基于电磁场似稳近似的震电波场模拟及误差分析

发布时间：2020-04-26 03:51

【摘要】：由于双电层~([1])的存在,流体饱和孔隙介质中弹性波与电磁波之间存在耦合。当弹性波在孔隙介质中传播时会产生伴随电磁场,另外,弹性波遇到介质分界面时还会激发出独立于地震波传播的电磁波。这两种电磁信号统称为震电信号。震电效应是产生地震电磁场的一个有效机制。研究震电效应对地球物理勘探以及地震电磁现象的解释有重要意义。在震电波场模拟中,特别是采用时间域数值方法计算震源的震电波场,为了避免弹性波和电磁波速度相差过大带来的计算困难,通常采用电磁场似稳近似条件,有时也称准静态近似。但前人并没有对电磁场似稳近似带来的误差进行分析,本文通过研究对比全耦合情况下震电波场的精确解和采用似稳近似计算得到的近似解,研究似稳近似带来的误差及其影响因素,并探究适宜使用似稳近似方法的条件。本文基于水平分层介质模型研究似稳近似所带来的误差(通常应用水平分层模型去近似地下结构)。我们在采用似稳近似情况下得到简化的Pride方程组,并且先由Biot方程中解出地震波场。然后,采用电磁场似稳近似从电势的泊松方程中解出电磁场。将上述解出的震电波场的近似解与采用完整Pride方程组解出的震电波场精确解作对比。我们发现:(1)对于接收器远离自由表面,同震电磁场信号由体波产生的情况,似稳近似忽略了S波伴随电场;在模拟P波时,似稳近似方法几乎不产生误差;在模拟S波的同震磁场时,似稳近似方法带来了显著的误差。误差随着矿化度的的增加而增加,随着频率的增加而减小。(2)当接收器距离自由表面很近时,似稳近似方法所带来的误差可大可小,而且依赖于频率和矿化度:在低频低矿化度时或者在高频时,似稳近似方法在模拟水平同震电场时只产生较小的误差;在低频高矿化度时,似稳近似方法在模拟水平同震电场时会产生比较大的误差;当接收器距离自由表面很近时,似稳近似方法在模拟竖向电场时几乎不产生误差。(3)对于由直达P波在自由表面产生的界面电磁波,只有当电磁波的波长远大于源和接收点的距离时,似稳近似方法才能得出精确的结果。本文研究了似稳近似的误差与影响因素,厘清了可以使用似稳近似的条件,所获得的结果可以为今后震电现象以及地震电磁信号的解释提供重要的理论基础。此外,本文还初步研究了VESP模型和双井模型实验,发现二者不仅分辨率高,还可以方便的观察各种类型的波,同时可以直接地研究各种波的生成、转化的过程,这为为以后的研究做了铺垫。本研究得到国家自然科学基金(No.41474038和41774048)的资助。
【图文】：

模型图,双电层,模型,示意图

图 2.1 双电层示意图: Guoy-Chapman 模型hematic drawing of the electric double layer: Guoy-Cha组于力学和电磁学的基本原理，通过严密而繁杂的理论合的控制方程组。在实际推导中，采用的假设有：颗粒是各向同性的，固相是相连的，孔隙是连通的，流体；的波长远大于颗粒和孔隙的尺度；是绝缘的，被吸附的电荷均匀分布在固相骨架表面；骨架表面至剪切滑移面之间的电荷不能迁移，不参与近似为理想电解质溶液，扩散层的离子服从 Maxw律（这要求矿化度小于 1 mol/L ）；层是“薄”的，Debye 长度比孔道半径小得多；到达之前，孔隙介质在宏观上无净剩电荷；

波形,地质模型,剖面示意图,空间结构

第三章全耦合情况下水平分层孔隙介质的震电波场求解第三章全耦合情况下水平分层孔隙介质的震电波场求解性波在水平分层介质中的传播规律是研究复杂地层结构的基础。为了理解场的激发和在介质中的传播规律，我们首先通过理论模拟在两个半空间结震诱导各种场的特性，接着进一步推广至多层孔隙介质。本章基于孔隙介电响应，模拟弹性波在水平分层介质中的传播规律，通过引入赫兹矢量点源在孔隙介质中的波场，然后研究在分界面处发生波形转换时，孔隙介由表面的响应，最终推导出电磁场的频域解析表达式，，最后采用实轴积分电磁场的时域全波波形。空间介质模型
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P631;P315.72

【参考文献】