地电场水文地质因素及裂隙水 主体渗流方向逐日计算

2007年西昌和天祝地电场观测台阵建立, 随后两年西昌台阵地电场的TGF-A波形明显, 天祝台阵则以TGF-B波形出现. 台阵内各台站间地电场相关性高, 这受地电场潮汐机理的支持; 不同台站或同一台站的不同方向地电场潮汐波峰谷值差异明显, 地电场潮汐机理和场地水文地质资料表明, 这主要与岩石、 裂隙度、 裂隙优势走向、 含水度、 透水率、 水矿化度和裂隙水压力差等因素相关. 潮汐电信号形成于裂隙水或水中电荷周期性移动, 电荷被岩壁吸附或脱离产生噪声, 该信噪比在同一台阵内基本相同, 信噪比值与潮汐电信号产生过程和场地电磁背景关系密切. 应用地电场潮汐谐波振幅计算裂隙水主体渗流方向, 结果与应用潮汐波峰谷值法基本一致, 这消除了峰谷值法取值的偶然误差. 2008年汶川M_S8.0地震前, 两台阵内都存在场地裂隙水主体渗流方向的短临变异现象, 西昌台阵这种变异更明显.      

基于地电场的裂隙水主体渗流方向两种计算方法及意义

地电场是重要的地震前兆物理场,其观测数据包含了自然电场、大地电场和干扰成分.自然电场源于地下介质的物理、化学过程,通常具有相对稳定性;大地电场则来源于空间电流和潮汐力,较稳定的日变形态主要表现出TGF-A、TGF-B两种波形.依据地电场的潮汐机理,邻近大水域的场地,潮汐力作用于岩石裂隙,易使裂隙水周期性渗流,产生周期性过滤电场,形成TGF-A波形地电场;空间Sq电流在地表的感应电场易引起裂隙水周期性渗流,进而产生大地电流场,使地表出现TGF-B波形地电场.以层状介质为例,设上层介质电阻率为p1,厚度为h1;水渗流层的电阻率为ρ2,厚度为h2;下层是不导电介质.     

潮汐地电场特征及机理研究

以中国大陆一百个地电场台站的数据为分析基础,将潮汐地电场分类为近正弦形的TGF-A型和近梯形的TGF-B型.TGF-A型地电场与固体潮汐密切关联,基本分布在大面积水域附近,并与附近水域面积和距离、岩性结构、构造活动等因素有关.TGF-B型地电场与气潮作用产生的空间S_q电流关系密切,并与岩石饱和度、渗透率等有关.TGF-A型波形畸变揭示了岩石所受应力可能出现变异,导致岩石裂隙水周期性渗流突变;TGF-B型背景值跃变可能是岩石微破裂加剧导致地下水向破裂区渗流.两类潮汐地电场变异的机理可能是地电场数据应用于强震短临分析的理论基础.     

潮汐水位振幅和位相变化研究及其在地下水异常分析中的应用

将多孔介质中井-含水层-隔水层的潮汐水位振幅和位相的计算公式推广到裂隙饱水岩体潮汐分析中,分析了裂隙含水层中井与裂隙,裂隙与微裂隙的潮汐孔压响应原理和水流交换过程,提取了影响裂隙含水层潮汐水位振幅和位相的主要因素,应用井-裂隙排水产生的井水位引潮高的振幅比A和位相差a2主要随径向等效导水系数T同向变化,裂隙和微裂隙(孔隙)排水产生的孔压-引潮高的振幅比D和位相差a1主要随不排水条件下微裂隙与裂隙间振幅比E' /E反向变化的规律,提出了潮汐井水位振幅和位相的8种不同变化类型,分析了不同类型所反映的含水层形变,并用于分析东川、弥勒和西昌川03等3口井井水位振幅和位相变化的成因.     

