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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

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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：王明远防灾科技学院

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：远场大震华北平原井水位渗透性

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山西洪洞井水位对远场大震的响应特征分析

中国地震 2018年第1期34卷 93-103页

作者：李颖殷伟伟胡玉良程冬焱穆慧敏山西省地震局太原市030021 太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站/太原市晋源区太原基准地震台 030025

对洪洞井水位自2013年数字化改造以来记录到的同震响应资料进行统计分析后认为:洪洞井水位对全球MS≥7.5的远场大震有较好的响应能力,其同震响应呈一定的方向性;对不同地震的响应形态具有固定模式,以水震波为主,部分水震波伴随阶变;水... 详细信息

对洪洞井水位自2013年数字化改造以来记录到的同震响应资料进行统计分析后认为:洪洞井水位对全球MS≥7.5的远场大震有较好的响应能力,其同震响应呈一定的方向性;对不同地震的响应形态具有固定模式,以水震波为主,部分水震波伴随阶变;水位振荡阶变的初始方向以上升为主。统计分析显示,井水位同震变化幅度与震级、井震距无明显相关性,水位响应时刻与井震距有一定关系。进一步核实表明:引起水位同震响应的地震波大多为S波,部分为P波、面波;S波引起的水位变化幅度要小于P波,而面波引发的水位变化幅度最大。综合分析了前人对水位振荡的机理研究,并结合洪洞井具体情况对其相关机理进行了初步探讨。

关键词：水位同震响应远场大震机理解释

河北省地下流体水位对远场大震的响应特征研究

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防灾科技学院学报 2015年第3期17卷 37-44页

作者：尹宏伟梁丽环韩文英李凤刘静河北省地震局深州地震台河北深州053800 河北省地震局石家庄中心台河北石家庄050021

选取汶川Ms8.0、日本Ms9.0、印尼Ms8.6、巴基斯坦Ms7.8四个远大地震,从"一震多井"和"一井多震"的角度分析河北省地下流体不同井孔水位的响应特征,探讨水位变化的机理。结果表明:水位同震响应形态以水震波为主,部分为水震波伴随阶变或只... 详细信息

选取汶川Ms8.0、日本Ms9.0、印尼Ms8.6、巴基斯坦Ms7.8四个远大地震,从"一震多井"和"一井多震"的角度分析河北省地下流体不同井孔水位的响应特征,探讨水位变化的机理。结果表明:水位同震响应形态以水震波为主,部分为水震波伴随阶变或只有阶变;同一口井的水位同震阶变方向是固定不变的,水位阶跃上升集中区可能就是未来地震危险区;含水层岩性为灰岩或花岗岩,导水系数大、渗透性能好的井孔水位同震响应幅度大;震中距相近时,不同井孔水位的同震响应时间有很大差异,含水层岩体结构的不同是主导因素;峰4井水位的映震能力近几年在逐渐增强。

关键词：远场大震水位同震响应机理探讨

山西水位观测井对远场大震记震能力及震时应力变化量分析

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山西地震 2018年第1期 36-39页

作者：穆慧敏刘国俊胡玉良程冬焱李惠玲山西省地震局山西太原030021 太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站山西太原030025 山西省地震局夏县中心地震台山西夏县044400

以2007年以来山西水网水位记录到的全球7.0级以上地震的同震响应为基础,结合山西井点的水文地质与构造环境特征,分析井水位对7.0级以上地震的记震能力及同震响应特征。根据4次典型远场大震震时的井水位变化量分析其受力状态,结果表明,... 详细信息

以2007年以来山西水网水位记录到的全球7.0级以上地震的同震响应为基础,结合山西井点的水文地质与构造环境特征,分析井水位对7.0级以上地震的记震能力及同震响应特征。根据4次典型远场大震震时的井水位变化量分析其受力状态,结果表明,山西省内漫水井与孝义井震时应力响应较为敏感,且响应与不同水文地质条件及含水层特征有关。

