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2024,
55(2):
153-163. doi: 10.19975/j.dqyxx.2023-027
摘要
摘要:
地球物理探测在研究和发现撞击构造方面发挥着重要作用. 本文综述了地球陨石坑的重、磁、电、震等常见地球物理特征. 陨石坑最明显的地球物理特征是圆形或环形的负重力异常，其主要原因是岩石破裂和角砾化导致岩石密度降低；具有较低的磁异常，细节特征复杂，其主要原因是撞击熔融降低了陨石坑内部岩石的磁化率，陨石撞击后的改造则造成了复杂的细节特征；简单陨石坑具有较高的电导率，复杂陨石坑具有从中央隆起向周缘升高的电导率，其受控于岩石的破碎程度和上覆沉积层的含水量，破碎程度、含水量越高电导率越高；具有低的地震波速，主要原因是破碎的角砾岩和断裂具有相对原岩更低的波速. 此外，地震反射波探测发现陨石坑撞击构造有明显凹形特征. 国际上已开展了大量陨石坑的地球物理探测研究，而我国现有被发现且证实的陨石坑不仅数量稀少，其相关的地球物理探测研究更是不多见. 通过对国内外陨石坑的常见地球物理特征开展综述和总结，不仅可为我国发现更多潜在的陨石坑提供科学参考和依据，同时也为公众认识和了解撞击构造提供可靠的科普素材，进而有效拓展地球陨石坑的科研和人文价值.
地球物理探测在研究和发现撞击构造方面发挥着重要作用. 本文综述了地球陨石坑的重、磁、电、震等常见地球物理特征. 陨石坑最明显的地球物理特征是圆形或环形的负重力异常，其主要原因是岩石破裂和角砾化导致岩石密度降低；具有较低的磁异常，细节特征复杂，其主要原因是撞击熔融降低了陨石坑内部岩石的磁化率，陨石撞击后的改造则造成了复杂的细节特征；简单陨石坑具有较高的电导率，复杂陨石坑具有从中央隆起向周缘升高的电导率，其受控于岩石的破碎程度和上覆沉积层的含水量，破碎程度、含水量越高电导率越高；具有低的地震波速，主要原因是破碎的角砾岩和断裂具有相对原岩更低的波速. 此外，地震反射波探测发现陨石坑撞击构造有明显凹形特征. 国际上已开展了大量陨石坑的地球物理探测研究，而我国现有被发现且证实的陨石坑不仅数量稀少，其相关的地球物理探测研究更是不多见. 通过对国内外陨石坑的常见地球物理特征开展综述和总结，不仅可为我国发现更多潜在的陨石坑提供科学参考和依据，同时也为公众认识和了解撞击构造提供可靠的科普素材，进而有效拓展地球陨石坑的科研和人文价值.
2024,
55(2):
164-174. doi: 10.19975/j.dqyxx.2022-083
摘要:
火星是地球的姊妹星，研究火星对了解火星、地球乃至太阳系的演化具有重要意义. 自从1964年美国水手4号发射，首次成功地运用无线电掩星技术探知到火星的环境特征之后，国际上不少的火星任务都开展了掩星实验，取得了重要进展. 本文依据采用了无线电掩星技术进行勘探的火星探测器发射时间顺序展开调研，针对具有开创性的水手系列、火星全球勘测者、火星快车、火星大气挥发演化探测器、天问一号等，梳理分析和总结了各任务的火星无线电掩星方式以及所获取的廓线数量、位置分布、获取方式等产品信息，以及部分相关的研究结果. 本文还分析了当前火星无线电掩星探测方式存在的局限性，并探讨了可能的对策. 火星无线电掩星后续可重点考虑多颗星-星掩星结合星-地掩星方式形成掩星星座；并通过选用适当的信号探测频率、改进反演算法等方式进一步提高掩星质量；火星掩星探测手段还可与火星顶部探测雷达、直接探测等手段相结合，发展火星多源数据融合技术. 随着探测方式的不断改进，无线电掩星探测将是火星探测的重要手段. 未来会有数量越来越多、时间与空间覆盖越来越全面、精度越来越高的掩星数据用于火星的整个空间环境研究，包括大、中尺度乃至小尺度结构的特征与演化规律都将被人类掌握.
