非均匀地中低频电磁辐射源探测与反演定位

Some of the electromagnetic emission phenomena, such as seismo-electromagnetic signals, electro-kinetic emission near the water driven front in oil reservoirs and low frequency leaking signals from deep based protective engineering, can be treated as the low frequency vector electric dipole source underground. This proposal focus efforts for developing algorithms to detecting the weak signals and locating emitting sources underground by means of four dimensional data processing and three dimensional inversion for resistivity and source parameters. Large sets of low frequency (< 3kHz) electromagnetic field data from array sites with continuous observation are to be treated to obtain assumed background resistivity distribution by averaging inverted results time by time in earthquake calm period. Variations in earth resistivity may be obtained through four dimensional processing scheme by using time rolling inversion with reference of background resistivity distribution, and significant variations in resistivity distribution can be counted on the underground seismo-electromagnetic emission due to any potential seismogenic process in local area thus the weak seismo-electromagnetic signals can be extracted. Source parameters such as strength, location, orientation and time variations for multi- sources underground can be determined with better precision by inversion taking account the three dimensional resistivity distribution and multi-source stimulation. Information about seismo-electromagnetic source distribution and time variation can be used for evaluating possible earthquake hazard as well as to study the machanism and time evolution patterns of seismogenic process.

地震电磁信号、注采油藏驱替边界的动电辐射和地下防护工程中的低频电磁泄漏等都可等效为地中低频电磁源的响应。本项目拟以非均匀地中矢量电偶极源的低频响应为理论基础，采用动、静态结合的四维时移处理算法实现地中弱信号的识别与提取；以大尺度复杂三维模型的复合源电磁响应快速正反演和源参数的反演为手段，实现对深地下弱低频电磁场的检测和多辐射源的定位。拟应用大阵列台站持续观测的低频（< 3kHz）电磁响应，通过三维反演获得地电阻率分布，并将平静期内一定时间段的平均电阻率作为背景值；对不同时间段的反演结果进行四维处理获得地电阻率的变化信息；重点关注潜在孕震区带的电阻率变化，将大于一定阈值的异常视为地中电磁辐射场的影响，据此提取源自地中的低频弱响应；再通过考虑三维复合源响应的反演算法获得地中多辐射源的强度、空间分布和时间演化等信息；不仅为临震预报提供依据，也可为地震电磁前兆的耦合机理和演化研究提供科学数据

本项目采用地中电偶极源模拟孕震过程中产生的地震电磁信号对地面测站观测的大地电磁场响应的影响，并应用模拟和实测的含地震电磁异常的大地电磁响应实现了地中电偶极源的反演定位。通过理论推导、数值模拟和实测资料处理与分析，获得了一些对地震电磁异常规律有价值的新认识，初步实现了对地震电磁信息的定量描述和评价，为应用地震电磁异常进行孕震预测迈出了重要的一步。本研究得出的认识或结论包括：①震前数月至数天的时间段内地中产生的孕震电磁辐射能量较强，可能在距孕震中心一定距离范围内的台站观测响应中产生可辨识的电磁异常；②孕震电磁异常在台站观测资料中的表观特征为视电阻率值增大、阻抗相位值减小；③应用位于孕震中心位置的地中电偶极辐射源可以模拟出测站观测到的地震电磁异常，这证明观测的电磁异常不是噪声所致，也表明用地中电偶极源模拟孕震电磁异常是可行的；④模拟研究表明，地中近地表的电偶极源的场在地中以慢衰减的导波方式传播。在远离源的地中的一定深度范围内观测电偶极源的辐射场可能比在地面或空中观测更具有优越性。因此，建议可考虑应用油井或矿井进行地中一定深度范围内的大地电磁场测量；⑤利用固定台站在平静期观测场的平均值作为背景场、利用模拟地中电偶极源的响应作为异常场，以电磁场复分量的形式进行叠加可以得到含有地震电磁扰动的大地电磁观测总场响应；⑥地中地震电磁辐射在观测的大地电磁场中存在一个显示窗口。对于全频源极矩，异常窗口频段大约为0.1~100Hz，中心频率在约1Hz处；⑦应用单站或多站长期观测获得的平静期背景场以及含有地震电磁扰动的大地电磁观测总场可以反演得到地中电磁辐射源的相关参数，包括模拟孕震电磁异常的地中电偶极源的水平位置坐标、埋深、方位以及大地电阻率和源极矩强度等；实现孕震中心的预测定位。该成果也可望用于注采油藏驱替边界的动电辐射、页岩气藏的水力压裂造缝效果以及地下防护工程的探测等。