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地震电磁场—基于动电效应的波场模拟

作　者: 高永新
导　师: 胡恒山
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 固体力学
关键词: 双电层动电效应双力偶震源有限断层地震波电磁场
分类号: P631.4
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

已有观测资料表明,地震发生时地震波经过的地方会产生电磁扰动,但目前对同震电磁信号产生的机理尚不清楚,双电层动电效应可能是引起这种震电耦合现象的一种机制。岩石孔隙固-液界面处存在着双电层,当地震波在岩石中传播时会引起孔隙流体相对骨架的运动,这种相对运动带动孔隙溶液中的净剩带电离子运动产生电磁场。本文基于双电层动电效应,研究(由断层滑动导致的)天然地震诱导的电磁场。当考虑的波长以及观测点到震源的距离远大于断层特征尺度时,将断层滑动视为一个双力偶点源,论文考察了双力偶点源在无限空间中辐射的震电波场。在基于Pride动电耦合方程组推导出了全空间单点力源的位移、电场和磁场的格林函数之后,进一步推导出了地震矩张量类型点源激发的位移、电场和磁场的解析表达式,获得了双力偶点源激发的震电波场的全空间解析解。计算出了天然地震频段双力偶点源脉冲激发的位移、电场和磁场的波形。在这些波形中,能观察到伴随P波的电场信号以及伴随S波的电场和磁场信号,并发现伴随S波的电场幅度小于伴随P波的电场幅度。作者证明了在天然地震频段,在孔隙地层(动力协调或接近动力协调的孔隙地层除外)中S波诱导电场的能力弱于P波。在模拟出的波形中,还观察到了震源激发的辐射电磁波,该电磁波速度比地震波高出至少一个数量级,几乎是在地震发生后“瞬间”就到达了观测点,但是其幅度比伴随地震波的电磁场小很多。研究还发现,震电波场与观测方位有关,在某些方位观测不到P波的位移信号,但是能观测到伴随P波的电场信号;在某些方位能观测到S波的位移信号,却观测不到伴随S波的磁场信号。文中还注意到了孔隙地层弹性参数之间的协调性对伴随P波电场的影响,从动电耦合方程组出发,证明了在弹性参数满足动力协调条件的孔隙地层中,P波不诱导电场。本文还考察了双力偶点震源在分层介质中激发的震电波场。基于动电耦合方程组导出了地震矩张量类型点源对应的位移-应力-电磁间断向量,将前人计算水平分层介质中点源激发震电波场的方法推广至地震矩张量类型点源,从而可模拟空间任意走向、倾向和滑动的断层所激发的震电波场。分别模拟了双力偶点源在半空间地质模型和多层水平分层地层中激发的震电波场。结果表明,由于自由表面的存在,P波和S波到达地表观测点时都会引起同震的电场和磁场扰动,瑞利波会引起电场和水平磁场扰动。研究发现,同震的电场和磁场与相应的地震波场具有明显的相关性,它们在波形上是相似的,但存在一定的相位差。研究还表明,同震电场的幅度与孔隙流体的矿化度和黏滞系数成反比,同震磁场的幅度与黏滞系数成反比。在模拟的波形中,还观察到了早于地震波到达的临界折射电磁波信号,地层中的地震波以及辐射电磁波入射到地表均可激发出此种临界折射电磁波,该电磁波的幅度与矿化度和黏滞系数成反比,比同震电磁场的幅度弱很多。模拟结果还表明从动电效应角度计算出的震电、震磁信号较强,具有可观测性。当考虑的波长以及观测点到震源的距离接近或小于小于断层特征尺度时,断层不能视为点源,此时将断层划分为若干个子断层,每个子断层均满足点源模型假设,整个断层滑动激发的波场由这些具有不同发震时刻的点源激发的波场叠加得到。本文分别对走滑型断层和倾滑型断层激发的震电波场进行了模拟。结果表明,断层滑动引起了显著的位移场、电场和磁场扰动,并且位移场、电场和磁场的扰动都具有方向性和上盘效应,即处于断层破裂传播前方区域上的电磁扰动幅度强于处于断层破裂传播相反方向区域上的电磁扰动,处于倾滑断层上方的接收点的位移场、电场和磁场的幅度强于下盘。文中还分别考察了覆盖层和断层埋藏深度对震电波场的影响。结果表明,地震波在覆盖层中发生了多次折射和反射,使得位移、电场和磁场的扰动幅度都得到了增强;断层的埋藏深度影响地表位移、电场和磁场的幅度,埋藏深度越浅,断层在地表引起的位移、电场和磁场扰动的幅度就越大。模拟结果还表明,无论对于走滑断层还是倾滑断层,在断层破裂终止和地震波扰动过后,断层附近不仅会产生永久位移,还存在残余电场,但不存在残余磁场,其中残余电场随着时间推移缓慢衰减。研究还表明,残余电场对接收深度很敏感,其中水平残余电场的幅度在自由表面处为零,且随深度增加而增大,竖直残余电场在自由表面处最大,且随深度增加而减小。在地表附近竖直电场扰动强度(包括同震的振荡幅度以及地震波过后的残余值)比水平电场高2个数量级。深度增加到一定值,竖直电场和水平电场处于同一数量级。论文基于双力偶点源模型和有限断层滑动模型的模拟研究揭示了因动电效应产生的同震电磁场的特点,对地震电磁观测提出了如下建议:电磁观测台站的布置应避开动力协调或接近动力协调的地区,并选择在流体矿化度和黏滞系数低的地层以便获得更强的同震电磁信号;在监测电场时应重视对其竖直分量的测量。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-15