火星是地球的姊妹星，研究火星对了解火星、地球乃至太阳系的演化具有重要意义. 自从1964年美国水手4号发射，首次成功地运用无线电掩星技术探知到火星的环境特征之后，国际上不少的火星任务都开展了掩星实验，取得了重要进展. 本文依据采用了无线电掩星技术进行勘探的火星探测器发射时间顺序展开调研，针对具有开创性的水手系列、火星全球勘测者、火星快车、火星大气挥发演化探测器、天问一号等，梳理分析和总结了各任务的火星无线电掩星方式以及所获取的廓线数量、位置分布、获取方式等产品信息，以及部分相关的研究结果. 本文还分析了当前火星无线电掩星探测方式存在的局限性，并探讨了可能的对策. 火星无线电掩星后续可重点考虑多颗星-星掩星结合星-地掩星方式形成掩星星座；并通过选用适当的信号探测频率、改进反演算法等方式进一步提高掩星质量；火星掩星探测手段还可与火星顶部探测雷达、直接探测等手段相结合，发展火星多源数据融合技术. 随着探测方式的不断改进，无线电掩星探测将是火星探测的重要手段. 未来会有数量越来越多、时间与空间覆盖越来越全面、精度越来越高的掩星数据用于火星的整个空间环境研究，包括大、中尺度乃至小尺度结构的特征与演化规律都将被人类掌握.
2024,
55(2):
175-183. doi: 10.19975/j.dqyxx.2023-022
摘要:
木星特洛伊小行星（Jupiter-Trojan asteroids）是位于木星稳定拉格朗日点上与木星以相同周期围绕太阳稳定运行的小天体. 木星特洛伊小行星作为行星形成过程的活化石记录了行星起源、类地行星有机物与挥发物来源及行星系统整体演化的独特信息. 迄今仅通过地基望远镜或空间望远镜对它们进行过远距离光谱观测，它们仍是太阳系最神秘的天体群之一. 在物质成分上，细粒硅酸盐被认为是构成特洛伊小行星的重要物质. 过去认为特洛伊小行星形成在5 AU附近，新的动力学模型认为特洛伊小行星来自柯伊伯带. NASA的“露西”小行星探测任务（Lucy ）将首次近距离探索这些神秘的小天体，有望为解开特洛伊小行星的身世之谜提供重要证据. 本文梳理了木星特洛伊小行星的观测历史、物理性质、光谱性质、物质组成以及形成和演化，并介绍了“露西”的探测任务与目标，为未来我国深空探测计划中的小行星探测提供支撑.
木星特洛伊小行星（Jupiter-Trojan asteroids）是位于木星稳定拉格朗日点上与木星以相同周期围绕太阳稳定运行的小天体. 木星特洛伊小行星作为行星形成过程的活化石记录了行星起源、类地行星有机物与挥发物来源及行星系统整体演化的独特信息. 迄今仅通过地基望远镜或空间望远镜对它们进行过远距离光谱观测，它们仍是太阳系最神秘的天体群之一. 在物质成分上，细粒硅酸盐被认为是构成特洛伊小行星的重要物质. 过去认为特洛伊小行星形成在5 AU附近，新的动力学模型认为特洛伊小行星来自柯伊伯带. NASA的“露西”小行星探测任务（Lucy ）将首次近距离探索这些神秘的小天体，有望为解开特洛伊小行星的身世之谜提供重要证据. 本文梳理了木星特洛伊小行星的观测历史、物理性质、光谱性质、物质组成以及形成和演化，并介绍了“露西”的探测任务与目标，为未来我国深空探测计划中的小行星探测提供支撑.
