薄互層地層震電波場(chǎng)響應(yīng)特征

彭蓉，王佳新*，劉子淳，曹殿華，李華飛

1 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所，自然資源部成礦作用與資源評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100037 2 中海油研究總院，北京 100028 3 東方地球物理公司研究院，涿州 072750

0 引言

震電效應(yīng)(Seismoelectric effects)最早由Thompson(1936)發(fā)現(xiàn)并預(yù)測(cè)其可用于地球物理勘探.Ivanov(1939)提出了震電勘探的基本思想，并致力于將震電方法用于礦產(chǎn)勘探.直到20世紀(jì)90年代，震電效應(yīng)才應(yīng)用于儲(chǔ)層特性探測(cè)(Thompson and Gist, 1993).地面震源激發(fā)的地震波向下傳播，在儲(chǔ)層中產(chǎn)生震電轉(zhuǎn)換，地震波場(chǎng)和震電波場(chǎng)攜帶儲(chǔ)層信息向上傳播，地面檢波器和電極可分別接收這兩種波場(chǎng)信號(hào)(Dietrich et al., 2018).因此，在地震勘探的基礎(chǔ)上埋置接收電極(井中或地面)即可進(jìn)行震電信號(hào)采集，獲得額外的震電信息(Jouniaux and Zyserman, 2015).所以，震電勘探具有方便經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，作為地震勘探的輔助方法，有前景助力于地下儲(chǔ)層評(píng)價(jià)及增加儲(chǔ)層探測(cè)的“性價(jià)比”.

介質(zhì)孔隙空間的固-液界面處(骨架和孔隙流體)會(huì)形成雙電層(Shaw, 1992)，地震波的傳播使固體骨架與孔隙流體發(fā)生相對(duì)位移，產(chǎn)生流動(dòng)電流(Walker et al., 2014)，造成雙電層擾動(dòng)，產(chǎn)生第一種震電耦合場(chǎng)：伴隨震電場(chǎng)(Coseismic field).這種伴隨震電場(chǎng)是在經(jīng)過(guò)的地震波內(nèi)部的局部產(chǎn)生的，因此能向我們提供接收電極附近的局部信息.然而，當(dāng)?shù)卣鸩▊鞑サ綆r石特性變化的地質(zhì)體或者地層的界面時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電荷分布的局部不對(duì)稱(Schoemaker et al., 2012)，在界面處形成電偶極子源(Thompson and Gist，1993)，產(chǎn)生第二種震電耦合場(chǎng)：震電界面場(chǎng)(Seismoelectric interface response).由于其速度比地震波速度高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，所以是一個(gè)幾乎在產(chǎn)生的瞬時(shí)到達(dá)接收位置的電磁場(chǎng)(Haartsen and Pride, 1997; Walker and Glover, 2018).然而，由于該震電場(chǎng)是二次耦合效應(yīng)，它們的信噪比很低.

第三種類型的震電現(xiàn)象被Pride和Haartsen(1996)通過(guò)理論預(yù)測(cè)，并被Haines等(Haines et al., 2004; Haines, 2007)實(shí)際觀測(cè)到，該文章采用“Direct field”描述這一現(xiàn)象產(chǎn)生的震電場(chǎng).該現(xiàn)象是由有向點(diǎn)源引起的.有向點(diǎn)源激發(fā)時(shí)刻，會(huì)引起地面某側(cè)流體壓力增強(qiáng)，而作用力的相反一側(cè)則會(huì)產(chǎn)生壓力的減弱，震動(dòng)源處流動(dòng)電流和傳導(dǎo)電流不再平衡，產(chǎn)生了凈剩電流，激發(fā)產(chǎn)生電磁波.該類震電信號(hào)是震源發(fā)射的最初時(shí)刻產(chǎn)生的(Haines et al., 2007).

