地震波引起的井水位水温同震变化及其机理研究

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1、地震波引起的井水位水温同震变化及其机理研究地震波引起的井水位水温同震变化及其机理研究地下水是地球系统的重要组成部分,地下水的运动变化与人类的生存环境息息相关。地震是地球活动的突发常发事件。地震与地下水动态的关系是近几十年来人们努力研究的内容,地震引起的井水位水温同震效应是当前大家非常关注的热点问题。本论文以这一命题为科学问题开展研究工作,试图揭示地下水位水温同震变化的时空分布规律、影响因素、相互关系和产生机理,这对于厘清地震与地下水动态的关系、研究地壳活动规律、减轻次生灾害、跟踪后续地震、追溯地震前兆等都具有重要的理论和实

2、际意义。中国的地下水位水温观测台网,经过七、八十年代的起步建设,“九五”、“十五”期间的发展,观测井点数量分别达到了约420个和277个,尤其是数字化的观测仪器,采样率达到了分钟值,快速、连续和方便,为深入研究井水位水温同震效应奠定了坚实的数据基础。本论文在对地下水位水温同震变化研究现状系统调研的基础上,发现了目前研究中存在的问题,主要表现在:多为定性分析,缺乏进一步的定量研究;水位水温同震变化相互关系未见有系统研究;对水温影响因素的研究较为缺乏;对水位水温同震变化机理的认识尚不深入和统一等。针对以上几个方面的问题,本论文

3、首先选择代表性井点,对其多年连续观测数据进行细致分析,研究一井多震的水位水温同震变化规律;然后依照一定的原则对全国前兆台网数据库的观测井点进行筛选,系统收集被选井点水位水温对201X年汶川Ms8.0级地震的响应,研究一震多井的水位水温同震变化特征和同井水位水温变化的组合类型;并挑选出以汶川震中为中心1000km范围内的井点,收集其在201X年印尼苏门答腊Ms8.5前后的观测资料,对比分析了汶川近震和苏门答腊远震引起的水位水温同震变化的异同及其影响因素;最后以北京塔院井为实验场地,对水位和不同深度的水温动态变化进行对比观测,

4、探讨了水温动态的影响因素,并建立模型进行数值模拟,分析探讨水位水温同震变化的机理。论文的主要工作可归纳为如下几个方面:(1)水位同震变化的研究水位同震变化可分为振荡和阶变(包括上升和下降),水位振荡是含水层对地震波的弹性响应,前人已有较多的研究,这里主要关注阶变型同震变化。本论文首先选择云南思茅大寨井和新疆乌鲁木齐新04井两口代表性井孔对水位同震阶变上升和下降变化特征进行研究;然后系统收集了井水位在201X年汶川Ms8.0级和201X年印尼苏门答腊Ms8.5前后的同震变化观测资料,分析对比了近震和远震引起的水位同震变化的异

5、同。对一井多震的的研究结果显示,同一口井的水位同震变化的方向不因地震的不同而改变,无论地震的方位、距离、大小和震源机制如何,上升的总是上升,下降的总是下降。水位同震变化幅度主要受震级和井震距控制,三者之间有良好的相关性。思茅井水位的同震变化总是上升,上升幅度随震级的增大而增大,随井震距的增大而减小,同时也受季节性降雨或者区域构造环境和局部应力状态变化的影响,地震波跨过红河断裂时会使井水位同震变化幅度偏离总体统计关系;分析认为渗透系数减小可能是水位同震上升的主要原因。新04井水位的同震变化总是下降,下降幅度随震级的增大而增大

6、,随井震距的增大而减小,同时也受本地应力状态的影响,在新04井周围发生的3个5级左右地震前后,井水位同震响应能力显著降低,可能是孔隙缩小、断层闭锁,水流受阻所致。新04井井孔穿过了断层破碎带,当受强震s波或面波能量的激发时,断层发生张合作用或蠕动,井水外泄可能是井水位同震下降变化的原因。201X年汶川地震是地下水位水温观测网在“九五”、“十五”项目建设完成后国内发生的最为显著的地震,因此在一震多井分析时,选择以汶川地震为例。首先对前兆台网库中的井点进行了筛选。为兼顾下文对水温同震响应和同井水位水温同震变化组合类型的分析,选

7、择观测井点时遵循以下原则:①井点要同时具有水位水温两个观测项,且在201X年5月12日地震前后仪器都正常工作;②汶川地震至少引起了水位水温中一个测项的同震变化;③水位水温具有相对稳定的动态背景。依照以上原则对前兆数据库有记录的井点进行了筛选,选出了96口井,并对其水位同震变化进行了分类统计。分类统计结果显示,201X年汶川Ms8.0地震引起的水位同震变化以上升为主。同时,在以上的96口井中,挑选出以汶川震中为中心1000km范围内的32个井点,收集其对201X年印尼苏门答腊Ms8.5级的响应,对比分析汶川近震和苏门答腊远震

8、引起的水位水温同震变化的异同。对比结果显示,印尼远震引起水位同震上升或下降阶变的6口井,在汶川近震时其阶变方向仍然不变;在印尼远震引起水位振荡的18口井中,在汶川近震时除4口仍然振荡外,其余14口都产生了或上升或下降的同震阶变;在印尼远震无变化的8口井点中,在汶川地震时除1口无变化外,其余7口都产生了或