抽象性
本文描述岩石和多孔介质电动学理论背景,拟列入国际地球物理杂志特题“地球科学电动学”。我们描述自潜力和地震电磁测量方法,现场和实验室实验和建模方法大文献库介绍水文学研究,以探测水流距离,推断含水层厚度并预测水流传承性SP观测还提议检测井内骨折,跟踪液压分解并预测地震并详细研究地热应用
开工导 言
电动现象由流体和岩石矩阵之间的相对运动诱导在一个多孔介质中,电流密度与流水中的离子相联并用流水一号流水体流出多孔介质2..
SP方法包括测量地球表面自然电场电场通常用高输入阻抗多米测量,使用不可渗透电极3,4和解释需要过滤技术5..此外,对长期观测而言,还需要对磁场进行监测,以便正确解释[6..经典解释自动机观察法是,自动机效果产生自水流穿透水层或断裂全世界多电波活动区报告地表异常,从千分数到千分数不等,地表或井眼都报告
SP方法用于描述活动火山区特征,通常显示正异常电文7-13..异常信号通常归结为上移热液流引电过程SP源使用多级波子反射法深入定位14,15..数值建模显示,这些SP异常可因非饱和带流流并连接电导空间分布[16-18号..最近的一项研究表明,如果多孔介质渗透性高[19号产生结论水分对电动过程的影响应更多人知道20码-24码..
监测SP建议作为预测地震的可能方式25码,26..电动效果可能由结壳流渗透产生,驱动力与先质变形相关孔压梯度25码..本案中,震前二分法27号,28码假设增强介质渗透性并允许流水流近故障29..并提议在电极测量附近产生长距离弹性效果30码..伯纳德31号电动模型建基于测量点触发流性不稳定 非线性响应前台菌株长距离特效仍然有争议性,因为它们的观察需要非常有利环境的并发性,以计及合理的先质菌株和未观察到联构电异常这一事实。另一项解释建议基于实验室观察显示岩石电动联动因折损而增强32码,三十三时压力上升 丰收压力破解震带此外,某些观察的随机性可归结为电动效应,与故障时不稳流水相关联Fenoglio等[34号切片裂变快速流17千米深可生成电磁信号
某些异常电文被解读为因断裂断层岩石自波变换而成,其中一电极固定,另一电极常有潜力作为参考35码..骨折和裂缝可以通过流出对井内压力脉冲的潜在响应[36号..液压分片传播也可以测量电场远程检测液压分解可诱导流波和断裂扩展,如果断裂与水相容花岗岩样本液压分解实验显示流出潜力随注入压力而线性变化,接近分解压力时呈指数趋势37号..流出潜力建模由快破显示流电流最大点为断裂点并指数化切片前38号..液压电流常用地热水库刺激流水量,地热水井周围监测地电潜力三十九..Soultz热干岩点(法国)异常约5mV被解读为5千米深度电动效果并因导水壳测量表面40码..SP异常点基本上与最早注入阶段后水流相关41号-44号..关闭后观察SP衰变被解读为与大规模流水流相关45码..另一项现场实验定期抽水测试(注入/生成)显示SP放大距离约近似压力减压46号并由此得出结论 液压diffiversity 从SP观察中推导
SP分布可用于绘制地下水流特征时间轮流通过SP测量确定,清楚显示降水和蒸发事件47..建模这类观察确认SP测量有效估计水流方向电极分离规模(通常数分米),即比抗压测量大得多[41号..有人建议使用SP观测推算水表变异,SP的一些观察可产生含水层液压特性估计值。提议不仅推导等效电源,还推导几何和流速率,使用波子域前向反向建模48号..液压传导力和含水层厚度也可以使用流泵生成面SP反向处理法估计,同时计及导能钢壳[49号..电源潜在变异还伴有湖级变异,显示水位变化大小为2mV/50码..研究通过电磁场监控剖分流率变化南开槽电动学建模显示流速变化 3mV和2nt可检测到井口600米深51号..最近建模显示SP可以在距离检测水库前端的传播52..