潮汐水位振幅和位相变化研究及其在地下水异常分析中的应用

将多孔介质中井-含水层-隔水层的潮汐水位振幅和位相的计算公式推广到裂隙饱水岩体潮汐分析中, 分析了裂隙含水层中井与裂隙, 裂隙与微裂隙的潮汐孔压响应原理和水流交换过程, 提取了影响裂隙含水层潮汐水位振幅和位相的主要因素, 应用井-裂隙排水产生的井水位-引潮高的振幅比A和位相差α₂主要随径向等效导水系数T同向变化, 裂隙和微裂隙(孔隙)排水产生的孔压-引潮高的振幅比D和位相差α₁主要随不排水条件下微裂隙与裂隙间振幅比E'/E反向变化的规律, 提出了潮汐井水位振幅和位相的8种不同变化类型, 分析了不同类型所反映的含水层形变, 并用于分析东川、 弥勒和西昌川03等3口井井水位振幅和位相变化的成因.      

高压直流输电对大柏舍台地电场观测干扰的分析

在分析高压直流输电对地电场观测产生干扰原因的基础上, 应用大柏舍台近年来受高压直流输电干扰的地电场数据分析受高压直流干扰时的地电场变化、 入地电流、 换流站接地极与台址关系, 计算了高压直流输电干扰时台址岩体裂隙优势方位。 结果表明: 地电场变化形态仅在高压输电入地电流开始注入和停止注入时产生大幅度的跃变; 高压直流输电干扰时电场强度与入地电流大小成正比, 与台址到换流站接地极的距离的平方成反比; 应用地电场潮汐变化前10阶谐波振幅计算台址岩体裂隙优势方位的方法有甄别高压直流输电干扰的效果。     

海南地区地电场日变形态及主要干扰特征

海南现有的2个地电场观测台站中,文昌台位于海南东北角海边,其常态波形为TGF-A型;琼中台位于海南中部山区,主要表现为无日变形态的地电场。TGF-A型的文昌地电场频谱分布稳定,以24 h和12 h周期成分为主,而无日变型的琼中台频谱分布复杂多变。对上述2类地电场潮汐谐波振幅比T_A的计算表明,无日变型信号的T_A值明显较小,表明其通常受自然电场和干扰的影响更大而不易表现出典型的谐振形态。过去的一些研究表明,地电暴期间,同一台站地电场各测向之间变化量相差比例不大,但文昌地电台在一系列的地电暴事件中东西测向都表现出强烈的敏感性。     

青藏高原中强地震前的地电场变异及构成解析

青藏高原及邻区的地电场常态波形存在场地的选择性现象,场地的岩石结构、裂隙及裂隙水、构造活动等因素影响地电场的常态波形,较大湖泊有助于附近出现TGF-A波形,在第四纪沉积层较厚、岩石含水度高和透水性强的地区多出现TGF-B波形,而构造活动剧烈的基岩山区易出现无日变形态的地电场.该地区中强地震前,地电场的短临异常存在时间上或同步或有十余天差的丛集现象,而在空间上可分布于该区多个断层附近,表现出离散现象,这种时间上丛集、空间上离散的现象是该区域地电场短临前兆特征.引入Σ-Δ求和方法从地电场观测数据中解析出自然电场通常的稳定性,说明了中强地震之前部分地电场的背景值跃变是一种自然电场变化现象;建立潮汐谐波振幅比T_A值的概念及计算方法,从定量角度说明了青藏高原地区TGF-A、TGF-B和无日变波形的潮汐影响在逐次降低;使用一阶差分ΔE方法,解析出地电场分钟数量级的高频电磁成分,通常这种高频突跳表现出一定程度的随机性、有限性.三种不同的分析方法,从地电场的构成中解析出自然电场、大地电场和高频电磁成分的特征,为地电场的物理解析提供了理论和方法上的基础.     

