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Reply to ‘Comment on “Dependence of shear wave seismoelectrics on soil textures: a numerical study in the vadose zone by F.I. Zyserman, L.B. Monachesi and L. Jouniaux” by Revil, A.’
No full textIn this paper we reply to a the comment made by Revil (2017) on our paper (2017, Geophys. J. Int., 208), where we describe seismoelectric phenomena in the vadose zone based on the theory of Pride empirically extended for unsaturated conditions. We analyse and answer each one of the enumerated critics, and reaffirm the conclusions of our work. In particular, we prove that using the conductivity model suggested by Revil (2017) does not change our predictions significantly, contrary to what was argued in the comment. Further, in the light of previous and new theoretical and experimental results existing in the literature, we confirm the reasonability of having tested a non-monotonic saturation dependent streaming potential coefficient model besides the monotonic one, and discuss the suitability of assuming a linear relation between the permeability and the excess charge.Fil: Zyserman, Fabio Ivan. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Universidad Nacional de la Plata. Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas. Departamento de Geofísica Aplicada; ArgentinaFil: Monachesi, Leonardo Bruno. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Universidad Nacional de Río Negro. Sede Alto Valle. Instituto de Investigaciones en Paleobiología y Geología; ArgentinaFil: Jouniaux, L.. Centre National de la Recherche Scientifique; Franci
Discontinuous Galerkin methods for solving the acoustic wave equation
No full textIn this work we develop a numerical simulator for the propagation of elastic waves by solving the one-dimensional acoustic wave equation with Absorbing Boundary Conditions (ABC’s) on the computational boundaries using Discontinuous Galerkin Finite Element Methods (DGFEM). The DGFEM allows us to easily simulate the presence of a fracture in the elastic medium by means of a linear-slip model. We analize the behaviour of our algorithm by comparing its results against analytic solutions. Furthermore, we show the frequency-dependent effect on the propagation produced by the fracture as appears in previous works. Finally, we present an analysis of the numerical parameters of the method.Fil: Castromán, Gabriel Alejandro. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Universidad Nacional de la Plata. Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas. Departamento de Geofísica Aplicada; ArgentinaFil: Zyserman, Fabio Ivan. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Universidad Nacional de la Plata. Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas. Departamento de Geofísica Aplicada; Argentin
Parallel finite element algorithm with domain decomposition for three-dimensional magnetotelluric modelling
No full textWe present a new finite element (FE) method for magnetotelluric modelling of three-dimensional conductivity structures. Maxwell's equations are treated as a system of first-order partial differential equations for the secondary fields. Absorbing boundary conditions are introduced, minimizing undesired boundary effects and allowing the use of small computational domains. The numerical algorithm presented here is an iterative, domain decomposition procedure employing a nonconforming FE space. It does not use global matrices, therefore allowing the modellization of large and complicated structures. The algorithm is naturally parallellizable, and we show results obtained in the IBM SP2 parallel supercomputer at Purdue University. The accuracy of the numerical method is verified by checking the computed solutions with the results of COMMEMI, the international project on the comparison of modelling methods for electromagnetic induction. (C) 2000 Elsevier Science B.V. All rights reserved.Fil: Zyserman, Fabio Ivan. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Universidad Nacional de La Plata. Facultad de Ciencias Exactas. Departamento de Física; ArgentinaFil: Santos, Juan Enrique. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Universidad Nacional de la Plata. Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas. Departamento de Geofísica Aplicada; Argentina. Purdue University; Estados Unido
Detection of non-aqueous phase liquid contamination by SH-TE seismoelectrics: A computational feasibility study
No full textIn this work we propose a one dimensional numerical study of the seismoelectric signals produced in a fresh water aquifer contaminated by either light or dense non-aqueous phase liquids ((L/D)NAPLs), considering a pure SH-wave seismic source. We investigate the nature of the electromagnetic response generated at media interfaces, the so called Interface Response (IR), by comparing it with the electromagnetic field generated by a current sheet; wherefrom we are able to interpret that the source of the IR behaves as an electric current flowing along the interface, differently to what happens when the IR is originated by the action of a P-wave, where electric charge accumulation generates an electric dipole. We perform a parametric study to analyze how the presence of contaminants affects the IR, resorting to an effective media approach to compute mechanical and electromagnetic properties, and considering three different effective fluid-saturation dependent electrokinetic coupling coefficient models. We observe, as expected, that porosity plays an important role in the amplitude of the IRs. When considering different NAPL saturations, significant effects on the IRs are only seen when the thickness of the contaminated layer is above a threshold value, which depends on the present contaminant and the considered effective electrokinetic coupling coefficient model.Fil: Munch, Federico Daniel. Provincia de Buenos Aires. Gobernación. Comisión de Investigaciones Científicas; Argentina. Universidad Nacional de La Plata. Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas; ArgentinaFil: Zyserman, Fabio Ivan. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata. Instituto de Astrofísica La Plata. Universidad Nacional de La Plata. Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas. Instituto de Astrofísica La Plata; Argentin