所有这些观察都有可能通过理论开发、直接建模和反向问题解释SP观察解释需要解决Poisson方程电流潜力问题,同时考虑总电流潜力53号-56号..开发直接建模51号,57号,58码..此外,SP观察在波子域解释,以便识别地下液压流源的位置和强度14,15,59号,60码..Gibert和Sailhac61号Patella相关方法表示, 所谓的断层摄影概率定义波子域SP数据图像, 不可解读为SP源地下图像他们指出,实现地下图像需要适当的反转最近多项研究表明,这些逆向问题仍然需要进一步发展62-65码..
因电源与压力行为相似性,还提议使用SP测量法作为电流计66号..电动特性预测渗透性Li等[67号定义电动渗透性 从岩石传导性、电渗透系数和流动潜在系数推导最近Glover等[68号提议新预测渗透性,比较有效介质理论生成电模型与粒状介质电模型并提议用水注入1800米深度井时表层自为观察法推导新马故障渗透性69..
地震电磁转换的源头也是电动效果,在此例中导出震波传播电磁转换有两种机制:(1)电动信号随声波移动(2) 跨面转换发生物理特性对比,如渗透性
第二类转换可用于检测结壳物理属性中的对比投向表层的震源可诱导震波向下向下传播至接口一号)控件平衡导致界面两侧控件分离,因为物理属性有差起电极作用时会释放电磁波,电波以介质光速移动,并可在表面检测(图解)。2)震波传播速度通过对土壤速度的表面测量推导出取电磁波时间到达推导出深度震电信号放大率通常比100低华府V转mV信号处理需要过滤技术,如Butler和Russell70码,71号..这种方法的长处是检测深度从几米到数百米之间的物理特征对比72-76..
论文的目的是提供理解地球科学电动学特题所需的背景详解电量双层传输方程理论背景我们特别指出自能地热应用
二叉电动感知学理论背景
2.1.电气双层
流水多孔介质可能导致电动效果流水中的确有离子可引电流效果直接与岩石和流体间电偶层的存在相关组成岩石的矿山与电解物接触时开发电双层电解物,电解物通常是负载矿物表面生成的。电场生成直达矿子表面,吸引反作用器(通常是反作用器)并击退孔矩阵接口附近的蚂蚁电偶图层3由Stern层组成,表面吸附和Gouy扩散层,反向数超过阴离子数78号-80..
流体内含 量子群 数密度 数类- 离充电表面相距甚远的大容量溶液中的离子/单位积分分配电源 电场内双层垂直固面可计算解波松方程 去哪儿 介电常量流水和充电密度 可使用波尔兹曼分布表示流体内量子 去哪儿 博尔兹曼常量 电荷计算 温度高常假设Poisson-Boltzmann方程可线性化处理均衡电荷云假设 Poisson方程变换 带 即Debye长度度量双扩散层的厚度,通常是微量nm排序
电子潜力 距离上 从加载表面 并 并称Zeta潜力和剪切平面电气潜力(详情见Pride82))
矿山表面电荷密度由表面复杂反应产生石英表面可用silanol模拟西欧[群79..潜在判定iesOH-和H+吸附到矿山表面并判定内平面电荷密度3)表面电荷依赖pH存有pH总表面充电为0点零充电PH称pHPzc[83号,84..pH
流水流由介面流压差诱导扩散层运动流水流由传导流平衡 通向流出潜力
2.2.流源理论背景
不同的流(流水流、电流、热流、集中流)受泛方程支配 连接各种力量 向宏剖通量 通过交通联动系数 [89..
水力流与电流相联算 假设恒定温度而非集中梯度 电流密度 流水流 可写相加方程如下: 去哪儿 压力驱动流 , 电源潜力 散装电导 , 散装渗透性 , 动态浮流 并 电动联动 .首学期7)是Ohm法则第二学期8)达西定律并发系数不变7)和(b)8并发系数必须满足Onsager稳定状态对等关系测试测试疏漏材料90,91和自然素材92..