第1章绪论  15-25
  1.1 课题背景和意义  15-16
  1.2 震电效应的研究发展及国内外现状  16-25
    1.2.1 震电效应的研究发展及其在勘探方面的应用  16-21
    1.2.2 天然地震中的震电效应  21-23
    1.2.3 本文的主要研究内容  23-25
第2章孔隙介质理论与双电层动电效应  25-34
  2.1 Biot 理论  25-27
  2.2 Pride 理论  27-33
    2.2.1 双电层模型  27-28
    2.2.2 Pride 方程组  28-31
    2.2.3 平面震电耦合波的性质  31-33
  2.3 本章小结  33-34
第3章无限空间中点源辐射的震电波场特性  34-70
  3.1 震电耦合方程组的基本解  34-40
    3.1.1 全空间格林函数  34-38
    3.1.2 点力源辐射的震电波场  38-40
  3.2 双力偶激发的震电波场  40-59
    3.2.1 地震矩张量对应的波场表达式  40-43
    3.2.2 双力偶激发的电场和磁场辐射图案分析  43-52
    3.2.3 时间域波形分析  52-57
    3.2.4 不同观测方位上的震电波场  57-59
  3.3 P 波和S 波诱导电场能力的比较  59-62
  3.4 伴随P 波电场的特性与动力协调现象  62-67
    3.4.1 动力协调现象  62
    3.4.2 Vernik 骨架模量-孔隙度模型  62-64
    3.4.3 动力协调介质中快纵波不诱导电场的证明  64-66
    3.4.4 震电波场快照分析  66-67
  3.5 本章小结  67-70
第4章水平分层介质中点源激发的震电波场  70-107
  4.1 合成震电波场的方法  70-81
    4.1.1 震电耦合方程组的分解  70-73
    4.1.2 震电平面波的特征响应  73-76
    4.1.3 全局矩阵法求解水平分层介质中的波场  76-81
  4.2 空间任意取向和滑动的断层及其激发的震电波场  81-100
    4.2.1 断层的空间取向参数与等效地震矩张量  81-84
    4.2.2 双力偶在半空间模型中激发的震电波场  84-97
    4.2.3 双力偶在多层介质模型中激发的震电波场  97-100
  4.3 结果分析与讨论  100-105
  4.4 本章小结  105-107
第5章有限尺寸断层激发的震电波场  107-144
  5.1 点源叠加法求解波场  107-111
    5.1.1 断层面的离散与波场合成  107-109
    5.1.2 点源叠加法的有效性验证  109-111
  5.2 走滑型断层激发的震电波场特性  111-132
    5.2.1 模型1——半空间模型  112-124
    5.2.2 模型2——含有2km 厚度覆盖层的模型  124-131
    5.2.3 断层埋藏深度对震电波场的影响  131-132
  5.3 倾滑型断层激发的波场特性  132-137
  5.4 结果分析与讨论  137-143
  5.5 本章小结  143-144
结论  144-149
参考文献  149-158
附录1 格林函数表达式(3-23)中的复振幅系数  158-160
附录2 式(3-26)的证明  160-161
附录3 式(4-5)中矩阵A 和体力向量F 的表达  161-164
附录4 不同震源的位移-应力-电磁间断向量  164-168
攻读学位期间发表的学术论文  168-170
致谢  170-171
个人简历  171

地震电磁场—基于动电效应的波场模拟

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