示,2小时内,采用2°×2°网格,300 km高度掩星点低、中、高纬度空间覆盖率可达31.83%、49.84%、75.25%,全球70%以上区域的水平分辨率优于200 km. 同时,利用国际电离层参考(IRI)模型模拟磁暴期间全球电离层电子密度分布,结合轨道仿真数据,对该掩星星座的监测效果进行了验证. 结果表明,该星座能够在2小时时间尺度上,监测全球电离层100~1000 km 高度的电子密度、TEC等参数空间变化,水平分辨率200 km. 结合现有地基和天基电离层观测数据,可为研究磁层—电离层耦合及电离层暴的全球尺度时空演化特性提供新的视野,为空间环境预报提供数据支撑.
磁场重联中电子尺度的物理过程
满恒妍, 周猛, 钟志宏, 邓晓华
当前状态:  doi: 10.19975/j.dqyxx.2022-026
摘要(26) HTML全文(12) PDF 2521KB(9)
摘要:
磁场重联是等离子体中磁能转化为等离子体能量的重要物理机制之一,与太空中许多爆发现象密切相关. 磁场重联是一个跨尺度的物理过程,其中发生在电子尺度的物理过程是影响重联触发和快速进行的关键,因此一直备受关注. 2015年磁层多尺度(MMS)卫星发射后,其提供的前所未有的高精度观测数据使我们对电子尺度的物理过程有了新的认识. 文章主要根据MMS卫星的观测结果,对磁场重联中电子尺度物理过程的最新研究进展进行了简要总结. 我们将重联区域划分为电子扩散区、离子扩散区以及重联出流区,从多个角度总结了其中发生的电子尺度物理过程,主要涉及以下内容:电子扩散区在入流或出流方向上可以形成多层结构,其形成过程可能涉及到多种不稳定性;电子扩散区内的新月形分布受Hall电场以及电子曲折运动等多种因素的影响,使得某些情况下该区域内的电子分布不再呈现出新月形分布;电子扩散区内的等离子体波动可以有效地加热电子以及提供反常电阻来打破磁冻结条件,在重联中起到了关键作用;电子扩散区中的非理想电场可以由电子压强张量项平衡,但有些事件中反常电阻项可能占据主导;离子扩散区中电子尺度相干结构的形成和演化过程对能量转换和耗散十分重要,包括磁岛合并驱动的湍流过程、开尔文—亥姆霍兹不稳定性触发的次级重联以及动理学尺度磁洞的形成等;重联出流区中磁通量绳之间的合并以及磁通量绳与背景磁场的重联可以通过多尺度耦合释放磁能,并且磁通量绳内部可以通过多种加速机制激发高能电子的产生;重联锋面附近往往对应着各种等离子体不稳定性以及强电流结构,在磁能释放中起到了重要作用. 此外,我们简单探讨了磁场重联在电子尺度的触发机制,如湍流中的唯电子重联以及磁尾由电子动理学驱动的磁重联等. 最后讨论了多尺度耦合过程在磁重联中的重要性以及目前尚未解决的部分关键科学问题.
空间等离子体中的动理学平衡态结构模型
李京寰, 杨帆, 周煦之
当前状态:  doi: 10.19975/j.dqyxx.2022-017
摘要(38) HTML全文(21) PDF 2231KB(6)
摘要:
空间等离子体环境中存在着大量尺度不一的电磁结构,如电流片、磁洞、磁通量绳等,它们的尺度大至磁流体动力学尺度,小至离子甚至电子动理学尺度. 随着卫星观测水平的提高,人们已对这些结构内的电磁场和粒子分布拥有了更多的认知,但仅借助观测本身仍难以完整描述它们的三维结构. 因此,对这些结构开展理论和数值模拟研究极为重要. 本文简要介绍了一种对空间电磁结构进行理论建模的通用框架,即从Vlasov-Maxwell方程出发构建动理学平衡态自洽解,再将其与卫星观测进行对比. 近年来,这套方法已被广泛应用于对空间电磁结构的建模和重构,证实了动理学平衡态结构在空间中的大量存在. 同时,这种方法也可以作为初始条件应用于结构演化的模拟. 最后,本文指出了这一方法目前存在的问题,并提出了几个可能的发展方向.
