地球科学与环境学报

基于有限元的地球物理电磁场三维正演仿真软件平台EMSIM

2025年10月01 00:00

电磁法是透视地球内部的重要手段,正演仿真模拟在洞悉电磁场响应机制、优化勘探策略以及深化反演处理与解释等方面扮演着不可或缺的关键角色。当前,针对各种电磁场正演算法的研究蓬勃发展,涌现出大量开源程序代码。然而,这些工具往往局限于单一程序层面,尤其在模型构建、网格剖分及后处理显示等核心环节上常需频繁切换至外部软件,增加了操作复杂性与时间成本。为此,开发了一套地球物理电磁场三维正演仿真软件平台EMSIM。该软件基于有限元法实现了三维空间内地球物理电磁场的正演模拟,并具备几何建模、网格剖分、分析求解、可视化显示、数据管理等全流程功能。在软件开发过程中,重点解决了复杂模型建模与剖分、并行计算优化、大规模计算数据高效管理、后处理显示等关键技术难题,显著提升了仿真计算的精度与效率。通过多个案例的对比验证,EMSIM软件在操作性能、计算精度与效率上满足实际应用需求,可作为地球物理电磁学研究的有力工具。

南岭地区中—晚侏罗世花岗岩:全岩Nd和锆石Hf同位素填图对“东钨西锡”的启示

2025年10月01 00:00

南岭地区发育大规模与花岗岩有关的中—晚侏罗世岩浆-热液型钨锡多金属矿床,并在空间上呈现出“东钨西锡”的分布规律。以郴州—临武断裂为界,多数钨矿床分布于南岭地区东段的赣南—粤北地区,而锡矿床则集中在南岭地区西段的湘南—桂北地区。为了更好地展示南岭地区钨锡矿床空间分布规律与花岗岩岩浆源区物质组成之间的关系,探究造成成钨花岗岩、成锡花岗岩成矿差异性的原因,全面搜集了中—晚侏罗世与钨锡成矿相关的61个花岗岩体全岩Nd和锆石Hf同位素数据,通过ArcGIS10.2软件绘制了Nd-Hf同位素和地壳模式年龄等值线图。结果表明:南岭地区花岗岩的全岩ε_Nd(t)值为-15.9～-0.8,锆石ε_Hf(t)值为-17.7～1.7; 总体来看,南岭地区东段花岗岩显示相对富集的Nd-Hf同位素特征,其ε_Nd(t)值和ε_Hf(t)值集中分布于-15.9～-7.9和-17.7～-4.1,暗示其源区以古老地壳的部分熔融为主; 而南岭地区西段花岗岩具有相对亏损的ε_Nd(t)值(-9.3～-1.7)和ε_Hf(t)值(-6.4～1.7),表明其岩浆源区具有更高的幔源物质组分。同时,壳幔二端元混合体系计算及He-Ar同位素投图结果也显示,南岭地区西段成锡花岗岩幔源组分显著高于东段成钨花岗岩。结合前人研究成果发现,南岭地区钨锡矿床空间分布的差异性可能与地幔参与程度有关。

鄂尔多斯盆地新庄地区环河组下段含矿砂岩黏土矿物特征及其铀成矿意义

2025年10月01 00:00

新庄矿产地位于鄂尔多斯盆地西南部,是近年来盆地南部发现的大型砂岩型铀矿产地,含矿层位为下白垩统环河组下段。该矿产地主要开展了成矿环境、矿化特征及控矿因素等宏观方面研究,尚未对含矿砂岩黏土矿物开展系统研究工作。在系统地质编录基础上,按氧化强度从强(红色砂岩)→弱(黄色砂岩)→过渡(灰色含矿砂岩)→还原(原生灰色砂岩)系统采集岩矿石样品开展显微镜下鉴定、扫描电镜、X射线衍射等分析。结果表明:新庄地区环河组下段砂岩中黏土矿物总体含量低(介于0.8%～1.7%,平均值为1.1%),不同分带砂岩黏土矿物组成基本一致,主要为伊利石,次为绿泥石及少量伊/蒙混层; 从红色砂岩→黄色砂岩→灰色含矿砂岩→原生灰色砂岩表现为绿泥石和伊/蒙混层相对含量逐渐增多,伊利石逐渐减少的特征,伊利石与绿泥石、伊/蒙混层相对含量存在明显负相关关系; 铀富集成矿过程中黏土矿物可以吸附部分铀,考虑到黏土矿物总体含量低的影响,其可能不是铀富集成矿的主要原因; 伊利石向绿泥石及伊/蒙混层的转化过程,代表了碱性→弱碱性流体作用过程,未见突变的环境变化,加之受还原介质及黏土矿物总体含量低的影响,可能导致矿化强度不高,从而形成整体品位较低、厚度大、倾向延伸远的板状铀矿体。