利用震電效應(yīng)可以進(jìn)行地層巖石參數(shù)的評(píng)價(jià),分析地層特性(胡恒山和王克協(xié), 1999, 2000; 胡恒山等, 2003; 王軍等, 2010, 2016; 張泉瀅等，2014；Peng et al., 2019).震電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的第一種類型的電磁場(chǎng)(伴隨震電場(chǎng))可以提供地下孔隙介質(zhì)和流體的巖石物理特性.而產(chǎn)生的第二種類型的地磁場(chǎng)(震電界面響應(yīng)場(chǎng))有助于探測(cè)地下遠(yuǎn)距離處地質(zhì)體和流體變化界面.問(wèn)題是通常情況下，伴隨震電場(chǎng)的振幅比震電界面響應(yīng)場(chǎng)振幅強(qiáng)(Warden et al., 2012)，導(dǎo)致我們較難獲取到清晰的、信噪比高的震電界面響應(yīng)場(chǎng).而在薄層地質(zhì)背景下，當(dāng)?shù)卣鸩ǖ膯纬套邥r(shí)增加不多時(shí)(即薄層夠薄，<λ/4)，薄層頂?shù)捉缑娴恼痣婍憫?yīng)會(huì)疊加，增強(qiáng)震電信號(hào)強(qiáng)度，提高震電勘探的信噪比，這也為震電勘探信噪比低的問(wèn)題提供了在特殊條件下應(yīng)用的可能性.若震電信號(hào)在薄互層處存在強(qiáng)的響應(yīng)異常，則有望利用震電勘探輔助地震和常規(guī)測(cè)井對(duì)薄互層儲(chǔ)層進(jìn)行評(píng)價(jià).

震電場(chǎng)作為縱波場(chǎng)和電磁場(chǎng)的耦合作用場(chǎng)，在界面處有其獨(dú)特的波場(chǎng)響應(yīng)，水平層狀和傾斜層狀的含流體孔隙介質(zhì)中的震電波場(chǎng)的傳播情況均有研究者通過(guò)數(shù)值模擬的方法得到.高永新和胡恒山(2009)模擬了點(diǎn)源激發(fā)的震電信號(hào)在伴隨波場(chǎng)和獨(dú)立傳播的輻射電磁場(chǎng)在水平層狀介質(zhì)中的波場(chǎng)特點(diǎn).Kr?ger和Kemna(2012)基于理論模擬給出了不同幾何形狀的地質(zhì)構(gòu)造體的震電響應(yīng)的結(jié)果，他們以水平的地質(zhì)界面以及傾斜的地質(zhì)界面作為地質(zhì)模型，模擬了震電效應(yīng)在水平和傾斜界面的特征響應(yīng).數(shù)值結(jié)果表明水平和傾斜界面上的震電響應(yīng)在時(shí)間和空間上都有一定的差異，說(shuō)明不同的地質(zhì)界面有不同的震電響應(yīng)特征.Kr?ger等(2014)基于有限元法對(duì)空間有限的地質(zhì)體單元的震電波傳播進(jìn)行了數(shù)值分析，結(jié)果表明，地質(zhì)體單元的體電導(dǎo)率決定了震電響應(yīng)模式的形狀和結(jié)構(gòu)，所以震電方法在探測(cè)大小有限的地質(zhì)體的形態(tài)結(jié)構(gòu)方面具有發(fā)展前景.Jougnot等(2013)采用含有薄層狀類似的裂縫的樣品模型，模擬飽水砂巖中的震電響應(yīng)，給出了由地質(zhì)非均勻性(薄裂縫體)引起的電勢(shì)擾動(dòng)信號(hào).顧世勇等(2015)模擬了油水兩相飽和儲(chǔ)層中平面震電波場(chǎng)響應(yīng)特性.高玉濤等(2020)研究了水平分層地下界面、起伏地表對(duì)震電波場(chǎng)的激發(fā)和傳播的影響，并確定在地面以上空氣中也可以監(jiān)測(cè)到伴隨震電場(chǎng)信號(hào).Tohti等(2020)數(shù)值模擬了二維垂直橫向各向同性(VTI)孔隙彈性介質(zhì)中產(chǎn)生的震電信號(hào)，結(jié)合VTI介質(zhì)各向異性效應(yīng)分析了震電場(chǎng)的傳播，以期對(duì)水平薄層序列的震電響應(yīng)的理解有所幫助.雖然水平層狀介質(zhì)震電響應(yīng)的模擬已經(jīng)比較深入(高永新和胡恒山, 2009；Ren et al., 2010；Huang et al., 2015)，但目前對(duì)薄層地質(zhì)背景下的震電響應(yīng)特征的分析仍然缺乏.