地震预警的新发展:新型传感器网络的应用
孙丽
当前状态:  doi: 10.19975/j.dqyxx.2022-030
摘要(33) HTML全文(10) PDF 17256KB(7)
摘要:
深地震反射剖面探测技术发展现状
王光文, 卢占武, 李文辉, 王海燕, 程永志, 陈司, 蔡蔚
当前状态:  doi: 10.19975/j.dqyxx.2021-055
摘要(77) HTML全文(33) PDF 3482KB(38)
摘要:
由石油地震勘探发展而来的深地震反射剖面探测技术,采用炸药震源、长排列、多次覆盖等方式接收来自地壳或上地幔的反射信号,经过去噪、校正、叠加、偏移等处理过程,可获得地壳尺度范围内的精细时间剖面,是研究深部构造特征、探讨构造演化过程的重要手段,发挥着其他地球物理方法不可替代的作用. 深地震反射探测技术自上世纪由美国率先提出以来,经过几十年的发展历程,依托一系列的深部探测计划,获得了多条重要的深反射剖面,解决了包括造山带演化过程、盆地构造模式、矿集区深部构造特征等众多地质问题,得到了众多地质学家和地球物理学家的认可. 目前深反射探测技术已经发展成为一种系统的、方法技术成熟的、结果可靠的深部结构探测方法,在关键地区也常常作为研究深部精细结构的先行军. 我们通过总结近些年深地震反射剖面探测的实例,从采集技术、数据处理、综合解释等方面概述了深地震反射剖面探测技术取得的一系列新进展及应用,包括高精度可控震源采集技术、线条图处理技术、全波形反演技术、联合解释等. 这些新技术的应用不仅有效提高了深地震反射剖面成像质量,也解决了深地震反射探测中面临的地形构造复杂、施工不便等问题,使得深地震反射探测在解决特定地区地质问题上发挥了越来越重要的作用.
基于深度神经网络EikoNet走时计算方法及应用
姚时, 侯爵, 黄跃鹏, 徐涛, 白志明, 高正辉
当前状态:  doi: 10.19975/j.dqyxx.2021-049
摘要(1025) HTML全文(91) PDF 2705KB(45)
摘要:
地震波走时计算在层析成像、偏移成像和微震定位等地震学领域中都有重要作用. 使用有限差分方法求解程函方程是地震波走时计算的重要方法之一. 常规程函方程求解方法需要计算每一个震源激发的走时场,随着网格数量的增加会消耗大量的时间和存储空间. 本文介绍了基于深度神经网络的EikoNet走时计算方法,该方法构建了一个包含速度和走时场偏差之间关系的深度神经网络,通过在三维空间中采样生成训练样本,以给定的速度模型为标签实现训练过程中对网络的优化,在计算走时过程中,能传递关于地震波场和速度结构的信息,而且高度适用于GPU,可以无网格地快速确定三维域中任意两点之间的走时,大大提高了计算效率并降低了内存消耗. EikoNet方法和常规快速推进法(FMM)在几个速度模型上的数值实验表明EikoNet方法在保持高精度的同时还具有更高的效率.
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2022 年 4 期目录
2022, 53(4): 1-2.  
摘要(24) HTML全文(9) PDF 215KB(3)
摘要:
综述
空间物理
日冕磁场测量
杨子浩, 田晖, 李文显, 张佳乐, 白先勇, 高宇航, 陈亚杰
2022, 53(4): 379-396.   doi: 10.19975/j.dqyxx.2022-010
摘要(73) HTML全文(42) PDF 1836KB(20)
摘要:
磁场把太阳的各层大气耦合在一起,并主导着其中的各种物理过程,磁场的演化引发包括太阳爆发在内的活动现象,进而影响着地球的空间环境和人类的生存条件. 要理解发生在太阳大气中的各种活动现象,离不开对其磁场的完整认知. 然而目前对太阳高层大气尤其是日冕的磁场测量仍然严重缺失,这大大限制了人类对太阳活动的研究,制约了太阳物理和空间天气学科的发展. 经过几十年的探索,人们提出了几种可能可用于日冕磁场诊断的方法,包括利用日冕红外谱线的偏振观测、借助射电波段的日冕辐射、通过日冕中各类波动的冕震学诊断以及利用日冕极紫外谱线的磁场诱导跃迁原理对日冕磁场进行测量等. 同时,人们也根据这些方法尝试对日冕磁场进行了测量,取得了一些进展. 本文总结了几种主要的日冕磁场测量方法的原理和重要进展,并对未来的相关研究做了展望.