关键词：远场大震同震响应水位观测井

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扎实做好防震减灾工作助力安全韧性城市建设

上海安全生产 2024年第1期 14-15页

作者：贾志珍不详

2023年12月13日,国家地震烈度速报与预警工程上海子项目举行竣工验收媒体通气会,宣布上海实现远场大震预警能力和基于仪器实测的街镇烈度速报能力。该项目正式运行后,可以为公众应急避险争取更多时间,还可以为行业紧急处置提供服务,如... 详细信息

2023年12月13日,国家地震烈度速报与预警工程上海子项目举行竣工验收媒体通气会,宣布上海实现远场大震预警能力和基于仪器实测的街镇烈度速报能力。该项目正式运行后,可以为公众应急避险争取更多时间,还可以为行业紧急处置提供服务,如电力、高铁、医院、石油化工、精密加工企业等今后都能从中受益。这是上海市地震局近年来积极发挥专业优势,走到前台服务公众、保障经济社会安全发展的一个缩影。

关键词：防震减灾工作烈度速报远场大震前台服务紧急处置竣工验收石油化工精密加工

橡胶支座基础隔震结构隔震层软限位加固方法研究

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工程抗震与加固改造 2014年第4期36卷 95-99页

作者：韩淼沙千里北京建筑大学土木与交通工程学院北京100044

按现行建筑抗震规范建造的橡胶支座基础隔震结构遭遇远场大震或近断层脉冲型地震作用时,隔震层可能发生过大变形,造成隔震支座侧倾失稳。本文提出隔震层软限位加固方案,给出软限位加固主要参数预留距离、限位刚度、阻尼的设计与优化方... 详细信息

按现行建筑抗震规范建造的橡胶支座基础隔震结构遭遇远场大震或近断层脉冲型地震作用时,隔震层可能发生过大变形,造成隔震支座侧倾失稳。本文提出隔震层软限位加固方案,给出软限位加固主要参数预留距离、限位刚度、阻尼的设计与优化方法。取一栋橡胶支座基础隔震钢筋混凝土框架结构,以近断层地震动作用为例,对软限位加固参数的设计与优化进行了介绍。优化软限位加固设计参数,可获得隔震层限位与上部结构减震的良好效果。同时给出了两种适用的软限位加固装置。

关键词：远场大震近断层地震基础隔震软限位加固方法

日本地震山东莒县井异常变化分析及对山东地震影响

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防灾减灾学报 2011年第3期27卷 37-42页

作者：尹相好田凤东赵庆红李佳竹日照市地震局山东日照276826 陵阳地震台山东莒县276521 日照市规划设计研究院山东日照276826

本文通过2011年日本本州海域9.0级地震、2008年四川汶川8.0级地震和2008年6月14日日本本州东海岸近海7.0级地震前后山东莒县井水位、水温同震响应的资料变化对比分析,对区域应力进行探讨,认为日本本州海域9.0级地震的发生,是对莒县井及... 详细信息

本文通过2011年日本本州海域9.0级地震、2008年四川汶川8.0级地震和2008年6月14日日本本州东海岸近海7.0级地震前后山东莒县井水位、水温同震响应的资料变化对比分析,对区域应力进行探讨,认为日本本州海域9.0级地震的发生,是对莒县井及周边区域应力的卸载。2011年日本本州海域9.0级地震,可能对山东及周边地区近期震情起到一定的缓解作用。

关键词：莒县井同震响应远场大震区域应力

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山东莒县井远大震异常的初步研究

四川地震 2010年第4期 25-29页

作者：尹相好田凤东赵庆红李佳竹山东日照市地震局山东日照276826 山东莒县陵阳地震台山东莒县276521 山东日照市规划设计研究院山东日照276826

本文通过对山东莒县井水位、水温资料的分析,认为莒县井水位、水温的异常典型模式为突降,异常多为远场大震的临震异常;远场大震的发生,是对莒县井孔区域应力的卸载。目前该区域的应力状态为拉张,对莒县井孔附近区域近期震情起到缓解作用。

关键词：水位异常远场大震区域应力

基于井水位同震响应监测井效能评价体系研究——以华北地块区为例

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国际地震动态 2018年第12期39卷 37-38页

作者：宋洋中国地震局工程力学研究所哈尔滨150080

地震地下流体监测台网在地震监测预报中发挥了重要作用,尤其是对破坏性地震监测预报的效果与能力十分显著。然而,在井网的建设与运行中也暴露了监测井监管部门层级复杂,监测井结构与质量参差不齐,观测仪器采样率低、数据缺失率高等诸多... 详细信息

