地震電磁場(chǎng)-基于動(dòng)電效應(yīng)的波場(chǎng)模擬.pdf

1、已有觀測(cè)資料表明，地震發(fā)生時(shí)地震波經(jīng)過的地方會(huì)產(chǎn)生電磁擾動(dòng)，但目前對(duì)同震電磁信號(hào)產(chǎn)生的機(jī)理尚不清楚，雙電層動(dòng)電效應(yīng)可能是引起這種震電耦合現(xiàn)象的一種機(jī)制。巖石孔隙固-液界面處存在著雙電層，當(dāng)?shù)卣鸩ㄔ趲r石中傳播時(shí)會(huì)引起孔隙流體相對(duì)骨架的運(yùn)動(dòng)，這種相對(duì)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)孔隙溶液中的凈剩帶電離子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電磁場(chǎng)。本文基于雙電層動(dòng)電效應(yīng)，研究（由斷層滑動(dòng)導(dǎo)致的）天然地震誘導(dǎo)的電磁場(chǎng)。
　　當(dāng)考慮的波長以及觀測(cè)點(diǎn)到震源的距離遠(yuǎn)大于斷層特征尺度時(shí)，將斷層滑

2、動(dòng)視為一個(gè)雙力偶點(diǎn)源，論文考察了雙力偶點(diǎn)源在無限空間中輻射的震電波場(chǎng)。在基于Pride動(dòng)電耦合方程組推導(dǎo)出了全空間單點(diǎn)力源的位移、電場(chǎng)和磁場(chǎng)的格林函數(shù)之后，進(jìn)一步推導(dǎo)出了地震矩張量類型點(diǎn)源激發(fā)的位移、電場(chǎng)和磁場(chǎng)的解析表達(dá)式，獲得了雙力偶點(diǎn)源激發(fā)的震電波場(chǎng)的全空間解析解。計(jì)算出了天然地震頻段雙力偶點(diǎn)源脈沖激發(fā)的位移、電場(chǎng)和磁場(chǎng)的波形。在這些波形中，能觀察到伴隨 P波的電場(chǎng)信號(hào)以及伴隨 S波的電場(chǎng)和磁場(chǎng)信號(hào)，并發(fā)現(xiàn)伴隨 S波的電場(chǎng)幅度小于伴

3、隨 P波的電場(chǎng)幅度。作者證明了在天然地震頻段，在孔隙地層（動(dòng)力協(xié)調(diào)或接近動(dòng)力協(xié)調(diào)的孔隙地層除外）中S波誘導(dǎo)電場(chǎng)的能力弱于P波。在模擬出的波形中，還觀察到了震源激發(fā)的輻射電磁波，該電磁波速度比地震波高出至少一個(gè)數(shù)量級(jí)，幾乎是在地震發(fā)生后“瞬間”就到達(dá)了觀測(cè)點(diǎn)，但是其幅度比伴隨地震波的電磁場(chǎng)小很多。研究還發(fā)現(xiàn)，震電波場(chǎng)與觀測(cè)方位有關(guān)，在某些方位觀測(cè)不到P波的位移信號(hào)，但是能觀測(cè)到伴隨P波的電場(chǎng)信號(hào)；在某些方位能觀測(cè)到S波的位移信號(hào)，卻觀測(cè)不

4、到伴隨S波的磁場(chǎng)信號(hào)。文中還注意到了孔隙地層彈性參數(shù)之間的協(xié)調(diào)性對(duì)伴隨P波電場(chǎng)的影響，從動(dòng)電耦合方程組出發(fā)，證明了在彈性參數(shù)滿足動(dòng)力協(xié)調(diào)條件的孔隙地層中，P波不誘導(dǎo)電場(chǎng)。
　　本文還考察了雙力偶點(diǎn)震源在分層介質(zhì)中激發(fā)的震電波場(chǎng)。基于動(dòng)電耦合方程組導(dǎo)出了地震矩張量類型點(diǎn)源對(duì)應(yīng)的位移-應(yīng)力-電磁間斷向量，將前人計(jì)算水平分層介質(zhì)中點(diǎn)源激發(fā)震電波場(chǎng)的方法推廣至地震矩張量類型點(diǎn)源，從而可模擬空間任意走向、傾向和滑動(dòng)的斷層所激發(fā)的震電波場(chǎng)。分