中国大陆经纬链地电场日变化

本文应用中国大陆两条经度链和两条纬度链上共37个地电场台站的观测数据,研究了地电场日变化的时/频域特征,结果认为,绝大多数台站的日变化表现为两次起伏的半日波,紧临午前午后出现;按FFT振幅谱由大到小,其主要周期成分依次为12.4/12、8、24 h等,与潮汐调和分量周期一致;纬度效应主要表现为沿经度链的日变化幅度与纬度高/低有关,日变化相位差与当地时差吻合;Loyd季节的J季节日变化幅度最大、E季节其次、D季节最小.讨论了产生日变化主要周期成分的可能原因,认为月日引潮力引起的地面涡旋电流强度变化和太阳风引起的空间电磁活动共同产生了地电日变化的半日波周期成分.     

远震前的地电场潮汐波异常

分析了5次远强震前河北省昌黎台、兴济台记录到的电场异常，发现该异常主要集中在震前2个月左右的时段内， 具有很好的短临预报意义. 震前电场呈现不同的异常特征，但与固体地球潮汐波变化关系密切，如半日、半月等潮汐波周期信号增强，引起电场变化幅度增大；或本该正常记录到的潮汐变化幅度突然减小或消失；以及高频信号增多并伴有跃变现象. 分析异常产生机理认为，强震前的这种异常现象是震源区临震孕育过程中岩石弱化产生的电场异常，经自由空间或地壳传播到达地电台站后，与台站记录的电场潮汐波相叠加产生潮汐波增强或减弱现象. 高频异常可能与台站下方岩石孔隙度、渗透率等介质性质的改变有关，反映了强震的远场动态效应.      

Tidal wave anomalies of geoelectrical field before remote earthquakes

Introduction Geoelectrical field is a kind of intrinsic geophysical field of the earth, affected by kinds of current systems in outer space and electric properties of media underground, so it carries abundant interior information of the earth. Since 1981 when the group of “VAN” in Greece carried out the study of electric field observation by multi-polar distances (Varotsos and Alexopoulous, 1984a, b), more and more scientists in the world paid extensive attention to it due to its better re…     

垂直和倾斜断层围陷波的谱元法数值模拟及其波场特征对比

低速断层破碎带内传播的断层围陷波是断层内部信息的重要载体,研究其波场特征是反,演断层内部结构的关键。前人对围陷波的模拟主要针对垂直断层,但实际断层大部分是倾斜的。本文利用谱元法数值模拟地震波在垂直和倾斜断层区域的传播,并分别单独改变断层破碎带或断层两盘速度差异等参数,对比分析地震动在时域和频域发生的变化,研究这些参数对波场特征的影响。对比研究表明,当存在一定宽度的低速破碎带时,倾斜断层对近断层区域波场的影响和垂直断层相比在幅值分布上有比较显著的差异,尤其是当断层两盘同时还存在速度差异时;在倾斜和垂直断层破碎带上方,均能产生断层围陷波,其幅值特征差异不大,但在跨断层平面上的质点极化方式可能会存在差异:垂直断层围陷波质点极化方向表现为单一,而倾斜断层可能会出现多个方向。这些模拟结果有助于反演真实断层破碎带结构,也能够加深对近断层的强地面运动特征的认识。     

涪陵地区井下页岩岩芯裂缝体密度与声学性质关系实验研究

本研究对涪陵地区井下产气的龙马溪组页岩岩芯,采用三轴压机压裂制造裂缝,用工业CT扫描压裂前后岩芯,应用图像识别技术统计出裂缝体密度,又用超声脉冲透射法测定样品破裂前后裂缝方向上的纵波、单偏振方向与裂缝不同夹角的横波,来研究裂缝对页岩岩芯声学性质的影响.实验结果表明:压裂后样品的纵波速度略微降低,只有含较多内部裂隙的150#样品纵波速度减小幅度明显.压裂前后样品的纵波波形差别不大,纵波主频随裂缝体密度呈下降趋势,即压裂后纵波频谱主频向低频端移动.压裂前横波速度随自身与裂隙方位角变化而变化,与0°和180°相比,在45°和135°时略微减小,在90°时速度降低幅度最为明显并且发生相位反转.典型样品的横波主频随偏振方向与裂缝夹角的增大而逐渐向低频移动;压裂后,横波频谱杂乱,出现多处局部峰值,速度和主频较压裂前更低,平均横波波速随裂缝体密度呈明显减小趋势.平均纵横波速比随裂缝密度呈近线性增加,表明其与裂缝体密度有较强相关性.     