日冕物质抛射传播过程模拟研究
马孟暄, 沈芳, 刘佑生
2022, 53(4): 397-415.   doi: 10.19975/j.dqyxx.2021-064
摘要(87) HTML全文(33) PDF 3429KB(16)
摘要:
日冕物质抛射(coronal mass ejection, CME)是一种由太阳的剧烈活动所引发的空间天气现象,如何针对特定的CME/太阳风暴事件了解其日冕/行星际传播及演化过程,预报是否以及何时到达地球轨道,预测近地空间太阳风状态相应的变化,是空间天气科学界一直关注的重要课题之一. CME通常携带巨大的能量,当其到达地球附近空间时,会造成地球附近空间环境的剧烈扰动,从而引发一系列的灾害性空间天气现象,例如地磁暴. 为了能够更好地运用太空资源和发展空间科学,避免遭受由 CME 引发的灾害性空间天气的损害,对 CME 的准确预报的能力就显得尤为重要. 对CME传播过程进行数值模拟是研究CME演化过程和提高CME预报准确性的重要方法. 本文主要介绍了利用数值模拟方法对CME传播过程的最新研究进展. 首先总结了用于CME传播数值模拟的各种模型,包括背景太阳风模型、CME初始化模型、日冕磁场重建模型等,总结了各种模型在CME传播模拟过程中的应用及研究进展. 然后介绍了关于CME偏转方面的模拟研究进展,包括CME在日冕和行星际空间中不同的偏转特征. 接着介绍了CME间的相互作用及其模拟研究的最新动态. 最后提出了CME传播过程模拟研究方向亟待解决的若干问题,并对其发展方向和前景进行展望.
水星磁层亚暴和磁暴
赵玖桐, 孙为杰, 宗秋刚
2022, 53(4): 416-431.   doi: 10.19975/j.dqyxx.2022-013
摘要(48) HTML全文(29) PDF 7691KB(24)
摘要:
磁层亚暴和磁暴是太阳风—行星磁层耦合过程中发生的能量存储和爆发式释放现象,伴随着复杂的等离子体动力学,对磁层以及整个行星都具有强烈的影响. 它们的发生不仅会通过粒子沉降引发绚丽多彩的极光,还可以通过电磁场影响人类以及其他生物的生产生活. 对地球上的亚暴和磁暴现象的描述与研究至今已有近百年的历史,然而对其他行星上的亚暴以及磁暴的研究在本世纪才兴起. 其中,水星和地球在磁层上(尤其是结构以及驱动模式)最为相似,对它的研究可以帮助我们更好地理解亚暴以及磁暴现象的本质,验证或修正原有的空间物理学观点. 随着信使号(MESSENGER)的发射以及入轨探测,长期稳定的磁场、等离子体原位观测数据使得关于水星磁层的深入研究得到长足的发展. 本文回顾了近十余年以来,对于水星磁层亚暴以及磁暴现象的研究进展.
地球磁层中超低频波与低能粒子的相互作用
任杰, 宗秋刚
2022, 53(4): 432-442.   doi: 10.19975/j.dqyxx.2022-005
摘要(60) HTML全文(36) PDF 2548KB(16)
摘要:
太阳风—磁层耦合过程会产生各种等离子体波,其中超低频波的频率最低(1 mHz~1 Hz)、波长最长(与内磁层磁力线长度相当)、能量密度最大. 超低频波在磁层粒子加速、物质输运和能量转化中起着重要作用. 以往的研究主要关注超低频波的全球性传播和分布特征以及这些波动与磁层能量粒子(辐射带电子和环电流离子)的相互作用过程. 最近几年人们逐渐发现超低频波与低能粒子之间相互作用对磁层动力学过程会产生重要影响. 本文主要综述了以下几个方面的研究进展,包括:(1)多卫星联合观测、多地面台站联合观测、辐射带能量电子的“回旋镖形”投掷角色散特征都证明存在局域性的超低频波,理论和观测表明这类超低频波的存在跟等离子体层羽状结构有关;(2)多卫星观测证明存在等离子体层顶表面波,并且发现“锯齿形”极光的形成跟等离子体层顶表面波有着密切联系;(3)理论和卫星观测表明超低频波可以通过漂移—弹跳共振加速等离子体层低能电子,通过 E × B 调制作用实现对低能离子成分的区分. 最后,本文还总结了超低频波与低能粒子相互作用对磁层动力学过程造成的可能影响,并展望了本研究方向亟待解决的问题.