Schoemaker等(2012)借助數(shù)值模擬手段構(gòu)建了一個(gè)三層層狀模型，采用全波形震電模擬以及互相關(guān)的處理方法，表明對(duì)于層狀介質(zhì)，伴隨震電信號(hào)會(huì)產(chǎn)生干涉效應(yīng)，從而影響震電信號(hào)的特征.但模擬實(shí)驗(yàn)忽略了震電界面場(chǎng)，主要針對(duì)伴隨震電場(chǎng).Grobbe和Slob(2014，2016)主要針對(duì)水平薄層地質(zhì)背景下對(duì)震電界面響應(yīng)信號(hào)特征進(jìn)行了數(shù)值分析，模擬了橫向各向同性的層狀介質(zhì)模型中的震電波的傳播，該模型是基于層狀震電-電震模型(Grobbe and Slob, 2014, 2016)的解析值進(jìn)行計(jì)算的，利用震電波場(chǎng)信號(hào)在薄層中的傳播實(shí)驗(yàn)表明，薄層地質(zhì)條件可以提高震電界面響應(yīng)場(chǎng)的信號(hào)強(qiáng)度，指出了震電效應(yīng)也許可應(yīng)用于薄層地質(zhì)體的探測(cè).薄層數(shù)量的增加會(huì)導(dǎo)致橫波相關(guān)的震電界面響應(yīng)強(qiáng)度的變化，但其結(jié)果中縱波相關(guān)的震電界面響應(yīng)場(chǎng)不受薄層存在的影響.

本文采用Revil等(2014)提出的一種新的震電理論模型，該模型用基于單位孔隙體積內(nèi)的電荷的動(dòng)電理論替代基于zeta電勢(shì)的動(dòng)電理論模型，根據(jù)固體位移矢量和流體壓力對(duì)Biot理論進(jìn)行求解，再求解麥克斯韋準(zhǔn)靜態(tài)極限的電磁場(chǎng)問(wèn)題.這個(gè)基于體積電荷密度的模型利用了電荷密度和滲透率之間的關(guān)系，減少了巖石物理模型中的未知數(shù).根據(jù)該理論模型對(duì)兩種最為常見(jiàn)的沉積型薄互層模型(平行薄互層模型和楔形薄互層模型)進(jìn)行震電波場(chǎng)傳播的模擬，基于體積電荷密度的震電理論模型清晰得到了三種類型的震電信號(hào)，分析了水平薄互層、垂直薄互層和帶傾角的楔形薄互層地質(zhì)背景下的CS和IR震電波場(chǎng)特征，以確定薄層是否能增強(qiáng)震電界面信號(hào).為了探究縱波相關(guān)的震電界面響應(yīng)場(chǎng)是否受薄層地質(zhì)體的影響，本文忽略了橫波的響應(yīng)，主要針對(duì)縱波引起的震電響應(yīng)場(chǎng).

1 震電耦合理論

1.1 震電控制方程

Revil等(2014，2015)指出，在聲學(xué)近似下，孔隙介質(zhì)中，地震波的傳播可以用壓力波擾動(dòng)P(r,t)及流體位移u(r,t)來(lái)描述.宏觀壓力擾動(dòng)與位移關(guān)系為：

(1)

這是讓彈性擾動(dòng)適用于聲波近似的經(jīng)典變換，其中Ku定義為(Wang，2000)：

(2)

式中，Ks和Kf分別為固相和液相的體積模量，K為骨架體積模量(排水體積模量)，φ為孔隙度.

在與縱波速度相適應(yīng)的條件下，式(1)可寫(xiě)為：

(3)

式中，G為孔隙介質(zhì)骨架的剪切模量.縱波的傳播速度為：

(4)

依據(jù)牛頓定律方程：

(5)

式中，F(xiàn)是力源，ρ為介質(zhì)的體積密度，ρ=(1+φ)ρs+φρf，ρs和ρf是固體骨架和孔隙流體的質(zhì)量密度.

結(jié)合式(3)和(5)并對(duì)式(5)取散度最終可得：

(6)

式中，f(r,t)為隨時(shí)間和空間變化的源項(xiàng)：

(7)

式(6)是多孔介質(zhì)中縱波傳播方程.