2024,
55(2):
184-194. doi: 10.19975/j.dqyxx.2022-077
摘要:
本文主要回顾了气象卫星导风的发展历程并对未来发展方向进行了阐述. 引言部分首先回顾发展历程并介绍了导风发展史上的一些里程碑事件，分别对中国、美国、欧洲以及日本的气象卫星导风情况进行了简要介绍. 第一节详细总结了多种传统气象卫星导风算法的特点和关键技术，介绍了交叉相关法、形态辨认法以及亚像元法. 此外，还描述了五种较为常用的高度指定算法，对传统导风追踪算法以及高度指定算法的原理进行了详细地描述. 第二节归纳了最近几年基于计算机视觉和机器学习技术发展起来的多种新体制的气象卫星导风产品，分别介绍了光流法、三维导风以及中尺度导风的优势和研究背景. 最后，对比了传统与新型气象卫星各种导风算法的优缺点，展望了未来的发展趋势和应用前景. 特别是指出光流法导风有着空间分辨率高、三维导风能得到更多层风场的信息、中尺度导风则能对特殊天气如热带气旋实现高时空分辨率的观测的优势，并提出三维导风与中尺度导风的应用研究将是未来重要发展方向.
本文主要回顾了气象卫星导风的发展历程并对未来发展方向进行了阐述. 引言部分首先回顾发展历程并介绍了导风发展史上的一些里程碑事件，分别对中国、美国、欧洲以及日本的气象卫星导风情况进行了简要介绍. 第一节详细总结了多种传统气象卫星导风算法的特点和关键技术，介绍了交叉相关法、形态辨认法以及亚像元法. 此外，还描述了五种较为常用的高度指定算法，对传统导风追踪算法以及高度指定算法的原理进行了详细地描述. 第二节归纳了最近几年基于计算机视觉和机器学习技术发展起来的多种新体制的气象卫星导风产品，分别介绍了光流法、三维导风以及中尺度导风的优势和研究背景. 最后，对比了传统与新型气象卫星各种导风算法的优缺点，展望了未来的发展趋势和应用前景. 特别是指出光流法导风有着空间分辨率高、三维导风能得到更多层风场的信息、中尺度导风则能对特殊天气如热带气旋实现高时空分辨率的观测的优势，并提出三维导风与中尺度导风的应用研究将是未来重要发展方向.
2024,
55(2):
195-204. doi: 10.19975/j.dqyxx.2023-021
摘要:
对流层臭氧是一种存在于近地面、对动植物有害的光化学污染物，定量评估和研究其对植物生理的影响和机制对保障全球粮食安全和人体健康具有至关重要的作用. 由于过去三十年的快速工业化和城市化，对流层臭氧浓度正以每年约0.5%～2%的速度上升. 针对当前臭氧污染加剧的情况，根据前人的基础理论研究和实验探索，本文就臭氧对植物表观、花粉和光合作用的影响特征及机制进行了总结和分析，得到以下认识：（1）臭氧污染下植物叶片受损、光合速率和固碳能力下降，影响干物质的积累与分配，是造成作物减产的主要原因；（2）臭氧污染导致花粉细胞膜受损，细胞脂质过氧化，改变了过敏原蛋白质的结构，增加了人体呼吸道过敏的风险. 受损的化石花粉在沉积物中也有发现，通常与大规模生物灭绝同时期，推测与火山爆发或全球快速变暖导致的臭氧浓度增加有关. 这些发现表明应加强自然环境下臭氧对植物生态习性的影响研究，重视植物地下生态过程的影响，开展缓解臭氧对作物影响和耐臭氧品种选育的研究.
