Simulación del fenómeno electrosísmico en una dimensión usando diferencias finitas

Abstract

La electrosísmica es una reciente técnica de prospección geofísica que, a diferencia de otras, puede llegar a distinguir entre varios fluidos como agua e hidrocarburos. La técnica consiste en la generación de una onda mecánica a partir de un pulso electromagnético aplicado en la superfiie terrestre, al atravesar el material, actúa de manera diferente sobre la superfiie cargada de los granos (capa Stern) y sobre la capa inducida en el fluido que satura el suelo (capa difusa), produciendo en consecuencia un desplazamiento relativo (sólido-fluido) y una onda sísmica de respuesta, ésta es detectada utilizando geófonos. Las ecuaciones que rigen el fenómeno combinan la electrodinámica de Maxwell con la propagación de ondas en medios porosos de Biot, y se conocen como ecuaciones de Pride. El objetivo de este trabajo es explorar si un esquema de diferencias finitas en el dominio natural del problema, frecuencia, reproduce el fenómeno. La fuente electromagnética esta dada por la ondícula de Ricker con una frecuencia central de 20Hz. El método numérico escogido consiste en transformar a frecuencia el pulso de entrada, trasladar a diferencias fiitas las ecuaciones de Pride, hallar con este esquema la respuesta al pulso de entrada para cada frecuencia, combinarlas y trasladar el resultado al dominio del tiempo, todo esto para cada profundidad de estudio. El esquema arroja datos de aceleración que reproducen la aparición de ondas sísmicas inducidas por el fenómeno electrosísmico en la interfaz de distintos parámetros electrocinéticos y poroelásticos del subsuelo, con velocidades del orden de las esperadas para el medio. Por su parte, la perturbación inducida por la propagación vertical de la señal de la onda electromagnética se atenúa como se espera respecto a las características del suelo. Este trabajo constituye un primer paso en Colombia para la búsqueda de esquemas numéricos que puedan reproducir correctamente este fenómeno.

Abstract. In contrast to other geophysical prospecting techniques, electroseismic is able to discriminate between diffrent fluids such as water and hydrocarbons. In this technique, a mechanical wave is produced from an electromagnetic pulse applied on the earth surface, when it passes through the material acts diffrently on the adsorbed layer (Stern layer) and double layer induced in the fluid to saturate the soil (diffsed layer). As a consequence, a relative displacement (soliduid) is produced and then, a seismic wave response can be detected using geophones. The equations governing the electroseismic effect combine Maxwell's electrodynamics and Biot's wave propagation in porous media, and are known as equations of Pride. In this work, we explore whether a finite difference scheme in the natural domain of the problem, frequency, attain reproduce this phenomenon. The electromagnetic source is given by a Ricker wavelet with a central frequency equal to 20Hz. The numerical method consists in transforming to frequency the input pulse, discretize finite difference equations of Pride to solve with this scheme the answer to input pulse for each frequency, combine and translate the results into the time domain, and apply this to each depth of study. The scheme sheds acceleration data that reproduce the appearance of seismic waves induced by electroseismic efect on the interface of several distinct electrokinetic and poroelastic parameters of the underground, with velocities of the order of those expected for the medium. Meanwhile, the perturbation induced by the vertical propagation of the electromagnetic wave signal is attenuated, as expected, respect to characteristics of the soil. This work is a first step in Colombia in order to find numerical schemes that can reproduce this phenomenon correctly.