Seismic wave propagation in coupled fluid and porous media: A finite element approach
No full textWe present a numerical method to simulate seismic wave propagation in coupled fluid and porous media. We developed a numerical finite element-based algorithm to approximate solutions to viscoacoustic and Biot’s equations, considering the open pore conditions at the interfaces between both media. The algorithm architecture allows to simulate arbitrary distributions of viscoacoustic and poroelastic regions, facilitating the modelling of heterogeneous systems involving complex geometries. The algorithm includes a double parallelisation scheme whose efficiency in terms of computing time and memory requirements was tested for different core distributions and mesh sizes. We validate our proposal by performing a comparison between its results and those obtained with a well known freely available code. We test its capabilities by studying two different scenarios with geophysical interest: a lake with an irregular bottom and a fractured porous medium.Fil: Bucher, Federico. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata; Argentina. Universidad Nacional de La Plata. Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas. Departamento de Geofísica Aplicada; ArgentinaFil: Zyserman, Fabio Ivan. Universidad Nacional de La Plata. Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas. Departamento de Geofísica Aplicada; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata; ArgentinaFil: Monachesi, Leonardo Bruno. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Patagonia Norte. Instituto de Investigación en Paleobiología y Geología; Argentin
Estudio sismoeléctrico de medios poroelásticos acoplados con medios acústicos o elásticos
No full textLa conversión de energía mecánica en electromagnética en medios poroelásticos total o parcialmente saturados de un electrolito fluido, ha sido profundamente estudiada en las últimas décadas y gran cantidad de trabajos fueron publicados con el objetivo de avanzar en la comprensión del denominado fenómeno sismoeléctrico (Pride, 1994; Pride y Haartsen, 1996; Garambois et al., 2002). Estos estudios dieron lugar al desarrollo de una nueva técnica geofísica sensible frente a cambios en las propiedades eléctricas y/o mecánicas del subsuelo, cuya aplicación en el campo se encuentra en fase experimental y que ha sido empleada exitosamente como método prospectivo de acuíferos (Fourie, 2006) y reservorios de hidrocarburos (Thompson y Gist, 1993). Se utiliza también en el monitoreo de reservorios de CO2 capturado (Zyserman et al., 2015), de contaminación del subsuelo y en el estudio de los campos electromagnéticos relacionados a la ocurrencia de un terremoto (Gao et al., 2013).
Además, nuevas líneas de investigación referidas a esta disciplina y a su recíproca, la Electrosísmica, que estudia la conversión de energía electromagnética en mecánica, están actualmente en desarrollo, tales como el estudio de nuevos tipos de propagación como son las ondas evanescentes, que son originadas cuando se supera el ángulo crítico de incidencia en una discontinuidad (Wang et al., 2020). En resumen, el fenómeno sismoeléctrico de interés en este trabajo se produce cuando, en un medio poroso que contiene un electrolito fluido, una perturbación mecánica provoca un movimiento relativo entre el fluido y la matriz rocosa. La existencia de la denominada Doble Capa Eléctrica adyacente a las paredes de los poros permite la generación de movimientos iónicos en el electrolito, es decir, corrientes eléctricas que son fuentes de campos electromagnéticos inducidos, produciéndose así la conversión de energía. Estas pueden darse por diversos mecanismos, dando lugar a distintas formas de propagación como lo son principalmente el campo co-sísmico, que está siempre presente, y la respuesta de interfase, que únicamente tiene lugar cuando existe un contraste en las propiedades mecánicas y/o eléctricas del subsuelo. Ambos campos difieren principalmente en su amplitud y en su velocidad de propagación, siendo la velocidad sísmica del medio la del primero y la electromagnética del medio la del segundo. Otra diferencia es en el soporte espacial, ya que el campo co-sísmico sólo está presente en el interior de la onda, mientras que la respuesta de interfase, en principio, lo está en todo el espacio. Cuando las perturbaciones mecánicas son causadas intencionalmente con caídas de peso o explosivos, estos campos pueden ser registrados en pozos cercanos o en superficie, brindando una herramienta prospectiva no invasiva muy útil que cuenta con la resolución del método sísmico, en función del grado de compactación de la ondícula que se utilice como fuente, y la sensibilidad frente a propiedades eléctricas del método electromagnético.