东海盆地丽水凹陷中侏罗世埃达克质花岗闪长岩地球化学特征、岩石成因及构造意义

2025年10月01 00:00

目前对东海盆地丽水凹陷内的埃达克岩研究较少,该岩石成因以及与古太平洋板块俯冲过程之间的联系仍缺乏系统的认识。以新钻遇的丽水凹陷埃达克质花岗闪长岩为研究对象,开展了全岩地球化学以及锆石U-Pb年代学研究,并分析了该埃达克质花岗闪长岩的成因机制以及所处的构造环境,最后探讨了东海盆地丽水凹陷侏罗纪构造背景以及古太平洋板俯冲与岩浆弧带的关系。结果表明:锆石U-Pb定年得到其岩石结晶年龄为(170.9±1.3)、(171.7±1.1)Ma; 全岩地球化学特征显示出相对较高的Sr/Y值、La/Yb值和较低的Ni和MgO含量,与下地壳来源的C型埃达克岩的地球化学特征一致; Mg^#值、K₂O含量和Na₂O/K₂O值暗示其可能源于加厚下地壳的部分熔融。丽水凹陷花岗闪长岩与邻区同时代的东海盆地瓯江凹陷花岗闪长岩、南海地区及日本飞弹地区的弧岩浆岩,可能在中国东部沿海地区共同组成了一条SW—NE向岩浆弧带。总之,这一岩浆弧带的形成与中生代古太平洋板块俯冲导致的挤压构造背景密切相关,体现了燕山运动对东海盆地所在区域的影响,可能引发中国东部沿海局部地区(如丽水凹陷)的地壳增厚。

苏北盆地溱潼凹陷阜二段富甜点层系深湖相泥页岩岩相特征及其控制因素

2025年10月01 00:00

苏北盆地溱潼凹陷阜宁组二段(简称为“阜二段”)页岩油勘探近年来取得突破,其甜点层系深湖相页岩储层表现为较强的非均质性,制约了甜点区预测与资源潜力有效评价。为明确富甜点层系深湖相页岩岩相多样性及其成因机理,综合关键钻井岩芯与薄片观察、全岩X射线衍射分析、矿物自动定量分析等研究方法,开展泥页岩岩相类型、成因机制及控制因素分析。结果表明:基于“矿物组分-沉积构造”岩相划分准则,将目的层段泥页岩划分为块状泥岩相、薄纹层页岩相、厚纹层页岩相、变形层理页岩相、交错层理页岩相5大类及其相对应14种岩相小类; 溱潼凹陷阜二段深湖区存在多种类型细粒沉积作用,主要包括静水悬浮/絮凝沉降与化学沉淀、多流态深水细粒重力流输运、频繁古地震以及较强的湖盆底流改造作用; 陡坡带与深凹带岩相空间差异与小型断陷湖盆的狭长型盆地结构以及陆源碎屑物质搬运的距离密切相关。

考虑月度降雨变化的多情景区域滑坡易发性评价——以湖南省长沙市为例

2025年10月01 00:00

针对单一情景的滑坡易发性评价难以揭示区域滑坡发育潜势时空变化的问题,在极端降雨事件频发的背景下,以湖南省长沙市为例,融合机器学习算法与空间矩阵动态叠加分析,开展考虑月度降雨变化的滑坡易发性多情景评价研究; 结合皮尔逊(Pearson)相关系数与随机森林基尼(Gini)系数筛选出高程、距河流距离、地形起伏度等15个地质环境因子,构建滑坡易发性影响因子体系; 通过随机森林模型建模,实现基于地质环境因子的静态易发性分区; 基于此,进一步综合多年平均月降水量数据,建立“地质环境本底-动态降雨诱发”双因素叠加模型,揭示了滑坡易发性呈现显著的季节性时空响应特征。结果表明:3月湖南省长沙市东部和西部同步形成滑坡极高易发区; 随着降雨增强,滑坡高易发区自3月至5月呈现向心性扩展态势,其中东部(浏阳市)扩展速率较西部(宁乡市)快20%,形成“东强西弱”的非对称扩展特征; 6月汛期峰值时,宁乡市滑坡极高易发区占比达36.3%,空间分布呈现双核心集聚特征; 7月至8月滑坡易发等级逐步下降; 9月滑坡易发等级骤降,滑坡极高易发区完全消退; 高程(贡献度为19.40%)、坡向(15.54%)、距一级河流的距离(13.35%)及地形起伏度(12.65%)是区域滑坡发育的主控因子,降水量变化显著改变了滑坡易发性的时空分布特征。

