Multi‐method virtual electromagnetic experiments for developing suitable monitoring designs: A fictitious CO2 sequestration scenario in Northern Germany

We present a numerical study for 3D time‐lapse electromagnetic monitoring of a fictitious CO₂ sequestration using the geometry of a real geological site and a suite of suitable electromagnetic methods with different source/receiver configurations and different sensitivity patterns. All available geological information is processed and directly implemented into the computational domain, which is discretized by unstructured tetrahedral grids. We thus demonstrate the performance capability of our numerical simulation techniques. The scenario considers a CO₂ injection in approximately 1100 m depth. The expected changes in conductivity were inferred from preceding laboratory measurements. A resistive anomaly is caused within the conductive brines of the undisturbed reservoir horizon. The resistive nature of the anomaly is enhanced by the CO₂ dissolution regime, which prevails in the high‐salinity environment. Due to the physicochemical properties of CO₂, the affected portion of the subsurface is laterally widespread but very thin. We combine controlled‐source electromagnetics, borehole transient electromagnetics, and the direct‐current resistivity method to perform a virtual experiment with the aim of scrutinizing a set of source/receiver configurations with respect to coverage, resolution, and detectability of the anomalous CO₂ plume prior to the field survey. Our simulation studies are carried out using the 3D codes developed in our working group. They are all based on linear and higher order Lagrange and Nédélec finite‐element formulations on unstructured grids, providing the necessary flexibility with respect to the complex real‐world geometry. We provide different strategies for addressing the accuracy of numerical simulations in the case of arbitrary structures. The presented computations demonstrate the expected great advantage of positioning transmitters or receivers close to the target. For direct‐current geoelectrics, 50% change in electric potential may be detected even at the Earth's surface. Monitoring with inductive methods is also promising. For a well‐positioned surface transmitter, more than 10% difference in the vertical electric field is predicted for a receiver located 200 m above the target. Our borehole transient electromagnetics results demonstrate that traditional transient electromagnetics with a vertical magnetic dipole source is not well suited for monitoring a thin horizontal resistive target. This is due to the mainly horizontal current system, which is induced by a vertical magnetic dipole.     

藏北羌塘高原双湖地表热源强度及地表水热平衡

青藏高原加热及地—气间物质能量交换对我国、东亚乃至全球的天气和气候系统都有着非常重要的作用,受客观条件限制,藏北羌塘高原腹地尚无系统的地—气相互作用过程观测。本文利用中国科学院羌塘双湖极端环境综合观测研究站2011年10月-2012年9月一年的自动气象站观测数据,分析了年内季节和日尺度下双湖地区地面加热场特征,探讨了地表能量平衡及水量平衡特征,结果表明：(1) 双湖地区年内地表热源强度基本为正,年平均热源强度为79.5 W/m²;然而地表热源强度呈现明显的季节和日变化规律,夏季热源强度大于冬季,白天热源强度大于夜间。夏季地表白天为强热源,夜间为弱热源,冬季地表白天为强热源,夜间为冷源。(2) 双湖地区地表能量分配季节变化明显,7、8月份地—气间主要以潜热交换为主,其他月份主要以感热方式进行热量交换,年平均上主要以感热交换为主,年均感热通量和潜热通量分别为55.4 W/m²和24.1 W/m²,波文比为2.3。(3) 双湖地区降水和蒸发皆主要集中在6-9月,年降雨量为332 mm,年蒸发量为312.9 mm,年水量差为19.1 mm,地表水量存在不平衡现象。(4) 双湖地区地表蒸发力很强,年潜在蒸发为1888.2 mm,年均湿润指数为0.17,属典型半干旱气候特征。     

数理统计方法在区域浅层地下水水文地球化学研究中的应用

通过对四川盆地大量浅层风化带裂隙水水化学数据的描述性分析、相关分析、因子分析,结合盆地地质-水文地质条件,分析和研究了浅层风化带裂隙水化学成分分布特征及形成作用。结果表明:区内浅层风化带裂隙水中主要阴阳离子为HCO₃^-和Ca²⁺,HCO₃^-、Ca²⁺、Mg²⁺在地下水中含量相对稳定,尤其是HCO₃^-绝对含量较大,相对含量差别不大;Na⁺+K⁺、SO₄^2-、Cl^-在地下水中含量变化较大,是随环境因素变化的敏感因子;水化学成分特征的形成受大气降水和含水系统中岩石矿物成分的影响;总溶解固体值TDS＜1 g/L的淡水在区内大面积分布,TDS值总体呈现出由盆地边缘向盆地中心的递增关系,表明溶滤作用由盆地周围向盆地中心的递增特点,但局部地区TDS值受大气降雨的影响。     

