水平分层孔隙介质中点源激发的震电波场数值模拟及分析

为认识地震波诱导的电磁场的特性,本文研究地震波在孔隙介质中由于动电效应引起的电磁场.基于Pride弹性-电磁耦合方程组推导了双力偶震源对应的位移-应力-电磁场间断向量的表达式,模拟了双力偶源激发的震电波场.作为比较,还模拟了爆炸点源激发的震电波场.结果表明：存在伴随纵波的电场,其各分量的波形与固相位移对应分量的波形相似,但相位相反;存在伴随横波的磁场,其波形与固相位移波形相似;双力偶震源还激发出了独立传播的辐射电磁场,其速度比纵波至少高一个数量级,几乎是“瞬间同时”到达了每个接收器,但是其强度比伴随电磁场小得多,且随着源距增大而迅速减小.本文研究还表明：伴随纵波的电场强度不仅与地震纵波幅度和动电耦合系数有关,还与由介质孔隙结构决定的流-固两相动力协调性有关,存在一种动力协调介质,纵波在这种介质中不引起电场.     

矿化度界面对震电测井波场的影响

震电测井的现场试验中测得电磁首波幅值大于伴随电场幅值,这种情况在前人的理论模拟和模型井测量中从未出现.本文研究矿化度界面对震电测井波场的影响,基于Pride方程和边界连续条件模拟了震电测井波场,其中井外孔隙地层可以视为均匀的或者是径向分层的.计算结果表明：对于均匀孔隙地层,当井内流体矿化度大于井外地层孔隙流体矿化度时,电磁首波幅值可以比伴随斯通利波的电场幅值还大;井内流体矿化度与井外地层孔隙流体矿化度的比值越大,电磁首波相对伴随斯通利波的电场的幅值越大.对于径向分层地层,当井内流体矿化度大于内层地层的孔隙流体矿化度时,电磁首波幅值可以比伴随斯通利波的电场幅值还大;当外层地层矿化度小于内层地层矿化度时,电磁首波幅值可以比伴随斯通利波的电场幅值还大;增加内层地层厚度,电场全波幅值减小,电磁首波相对伴随电场的幅值减小.本文的模拟结果表明,震电测井中确实会出现电磁首波幅值比伴随电场幅值还大的情况,这对于解释震电测井的测量结果具有指导意义.

     

起伏地形下井-地电阻率观测装置的异常特征研究

在实际的地球物理勘探过程中,如何根据实际的勘探环境选择合适的观测方式和观测装置一直是地球物理勘探的重要问题之一.本文采用井.地三极和地.井三极联合电阻率观测装置对起伏地形下典型地质体模型进行正演模拟,正演响应的结果表明井-地联合装置比单一地表装置大大提高了对目标地质体位置的分辨能力.当采用井-地三极装置进行观测时,地形会导致异常响应的位置发生偏移,形态无明显改变;而采用地-井三极装置进行观测时,地形会很大程度上改变异常响应的形态和位置,很难有效推断目标地质体位置.     

起伏地表下地震波传播数值模拟方法研究进展

起伏地表是地震数据的采集、处理和解释中普遍遇到的难题.起伏地表下的地震波传播数值模拟,对起伏地表观测的地震资料处理解释有重要意义.地震波场模拟和地震波走时场分别描述地震波的动力学和运动学信息,为研究地震波传播理论的两种重要途径.本文从地震波场和地震波走时场两方面回顾和总结了起伏地表下的地震波传播数值模拟方法的研究进展,并展示了该领域的一些最新研究成果,为使读者能从中找到突破点,为起伏地表这一勘探领域的经典难题做出贡献.     