对流层臭氧是一种存在于近地面、对动植物有害的光化学污染物，定量评估和研究其对植物生理的影响和机制对保障全球粮食安全和人体健康具有至关重要的作用. 由于过去三十年的快速工业化和城市化，对流层臭氧浓度正以每年约0.5%～2%的速度上升. 针对当前臭氧污染加剧的情况，根据前人的基础理论研究和实验探索，本文就臭氧对植物表观、花粉和光合作用的影响特征及机制进行了总结和分析，得到以下认识：（1）臭氧污染下植物叶片受损、光合速率和固碳能力下降，影响干物质的积累与分配，是造成作物减产的主要原因；（2）臭氧污染导致花粉细胞膜受损，细胞脂质过氧化，改变了过敏原蛋白质的结构，增加了人体呼吸道过敏的风险. 受损的化石花粉在沉积物中也有发现，通常与大规模生物灭绝同时期，推测与火山爆发或全球快速变暖导致的臭氧浓度增加有关. 这些发现表明应加强自然环境下臭氧对植物生态习性的影响研究，重视植物地下生态过程的影响，开展缓解臭氧对作物影响和耐臭氧品种选育的研究.
2024,
55(2):
205-216. doi: 10.19975/j.dqyxx.2023-026
摘要:
青藏高原深部构造与动力学机制一直是深部地球物理与大陆动力学的重点研究领域. 青藏高原东部地形起伏剧烈，地震活动频繁，金属与油气矿床丰富，揭示出青藏高原东部极为复杂的壳幔结构与深部变形及非常强烈的深部物质运动. 近年来，随着地球物理综合观测技术、深部结构成像方法、地球动力学模拟等研究的快速发展，围绕青藏高原东部的深部构造、块体运动、深部动力模式、强震活动与深部蕴震机制及成矿深部构造等方面进展显著. 青藏高原东部构造与地球物理研讨会（WTGTP）是围绕青藏高原东部深部结构与动力学机制、资源开发、地质灾害等相关地球科学问题按年度召开的学术交流研讨会. 本文基于2021年和2022年召开的第九届和第十届WTGTP的会议报告，结合近年来的相关研究成果，围绕印度—欧亚板块碰撞、构造变形特征与动力学机制以及强震活动与深部蕴震机制等主要内容，介绍了青藏高原东部的地球物理结构及深部构造变形与动力学机制的研究进展. 初步展望了青藏高原深部构造与地球物理研究前景，期望能给相关科研人员提供一点有益的参考.
青藏高原深部构造与动力学机制一直是深部地球物理与大陆动力学的重点研究领域. 青藏高原东部地形起伏剧烈，地震活动频繁，金属与油气矿床丰富，揭示出青藏高原东部极为复杂的壳幔结构与深部变形及非常强烈的深部物质运动. 近年来，随着地球物理综合观测技术、深部结构成像方法、地球动力学模拟等研究的快速发展，围绕青藏高原东部的深部构造、块体运动、深部动力模式、强震活动与深部蕴震机制及成矿深部构造等方面进展显著. 青藏高原东部构造与地球物理研讨会（WTGTP）是围绕青藏高原东部深部结构与动力学机制、资源开发、地质灾害等相关地球科学问题按年度召开的学术交流研讨会. 本文基于2021年和2022年召开的第九届和第十届WTGTP的会议报告，结合近年来的相关研究成果，围绕印度—欧亚板块碰撞、构造变形特征与动力学机制以及强震活动与深部蕴震机制等主要内容，介绍了青藏高原东部的地球物理结构及深部构造变形与动力学机制的研究进展. 初步展望了青藏高原深部构造与地球物理研究前景，期望能给相关科研人员提供一点有益的参考.
