借助电磁仿真分析大地电磁法

Caty Fairclough 2018年 5月 17日

埃里伯斯山(Mount Erebus)是地球上最偏远的火山之一,它坐落在冰雪覆盖的南极。酷寒的环境容易造成一些误解,埃里伯斯山实际上是南极洲最活跃的火山。在绘制岩浆流时,一种方法是采用大地电磁法(MT)这项技术来测量地壳的电阻率。为了研究和改进大地电磁法,工程师可以使用电磁仿真来分析其性能。

大地电磁法快速入门

大地电磁法是一种被动地球物理测量方法,主要测量地球地下和地壳中特定区域的电阻率分布或电导率倒数的分布。这项技术利用了电离层产生的自然电磁场源。

在进行大地电磁测量时,研究人员通常在与预测的断层线或其他预期地层走向垂直的方向上对齐放置一排电磁传感器。与此同时,他们在感兴趣区域内的不同点处测量电磁场随时间的变化,从而统计计算局部电磁阻抗与频率之间的关系。基于阻抗数据,研究人员可以预测电阻率随深度的变化。

南极洲的活火山——埃里伯斯山的照片。
埃里伯斯山是一座活火山,可通过大地电磁法进行研究。图片来自 jeaneeem。在 CC BY 2.0 许可下使用,通过 Flickr Creative Commons 分享。

由于地壳内的岩石具有不同的电阻率,因此计算的剖面可以帮助我们确定研究区域中的岩石类型——这对于研究地质结构和地质作用的科学家是很重要的信息。除岩石成分外,大地电磁法还可用于研究孔隙度、渗透率和温度等因素。

这些功能赋予了大地电磁法许多不同的应用,包括:

为了改进上述应用中的大地电磁法,研究人员需要对该技术进行全面分析和优化。这就是仿真的优势所在……

使用“AC/DC模块”和基准数据研究大地电磁法

本文采用的模型代表一块长宽均为 70 公里的地壳。它包含三条“断层线”以及三层具有不同电导率的地层:

  1. 10-Ωm 的顶层
  2. 100-Ωm 的中间层
  3. 0.1-Ωm 的底层

模型顶层有两个具有高导电率的矩形插入物,它的测量值将用于现实中的大地电磁研究。使用此模型,您可以基于大地电磁法计算这些插入物的电导率。

大地电磁法模型几何示意图。
大地电磁法的模型几何。

磁场源在整个几何模型中生成水平电流,我们可以使用平面波来表征磁场源。此例中,大地电磁分析以将入射平面波分解成两个包含垂直偏振的波为基础。

注意:虽然我们在本文中没有详细说明如何设置和求解模型,不过您可以在大地电磁法教程模型中找到所有相关信息。附带的文档包含分步操作说明,只要您拥有 COMSOL Access 帐户和有效的软件许可证,还可以下载此示例的 MPH 文件。

该模型的几何和参数取自 Zhdanov 等人的研究。(模型文档中的参考文献 1)和 COMMEMI-3D-2 模型,后者为大地电磁法建模的基准模型。

深入研究大地电磁仿真结果

第一个结果显示了视电阻率的分量,我们可以从顶层提取该值,并将其转换为所分析频率对应的表面图。对于均匀半空间或一维模型,使指定位置的视电阻率等于该点下方材料的电阻率。因此,在半空间近似有效的点上,视电阻率的值应等于材料的电阻率。这是因为在高频下集肤深度相当小。下图展示了在远离断层线且电阻率均匀的地方,视电阻率几乎等于其下方材料的电阻率。

大地电磁法模型的视电阻率绘图。
COMSOL® 软件生成的仿真结果可用于大地电磁法分析。

三维域中视电阻率的对数的俯视图。

下一张图显示了在 0.1 和 0.01 Hz 两个频率下,模型中与故障线相交的线上的数据。此例生成的结果与参考文献一致。然而,在较低频率下,视电阻率和材料电阻率之间的差异增大。

COMSOL Multiphysics® 中不同频率下的视电阻率绘图。
频率为 0.1 Hz 和 0.01 Hz 时与地层走向相交的视电阻率。

最后为顶部图,其中非零值表示断层线两侧之间的电阻率存在较大变化。工程师采用特定相值,并在场矢量方向上移动,工程师可以使用顶部符号来确定它们是否从具有较高电阻率的区域过渡到具有较低电阻率的区域(顶部为正值)或反之亦然(顶部为负值)。

图片显示大地电磁模型的顶部图。
顶部图,频率为 0.01 Hz。

为简单起见,本文展示的模型仅求解了两个频率。然而,大地电磁数据分析通常在 0.1m Hz 至 10Hz 频率范围内收集数据。通过调整模型大小和网格,我们可以扩大研究的频率范围。

后续操作

如希望获取此示例的详细信息(或自己尝试操作),请单击下面的按钮,跳转至“案例下载”页面后,您可以下载大地电磁法模型的模型文档和 MPH 文件。

延伸阅读


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