5、別模擬了雙力偶點(diǎn)源在半空間地質(zhì)模型和多層水平分層地層中激發(fā)的震電波場(chǎng)。結(jié)果表明，由于自由表面的存在，P波和S波到達(dá)地表觀測(cè)點(diǎn)時(shí)都會(huì)引起同震的電場(chǎng)和磁場(chǎng)擾動(dòng)，瑞利波會(huì)引起電場(chǎng)和水平磁場(chǎng)擾動(dòng)。研究發(fā)現(xiàn)，同震的電場(chǎng)和磁場(chǎng)與相應(yīng)的地震波場(chǎng)具有明顯的相關(guān)性，它們?cè)诓ㄐ紊鲜窍嗨频模嬖谝欢ǖ南辔徊?。研究還表明，同震電場(chǎng)的幅度與孔隙流體的礦化度和黏滯系數(shù)成反比，同震磁場(chǎng)的幅度與黏滯系數(shù)成反比。在模擬的波形中，還觀察到了早于地震波到達(dá)的臨界折射電磁波

6、信號(hào)，地層中的地震波以及輻射電磁波入射到地表均可激發(fā)出此種臨界折射電磁波，該電磁波的幅度與礦化度和黏滯系數(shù)成反比，比同震電磁場(chǎng)的幅度弱很多。模擬結(jié)果還表明從動(dòng)電效應(yīng)角度計(jì)算出的震電、震磁信號(hào)較強(qiáng)，具有可觀測(cè)性。
　　當(dāng)考慮的波長以及觀測(cè)點(diǎn)到震源的距離接近或小于小于斷層特征尺度時(shí)，斷層不能視為點(diǎn)源，此時(shí)將斷層劃分為若干個(gè)子斷層，每個(gè)子斷層均滿足點(diǎn)源模型假設(shè)，整個(gè)斷層滑動(dòng)激發(fā)的波場(chǎng)由這些具有不同發(fā)震時(shí)刻的點(diǎn)源激發(fā)的波場(chǎng)疊加得到。本文分

7、別對(duì)走滑型斷層和傾滑型斷層激發(fā)的震電波場(chǎng)進(jìn)行了模擬。結(jié)果表明，斷層滑動(dòng)引起了顯著的位移場(chǎng)、電場(chǎng)和磁場(chǎng)擾動(dòng)，并且位移場(chǎng)、電場(chǎng)和磁場(chǎng)的擾動(dòng)都具有方向性和上盤效應(yīng)，即處于斷層破裂傳播前方區(qū)域上的電磁擾動(dòng)幅度強(qiáng)于處于斷層破裂傳播相反方向區(qū)域上的電磁擾動(dòng)，處于傾滑斷層上方的接收點(diǎn)的位移場(chǎng)、電場(chǎng)和磁場(chǎng)的幅度強(qiáng)于下盤。文中還分別考察了覆蓋層和斷層埋藏深度對(duì)震電波場(chǎng)的影響。結(jié)果表明，地震波在覆蓋層中發(fā)生了多次折射和反射，使得位移、電場(chǎng)和磁場(chǎng)的擾動(dòng)幅度都

8、得到了增強(qiáng)；斷層的埋藏深度影響地表位移、電場(chǎng)和磁場(chǎng)的幅度，埋藏深度越淺，斷層在地表引起的位移、電場(chǎng)和磁場(chǎng)擾動(dòng)的幅度就越大。
　　模擬結(jié)果還表明，無論對(duì)于走滑斷層還是傾滑斷層，在斷層破裂終止和地震波擾動(dòng)過后，斷層附近不僅會(huì)產(chǎn)生永久位移，還存在殘余電場(chǎng)，但不存在殘余磁場(chǎng)，其中殘余電場(chǎng)隨著時(shí)間推移緩慢衰減。研究還表明，殘余電場(chǎng)對(duì)接收深度很敏感，其中水平殘余電場(chǎng)的幅度在自由表面處為零，且隨深度增加而增大，豎直殘余電場(chǎng)在自由表面處最大，且隨

9、深度增加而減小。在地表附近豎直電場(chǎng)擾動(dòng)強(qiáng)度（包括同震的振蕩幅度以及地震波過后的殘余值）比水平電場(chǎng)高2個(gè)數(shù)量級(jí)。深度增加到一定值，豎直電場(chǎng)和水平電場(chǎng)處于同一數(shù)量級(jí)。
　　論文基于雙力偶點(diǎn)源模型和有限斷層滑動(dòng)模型的模擬研究揭示了因動(dòng)電效應(yīng)產(chǎn)生的同震電磁場(chǎng)的特點(diǎn)，對(duì)地震電磁觀測(cè)提出了如下建議：電磁觀測(cè)臺(tái)站的布置應(yīng)避開動(dòng)力協(xié)調(diào)或接近動(dòng)力協(xié)調(diào)的地區(qū)，并選擇在流體礦化度和黏滯系數(shù)低的地層以便獲得更強(qiáng)的同震電磁信號(hào)；在監(jiān)測(cè)電場(chǎng)時(shí)應(yīng)重視對(duì)其豎直分