模型扩展和地形平化起伏地形处理方案在地震走时层析成像中的对比研究

中国大陆中西部普遍具有强烈的地形起伏,起伏地形会对地震资料的处理分析产生严重干扰.精细处理起伏地形成为高精度地震成像的必然要求.传统方法通过填充低速介质将不规则模型扩展为规则模型来处理起伏地形.近年来,借助坐标变换将物理空间不规则模型转换为计算空间规则模型的地形平化方法,为解决起伏地形问题提供了新思路.本文基于经典的模型扩展和新发展的地形平化方法分别处理起伏地形,从走时正演、射线追踪和反演成像三个方面,全面细致地评判了两种地形处理方法在起伏地形层析成像中的适用性和有效性.结果表明,模型扩展中阶梯状近似和填充介质速度参与计算,会造成起伏地形走时计算精度损失,出现虚假射线路径和错误出射角,导致反演分辨率降低,成像结果模糊甚至失真;地形平化中采用贴体网格参数化,能够保证离散模型完全匹配起伏地形,并且保持起伏地形在物理空间和计算空间中均为自由表面.在此基础上发展的层析成像技术具有高度的保真性,有效地处理了地形起伏效应,为起伏地形区域精细速度成像提供了有力的技术保障.

     

基于自适应有限元的起伏地形MT二维正演模拟

本文利用自适应有限元方法模拟起伏地形对大地电磁数据的影响.其中非结构化网格的自动剖分采用基于后处理技术的后验误差方法(又称Z-Z方法)进行控制、加密;通过地堑、山脊、地垒、山谷四种模型讨论了起伏地形对大地电磁TE和TM两种极化模式的视电阻率和阻抗相位曲线的影响,其中仅取10 Hz(高频)和0.01 Hz(低频)两个频点进行分析.证实了复杂的地形条件对TM模式的影响要比对TE模式的影响大得多,在TM极化模式中,低频部分的视电阻率比高频部分的更容易受起伏地形影响,而在TE极化模式中,则刚好相反等重要结论,为实际工作提供了理论指导作用.     

大回线源内三维地形对电磁响应影响研究

我国地质地形条件复杂多样,地形效应研究与影响校正是电磁勘探数据处理与解释中的重要问题,忽略地形影响将造成数据解释的较大误差.为了避免复杂的地形效应,实际勘探中尽量将发射源与接收点布置在地形平缓处,但源内仍然可能存在水坑、空洞等小型地形对电磁响应造成一定影响.本文基于有限元法实现了频域、时间域电磁法三维数值模拟,构建了大回线源内含凹陷地形的多种勘探场景,分析了地形尺寸、填充介质变化对电磁响应的影响规律.文中通过与均匀半空间解析解、前人的块状高导体模型的数值结果对比,验证了基于有限元法的频域、时域电磁法三维正演的正确性和精度.在矩形回线源内构造了不同尺寸的凹陷区域,将凹陷区域填充空气、雨水介质模拟空洞和水坑,以均匀半空间响应为参考,定量考察了空洞、水坑对电磁响应的影响程度.研究表明,回线源内地形对电磁响应的影响主要反映在较高频段和时间域早期,水坑对电磁响应的影响显著高于空洞,在实际勘探中,应尽量避开水坑,而存在较小空洞时,可忽略地形效应.     

三维起伏地形条件下航空瞬变电磁响应特征研究

航空瞬变电磁法以其速度快、成本低、通行性好等的优势能够有效的应用于地质地形条件复杂的地区.目前对于航空瞬变电磁法的研究主要基于平坦地形的理想情况,对于地形效应的研究相对较少,然而实际应用中地形不可避免,若忽略地形影响将对资料解释造成较大的误差,从而制约航空电磁方法的进一步发展.本文基于交错网格的时域有限差分方法对三维起伏地形条件下航空瞬变电磁进行正演模拟,在保证算法准确性的前提下给出大量模型算例.以经典地形模型为例,利用所给方法计算三维正演响应,结果显示起伏对于航空瞬变电磁数据有着显著的影响且影响主要集中在早期.而后,以实际地质资料为基础,构建起伏地形条件下包含多个异常体的三维复杂模型,计算了复杂模型的航空瞬变电磁响应,并给出三维全域视电阻率曲线,从而对地形效应的影响有了更加直观的认知.最后,通过大量模型讨论了地形的尺寸参数、电性参数、飞行轨迹与飞行高度等因素变化对于航空瞬变电磁数据的影响情况,并得出有价值的结论.