Para describir estos fenómenos y también sus recíprocos correspondientes al acoplamiento electrosísmico, Pride (1994) desarrolló un conjunto de ecuaciones que resultan en las ecuaciones acopladas de poroelasticidad de Biot y las leyes de Maxwell. Para resolverlas numéricamente en dominios unidimensionales y bidimensionales, es necesario realizar una serie de suposiciones que permiten desacoplarlas y simplificarlas. Todas estas cuestiones son discutidas en detalle en el capítulo 1 de este trabajo. Con el objetivo de representar, además de medios poroelásticos, medios acústicos y elásticos con la misma formulación teórica e implementación numérica, se propuso en este trabajo hacer variar la porosidad en las ecuaciones de Biot entre los dos extremos: φ → 0 para el caso elástico y φ → 1 para el acústico (implicando además este último despreciar el módulo de corte). Para validar estas hipótesis, se realizaron simulaciones numéricas con una versión de un código desarrollado previamente (Zyserman et al., 2010) que resuelve las ecuaciones 2D desacopladas de Pride con el método de elementos finitos, y se compararon con resultados obtenidos mediante códigos desarrollados por otros autores (Diaz y Ezziani, 2010). Esto se discute en el capítulo 2 junto con un análisis detallado de la respuesta sísmica de medios elásticos y poroelásticos acoplados. En el capítulo 3 se expone un estudio paramétrico de la respuesta sismoeléctrica de medios homogéneos para el estudio del campo co-sísmico y de medios acoplados para el de la respuesta de interfase. Esta última, con el objetivo de poder ser visualizada, debe ser procesada previamente al análisis dada su baja amplitud en relación al campo co-sísmico, lo cual se lleva a cabo en este trabajo mediante un filtro de pendientes en el dominio FK. Los resultados del procesamiento permitieron observar la respuesta de interfase con una nitidez no alcanzada hasta ahora en los trabajos previos de distintos autores, siendo éste un resultado novedoso y relevante del presente trabajo. Asimismo, en el capítulo 4 se propone simular la respuesta sismoeléctrica de un glaciar sobre un sustrato rocoso y en el capítulo 5 se exponen las conclusiones generales y el trabajo posible para continuar estos estudios.