无直接电流源保护总电流密度隐含 oisson方程电源 .介质多样化九九计算时必须考虑到位于电传系数对比度和流系数对比度所形成的边界上源93..以同质介质为例九九引导简化波松方程 流出潜在系数 定义电流密度 零引向 可应用驱动孔压度此系数 向多孔介质并检测诱导电源差 .驱动孔压诱导流电流7由导出电流平衡7)通电潜在差 可测量单向流经柱状饱和多孔岩时,该系数可表示为[32码,94万事通 流电许可性 有效电传 定义化 带 构件因子和 岩石传导性可包含表面传导性潜力 zeta潜力描述为EDL滑动平面或剪切平面内电子潜力(即零速度表面双层内潜力)。
流系数描述出Helmholtz-Smoluchowski方程95与流传性比较时可忽略表面传导性 ) 假设Laminar流水, 完全液压和电流流出潜在系数上的影响参数是流出电常量、流出粘度、流传率和Zeta潜力本身取决于岩石、流出组成和pH86,88,94,96-99..最大作用参数为流传性多度沙流潜力发布 下图4)假设所有其他参数常数不变,从这些收集的数据中可推断Zeta-17mV潜力
2.3地震电磁学理论背景
地震电磁转换源也是电动效果,在此例中导出震波传播流体和岩石矩阵之间的相对运动由震波传播所导出并发进程电磁波对流场并发电机界面震波104,105..在这种情况下,电动系数取决于频率 动态渗透性 [106..光辉[82开发多孔介质并发电磁学和声学理论 并发马克斯韦尔电场交通关系82等式(250)和(251)
电场和机械力诱导电流密度 流水流 分别 并 中位 孔流压 固态置换 电场 孔流密度 角频率电动联动 现为复杂和依赖频率并描述震场和电磁场相联82,107万事通 去哪儿 并 几何参数孔槽 强生等人定义[108和 介于范围 ) 道别长度过渡频率 生物论定义粘和惯性流域并依赖渗透性 .频流潜在系数依赖性研究107,109-115主要是合成样本和最近沙子116..双模型117号-123实验实验116,124-129siso电磁转换开发近数十年来,现场观测到地震电磁学130-132近些年来报告了越来越多的成功现场实验73号,75,119号,133-136..
3级地热应用
3.1.自动机关联自然热液环流
SP方法吸引了越来越多的地热探矿兴趣介于地热区可产生SP的各种机制中,最重要的似乎是流化潜力96,137-139..电动效果几乎可以肯定地对SP生产诱变负责,这些变化是在开发字段后发生的[57号..重复SP探测开发期间地热场是地热场监测和资源管理大有希望的工具
近20年来,地热水文研究对SP代数建模55号,57号,58码,140..石田和普里切特建议方法57号.应用所谓的 "EKP-postprocessor"异常热水库模拟结果第一,计算相关参数分布,如电动联动 电导率和阻流密度使用水库模拟结果后处理器计算电源分布法 解决Poisson方程 内带适当边界条件的有限异差网格
图5显示SP分布预期来自自然热液对流中心上流区域上方显示正SP异常增益累积生成出此值,因为沿上流路径流出潜在系数大为下降相对大负异常出现在流水向下流的外围区域由下游流水生成 流水从近邻地表清除正荷外围负异常比中心正异常大,原因是电导率相对较低代表流速率(达西速度) /s本例高流率时,正反常值和负反常值将增加中心正反射量不会大大大于100mV,因为回流驱动力通常小于静态压力梯度的几分141上流流流体电传率较高 原因归结为溶解物
图6显示经测量的SP剖面片遍历Nigorika142..热量内SP高发,那里有上流,但周边地区特征为更明显的负SP异常以上计算完全复制这些特征(图解)5d使用EKP-postprocessorIshido和pritchett57号))黄石公园泥火山区也观察到相似SP特征[137岛田143Mokai和rotoka144......
图显示计算结果5semq量化建模Ishido确认结果142shido et al.[145万事通Slotnicki和Nishida146))无源流水由浮力驱动时,主导电流源(引起地球表面SP)显示在不同电动联动区间边界 )传导电流源的大小由边界相交系数差乘压力梯度直达边界石道142假设联结系数依赖温度和孔水化学基础Ishido & Mizutani实验结果96..
