磁暴情況下復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)三維地電流場(chǎng)有限元分析.pdf

1、大地電導(dǎo)率構(gòu)造的三維分布會(huì)對(duì)磁暴時(shí)的地電流場(chǎng)產(chǎn)生重要的影響。獲得磁暴時(shí)地下感應(yīng)電流在大地導(dǎo)體中的流通規(guī)律及其對(duì)地面電場(chǎng)的影響機(jī)理，是精確評(píng)估電網(wǎng)和油氣管道中的地磁感應(yīng)電流(GIC)水平、預(yù)測(cè)防治空間天氣災(zāi)害的重要前提。但是，目前研究沒(méi)有充分考慮電導(dǎo)率的橫向變化對(duì)地電流場(chǎng)的影響。本論文對(duì)復(fù)雜電導(dǎo)率分布下的磁暴地電流場(chǎng)進(jìn)行了建模和數(shù)值分析。主要研究?jī)?nèi)容及取得的成果如下:
　　為了解決現(xiàn)有方法只能在電導(dǎo)率隨深度變化的一維結(jié)構(gòu)下，解析求解

2、地電流場(chǎng)的問(wèn)題，首次提出應(yīng)用有限元法對(duì)復(fù)雜電導(dǎo)率結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，數(shù)值求解磁暴地電流場(chǎng)。針對(duì)一維電導(dǎo)率結(jié)構(gòu)建立了二維場(chǎng)模型，比較了有限元法和解析法的計(jì)算結(jié)果，驗(yàn)證了有限元法中邊界設(shè)置、邊界條件、網(wǎng)格剖分的有效性，表明有限元建模方法可行。
　　針對(duì)電導(dǎo)率隨深度和單一橫向變化的二維結(jié)構(gòu)，用有限元法分析了地面電磁場(chǎng)的分布情形和地下電流的流通規(guī)律，研究了場(chǎng)源的不同形態(tài)、電導(dǎo)率結(jié)構(gòu)的不同分布方式對(duì)地電流場(chǎng)的影響。在面電流場(chǎng)源的情況下，揭示了電導(dǎo)

3、率橫向變化導(dǎo)致的鄰近效應(yīng)和趨膚效應(yīng)。研究結(jié)果表明，將含有橫向差異的電導(dǎo)率結(jié)構(gòu)分區(qū)成多個(gè)一維結(jié)構(gòu)，解析求解地電流場(chǎng)的方法，存在較大誤差。
　　對(duì)于三維電導(dǎo)率結(jié)構(gòu)下的地電流場(chǎng)求解問(wèn)題，提出了一種應(yīng)用地磁測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算三維場(chǎng)的建模方法。該方法只把大地導(dǎo)體作為求解區(qū)域，將地面磁場(chǎng)作為模型邊界條件，縮小了計(jì)算規(guī)模，提高了計(jì)算效率。應(yīng)用該方法對(duì)典型三維電導(dǎo)率結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析，求解了地下感應(yīng)電流、地面電場(chǎng)及其沿不同路徑積分的電位差結(jié)果，反映出電導(dǎo)

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