Mas allá de que los fenómenos sismoeléctricos que tienen lugar en el subsuelo estén actualmente estudiados en profundidad (Jouniaux y Zyserman, 2015; Revil et al., 2005; Grobbe, 2020), la motivación para llevar a cabo el presente análisis radica en que es necesario contar con modelos numéricos que simulen la respuesta sísmica y sismoeléctrica de sistemas multifásicos heterogéneos compuestos por medios acústicos, elásticos y poroelásticos acoplados, es decir, en contacto y sin movimientos relativos entre ellos. Ejemplos reales que pueden representarse mediante dicho modelado son glaciares sobre un sustrato poroso (representable como un medio elástico sobre otro poroelástico (Monachesi et al., 2018)), o un fondo oceánico estratificado (representable como un medio acústico de agua sobre otros elásticos y/o poroelásticos (Wang et al., 2020)). También puede aplicarse al estudio de contaminación del nivel freático, considerando capas de distintas propiedades en función de las características del contaminante (LNAPL, DNAPL) (Munch y Zyserman, 2016). Este tipo de estudio es útil para cuantificar en forma aproximada dichas respuestas en base a las distintas propiedades físicas del subsuelo y resulta así en una herramienta fundamental para el diseño de geometrías en adquisiciones de datos reales. Siguiendo a Garambois et al. (2002), también puede ser utilizado para comparar datos sintéticos con datos reales y así refinar la teoría desarrollada por los distintos autores.GeofísicoUniversidad Nacional de La PlataFacultad de Ciencias Astronómicas y Geofísica
SH Seismoelectric Response of a Glacier: An Analytic Study
No full textIn this work we derive the analytic solutions to the system of equations modeling, within the framework of Pride's theory, the seismic-to-electromagnetic conversions taking place in a glacial environment. Considering a one-dimensional approach, we set a pure shear horizontal wave seismic source on top of an elastic medium representing the glacier, which overlies a porous medium fully saturated with water, representing the glacier bed. The obtained solutions allow to separately represent and analyze the induced electromagnetic responses, the so called coseismic waves, for both the electric and magnetic fields along with the signals originated at the glacier bottom, the electric interface response, and magnetic interface response. We also propose approximate solutions, useful to be used in a fast inversion algorithm. We analyze the characteristics of the induced electromagnetic signals and their dependence on the type of glacier bed, considering an unconsolidated one and a consolidated one. The main results of the present paper are manifold, on the one hand, the mentioned analytic solutions, on the other hand, that the electric interface response originated at the glacier bottom is proportional to the electric current density at this depth, and depends on textural and electrical properties of the basement. We also showed that the amplitude of the electric interface response is three orders of magnitude higher than the amplitude of the electric coseismic field. This fact reinforces the idea proposed in our previous works that it would be interesting to test shear horizontal seismoelectrics as a possible geophysical prospecting and monitoring tool.Fil: Monachesi, Leonardo Bruno. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Patagonia Norte. Instituto de Investigación en Paleobiología y Geología; ArgentinaFil: Zyserman, Fabio Ivan. Universidad Nacional de Río Negro; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - La Plata; Argentina. Universidad Nacional de La Plata. Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas; ArgentinaFil: Jouniaux, L.. Université de Strasbourg; Francia. Institut de Physique Du Globe de Paris; Francia. Centre National de la Recherche Scientifique; Franci
Numerical electroseismic modeling: A finite element approach
No full textElectroseismics is a procedure that uses the conversion of electromagnetic to seismic waves in a fluid-saturated porous rock due to the electrokinetic phenomenon. This work presents a collection of continuous and discrete time finite element procedures for electroseismic modeling in poroelastic fluid-saturated media. The model involves the simultaneous solution of Biot's equations of motion and Maxwell's equations in a bounded domain, coupled via an electrokinetic coefficient, with appropriate initial conditions and employing absorbing boundary conditions at the artificial boundaries. The 3D case is formulated and analyzed in detail including results on the existence and uniqueness of the solution of the initial boundary value problem. Apriori error estimates for a continuous-time finite element procedure based on parallelepiped elements are derived, with Maxwell's equations discretized in space using the lowest order mixed finite element spaces of Nédélec, while for Biot's equations a nonconforming element for each component of the solid displacement vector and the vector part of the Raviart-Thomas- Nédélec of zero order for the fluid displacement vector are employed. A fully implicit discrete-time finite element method is also defined and its stability is demonstrated. The results are also extended to the case of tetrahedral elements. The 2D cases of compressional and vertically polarized shear waves coupled with the transverse magnetic polarization (PSVTM-mode) and horizontally polarized shear waves coupled with the transverse electric polarization (SHTE-mode) are also formulated and the corresponding finite element spaces are defined. The 1D SHTE initial boundary value problem is also formulated and approximately solved using a discrete-time finite element procedure, which was implemented to obtain the numerical examples presented.Fil: Santos, Juan Enrique. Purdue University; Estados Unidos. Universidad Nacional de La Plata; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería. Instituto del Gas y del Petróleo; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Zyserman, Fabio Ivan. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Universidad Nacional de La Plata; ArgentinaFil: Gauzellino, Patricia Mercedes. Universidad Nacional de La Plata; Argentin
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