2024,
55(2):
217-228. doi: 10.19975/j.dqyxx.2023-011
摘要:
R-2型旋转地震仪可同时记录旋转三分量、MEMS加速度以及倾斜角度. 利用在淮南深地实验室地面和深部地下实施的两期连续观测数据，本文分析了地面和地下加速度与倾斜观测中背景噪声的差异. 结果表明：相比于地面，深地环境背景噪声干扰更弱，频谱上二者差异可达10 dB，说明深地环境具有低振动噪声的优势. 利用倾斜数据对MEMS加速度进行倾斜校正，校正前后的对比结果显示倾斜对加速度测量具有不可忽略的影响. 地倾斜信号的时频分析结果表明，相对于地表环境，深地环境有利于进行长周期微弱地球形变信号的检测. 本文还分析了固体潮信号观测的精度要求与现有仪器的不足，证明了在深地环境下进行高精度观测的必要性.
R-2型旋转地震仪可同时记录旋转三分量、MEMS加速度以及倾斜角度. 利用在淮南深地实验室地面和深部地下实施的两期连续观测数据，本文分析了地面和地下加速度与倾斜观测中背景噪声的差异. 结果表明：相比于地面，深地环境背景噪声干扰更弱，频谱上二者差异可达10 dB，说明深地环境具有低振动噪声的优势. 利用倾斜数据对MEMS加速度进行倾斜校正，校正前后的对比结果显示倾斜对加速度测量具有不可忽略的影响. 地倾斜信号的时频分析结果表明，相对于地表环境，深地环境有利于进行长周期微弱地球形变信号的检测. 本文还分析了固体潮信号观测的精度要求与现有仪器的不足，证明了在深地环境下进行高精度观测的必要性.
2024,
55(2):
229-240. doi: 10.19975/j.dqyxx.2023-018
摘要:
In recent years, the risk of disasters on Earth caused by space issues has increased gradually. Future planetary exploration is of great significance to enhance the ability to monitor space disaster risks. In 2018, underground media structures at different scales were explored beneath Mars stations through the InSight mission; however, there remain significant limitations to large-scale Mars exploration. Therefore, in this study, a single-station observation system was designed by combining a single receiving station and a mobile source as a novel method for collecting planetary seismic data, thereby enabling the collection of more reliable seismic signals in early extraterrestrial explorations. To obtain a one-dimensional underground medium structure, high-order dispersion curve imaging methods were applied, and a high-resolution frequency Hankel function dispersion curve extraction method was proposed to eliminate artifacts in the dispersion curve and improve the extracted dispersion curves. The system was then extended to a multicomponent case to demonstrate the complementarity between the multicomponent and single-component results. The proposed data acquisition system provides a foundation for two-dimensional and three-dimensional underground media imaging systems. Furthermore, the feasibility of developing automotive seismic technology based on this system to address the widespread issue of viaduct collapse caused by overweight vehicles was discussed, demonstrating the importance of single-station systems in seismic imaging and source monitoring.
In recent years, the risk of disasters on Earth caused by space issues has increased gradually. Future planetary exploration is of great significance to enhance the ability to monitor space disaster risks. In 2018, underground media structures at different scales were explored beneath Mars stations through the InSight mission; however, there remain significant limitations to large-scale Mars exploration. Therefore, in this study, a single-station observation system was designed by combining a single receiving station and a mobile source as a novel method for collecting planetary seismic data, thereby enabling the collection of more reliable seismic signals in early extraterrestrial explorations. To obtain a one-dimensional underground medium structure, high-order dispersion curve imaging methods were applied, and a high-resolution frequency Hankel function dispersion curve extraction method was proposed to eliminate artifacts in the dispersion curve and improve the extracted dispersion curves. The system was then extended to a multicomponent case to demonstrate the complementarity between the multicomponent and single-component results. The proposed data acquisition system provides a foundation for two-dimensional and three-dimensional underground media imaging systems. Furthermore, the feasibility of developing automotive seismic technology based on this system to address the widespread issue of viaduct collapse caused by overweight vehicles was discussed, demonstrating the importance of single-station systems in seismic imaging and source monitoring.