基于改进瞬态法的非饱和土持水特性测试

2025年10月01 00:00

土壤水分特征曲线作为描述非饱和土水分运动的关键参数,对非饱和土力学研究及工程实践具有重要意义。聚焦于黄土、砂土及高岭土在不同干密度条件下的土壤水分特征曲线,采用稳态法、传统瞬态法以及改进瞬态法开展系统测试,特别探讨了基于非侵入式时域反射(TDR)技术的改进瞬态法在不同种类非饱和土持水特性测试中的适用性。结果表明:以稳态法测试结果为基准,改进瞬态法在测定不同种类非饱和土的土壤水分特征曲线时表现出色,其进气值和脱湿速率误差均控制在7%以内; 相比之下,传统瞬态法因使用侵入式时域反射仪金属探头,测试过程中对土体结构造成破坏,导致内部产生细小裂缝,进而高估了不同种类非饱和土的持水特性,具体表现为进气值偏大,误差约为15%。在测试时长方面,稳态法由于需在每级吸力平衡后方可施加下一级吸力,测试周期较长(约350 h); 传统瞬态法因试样尺寸较大,蒸发试验耗时较长,测试时长约2 000 h; 而改进瞬态法采用尺寸较小的环刀试样(直径为6.18 cm,高为2 cm),仅需50 h即可高效获取土壤水分特征曲线。

黑龙江五大连池—科洛火山群火山灰土养分富集特征及重金属污染风险

2025年10月01 00:00

火山灰土是以火山喷出物为母质的土壤,富含有机质、多种营养元素和微量元素,因其肥沃性和独特性被认为是全球农业资源的重要组成部分。为探讨火山灰土养分富集特征及评估其农业潜力与环境风险,以五大连池—科洛火山群为研究区,通过采集火山灰土、黑土和火山岩样品,测定27种元素含量及pH值,重点分析营养元素、微量元素和重金属含量及空间分布特征,基于地累积指数对土壤重金属污染进行评价。结果表明:火山灰土中TFe₂O₃含量、CaO含量、MgO含量、全磷、Zn含量和土壤有机质含量显著高于黑土,高出16.7%～81.5%,呈现典型营养元素富集特征; Cr、Ni、Zn等微量元素含量之间成显著正相关关系,其含量均高于中国土壤背景值,并高出周边黑土24.3%～152.8%; 新生代火山岩是该区火山灰土中微量元素富集的主要来源; 受火山岩母质影响,火山灰土Cr和Ni存在轻度至偏中度污染。

GNSS拒止环境下基于共视图优化的无人机影像快速位姿估计与应急建图

2025年10月01 00:00

针对全球导航卫星系统(GNSS)拒止环境下无人机影像位姿估计效率低的问题,提出一种基于共视图优化的快速建图算法——NSG-VLAD算法。首先,利用尺度不变特征变换(SIFT)提取每张影像的特征,并利用局部聚合描述子向量(VLAD)算法将特征描述子聚合为全局特征向量; 其次,利用基于图索引的近似最近邻搜索(ANNS)算法进行相似影像的检索; 最后,对各个相似影像对构建共视图,并进行迭代匹配,从而提升影像特征匹配、影像位姿估计及应急场景建图的效率。在此基础上,利用NPU_FACTORY、NPU_PARK数据集以及3个自制数据集,将NSG-VLAD算法与具有代表性的Colmap开源软件和Metashape、Pix4Dmapper商业软件进行对比验证。结果表明:NSG-VLAD算法较Metashape商业软件重建速度提高了3倍,比Colmap开源软件快10倍以上,重投影误差优于Colmap开源软件和Metashape商业软件; 在应急测绘任务下的三维点云建图速度高于同类方法至少2倍,验证了NSG-VLAD算法在地震灾害等GNSS拒止环境下的应急测绘中具有良好应用前景。