面向含水层的震电效应数值模拟_马杰.pdf

2023 年第 38 卷 第2期2023，38(2):0846-0866地球物理学进展Progress in Geophysicshttp:/wwwprogeophyscnISSN 1004-2903CN 11-2982/P马杰，任恒鑫，汤井田 2023 面向含水层的震电效应数值模拟 地球物理学进展，38(2):0846-0866，doi:10 6038/pg2023FF0582Ma Jie，EN HengXin，TANG JingTian 2023 Numerical simulation of seismoelectric effect of aquifer Progress in Geophysics(in Chinese)，38(2):0846-0866，doi:106038/pg2023FF0582面向含水层的震电效应数值模拟Numerical simulation of seismoelectric effect of aquifer马杰1，任恒鑫2*，汤井田1Ma Jie1，EN HengXin2*，TANG JingTian1收稿日期2022-03-02;修回日期2022-07-09投稿网址http:/www progeophys cn基金项目国家重点研发计划“深地资源勘查开采”重点专项(2018YFC0603202)和国家自然科学基金项目(41922027，41830107)联合资助第一作者简介马杰，男，1997 年生，硕士研究生，研究方向为动电效应数值模拟 E-mail:195011060 csu edu cn*通讯作者任恒鑫，男，1982 年生，博士，副教授，研究方向为动电效应 E-mail:renhx sustech edu cn1 中南大学地球科学与信息物理学院，长沙4100832 南方科技大学地球与空间科学系，深圳5180551 School of Geosciences and Info-Physics，Central South University，Changsha 410083，China2 Department of Earth and Space Sciences，Southern University of Science and Technology，Shenzhen 518055，China摘要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 evil 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 evil 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法辨别地层界面处流体矿化度的变化，地层界面附近接收的震电信号可以对依矿化度分类的天然水类型进行分AbstractIn order to better understand and explain theinfluence of soil structure，multiphase flow mixture andfluid salinity on seismoelectric measurement，the LACgeneralized reflection and transmission coefficient methodis used to simulate the homogeneous，transverse-isotropicmultilayer fluid containing porous media based on theelectrockinetic coupling control equations proposed byPride and evil respectivelyIn this paper，seismicsignals in different geological backgrounds，such as vadosezone，stratum with different soil structure and pollutantintrusion intoaquifer，arestudiedrespectivelyThenumerical results show that the electrockinetic effect isstronger when the water saturation changes violently thanwhen the water saturation changes uniformly When thelayer thickness divided by water saturation is consistentwith the dominant seismic wavelength，the amplitude ofseismoelectric signals is the largest，and the magnetic fieldof S-wave conversion is stronger in distinguishing“thinlayer”due to the shorter wavelength of S wave than PwavePride and evils theoretical model have somedifferences when the formation is rich in clay and the fluidin the pore is partially saturated When the soil is in theform of three pores and rich in clay minerals，it basicallydoes not meet the“thin”double electric layer hypothesisThe higher the clay content and the lower the sandcontent，the greater the amplitude of the total electric fieldand interface response Compared with the strata dividedby saturation，seismoelectric signals can not only detectthe presence of Non-Aqueous Phase Liquid(NAPL)，butalso have a much higher resolutionThe density andviscosity of non-aqueous liquid have obvious influence onseismoelectric signalsSeismoelectric signals are alsosensitive to fluid salinity changes The sensitivity of non-coseismic electromagnetic signal to fluid salinity change is2023，38(2)马杰，等:面向含水层的震电效应数值模拟(www progeophys cn)辨 本文的研究对震电效应在地下水勘探的应用上具有借鉴价值关键词震电效应;数值模拟;包气带;土壤结构;地下水污染中图分类号P631文献标识码Adoi:10 6038/pg2023FF0582mainly reflected in the evanescent wave near the salinitychange interface The seismoelectric signals received nearthe free surface cannot distinguish the change of fluidsalinity at the formation interface，but the seismoelectricsignalsreceivedneartheformationinterfacecandistinguish the natural water types classified according tothe salinity The study in this paper has reference value forthe application of seismoelectric effect in groundwaterexplorationKeywordsSeismoelectric effect;Numerical simulation;Vadose zone;Soil structure;Groundwater pollution0引言动电效应，指含流体孔隙介质中与双电层有关的弹性波场与电磁波场之间的相互作用，从而引起介质中物理场特性发生变化的效应 一般的，我们从激发源的角度将动电效应分为震电效应和电震效应两种，前者指由弹性波诱导的孔隙水渗流引起波场尺度上的净剩电荷累积，形成流动电势;后者指在交变电场作用下，净剩电荷运动导致孔隙水流动，形成电渗(关威等，2019)Thompson(1936)年发现了第一类震电效应，即电阻效应 Ivanov(1939)发现了第二类震电效应，即流动电势效应 Frenkel(2005)首次发表了关于震电效应的理论，该理论假设孔隙介质中流动电流和传导电流之和处处为零 Biot(1956a，b)提出了地震波在充满黏性流体的多孔介质中传播规律的理论，促进了震电勘探理论的发展 基于 Onsager(1931)的耦合方程，Neev 和 Yeatts(1989)对包括动电效应在内的 Biot 理论进行了概括，但是这组方程没有考虑完整的 Maxwell 方程组，且只考虑到电荷分离产生的电场 Pride(1994)与 Haartsen 和 Pride(1997)提出了电磁与孔隙弹性波耦合理论并进行了数值模拟期间，Haartsen 和 Pride(1997)在方程中考虑了各向异性 Pride 动电耦合控制方程组是目前大多数震电效应数值模拟的理论基础 Mikhailov 等(2000)对井中震电测量的理论和实际资料进行了对比分析，基于 Pride 理论提出了低频斯通利波激发极化电场的理论模型 由于 Pride 理论基于“薄”双电层理论，主要适用于渗透率较大的砂岩，故 evil 和 Linde(2006)基于过量电荷建立了一套新的动电耦合控制方程组，“薄”或者“厚”双电层假设均适用，最开始是考虑到黏土含量高的孔隙介质(evil andLeroy，2004)，然后扩展到重油 探 测(evil andJardani，2010)，evil 和 Mahardika(2013)将其扩展到两相流孔隙介质，Jardani 和 evil(2015)进一步发展了 evil 理论，使其适用于多相流情况