     

起伏地形下黄河流域太阳散射辐射分布式模拟研究

针对天文、大气、宏观地理与局地地形等因子对起伏地形下太阳散射辐射的复杂作用,将影响起伏地形下太阳散射辐射的天空因素与地面因素分开处理.通过基于数字高程模型（DEM）数据的起伏地形下天文辐射模型和地形开阔度模型,综合考虑地面因素对散射辐射的影响;基于常规地面气象站观测资料建立的水平面散射辐射模型考虑天空因素对散射辐射的影响;依据各向异性散射机理,建立了起伏地形下太阳散射辐射分布式计算模型,探索出一条利用DEM数据和常规气象观测资料实现山区太阳散射辐射定量模拟的技术路线.以1 km×1 km分辨率的DEM数据作为地形的综合反映,实现了起伏地形下黄河流域1 km×1 km分辨率的太阳散射辐射分布式模拟.     

面向含水层的震电效应数值模拟

为了更好地理解和解释土壤结构、多相流混合物和流体矿化度对震电测量的影响,本文基于Pride和Revil分别提出的动电耦合控制方程组,采用LAC广义反射与透射系数法对均匀、横向各向同性的多层含流体孔隙介质进行数值模拟研究.本文分别研究了包气带、不同土壤结构的地层和污染物侵入含水层等三种不同地质背景的震电信号.数值结果表明：含水饱和度剧烈变化比均匀变化能激发出更强的动电效应;按照含水饱和度划分的地层层厚与主导的地震波长一致时,震电信号振幅最大;由于S波比P波波长短,所以S波转换的磁场分辨“薄层”能力更强;Pride与Revil的理论模型在地层富含黏土且孔隙中流体部分饱和时存在差异;当土壤为三孔的形式且富含黏土矿物时,基本上不满足“薄”双电层假设条件;黏土含量越高,砂土含量越低,电场总场及界面响应振幅越大;和依照饱和度划分的地层对比,震电信号不仅可以探测到含非水相液体(NAPL)地层的存在,而且分辨率远高于前者;非水相液体的密度和黏度会对震电信号产生明显影响;震电信号同样对流体矿化度变化敏感,非同震电磁信号对流体矿化度变化敏感主要体现于矿化度变化界面附近的隐失波,自由表面附近接收的震电信号无...     

Seismoelectric and electroseismic responses to a point source in a marine stratified model

We investigate the seismoelectric/electroseismic wavefields excited by a point source in an air/seawater/three-layered porous medium configuration containing a hydrocarbon layer. The results show that if an explosive source for excitation is used, receivers at seafloor can record the coseismic electromagnetic fields accompanying the P, S, fluid acoustic waves and the interface responses converted from the acoustic waves at seafloor interface and from the seismic waves at the interfaces beneath the seafloor. Employing a vertical electric dipole source shows that, with the exception of the interface responses converted from electromagnetic waves at seafloor, the interface responses converted from transmitted electromagnetic waves at the interfaces beneath the seafloor can also be identified. Given that the strength of the explosive source is within excitation capability of industry air guns, the generated interface responses from the hydrocarbon layer can be detected by current electromagnetic sensors considering the low ambient noise at the seafloor. Our results demonstrate the feasibility of the seismoelectric method applied to marine hydrocarbon exploration. Electroseismic modelling results suggest that it is not practical to employ this method to prospect marine hydrocarbon layer due to the weak interface response signal, unless a much larger current is injected into seafloor.     

三维地形频率域人工源电磁场的边界元模拟方法

提出了一种用边界元法计算频率域人工源三维地形电磁场的数值模拟方法.首先用矢量积分理论和电磁场边界条件,将上半空间（空气）和下半空间（地下介质）两个区域电磁场边值问题变为仅对地形界面的两个矢量面积分方程.然后将对地形界面的积分剖分为一系列的三角单元积分.在三角单元积分中,假设单元中电磁场为无限大气空间电磁场与地形影响的叠加,并假设地形影响为常项,这样既保证了计算精度又使得计算方法简便.通过分解和计算,每一个矢量面积分方程分解为对应三个坐标方向的三个常量线性方程,这些线性方程组成了对角占优的线性方程组,可用SSOR方法求解.文中给出了垂直磁偶源的垂直磁场地形影响的例子.     

