Numerische Untersuchungen zur Anatomie und Metamorphose seismoelektromagnetischer Effekte in porösen Medien

Abstract

Unter Seismoelektromagnetik versteht man die Erzeugung elektrischer und magnetischer Felder in einem vollgesättigten, porösen Medium als Antwort auf seismische Anregungen an der elektrischen Doppelschicht. Je nach Art der Gesteinsformation kann es zu zwei in Ursache und Wirkung voneinander verschiedenen Phänomenen kommen: zum einen das aufgrund von Ladungsträgerseparationen beim Durchgang seismischer Wellen im porösen Medium eines homogenen Halbraums jeweils lokal induzierte elektrische und magnetische Feld (koseismisches Feld); und zum anderen die elektromagnetische Signalantwort, die aufgrund der partiellen Umwandlung von seismischer in elektromagnetische Energie an Inhomogenitätsgrenzen generiert wird (konvertierte Welle). Die Charakteristika der seismoelektromagnetischen Effekte können über die beteiligten mechanischen und elektromagnetischen Feldgrößen sowie ihren elektrokinetischen Kopplungseigenschaften erklärt werden. Dazu wird in dieser Arbeit ein mathematischer Gleichungssatz eingesetzt, der es ermöglicht, alle an der seismoelektromagnetischen Modenkonversion beteiligten physikalischen Felder über einen thermodynamischen Ansatz miteinander zu verknüpfen. Die Berechnung der zeitabhängigen Feldfunktionen des gekoppelten Systems erfolgt dabei über eine Finite-Elemente-Modellierung und ermöglicht die Interpretation der seismischen, elektrischen und magnetischen Signalantworten für geologische 2D-Strukturen beliebiger Komplexität. <br /> Zwar ist die generelle Anatomie seismoelektromagnetischer Effekte für planparallele Schichten bekannt. Gleichwohl existieren bis heute keine eingehenden Analysen dieser Effekte für komplexere 2D-Raumstrukturen. Diesbezüglich wird in dieser Arbeit die Anatomie (Struktur) und die Metamorphose (Gestaltänderung) seismoelektromagnetischer Effekte für solche Strukturen eingehend analysiert. Es zeigt sich, dass die Signalmustergenerierung der konvertierten Welle vom internen Wechselspiel zwischen Parametermilieu (Petrophysik) und Konversionsstruktur (Geometrie) abhängt. Die an unterschiedlichen Raumstrukturen erzeugten Signalmuster lassen somit Rückschlüsse auf die sie generierende Geometrie zu (z.B. zur Lagerstättencharakterisierung). Darüber hinaus kann aufgrund der Korrelation zwischen den Signalantworten der seismischen und seismoelektromagnetischen Felder in dieser Arbeit erstmals überhaupt das seismoelektromagnetische Diffraktionsverhalten an Störungen untersucht werden. Dabei lässt sich zum einen die koseismische Kopfwelle belegen und zum andern die diffraktierte koseismische Welle dokumentieren und erklären. Ebenfalls erstmals nachgewiesen und erklärt werden kann die koseismische Kanalwelle, die als Wellenfeld-Interferenzsystem in geschlossenen (geologischen) Raumstrukturen auftritt. Die Arbeit erläutert insgesamt die physikalischen Zusammenhänge, die in dem in mehrfacher Hinsicht gekoppelten System maßgeblich sind, und zeigt, dass mit dem Finite-Elemente-Algorithmus bislang unbekannte Phänomene in der seismoelektromagnetischen Prozesscharakteristik methodisch erfasst werden können.