磁暴情況下復雜地質結構三維地電流場有限元分析.pdf

1、大地電導率構造的三維分布會對磁暴時的地電流場產生重要的影響。獲得磁暴時地下感應電流在大地導體中的流通規(guī)律及其對地面電場的影響機理，是精確評估電網和油氣管道中的地磁感應電流(GIC)水平、預測防治空間天氣災害的重要前提。但是，目前研究沒有充分考慮電導率的橫向變化對地電流場的影響。本論文對復雜電導率分布下的磁暴地電流場進行了建模和數值分析。主要研究內容及取得的成果如下:
　　為了解決現有方法只能在電導率隨深度變化的一維結構下，解析求解

2、地電流場的問題，首次提出應用有限元法對復雜電導率結構進行建模，數值求解磁暴地電流場。針對一維電導率結構建立了二維場模型，比較了有限元法和解析法的計算結果，驗證了有限元法中邊界設置、邊界條件、網格剖分的有效性，表明有限元建模方法可行。
　　針對電導率隨深度和單一橫向變化的二維結構，用有限元法分析了地面電磁場的分布情形和地下電流的流通規(guī)律，研究了場源的不同形態(tài)、電導率結構的不同分布方式對地電流場的影響。在面電流場源的情況下，揭示了電導

3、率橫向變化導致的鄰近效應和趨膚效應。研究結果表明，將含有橫向差異的電導率結構分區(qū)成多個一維結構，解析求解地電流場的方法，存在較大誤差。
　　對于三維電導率結構下的地電流場求解問題，提出了一種應用地磁測量數據計算三維場的建模方法。該方法只把大地導體作為求解區(qū)域，將地面磁場作為模型邊界條件，縮小了計算規(guī)模，提高了計算效率。應用該方法對典型三維電導率結構進行建模分析，求解了地下感應電流、地面電場及其沿不同路徑積分的電位差結果，反映出電導

4、率的三維分布對地電流場影響的復雜性。
　　利用大地電磁測深法獲得的電導率反演數據，建立了廣東地區(qū)電導率模型。以廣州地磁臺地磁場記錄數據為邊界條件，在考慮了海陸電導率差異的前提下，針對2004年11月磁暴引起GIC水平最嚴重的時段，用有限元法求解了廣東地區(qū)三維地電流場分布，獲得了不同變電站接地網之間的電位差;依照同樣的思路和方法，利用電導率反演數據建立了華北地區(qū)的三維電導率模型，針對同一次磁暴地磁變化劇烈的時段，以同一緯度范圍內，距