基于Pride-Biot方程与A-φ表述的三维全波地震电场混合谱元-有限元时域建模方法

《Geosciences》：A Hybrid Spectral-Element and Finite-Element Framework for Three-Dimensional Full-Wave Seismoelectric Modeling

　　

摘要

流体饱和多孔介质中产生的地震电场响应包含了与地下界面、材料对比和电动力学耦合相关的间接地球物理信息。许多三维模拟采用准静态电磁近似，忽略了位移电流的贡献，无法对全波电磁传播提供完整的描述。本研究提出了一种基于Pride–Biot方程和磁矢势–电标势（A–）表述的三维全波地震电场建模的混合谱元法与有限元时域框架。孔隙弹性波场首先通过高阶谱元法进行计算，所得的相对流体–固体速度作为电磁问题的源项引入。采用隐式后向差分格式来应对地震波速与电磁波速之间的显著差异。耦合的 A– 系统使用基于近似Schur补和代数多重网格循环的上三角块预条件器的灵活广义最小残差法求解。该求解器策略被选作三维表述所生成的大型、稀疏、非对称且强耦合系统的一种实用处理方法。所提出的框架通过涉及半空间和层状介质、断层损伤带模型以及修改版SEG/EAEG盐穹模型的数值实验进行了验证。结果再现了预期的同震响应和界面响应，证明了该方法在非均匀三维结构中的准确性、数值稳定性和计算可行性。该框架提供了一种有效的正演建模工具，用于分析全波地震电场响应，并为未来的地下敏感性和联合反演研究生成合成数据。