縱波的傳播會(huì)導(dǎo)致孔隙介質(zhì)中孔隙骨架和流體壓力的變化，造成相對(duì)位移，誘導(dǎo)產(chǎn)生震電耦合，根據(jù)達(dá)西定律，震電耦合產(chǎn)生的電流密度可由以下方程獲得(Revil and Linde，2006；Revil et al., 2007)：

(8)

(9)

(10)

φ為電勢(shì)，σ是孔隙介質(zhì)電導(dǎo)率，js為源電流密度.

由式(8)、(10)可得：

(11)

將式(6)、(11)進(jìn)行耦合，則可得到縱波在孔隙彈性介質(zhì)中傳播產(chǎn)生的電場(chǎng)隨時(shí)間和空間的變化結(jié)果.本文基于有限元軟件COMSOL建立理論模型，對(duì)上述理論方程進(jìn)行數(shù)值模擬.

1.2 邊界條件

對(duì)于縱波方程(6)的邊界條件，計(jì)算域四周采用PML完美匹配層邊界條件，PML層厚度為50 m，波源主頻100 Hz，最大縱波速度2700 m·s-1，最大縱波波長(zhǎng)27 m，因此PML層厚度大于最大縱波波長(zhǎng).有限元模擬采用自由三角形網(wǎng)格剖分，剖分的最大網(wǎng)格精度為1.5 m(小于最小波長(zhǎng)的十分之一)，即PML層的厚度遠(yuǎn)大于5個(gè)網(wǎng)格精度，能夠?qū)τ?jì)算域內(nèi)的縱波進(jìn)行有效衰減和吸收.需要注意的是，論文中采用的PML厚度為50 m，略小于縱波波長(zhǎng)的兩倍，遠(yuǎn)小于電磁波波長(zhǎng)，所以主要是對(duì)縱波起到吸收效果，對(duì)電磁波吸收效果可能不佳，所以本文中電磁波的絕對(duì)振幅可能存在一些誤差.但本文主要是討論電磁波的相對(duì)振幅的變化，絕對(duì)振幅的誤差對(duì)本文結(jié)論影響很小，故該影響可忽略不計(jì).

在不同介質(zhì)的分界面處(假設(shè)為介質(zhì)1和介質(zhì)2，表1)，縱波壓力P1、P2在邊界處連續(xù)：

P1=P2，

(12)

對(duì)于電場(chǎng)方程(11)的邊界條件，計(jì)算域四周采用狄利克雷邊界條件，邊界處接地，計(jì)算域外緣的電勢(shì)趨于零，從而模擬無(wú)限域：

φ=0，

(13)

在不同介質(zhì)的分界面處，電場(chǎng)的切向分量E1y、E2y在邊界處連續(xù)：

n×(E1y-E2y)=0，

(14)

n為介質(zhì)1和介質(zhì)2界面處的法向單位向量(Araji et al., 2012).

表1 孔隙介質(zhì)的巖石物理參數(shù)Table 1 Physical parameters of thin-interbeds

2 結(jié)果分析

2.1 水平薄互層震電響應(yīng)特征

圖1為水平薄互層模型示意圖.模型由均勻背景孔隙介質(zhì)(完全飽和)和兩種孔隙介質(zhì)作為薄層(介質(zhì)1和介質(zhì)2，完全飽和).紅色五角星為點(diǎn)震源的位置.黑色點(diǎn)為接收電極位置，點(diǎn)震源與接收電極之間距離為75 m，接收電極與水平薄互層界面之間距離為50 m.點(diǎn)震源主頻為100 Hz，波源為縱波波源，故波長(zhǎng)λ均指縱波波長(zhǎng)，介質(zhì)1縱波波長(zhǎng)λ1=25.62 m，介質(zhì)2縱波波長(zhǎng)λ2=22 m.采用不同厚度(λ/16，λ/4，λ/2，λ)的多個(gè)薄互層模型進(jìn)行震電波傳播模擬.模型中薄層厚度變化，但薄層數(shù)量不變，為5層的介質(zhì)1和介質(zhì)2疊置的薄互層模型.

圖1 水平薄互層模型Fig.1 Model horizontal thin-interbeds

圖2 水平薄互層模型的震電信號(hào)(a) 薄層厚度為λ； (b) 薄層厚度為λ/2； (c) 薄層厚度為λ/4； (d) 薄層厚度為λ/16.Fig.2 Seismoelectric signals of horizontal thin-interbeds(a) Thickness=λ； (b) Thickness=λ/2； (c) Thickness=λ/4； (d) Thickness=λ/16.