不同气候情景下华北平原蒸发与径流时空变化分析

基于中国气象局国家气候中心生成的IPCC第四次评估报告中23种气候模式的情景集成数据,采用Schreiber公式和Thornthwaite方法计算实际蒸发和径流,分析了2001-2060年SRES A1B、A2和 B1这3种情景下,华北平原气温、降水、蒸发与径流的时空变化。结果表明：未来华北平原气温呈升高趋势,且冬半年升温幅度大于夏半年;降水亦呈增加趋势,而冬半年降水增加幅度小于夏半年;与此相应,华北平原蒸发和年径流呈增加趋势,增幅和空间差异随时间推移而增大,到2041-2060年蒸发将上升7.1%～9.4%,径流将增加8.7%～10.7%。     

测定堆石体密度的附加质量法理论分析研究

附加质量法是一种新兴的堆石体密度检测方法,它具有方便、无损等优点,近年来有较为广泛的应用,但该方法的应用效果会受到震源、雨水、双峰频谱等因素的影响.本文则考虑堆石体系统振动的阻尼因素,以及附加质量块与堆石体之间的非刚性连接,分别基于质弹阻模型以及双自由度-质弹阻模型对这些因素的影响进行了理论分析.结果表明,质弹阻模型可以解释主频随震源频率和雨水而变化的现象;而双自由度-质弹阻模型则可以解释主频随质量块偏移距和触地面积而变化的现象.在此基础上,本文对附加质量法的测试过程提出了几点改进建议.     

插桩过程对临近平台桩基础的影响研究

由于大型自升式钻井船的插桩位置通常距离海上钻井与采油平台较近,桩靴的插入过程可能会对临近平台的桩基础承载力和稳定性产生不利影响。以实际工程为背景,运用球孔扩张理论推导挤土效应产生的水平附加应力大小及其范围;提出一种近似考虑动力挤土效应的拟静力数值模拟方法,分析桩靴下沉到不同深度处时的桩基承载力、桩身应力和最大水平位移,并与静力分析结果进行对比。研究表明,桩靴插入过程对周围土体产生巨大的挤压和扰动作用,使得桩基承载力降低,桩身应力变大,最大水平位移增加;与静力法计算数值相比,由挤土效应导致的单桩承载力下降6%~8%,桩身应力增大30%~80%,桩身最大变形量增长1倍。     

硫氰酸盐比色法测定钨的改进

硫氰酸盐比色法测定钨是基于W5+与硫氰酸盐形成黄色络合物。为使钨完全还原为5价,通常单独使用三氯化钛或氯化亚锡作还原剂。此方法在应用过程中,由于Ti3+本身呈紫色,加多会掩盖络合物的黄色,加少则出现硫氰酸铁之红色丝状物影响比色的情况。通过大量的试验,采用氯化亚锡-三氯化钛作双还原剂,控制最佳酸度、温度和时间,从而获得稳定的络合物,提高了分析结果的稳定性。通过对国家一级标准物质进行分析验证,从而证实方法可行,能够保证样品的测试精密度和准确度。本方法尤其适用于低含量、大批量钨矿样品的测定。     

提为反问题的数值预报方法与试验 I. 三类反问题及数值解法

提为初值问题的数值预报在通过改进数值模式、观测手段及分析方法而改进预报的同时,仍然面临着两大困难,即模式误差和初值不完整。然而我们有大量的气候演变的历史观测资料,其中蕴含着关于气候系统的信息。本文针对这两个困难,系统地提出充分利用历史资料反演订正模式和初值进而改进数值预报的三类反问题,并给出数值解法。最后将三类反问题应用于一个简单模式进行反演预报的数值试验,其数值试验结果将在本文的第二部分给出。     

MT有限元模拟中截断边界的影响

利用有限元方法进行大地电磁正演数值模拟时,由于是在有限网格区域上的数值计算,模拟计算时的网格边界为截断边界,而有限元数值模拟时的大地电磁场边界条件需要在足够远处才能够满足,所以截断边界的存在可能会使大地电磁正演模拟的边界条件无法满足,致使对计算结果和计算精度产生影响。利用有限元二维正演程序,在网格边界处加载一维情况下的大地电磁场,然后固定研究区域的网格剖分,并对一维地电模型和二维地电模型在改变有限元网格边界大小的情况下进行计算。在对一维模型进行模拟计算时,截断边界对边界条件没有影响,边界条件自然满足。而对二维模型进行模拟计算时,截断边界的存在对计算结果有较大影响。利用趋肤深度作为有限元网格边界变化的量度,通过改变网格边界大小,对不同的二维地电模型进行计算比较,总结出适合大地电磁有限元正演模拟的参考网格边界。