基于二维三分量伪谱法模拟数据的EDA介质中横波分裂研究

为了检测定向裂隙介质中横波分裂的方位属性特征,分析地震属性随裂隙密度和方位变化,采用人工吸收边界和反周期扩展边界,用伪谱法获得不同裂隙密度和不同方位地质模型三分量地面记录;应用时频分析和剪切波偏振分析研究由于裂隙方位和密度引起的横波分裂.结果显示,裂隙密度和方位决定着横波分裂的时差和偏振.快慢横波的延迟时间随裂隙密度增大而增加,不同方位相同裂隙密度的横波分裂时差有微小的变化.在45°方位检测时间延迟时间最大.通过时频分析,可以看到不同方位的瞬时主频有显著的变化,在横波分裂处瞬时主频有明显变化.因此,瞬时主频和快横波的偏振以及延迟时间可以作为裂隙方位和密度的指示.     

SKS波对地壳裂隙各向异性的响应——理论地震图研究

穿透含裂隙、裂缝地壳8s视周期的SV波的理论地震图研究表明,当地壳平均裂隙密度高于0.01即横波各向异性高于1%时,非对称面内不同方位的SKS波均发生分裂;地震图中直接的记录显示是切向T分量上出现SKS波的振动,其振幅随地壳平均裂隙密度的增大而增强,甚至能与径向R分量上的振幅相当.局限于上地壳的强裂缝各向异性同样能引起SKS分裂.长周期SKS波分裂对地壳内裂隙、裂缝的分布缺乏分辨率.直立平行排列裂隙、裂缝使得SKS分裂T分量记录特征具有方位对称性,这来自于HTI介质中快、慢波偏振和到时差随方位变化的对称性;而倾斜裂隙、裂缝使得该方位对称性丧失.对实际观测SKS分裂的偏振解释需要考虑地壳裂隙各向异性,特别是断裂附近的强裂缝各向异性.     

Microseismic Full Waveform Modeling in Anisotropic Media with Moment Tensor Implementation

Seismic anisotropy which is common in shale and fractured rocks will cause travel-time and amplitude discrepancy in different propagation directions. For microseismic monitoring which is often implemented in shale or fractured rocks, seismic anisotropy needs to be carefully accounted for in source location and mechanism determination. We have developed an efficient finite-difference full waveform modeling tool with an arbitrary moment tensor source. The modeling tool is suitable for simulating wave propagation in anisotropic media for microseismic monitoring. As both dislocation and non-double-couple source are often observed in microseismic monitoring, an arbitrary moment tensor source is implemented in our forward modeling tool. The increments of shear stress are equally distributed on the staggered grid to implement an accurate and symmetric moment tensor source. Our modeling tool provides an efficient way to obtain the Green’s function in anisotropic media, which is the key of anisotropic moment tensor inversion and source mechanism characterization in microseismic monitoring. In our research, wavefields in anisotropic media have been carefully simulated and analyzed in both surface array and downhole array. The variation characteristics of travel-time and amplitude of direct P- and S-wave in vertical transverse isotropic media and horizontal transverse isotropic media are distinct, thus providing a feasible way to distinguish and identify the anisotropic type of the subsurface. Analyzing the travel-times and amplitudes of the microseismic data is a feasible way to estimate the orientation and density of the induced cracks in hydraulic fracturing. Our anisotropic modeling tool can be used to generate and analyze microseismic full wavefield with full moment tensor source in anisotropic media, which can help promote the anisotropic interpretation and inversion of field data.