地震電磁場-基于動電效應(yīng)的波場模擬.pdf

1、已有觀測資料表明，地震發(fā)生時地震波經(jīng)過的地方會產(chǎn)生電磁擾動，但目前對同震電磁信號產(chǎn)生的機理尚不清楚，雙電層動電效應(yīng)可能是引起這種震電耦合現(xiàn)象的一種機制。巖石孔隙固-液界面處存在著雙電層，當(dāng)?shù)卣鸩ㄔ趲r石中傳播時會引起孔隙流體相對骨架的運動，這種相對運動帶動孔隙溶液中的凈剩帶電離子運動產(chǎn)生電磁場。本文基于雙電層動電效應(yīng)，研究（由斷層滑動導(dǎo)致的）天然地震誘導(dǎo)的電磁場。
　　當(dāng)考慮的波長以及觀測點到震源的距離遠大于斷層特征尺度時，將斷層滑

2、動視為一個雙力偶點源，論文考察了雙力偶點源在無限空間中輻射的震電波場。在基于Pride動電耦合方程組推導(dǎo)出了全空間單點力源的位移、電場和磁場的格林函數(shù)之后，進一步推導(dǎo)出了地震矩張量類型點源激發(fā)的位移、電場和磁場的解析表達式，獲得了雙力偶點源激發(fā)的震電波場的全空間解析解。計算出了天然地震頻段雙力偶點源脈沖激發(fā)的位移、電場和磁場的波形。在這些波形中，能觀察到伴隨 P波的電場信號以及伴隨 S波的電場和磁場信號，并發(fā)現(xiàn)伴隨 S波的電場幅度小于伴

3、隨 P波的電場幅度。作者證明了在天然地震頻段，在孔隙地層（動力協(xié)調(diào)或接近動力協(xié)調(diào)的孔隙地層除外）中S波誘導(dǎo)電場的能力弱于P波。在模擬出的波形中，還觀察到了震源激發(fā)的輻射電磁波，該電磁波速度比地震波高出至少一個數(shù)量級，幾乎是在地震發(fā)生后“瞬間”就到達了觀測點，但是其幅度比伴隨地震波的電磁場小很多。研究還發(fā)現(xiàn)，震電波場與觀測方位有關(guān)，在某些方位觀測不到P波的位移信號，但是能觀測到伴隨P波的電場信號；在某些方位能觀測到S波的位移信號，卻觀測不

4、到伴隨S波的磁場信號。文中還注意到了孔隙地層彈性參數(shù)之間的協(xié)調(diào)性對伴隨P波電場的影響，從動電耦合方程組出發(fā)，證明了在彈性參數(shù)滿足動力協(xié)調(diào)條件的孔隙地層中，P波不誘導(dǎo)電場。
　　本文還考察了雙力偶點震源在分層介質(zhì)中激發(fā)的震電波場。基于動電耦合方程組導(dǎo)出了地震矩張量類型點源對應(yīng)的位移-應(yīng)力-電磁間斷向量，將前人計算水平分層介質(zhì)中點源激發(fā)震電波場的方法推廣至地震矩張量類型點源，從而可模擬空間任意走向、傾向和滑動的斷層所激發(fā)的震電波場。分

5、別模擬了雙力偶點源在半空間地質(zhì)模型和多層水平分層地層中激發(fā)的震電波場。結(jié)果表明，由于自由表面的存在，P波和S波到達地表觀測點時都會引起同震的電場和磁場擾動，瑞利波會引起電場和水平磁場擾動。研究發(fā)現(xiàn)，同震的電場和磁場與相應(yīng)的地震波場具有明顯的相關(guān)性，它們在波形上是相似的，但存在一定的相位差。研究還表明，同震電場的幅度與孔隙流體的礦化度和黏滯系數(shù)成反比，同震磁場的幅度與黏滯系數(shù)成反比。在模擬的波形中，還觀察到了早于地震波到達的臨界折射電磁波

6、信號，地層中的地震波以及輻射電磁波入射到地表均可激發(fā)出此種臨界折射電磁波，該電磁波的幅度與礦化度和黏滯系數(shù)成反比，比同震電磁場的幅度弱很多。模擬結(jié)果還表明從動電效應(yīng)角度計算出的震電、震磁信號較強，具有可觀測性。
　　當(dāng)考慮的波長以及觀測點到震源的距離接近或小于小于斷層特征尺度時，斷層不能視為點源，此時將斷層劃分為若干個子斷層，每個子斷層均滿足點源模型假設(shè)，整個斷層滑動激發(fā)的波場由這些具有不同發(fā)震時刻的點源激發(fā)的波場疊加得到。本文分

7、別對走滑型斷層和傾滑型斷層激發(fā)的震電波場進行了模擬。結(jié)果表明，斷層滑動引起了顯著的位移場、電場和磁場擾動，并且位移場、電場和磁場的擾動都具有方向性和上盤效應(yīng)，即處于斷層破裂傳播前方區(qū)域上的電磁擾動幅度強于處于斷層破裂傳播相反方向區(qū)域上的電磁擾動，處于傾滑斷層上方的接收點的位移場、電場和磁場的幅度強于下盤。文中還分別考察了覆蓋層和斷層埋藏深度對震電波場的影響。結(jié)果表明，地震波在覆蓋層中發(fā)生了多次折射和反射，使得位移、電場和磁場的擾動幅度都

8、得到了增強；斷層的埋藏深度影響地表位移、電場和磁場的幅度，埋藏深度越淺，斷層在地表引起的位移、電場和磁場擾動的幅度就越大。
　　模擬結(jié)果還表明，無論對于走滑斷層還是傾滑斷層，在斷層破裂終止和地震波擾動過后，斷層附近不僅會產(chǎn)生永久位移，還存在殘余電場，但不存在殘余磁場，其中殘余電場隨著時間推移緩慢衰減。研究還表明，殘余電場對接收深度很敏感，其中水平殘余電場的幅度在自由表面處為零，且隨深度增加而增大，豎直殘余電場在自由表面處最大，且隨

9、深度增加而減小。在地表附近豎直電場擾動強度（包括同震的振蕩幅度以及地震波過后的殘余值）比水平電場高2個數(shù)量級。深度增加到一定值，豎直電場和水平電場處于同一數(shù)量級。
　　論文基于雙力偶點源模型和有限斷層滑動模型的模擬研究揭示了因動電效應(yīng)產(chǎn)生的同震電磁場的特點，對地震電磁觀測提出了如下建議：電磁觀測臺站的布置應(yīng)避開動力協(xié)調(diào)或接近動力協(xié)調(diào)的地區(qū)，并選擇在流體礦化度和黏滯系數(shù)低的地層以便獲得更強的同震電磁信號；在監(jiān)測電場時應(yīng)重視對其豎直分