超低频波与带电粒子的非线性相互作用
李莉, 周煦之, 宗秋刚
2022, 53(4): 443-453.   doi: 10.19975/j.dqyxx.2022-012
摘要(38) HTML全文(33) PDF 1975KB(16)
摘要:
超低频波在日地能量传输和磁层—电离层耦合过程中都扮演着十分重要的角色,其在调节整个太阳—地球系统的能量流方面的研究一直是空间物理领域最重要的研究方向之一. 超低频波是带电粒子在内磁层辐射带中加速和扩散的主要原因之一,磁层中的带电粒子具有典型的垂直于磁场的漂移运动和平行于磁场的弹跳运动,超低频波的频率范围能够覆盖带电粒子的漂移或弹跳频率,因此其与粒子之间会发生共振,超低频波正是通过与电子或离子发生漂移共振或漂移弹跳共振来完成能量的传递,从而实现对带电粒子的加速. 自漂移共振理论提出以来,线性分析方法一直沿用至今,即假定粒子运动遵循未扰轨道,轨道因能量改变而造成的扰动一直被忽略不计. 这一假设只有在粒子能量变化远小于粒子能量本身时才有效,而实际观测中经常存在振幅较大或持续时间较长的超低频波使得粒子能量变化很大,线性理论不再适用. 本文结合理论分析、卫星观测总结了极向模和环向模超低频波与内磁层带电粒子的非线性漂移共振作用,给出了线性方法与非线性方法的使用范围,并从观测上给出了识别非线性漂移共振发生的方法.
地球等离子体层嘶声的内部源区
苏振鹏, 刘倪纲, 何兆国, 吴志勇
2022, 53(4): 454-465.   doi: 10.19975/j.dqyxx.2022-006
摘要(67) HTML全文(32) PDF 9198KB(14)
摘要:
地球等离子体层是向阳侧中低纬度电离层沿着闭合磁力线向上的自然延伸,其中所出现的一类频率覆盖数十赫兹至数千赫兹的哨声模波动称为等离子体层嘶声. 自发现以来,等离子体层嘶声就被广泛认为是沉降损失辐射带高能电子的主要等离子体波动之一. 但是,等离子体层嘶声的起源一直没有定论. 潜在的来源分成两类:一类为等离子体层内部背景等离子体噪声,另一类为等离子体层外部波动. 2012年发射升空的Van Allen Probes 搭载了完备的磁层粒子、场和波动探测仪器,为这一问题的解决带来了新的机遇. 本文综述了近5年来利用Van Allen Probes探索等离子体层嘶声内部源区的研究工作,强调背景等离子体噪声可以通过高能电子线性和非线性不稳定性叠加放大成可观测的嘶声,突出内源的广泛分布特性,即在结构上涵盖等离子体层核心和羽流,在地方时上涵盖向阳和背阳侧等离子体层,在径向距离上涵盖外层和内层等离子体层.