水平薄互層模型震電模擬結(jié)果如圖2所示.可以看到，在震電信號(hào)隨時(shí)間變化的曲線上有3種類型信號(hào).初始零時(shí)刻出現(xiàn)的強(qiáng)振幅信號(hào)為第三種震電信號(hào)(Direct field)，是波源在激發(fā)時(shí)刻產(chǎn)生的震電直達(dá)波場(chǎng).在震電實(shí)驗(yàn)中，波源激發(fā)的同一時(shí)刻，也會(huì)出現(xiàn)一個(gè)與波源相關(guān)的電信號(hào)，而且信號(hào)強(qiáng)度較大(Peng et al., 2016, 2017)，該初始時(shí)刻的信號(hào)幾乎均為實(shí)驗(yàn)中激發(fā)換能器直接產(chǎn)生的干擾電信號(hào)，不屬于直達(dá)波場(chǎng)信號(hào).這是由于信號(hào)源和功率放大器輸出了幾百伏的電壓給換能器供電，導(dǎo)致激發(fā)換能器本身就是一個(gè)非常強(qiáng)的電磁發(fā)射源，因此即便實(shí)驗(yàn)中無(wú)巖石樣品，也能觀測(cè)到該干擾電信號(hào).在t=37 ms時(shí)刻，出現(xiàn)第2個(gè)信號(hào)，為縱波傳播到電極處產(chǎn)生的伴隨震電信號(hào)(CS)，第3個(gè)信號(hào)出現(xiàn)在約59 ms，為縱波從震源傳播到介質(zhì)1上界面的傳播時(shí)間，即為界面震電響應(yīng)信號(hào)(IR).

圖2a中，當(dāng)薄互層厚度為λ時(shí)，IR信號(hào)出現(xiàn)多個(gè)較弱的信號(hào)擾動(dòng)，這主要是由于厚度為λ時(shí)，薄互層多個(gè)界面處產(chǎn)生的IR信號(hào)傳播時(shí)間差較大，沒(méi)有疊加導(dǎo)致震電信號(hào)的增強(qiáng)，因此此時(shí)IR信號(hào)較弱.當(dāng)薄互層厚度為λ/2或λ/4時(shí)(圖2b、c)，IR信號(hào)有較明顯增強(qiáng)，但信號(hào)尾部有多個(gè)擾動(dòng)，這可能是由于薄互層多個(gè)界面處產(chǎn)生的IR信號(hào)傳播時(shí)間差減小，信號(hào)開(kāi)始疊加導(dǎo)致信號(hào)的增強(qiáng)，薄互層厚度為λ/16時(shí)(圖2d)，薄互層處產(chǎn)生的IR信號(hào)幾乎同相疊加到了一起，已觀察不到IR信號(hào)尾部的擾動(dòng)，導(dǎo)致信號(hào)增加強(qiáng)度較大.

當(dāng)薄互層厚度由λ變化到λ/16，CS信號(hào)振幅大小和波形幾乎不受薄層厚度變化的影響，而IR信號(hào)則隨著薄層厚度的減小而顯著增強(qiáng).這與Grobbe和Slob(2016)中指出縱波產(chǎn)生的震電界面響應(yīng)場(chǎng)受薄層影響不大的結(jié)論不太一致，該結(jié)果中，縱波引起的IR信號(hào)明顯對(duì)薄層同樣敏感.該結(jié)果證明了薄層確實(shí)能夠增強(qiáng)震電界面響應(yīng)，且縱波引起的震電場(chǎng)對(duì)薄層是敏感的，會(huì)在薄層處出現(xiàn)較強(qiáng)的IR振幅異常.