2024,
55(2):
241-247. doi: 10.19975/j.dqyxx.2022-074
摘要:
玛湖凹陷砾岩储层岩性、孔隙结构复杂，造成储层流体识别困难. 通过区块原油样品获取原油不同温度下的体弛豫特征，并利用两种不同体弛豫特征的模拟油样开展实验；在此基础上，选取了部分砾岩样品通过真空加压饱和水、高速离心和真空饱和模拟油的方法快速建立了饱和水、束缚水和饱和油状态，进行流体及模拟不同油水饱和状态的核磁实验分析. 实验结果表明：岩心饱和水核磁T2谱的分布范围主要受表面弛豫影响，受油相体弛豫性质的影响，不同黏度油样饱和水状态的核磁谱均与饱和水核磁谱存在差异，就本次实验的岩心样品，油样越稀，差异越明显；含油核磁谱分布形态受油相体弛豫、表面弛豫、孔隙结构和润湿性的综合影响. 结合油样的体弛豫特性，利用多组分高斯拟合对两种油样饱和的砾岩核磁T2谱进行了分析，尝试对油相体弛豫信号进行了定量评价.
玛湖凹陷砾岩储层岩性、孔隙结构复杂，造成储层流体识别困难. 通过区块原油样品获取原油不同温度下的体弛豫特征，并利用两种不同体弛豫特征的模拟油样开展实验；在此基础上，选取了部分砾岩样品通过真空加压饱和水、高速离心和真空饱和模拟油的方法快速建立了饱和水、束缚水和饱和油状态，进行流体及模拟不同油水饱和状态的核磁实验分析. 实验结果表明：岩心饱和水核磁T2谱的分布范围主要受表面弛豫影响，受油相体弛豫性质的影响，不同黏度油样饱和水状态的核磁谱均与饱和水核磁谱存在差异，就本次实验的岩心样品，油样越稀，差异越明显；含油核磁谱分布形态受油相体弛豫、表面弛豫、孔隙结构和润湿性的综合影响. 结合油样的体弛豫特性，利用多组分高斯拟合对两种油样饱和的砾岩核磁T2谱进行了分析，尝试对油相体弛豫信号进行了定量评价.
2024,
55(2):
248-256. doi: 10.19975/j.dqyxx.2022-075
摘要:
南堡凹陷4号构造晚期成岩作用强烈、储层非均质性强、孔隙结构复杂，导致优质储层岩石物理特征不清及储层有效性评价难. 针对这一难题，综合利用岩心薄片鉴定、扫描电镜、X全岩衍射、毛管实验及测录、试油等数据对储层的沉积特征、成岩特征及孔隙结构特征开展相控研究，研究结果表明研究区东二、东三段沉积相主要发育辫状河三角洲相，沉积微相主要发育水下分流河道、分流间湾、河口坝等；依据成岩作用及矿物类型将成岩相划分为弱溶蚀相、黏土矿物充填相、碳酸盐胶结相、压实致密相四类；根据储层物性及压汞等数据将孔隙结构相划分为Ⅰ类大孔粗喉型、Ⅱ类大孔中喉型、Ⅲ类中孔细喉型、Ⅳ类小孔微喉型. 基于沉积、成岩、孔隙结构三种特征单元叠加聚类分析将储层岩石物理相划分为PF1-PF4四类，其中PF1为油气及油水产能高的优势储层，PF2为产能一般的含油储层，PF3为需要储层改造才有产能的较差储层，PF4为无效储层，通过测井响应规律建立岩石物理相分类评价标准，为研究区储层有效性评价、优势储层预测以及后续的滚动开发提供了技术支撑和坚实的理论基础.