更好地了解zeta潜力和/或流出潜在系数对子表流电动潜力量化建模至关重要高温条件下最近的实验室测量147-149号高盐度条件98号和液/气二相条件21号,22号与地热和火山区建模研究特别相关除测量采样区代表性岩石混合系数外(例如Jouniaux等[94万事通Hase等[150万事通爱泽等[151万事通Onizawa等[18号基本词元学测量法,例如确定孔径大小流动潜在系数的依存性152关键值
3.2W共享SP剖面画横跨火山
SP过去三十年对活火山进行了多项测量显性正极SP异常常在火山口或喷口附近观察到例举Kilauea153秋田矢山145unzen154宫城155,156岛16La Fournaise157Mt.富士市158Misti12和Mt阿索13..除此以外,还报告活火山上各种其他类型SP异常11,146,159,160..三岛市富士山Aso,Misti和La Fournaise九九SP先下降几百毫伏特,有时多位高,一爬山坡后快速恢复到顶点接近时火山侧段测量的水平整个SP剖面图从脚开始贴近峰顶并直达对面的脚常有字母W形状
数字模拟石道17以Izu-Oisa火山概念模型为基础,显示“W”形SP分布的主因是电动拖动流与不饱和底层饱和层下流相联并发浅导体接触深导层时,导体结构提供低潜浅深区与高潜深区间当前路径,导致顶峰周围SP大幅增加7)计算成W形剖面即使有周期地下水补注也是稳定的,这与现场观察一致。
假设Zeta潜力和液饱和依赖拖动流值合理值,则与地形有关的SP计算为-1-mV/m,这是多火山所观测量的典型特征因重力驱动水流而提出解释SP生成的两种方法优先考虑单片区水向水表向下渗透8和第二个考量情况 水流对深饱和带的影响161,162..图中模拟结果7重力驱动水流不饱和区和底层饱和区有助于生成与地形有关的SP关于不饱和带SP生成物,多Ag/AgCl电极观察到垂直潜在梯度-1-2m松岛个人通信)基拉叶亚峰上水表上方488米间隔测得相似垂直SP梯度平均-1.35m163号..据认为,这种潜在的梯度是由不饱和带流出大量流流流流所产生,而水表上面区域统一温度近25摄氏表示163号..
与热液上流相联的拖流效果显示微小比异导论结构效果,特别是流水流深入并高度盐碱蒸气或火山气上山洞可减少与火山管道内流流流流相联的拖流16并会为顶点附近增加SP提供二级捐款7)Onizawa等[18号3D数值模拟流水流,由流水渗透并由此引导SP理解水流基本原理和Izu-Oshima观测SP原因s分布总模式转录自音频MagnetoTelluric测量生成的多式阻抗结构
爱泽等[164发现二维阻抗分量测试五大日本stratolcoces(Iwate、Iwaki、Nasu、Nantai和Nikko-Shirane)与SP测量关系密切160..大导体从没有SP异常的斜坡浅层向下扩展,而导体顶部相对深入斜坡观测大型SP小型ma他们确认基于热液系统数值模拟的拟议概念模型可信性并复制SP和抗冲数据之间的观察关系。
计算高SP放大接近峰值对传导结构敏感,认为传导结构会随时间变化,因为火山活动如岩浆上升、去气分解和热液对流开发[165,166..据认为,这至少部分地对基劳叶亚观测到的时间SP变化[153unzen154和其他火山
3cm3SP变化由地热流生成和回射
水库中流水槽或流水源生成或回注入地热流时,若满足下列条件,可通过电动联动生成表面电源潜在异常第一,必须有一个边界划分区域 不同的流动潜在系数 表示为 后期)第二,压力梯度非零分量与此边界并行53号,167号..温度边界、不同孔隙水化学区间边界和/或不同岩层接触最有可能引起中断 地热水库8)产生和/或注入流体引发的传播压力扰动达到不同区域间边界 水库中SP变化将出现在地球表面145..