基于简化的Pride理论模拟声电效应测井响应

针对声电效应测井问题，提出了一种全波列数值模拟方法.该方法忽略声电效应测井 时转换电场对声场的影响,并将电场视为似稳场.采用点声源模型，依据Biot理论得出了井外 孔隙介质声场的表达式，运用这些表达式和似稳电场近似方法，导出了声电效应测井时转换 电场的计算公式.在计算出的转换电场波形中，有伴随斯通利波的电场、伴随纵波和横波的 电场、和临界折射电磁波场.在25kHz以下的频率范围内，依据这种方法计算出来的声电转换 波波形与依据完整Pride理论计算的波形一致.     

三维复杂山谷地形SV波垂直输入地震反应分析

本文基于显式有限元法研究了地震波垂直入射时三维复杂山谷地形对地震地面运动的影响,在数值分析中应用了三维化二维的解法和黏弹性人工边界的处理方法,实现了地震波垂直输入下三维复杂场地地震动数值模拟,并验证了该方法的合理性.以四川桃坪地区一山谷地形作为研究对象,基于地表高程数据分别建立了二维和三维场地模型,对比研究表明：在复杂地形情况下考虑二、三维模型时具有明显差异,三维模型能更真实地反映地形变化对地震动的影响,复杂地形条件下有必要考虑三维实际场地模型.本文对边界自由场的处理方法也可用于处理三维复杂场地地震动斜入射问题,为三维复杂地形场地地震效应研究提供参考.

     

地震体波斜入射情形下台阶地形引起的波型转换

本文首次对地震体波斜入射情形下竖直、倾斜台阶地形引起的波型转换进行了数值模拟，结果表明：地震波的斜入射会使台阶上角点引起更强的转换面波；转换Rayleigh面波最大振幅可达弹性半空间表面自由场位移的1.1倍左右。     

极坐标系有限差分中起伏地表边界条件处理

有限差分算法是地震学中重要的算法,在直角坐标系下同位网格有限差分中使用牵引力镜像方法,可以高效准确地处理起伏地表边界条件.当研究区域-全球尺度问题时需要考虑地球曲率影响,此时选择极坐标系更加直观方便,但已有方法无法在极坐标系下准确计算起伏地表影响.本文在极坐标系有限差分中引入贴体网格和牵引力镜像方法处理起伏地表边界条件,并在多个算例中验证算法正确性和适用范围,证明牵引力镜像法在极坐标系有限差分中有效.

     

用四面体单元模型研究三维不均匀介质中的地震波走时

利用四面体单元模型讨论了地震波在三维横向不均匀介质中的传播路径和走时的计算方法 ,给出震源所在四面体的确定方法。以华北地区大地构造模型为例 ,计算了直达波走时曲线 ,其结果较为满意     

带地形的可控源电磁法2.5维各向异性介质正演研究

目前,对于可控源电磁法各向异性介质2.5维问题,主要采用一次场、二次场分离的方法消除场源奇异性并降低截断边界对计算区域的影响.该方法数值计算精度高,但是很难适用于复杂地形条件下的数值模拟.针对复杂地形问题,基于总场的有限元方法表现出一定的优越性,然而,这种方法存在场源奇异性问题和截断边界问题.本文采用基于总场计算的方法对带地形的可控源电磁法2.5维各向异性介质进行模拟研究,推导了考虑电导率和介电常数各向异性的2.5维控制方程;引入网格加密-收缩算法降低场源奇异性的影响范围,提升数值计算效率;引入行波分解边界条件降低截断边界的影响;提出任意采样反傅里叶变换方法,快速、高精度地计算出空间域电磁场分量.理论模型数值算例中：首先,验证了本文算法的有效性;其次,对任意各向异性倾角产生的可控源电磁响应规律进行研究;最后,采用山丘模型对各向异性介质电磁场的响应规律进行了模拟和分析.