圖3 水平薄互層模型縱波壓力場(chǎng)和震電電勢(shì)場(chǎng)在t=37 ms(a,b), t=59 ms (c,d) , t=80 ms (e,f) 時(shí)刻的波場(chǎng)快照.Fig.3 Snapshots of P-wave pressure field and seismoelectric potential field of horizontal thin-interbeds at t=37 ms(a,b)，t=59 ms (c,d)，and t=80 ms (e,f), respectively

圖3給出了水平薄互層模型不同時(shí)刻的壓力場(chǎng)和電勢(shì)場(chǎng)的分布.在t=37 ms時(shí)刻(圖3a、b)，由于背景介質(zhì)為均勻孔隙介質(zhì)，縱波壓力場(chǎng)和震電電勢(shì)場(chǎng)均以一個(gè)圓環(huán)形的波陣面到達(dá)接收電極處.t=37 ms時(shí)刻(圖3c、d)，縱波入射到薄互層模型上界面處，開(kāi)始激發(fā)產(chǎn)生IR電場(chǎng).t=80 ms時(shí)刻(圖3e、f)，縱波傳播穿過(guò)薄互層，震電場(chǎng)在薄互層中產(chǎn)生較強(qiáng)的IR信號(hào).圖4為薄互層處縱波壓力場(chǎng)和震電電勢(shì)場(chǎng)的局部放大圖，可以清晰觀測(cè)到，縱波場(chǎng)高值(紅色)主要出現(xiàn)在波前面，震電場(chǎng)高值能量團(tuán)出現(xiàn)在縱波波陣面與多個(gè)薄層界面入射處，這種高值能量團(tuán)可能是震電界面場(chǎng)在界面處形成的多個(gè)電偶極子場(chǎng)造成的，水平薄層數(shù)量增加，縱波產(chǎn)生的電磁波增多，使得IR信號(hào)增強(qiáng).

2.2 垂直薄互層震電響應(yīng)特征

水平薄互層(VTI介質(zhì))變?yōu)榇怪北』?HTI介質(zhì))時(shí)，震源和接收電極位置不變，得到震電響應(yīng)信號(hào)結(jié)果如圖5所示.可以看到，HTI介質(zhì)中，除了伴隨震電場(chǎng)(CS)幾乎不隨薄層厚度的變化而變化外，震電界面響應(yīng)信號(hào)(IR)振幅受到的薄層厚度的影響也并不大，說(shuō)明水平或者垂直薄互層對(duì)震電波場(chǎng)響應(yīng)是不一樣的，地層結(jié)構(gòu)的差異會(huì)影響震電界面響應(yīng)信號(hào)的強(qiáng)度.

圖6為水平薄互層和垂直薄互層在t=110 ms時(shí)刻的震電響應(yīng)波場(chǎng)快照對(duì)比結(jié)果.圖6a、b是平面視圖下震電波場(chǎng)快照的結(jié)果，圖6c、d是三維視圖下震電波場(chǎng)傳播的結(jié)果，可以看到，水平和垂直薄互層情況下，震電波場(chǎng)的傳播差異較大.從圖6b、d中可知，對(duì)于垂直薄互層而言，產(chǎn)生IR電磁波的位置主要在垂直層與垂直層的交界點(diǎn)處，垂直層數(shù)增加，能夠產(chǎn)生電磁波的拐點(diǎn)變多了，但產(chǎn)生的電磁波部分互相抵消，因此改變層的層數(shù)，并沒(méi)有使得IR信號(hào)幅度得到很大提高，只是IR信號(hào)波形發(fā)生了一些變化(如圖5所示).

常見(jiàn)的儲(chǔ)層當(dāng)中，頁(yè)巖具有明顯的水平層理，除低孔、低滲以外，其最大特性之一是各向異性，即水平方向和垂直方向巖石物理性質(zhì)差別很大，導(dǎo)致震電波在頁(yè)巖水平和垂直方向上傳播特征具有差異，也許從上述震電波場(chǎng)在水平和垂直方向上的傳播情況，可以對(duì)頁(yè)巖中震電波的傳播有所理解.其水平層狀結(jié)構(gòu)也許可能是頁(yè)巖中震電信號(hào)強(qiáng)度較大的原因之一，但本文主要對(duì)薄互層震電響應(yīng)特征進(jìn)行研究，對(duì)頁(yè)巖中的震電效應(yīng)有待進(jìn)一步深入探究，此處暫不予以討論.

圖4 水平薄互層模型縱波壓力場(chǎng)(a)和震電電勢(shì)場(chǎng)(b)在t=80 ms時(shí)刻的波場(chǎng)快照在薄互層界面處放大圖Fig.4 Enlarged pressure field (a) and seismoelectric potential field (b) snapshots (t=80 ms) at interface of thin-interbed

圖5 垂直薄互層模型震電信號(hào)(a) 薄層厚度為λ； (b) 薄層厚度為λ/2； (c) 薄層厚度為λ/4； (d) 薄層厚度為λ/16.Fig.5 Seismoelectric signals of vertical thin-interbeds(a) Thickness=λ； (b) Thickness=λ/2； (c) Thickness=λ/4； (d) Thickness=λ/16.