南堡凹陷4号构造晚期成岩作用强烈、储层非均质性强、孔隙结构复杂，导致优质储层岩石物理特征不清及储层有效性评价难. 针对这一难题，综合利用岩心薄片鉴定、扫描电镜、X全岩衍射、毛管实验及测录、试油等数据对储层的沉积特征、成岩特征及孔隙结构特征开展相控研究，研究结果表明研究区东二、东三段沉积相主要发育辫状河三角洲相，沉积微相主要发育水下分流河道、分流间湾、河口坝等；依据成岩作用及矿物类型将成岩相划分为弱溶蚀相、黏土矿物充填相、碳酸盐胶结相、压实致密相四类；根据储层物性及压汞等数据将孔隙结构相划分为Ⅰ类大孔粗喉型、Ⅱ类大孔中喉型、Ⅲ类中孔细喉型、Ⅳ类小孔微喉型. 基于沉积、成岩、孔隙结构三种特征单元叠加聚类分析将储层岩石物理相划分为PF1-PF4四类，其中PF1为油气及油水产能高的优势储层，PF2为产能一般的含油储层，PF3为需要储层改造才有产能的较差储层，PF4为无效储层，通过测井响应规律建立岩石物理相分类评价标准，为研究区储层有效性评价、优势储层预测以及后续的滚动开发提供了技术支撑和坚实的理论基础.
2024,
55(2):
257-266. doi: 10.19975/j.dqyxx.2023-017
摘要:
神经网络是一种重要的机器学习算法，在地球物理学等领域的应用得到了迅速发展，这主要得益于其在数据建模、信号处理和图像识别等方面的强大能力. 然而，神经网络的数学基础和物理解释仍然十分不足，模型内部复杂性使得难以解释其决策过程，限制了神经网络的进一步发展. 利用数学和物理方法解释神经网络的行为仍然是一个具有挑战性的任务. 本文目标是从声波偏微分方程和有限差分方法出发设计一个声波神经网络结构，该方法将一阶声波方程转化为基于有限差分的离散化声波方程，声波方程有限差分格式与神经网络传播函数具有近似的数学表达形式，可以构建一种基于声波传播物理模型的神经网络. 声波神经网络的主要特点是：（1）具有压力-速度耦合结构和层间跳跃连接的神经网络；（2）主变量-伴随变量双流网络结构改善了训练中的梯度消失问题. 从声波偏微分方程和有限差分算法出发建立的声波神经网络具有良好数学基础和清晰的物理解释，为在数学和物理方法框架内提高网络性能提供了可行性. 数值计算结果表明，声波神经网络在CIFAR-10和CIFAR-100数据集的图像分类任务中性能有明显提升，优于传统残差神经网络. 偏微分方程神经网络建模方法可以应用于许多其他类型的数学物理方程，并为深度神经网络算法提供数学和物理解释.
神经网络是一种重要的机器学习算法，在地球物理学等领域的应用得到了迅速发展，这主要得益于其在数据建模、信号处理和图像识别等方面的强大能力. 然而，神经网络的数学基础和物理解释仍然十分不足，模型内部复杂性使得难以解释其决策过程，限制了神经网络的进一步发展. 利用数学和物理方法解释神经网络的行为仍然是一个具有挑战性的任务. 本文目标是从声波偏微分方程和有限差分方法出发设计一个声波神经网络结构，该方法将一阶声波方程转化为基于有限差分的离散化声波方程，声波方程有限差分格式与神经网络传播函数具有近似的数学表达形式，可以构建一种基于声波传播物理模型的神经网络. 声波神经网络的主要特点是：（1）具有压力-速度耦合结构和层间跳跃连接的神经网络；（2）主变量-伴随变量双流网络结构改善了训练中的梯度消失问题. 从声波偏微分方程和有限差分算法出发建立的声波神经网络具有良好数学基础和清晰的物理解释，为在数学和物理方法框架内提高网络性能提供了可行性. 数值计算结果表明，声波神经网络在CIFAR-10和CIFAR-100数据集的图像分类任务中性能有明显提升，优于传统残差神经网络. 偏微分方程神经网络建模方法可以应用于许多其他类型的数学物理方程，并为深度神经网络算法提供数学和物理解释.