暴时场向电流及磁层—电离层耦合过程
王慧
2022, 53(4): 466-477.   doi: 10.19975/j.dqyxx.2021-047
摘要(213) HTML全文(93) PDF 1246KB(48)
摘要:
本文综述了不同类型电离层场向电流(亦称为Birkeland电流)及其在地磁扰动(磁暴和亚暴)期间的时空分布特征. 首先简述了场向电流近70年的研究历程,总结了各种与太阳风—行星际磁场(interplanetary magnetic field, IMF)、电离层电导率空间分布不均匀相关的1区和2区场向电流,北向、晨昏向IMF相关的场向电流,IMF Bx场向电流,电离层终端场向电流的典型分布特征及其研究进展. 随后总结了磁暴期间场向电流的空间分布(即电流中心位置)、电流强度随磁暴相的时空变化规律,及其与太阳风—磁层耦合过程的关系. 接着介绍了亚暴期间夜侧单、双电流楔模式、晨侧电流楔模式、电离层远程和局地闭合通道等几种不同的场向电流物理模型以及相关研究动态. 最后,在此基础上展望未来,提出了几个尚待解决的科学问题.
研究论文
空间物理
太阳风湍流中局地背景磁场下的结构函数指数特征
吴红红, 涂传诒, 王新, 何建森, 杨利平
2022, 53(4): 478-487.   doi: 10.19975/j.dqyxx.2022-002
摘要(70) HTML全文(40) PDF 2124KB(14)
摘要:
太阳风是天然的磁流体湍流实验室. 当前流行的描述磁流体湍流的临界平衡串级模型,预测平行局地背景磁场的谱指数为−2. 小波变换分析和结构函数分析是得到相对于局地背景磁场的谱指数各向异性的两个主要方法. 前人的工作得到了太阳风中平行局地背景磁场的谱指数为−2的观测结果. 然而,这一结果被认为是受到了太阳风中的间歇或结构的影响. 一方面,去除间歇后,小波变换分析得到的平行谱指数为−1.63. 去除结构后,结构函数分析得到的平行谱指数为−1.63. 两个方法得到的结果都不支持临界平衡串级模型在太阳风中的应用. 另一方面,前人利用小波变换分析,考虑平行和垂直磁场条件的精确性,发现当要求严格平行局地背景磁场条件下的谱指数为−1.75,也不支持临界平衡串级. 我们采用结构函数分析方法,利用WIND卫星在拉格朗日1点观测的高速太阳风数据,分析了磁场和速度的结构函数指数的各向异性. 研究发现,基于更严格的局地平行条件,平行局地背景磁场的磁场结构函数指数为−0.67,平行局地背景磁场的速度结构函数指数为−0.55,在误差范围内,两者均与垂直局地背景磁场的指数接近. 结果显示,中等振幅扰动的指数也是各向同性的. 这一结果不支持临界平衡串级应用于描述太阳风湍流,为发展新的理论模型提供了观测依据.
火星空间环境中电子通量的统计研究
郭志忠, 符慧山, 刘杨洋
2022, 53(4): 488-496.   doi: 10.19975/j.dqyxx.2022-004
摘要(77) HTML全文(47) PDF 3664KB(20)
摘要:
火星空间环境中不同区域的电子分布在行星演化过程中扮演了重要的角色. 然而,整个火星空间环境中电子的分布情况目前还不清楚. 本文使用MAVEN航天器2015~2020年共6年的观测数据,统计研究了不同能量(30~5000 eV和20~1000 keV)的电子对应的微分能量通量在整个火星空间环境中的分布. 通过统计研究,我们发现30~1000 eV范围的电子主要分布在磁鞘中. 其中,30~50 eV范围的电子在远磁尾−2.8RM <XMSO < −2RM、−1RM < YMSO <1RM、−1RM < ZMSO <1RM区域的通量显著降低,50~100 eV范围的电子通量在整个磁尾区域都比较低. 100~1000 eV范围的电子主要集中分布在感应磁层顶上游−1RM < YMSO < 1RM、−1.5RM < ZMSO < 1.5RM 区域,该分布特征100~500 eV范围的电子最为明显. 而1000~5000 eV范围,通量达105 eV/(cm2·s·sr·eV)以上的高能电子出现在火星磁鞘和弓激波附近以及远磁尾区域(−2.8RM < XMSO <−2RM、−2RM < YMSO < 2RM、−1RM < ZMSO < 1RM);并且在这些区域,20~1000 keV范围的高能电子通量也达到102 keV/(cm2·s·sr·keV)以上. 另外,20~1000 keV范围的通量在102 keV/(cm2·s·sr·keV)以上的高能电子在火星空间环境中的分布非常离散.
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