(a)
(b)
量化和物理上合理的方法计算靠近SP异常 边界描述费特曼53号基础工作Nourbehecht167号..总电源定义 正流由 缺当前源 并划区 边界条件持续正常流 和不连续总电荷界面等于差 乘以压力 去哪儿 泛源函数 表示跳进 跨边界)不连续性 结出 并 持续时 断续续上头 可计算分布法,即表面分布带表层密度的当前底片生成的潜力 沿接头168号..边界近垂直,SP异常点波形二极分解何时 负值(正值),底值源指向大(小) .如果边界条件 地球表面 常数或压力变化受深度约束,SP异常点完全由dipole源产生objectived异常点不会出现在地球表面 分布均匀重力驱动地下水流中也是如此,如果流体密度在整个区域不变。举例说,SP仅依赖完全饱和同质区表高 [169号万事通即便渗透性分布千差万别,并因此压力梯度常度渗透性边界不连续,这也是事实
Mori地热电厂1982年在Nigorika1978年、1981年和1984年SP调查结果比较Ishido等[145发现由生产驱动的SP变化九九)SP二极变换出现在流水生产主段上方估计观察变化产生自通过电动联动生成(和回注入)地热流,并部分转录于模型结果5.中区上流热水相对盐碱化, 本地流值潜在系数 被认为小于外围区域淡水 正因如此 )dipole源码 沿近垂直显示 边界指向中心区域,导致中部和外围区域SP增减
(a)
(b)
中位解析偏差区域间边界的另一候选 被认为是水库和覆盖封盖之间的接口安川等[170进行建模研究解释观察到的SP变化,这些变化与森电厂短期全田闭合水井和回接水井相关模型中流出潜在系数假设 (此处, 并 流水库和卡布罗克区域潜在系数所观察到的SP中心增量和外围减量(数值建模中也复制这些增量)被解读为介面上分别由压力下降(因生成)和增量(因回注入)诱导
在许多地热水库中,蒸气支配区大规模生产诱发扩展(由于水库压力下降)发生在实地作业的早期阶段。紧接蒸气区下方,强沸发生并产生蒸气反流(上向)和液流(下向)。液相向下流随流拖动并给地表带来负SP变化57号..初步建模研究171,172显示日本Okuaizu域观察SP变化10)可以用此过程解释基于总电源解释也可用于此过程57号..Okuaizu断层沿近垂直故障发展流出国岩石潜在系数之广 被认为远小于水库岩石 )[32码,97..So the 不平等不会改变,不管 增加蒸气饱和引起的变化,只要液相保持移动垂直广开带导致压力下降 地球表面产生负SP变化
生产诱导SP变化总有可能重叠自然SP分布与非扰动状态相关联,因此必须谨慎解释流体生成区SP数据此外,新钻井、部署管道等噪声源需要评估在日本Sumikawa田,1995年地热电站启动前两次进行SP勘测后三次173..可惜除1983年第一次调查外,没有数据免用人工噪声充值数百毫伏特的负潜力接近金属人工品,如井壳和管道管道自1983年部署后沿1983年测量使用的主要测量线连接井口并在不同地点与地面有电接触井口和管道附近的持续SP测量显示,时间潜在变化与金属结构表面附近的时间温度变化相对应,这可以用简单“redox”模型解释[174号..其他重要噪声源供现场测量参考Corwin和HOOV讨论139..
估计地热水库流水磁场EKP后处理器计算应用Biot-Savart法分配拖动电流密度175..其结果显示,单由电动联动引起的磁异常量太弱无法观察,无论是自然条件或开发条件都无法观察。然而,这并不排除可观测磁场外观,因为电动联动在其他情况下发生大规模流体流176万事通zlotnicki和Mouel177))
除电动联动外,热电联动和化学扩散潜力等若干其他效果不可排除为地热场自有异常的可能原因EK现象几乎可以肯定地对开发田后SP生产诱发变化负责。没有其他特效起重要作用,因为生产驱动流化学分布变化和温度变化小于流模式变化,特别是在开发的早期阶段。SP监控像Okuaizu171,178被认为对历史匹配研究有用,特别是改善断裂水库数学模型172,179,180..
4级结论
近数十年来进行了许多观察, 包括自动机电磁观察和自磁电磁观察我们详解解释这些观察所需的理论背景,并指出自波地热应用并提及相关关键出版物帮助理解国际地球物理杂志特刊《地球科学电动学》所发布论文信号处理研究、逆题研究和技术开发研究应进一步改进
感知感知
论文得到了法国国家科学中心DielisE、Alsace工程环境科学区域研究网和Alsace区域的支持地热应用论文得到了日本地质测量局和国家高级工业科技学院地球资源环境研究所的支持。