2.3 楔形薄互層震電響應(yīng)特征

圖7為楔形薄互層模型示意圖.最大厚度為100 m的楔形薄互層放置在孔隙介質(zhì)中，與水平薄互層模型類似，模型由均勻背景孔隙介質(zhì)(完全飽和)和兩種孔隙介質(zhì)作為薄互層(介質(zhì)3和介質(zhì)4，完全飽和).紅色五星為點(diǎn)震源的位置，黑色點(diǎn)為接收電極位置，點(diǎn)震源與接收電極之間距離為75 m，接收電極與楔形薄互層界面之間距離為50 m，點(diǎn)震源主頻為100 Hz.

與水平薄互層不一致的是，楔形體整體尺寸固定，尺寸如圖7所示，即只改變內(nèi)部薄層的數(shù)量(1層、4層、8層、16層)，1層為單個(gè)楔形體，圖7所示薄層為4層，得到不同薄層厚度的楔形薄互層模型進(jìn)行震電波傳播模擬.

圖8為單個(gè)接收電極處接收到的楔形薄互層模型的震電信號(hào).圖8a中，當(dāng)楔形薄互層數(shù)量為1層時(shí)，CS信號(hào)明顯強(qiáng)于IR信號(hào).當(dāng)楔形薄互層數(shù)量為4層時(shí)(圖8b)，IR信號(hào)明顯增強(qiáng)，且隨著薄層數(shù)量繼續(xù)增加至8層和16層時(shí)(圖8c、d)，IR信號(hào)振幅越來(lái)越大，說(shuō)明薄互層總厚度不變的情況下，薄層的數(shù)量增加，可導(dǎo)致震電界面響應(yīng)強(qiáng)度的增強(qiáng).

圖9為t=90 ms時(shí)，楔形薄互層(16層)震電響應(yīng)的波場(chǎng)快照.圖9a為波場(chǎng)快照平面圖，圖9b為三維視圖.可以看到，當(dāng)縱波傳播穿過(guò)楔形薄互層時(shí)，在薄互層處激發(fā)了伴隨震電場(chǎng)和較強(qiáng)的薄互層界面處產(chǎn)生的震電界面場(chǎng)，由于薄互層數(shù)量較多，由圖9b的震電場(chǎng)(電勢(shì)場(chǎng))的三維視圖中可以看到，薄互層界面之間產(chǎn)生了多個(gè)較強(qiáng)的振幅峰值，這可能是界面處產(chǎn)生震電界面場(chǎng)引起的.

在楔形體上方50 m處，我們模擬水平放置了160個(gè)接收電極接收地震波傳播至楔形薄互層中引發(fā)的震電波場(chǎng)，得到楔形薄互層的震電記錄.圖10為楔形薄互層的震電響應(yīng)記錄，從震電響應(yīng)記錄上可以清晰看到三種類型的震電波場(chǎng).除初始時(shí)刻震電直達(dá)波場(chǎng)，有兩條明顯的雙曲線形同相軸，為CS1和CS2，CS1為縱波第一次傳播到接收點(diǎn)處的伴隨震電場(chǎng)，CS2為楔形體界面反射波反射回接收點(diǎn)處的伴隨震電場(chǎng).可以看到，CS1同相軸的波形和振幅并不對(duì)稱，因?yàn)樾ㄐ误w模型本身不對(duì)稱，也就是說(shuō)，其實(shí)地質(zhì)體結(jié)構(gòu)本身不僅對(duì)IR信號(hào)產(chǎn)生影響，當(dāng)接收電極與地質(zhì)體距離較近時(shí)，也會(huì)對(duì)CS信號(hào)有一定影響.除此以外，可以看到能量較強(qiáng)的一條水平同相軸和一條略微傾斜同相軸(從圖11放大的震電記錄中可以看到第二條IR信號(hào)軸略微傾斜)，為楔形薄互層界面處產(chǎn)生的震電界面響應(yīng)場(chǎng)(IR信號(hào)).右下角處有一條較弱的傾斜度較大的同相軸，這可能是楔形體垂向壁處產(chǎn)生的反射波引起的伴隨震電場(chǎng).從楔形體震電記錄上似乎無(wú)法辨別地質(zhì)體是楔形體，也就是說(shuō)震電界面響應(yīng)雖然能夠反映地下界面情況，但實(shí)際相比于地震波場(chǎng)反映地下界面情況而言，能力相對(duì)較弱.但比CS信號(hào)強(qiáng)的IR信號(hào)同相軸表明了薄層確實(shí)能夠增強(qiáng)震電界面信號(hào)，能夠讓IR波場(chǎng)不被較強(qiáng)的CS波場(chǎng)所淹沒(méi).

