远场大震引发的华北平原井水位及含水层渗透性变化研究
作者单位：防灾科技学院
学位级别：硕士
导师姓名：谷洪彪;李营
授予年度：2019年
学科分类：070801[理学-固体地球物理学] 07[理学] 0708[理学-地球物理学]
摘 要：地震会引发地下水位、泉流量及地下水化学成分等水文变化,其中井水位及含水层渗透性变化是地震地下流体领域的热点,同时其也与我们的生活息息相关。本文聚焦于远场大震引发的华北平原井水位及含水层渗透性变化研究,收集了2008年-2015年世界范围内发生的10次Ms8.0级以上远场大震资料(2008年Ms8.0四川汶川地震、2009年Ms8.1萨摩亚地区地震、2010年Ms8.8中智利海岸近海地震、2011年Ms8.7日本本州东海岸远海地震、2012年Ms8.6北苏门答腊西海岸远海地震、2012年Ms8.2北苏门答腊西海岸远海地震、2013年Ms8.0鄂霍次克海地震、2014年Ms8.2智利北部海岸远海地震、2015年Ms8.2尼泊尔地震、2015年Ms8.3智利中部沿岸近海地震)及华北平原9口地下水监测井(北京市昌平台,天津市辛庄井、桑梓井、高村井,江苏省徐州苏02井、兴化苏08井、金湖苏06井、河南省焦作09井、兰考豫11井)井水位分钟值及小时值资料。本文比较了长周期内上述地震前后地下水位、相位和含水层渗透性变化,为我们探索华北平原井水位和含水层渗透性变化的原因和特征提供了良好的机会。本研究的主要目的是分析远场大震引发的井水位和含水层渗透性变化的特征和可能机制。本研究的研究方法包括:频谱分析、Cooper(1965)模型分析、潮汐分析、Hsieh(1987)模型分析和Doan(2006)模型分析。频谱分析用于提取非地震作用下井水位周期变化的影响因素;Cooper模型分析用于计算代表井水位振幅和含水层压力水头变化的理论放大系数,从而根据记录的井水位振幅计算含水层的压力水头波动,通过这种方式,可以还原含水层中压力水头变化。潮汐分析、Hsieh模型分析和Doan模型分析用于计算相位滞后,以进一步估算含水层水平或垂向的导水系数。本文的主要结论如下:(1)非地震影响的井水位多年和年周期变化主要受地下水侧向补给和人工开采的影响,表现为径流-开采型、径流型和开采型的变化特征。非地震影响的井水位日变化主要受月球重力的M2和O1波的影响,具有明显的出24小时和12小时的周期性特征。(2)远场大震引发了井水位多种变化形态,主要可以分为以下6种:振荡、缓升、缓降、阶升、振荡-缓升、振荡-缓降。其中,振荡变化是最普遍的井水位变化形态,出现次数最多,共34次,占总变化次数的73.6%,井水位振幅介于0.001-1.05m之间。华北平原地下水监测井的井水位变化的能量触发阈值为1×10-5×10Jm,该结果与前人计算结果不一致,推测原因是不同研究区地质构造条件、含水层性质及井结构的差异,所以引发井水位变化的阈值有所差别。(3)远场大震对于含水层的影响来源于动态应力即地震波,地震波导致含水层和井之间产生压力差,从而驱使地下水流入或流出井,引起井水位波动。2008-2015年,不同含水层的静水压力不同。其中,高村井的静水压力最高,为26.24-26.34MPa,水柱高度为2677.7-2687.8m,昌平台的静水压力最低,为1.22-1.46MPa,水柱高度为124.5-148.9m。但长周期内井水压力变化范围较小,各井均小于0.5MPa。受远场大震影响,含水层的同震压力水头变化在0.029-2.8Mpa之间,多数情况下大于静水压力变化。静水压力和同震压力水头变化的计算还原了远场大地震引发的含水层压力水头波动。(4)远场大地震引起的含水层渗透性变化可分为暂时性变化和长期变化。昌平台、桑梓井、高村井和兰考豫11井的震后相位分别增加了3.866、20.851、13.892、0.932、1.616度,导水系数分别增加了14.724、33.192、20.664、1.584和10.08 m/d,上述四口井渗透性在地震后15天内全部恢复到震前水平,为渗透性暂时性变化。辛庄井、金湖苏06井和焦作09井震后相位分别增加20.851、3.185、4.862度,金湖苏06井和焦作09井的导水系数分别增加4.356和1.152 m/d(由于流向不确定,无法计算辛庄井的导水系数)。上述三口井渗透性分别在地震后500天、150天和60天恢复到地震前水平,为渗透性长期变化。此外,渗透性变化与含水层边界条件有显著的相关性。如果含水层承压性好,地下水主要是水平流,则地震后渗透性增加,而如果含水层承压性差,地下水主要是垂向流,则地震后渗透性降低。阻塞/疏通模型和含水层/隔水层破裂模型可以解释含水层渗透性的变化。
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