圖6 水平薄互層和垂直薄互層震電電勢(shì)場(chǎng)(t=110 ms)Fig.6 Snapshots of seismoelectric potential field of horizontal and vertical thin-interbeds at t=110 ms

圖7 楔形薄互層模型Fig.7 Model wedge-shaped thin-interbeds

3 結(jié)論

本文通過(guò)模擬計(jì)算分析了地震波在薄互層模型中傳播誘導(dǎo)產(chǎn)生的震電效應(yīng)的信號(hào)和波場(chǎng)特征，主要研究了縱波引起的伴隨震電波場(chǎng)(CS)和震電界面響應(yīng)波場(chǎng)(IR)隨平行薄互層模型(水平和垂直)和楔形薄互層模型變化的響應(yīng)特征.主要得到以下結(jié)論：

(1)對(duì)于水平薄互層而言，當(dāng)薄互層厚度逐漸減小時(shí)，縱波引起的CS信號(hào)振幅大小和波形幾乎不受薄層厚度變化的影響，而IR信號(hào)則隨著薄層厚度的減小而顯著增強(qiáng)，縱波引起的IR信號(hào)明顯對(duì)薄層同樣敏感.

(2)垂直薄互層介質(zhì)中，伴隨震電場(chǎng)(CS)和震電界面響應(yīng)信號(hào)(IR)幾乎均不隨薄互層厚度的變化而變化，水平或者垂直薄互層對(duì)震電波場(chǎng)響應(yīng)不一樣，地層結(jié)構(gòu)的差異會(huì)影響震電界面響應(yīng)信號(hào)的強(qiáng)度.

(3)水平薄互層和垂直薄互層的震電波場(chǎng)的模擬結(jié)果也許對(duì)水平和垂直方向上具有明顯層理差異的儲(chǔ)層(如頁(yè)巖等)中產(chǎn)生的震電信號(hào)出現(xiàn)各向異性的解釋提供一定依據(jù).

(4)楔形薄互層模型給出了薄互層具有一定傾角時(shí)震電響應(yīng)的波場(chǎng)特征，且說(shuō)明了薄互層總厚度不變的情況下，薄層的數(shù)量增加，可導(dǎo)致震電界面響應(yīng)強(qiáng)度的增強(qiáng).

圖8 楔形薄互層模型震電信號(hào)(a) 1層； (b) 4層； (c) 8層； (d) 16層.Fig.8 Seismoelectric signals of wedge-shaped thin-interbeds(a) 1 layer； (b) 4 layers； (c) 8 layers； (d) 16 layers.

圖9 楔形薄互層(16層)的震電響應(yīng)(a) 90 ms時(shí)波場(chǎng)快照； (b) 90 ms時(shí)三維視圖.Fig.9 Seismoelectric potential fields of wedge-shaped thin-interbeds(a) Snapshot at t=90 ms； (b) 3D view at t=90 ms.

圖10 楔形薄互層模型震電響應(yīng)記錄Fig.10 Seismoelectrogram of wedge-shaped thin-interbeds

圖11 楔形薄互層模型震電記錄(圖10紅色框放大)Fig.11 Seismoelectrogram of wedge-shaped thin-interbeds (enlarged red box in Fig.10)

(5)本文理論模擬的震電記錄中，能夠清晰看到3種類型的震電波場(chǎng)，而且當(dāng)薄互層存在的情況下，IR信號(hào)強(qiáng)度可強(qiáng)于CS信號(hào)強(qiáng)度，有力證明了薄層確實(shí)能夠明顯增強(qiáng)震電界面響應(yīng).