地震地下流体监测台网在地震监测预报中发挥了重要作用,尤其是对破坏性地震监测预报的效果与能力十分显著。然而,在井网的建设与运行中也暴露了监测井监管部门层级复杂,监测井结构与质量参差不齐,观测仪器采样率低、数据缺失率高等诸多问题,严重制约了地下流体在地震监测预报中作用的充分施展。如何选择监测井的点位,如何确定地震引起的监测井水位变化的影响要素,如何对监测井效能进行评估,都是值得深入探讨和亟待解决的科学问题。在当前的形式下,地下流体监测井效能评价体系研究是具有非常重要的理论与实际意义。本文基于孔弹性理论与应变模型,以完整的典型构造单元的监测井为研究对象,依托井水位同震响应研究成果,首次尝试采用改进的FCE-AHP方法开展监测井效能定量化评价体系研究。可用于对现有地震地下流体监测井的筛选与评估,也可为在建及计划建设的地下流体监测井提供参考依据,对于同类块体构造单元的相似现象分析也具有借鉴作用。论文的主要成果如下:(1)监测井效能评价方法研究。通过对专家评价法、多目标决策方法(MODM)等7种现阶段主要的综合评价方法的评析与研究,认为改进的FCE-AHP法是最符合监测井效能评价指标特点的评价方法。利用层次分析法与变异系数法计算组合权重,并引入隶属度函数确定模糊关系矩阵,从指标赋权和综合评价隶属度计算两方面对传统方法进行了修正,有效地避免了评价的主观随意性,使评价结果更为合理。(2)监测井效能评价体系研究。强调以井-含水层系统为评价主体,分析了同震与前兆对井-含水层系统的作用过程,根据监测井效能评价的基本原则及评价依据,确立了基于井水位同震响应的监测井效能评价体系。从观测背景、观测仪器与配套设施以及观测数据质量三方面,较全面地总结了监测井效能的影响因子及其评价参考值,共计29项。以此为基础对评价指标进行了初步筛选,选取了具有典型性和代表性的可量化指标20项。最终确立了多目标监测井效能综合评价的步骤,并给出了监测井效能评价指标筛选的流程。(3)典型构造单元井水位同震响应规律研究。以华北地块区为典型区进行实例研究,选取地块区161口地下流体监测井为研究对象,首先以远场大震为触发条件,采用数值分析的方法,探讨华北地块区域大尺度面状井水位同震响应规律。继而探讨不同规模断裂带附近井的响应规律。由于采用分钟值序列数据,该统计结果存在一定的局限性。(4)华北地块区同震水位变化影响要素分析。利用SPSS中的回归分析法确定井水位变化与震中距、震级的关系,采用Matlab对井水位变化进行频谱分析,揭示监测井水位同震响应频段,同时利用Baytap-G程序提取潮汐因子、振幅比与相位差,进而分析地震引起的井-含水层渗透性变化规律,并对地块区不同部位进行响应敏感度空间分析。影响要素分析结果充分体现了同震水位变化的复杂性,利用单一个指标无法真正揭示监测井对应力应变的响应能力。以上研究成果,也为华北地块区监测井效能评价指标的筛选提供了参考依据。(5)华北地块区监测井效能综合评价研究。结合监测井背景资料缺失情况,计算各指标权重,将同震响应率、同震响应幅度、潮汐因子、距活动断裂带的距离、距干扰源的距离、观测井深度、井径及含水层渗透系数8个最能体现监测井效能的参数,作为典型区监测井效能的综合评价指标。利用改进的FCE-AHP法对具有同震响应的74口"十五"观测井进行评价与等级评定。总体来看,华北地块区地震地下流体水位监测井整体效能偏低,优秀井数量偏少,良好、中等井比重较大。因此,以地震监测预报为目标的地下流体监测井网优化与完善是十分有必要的。由于监测井效能评价尚处在探索阶段,在本文的评价过程中存在背景资料缺失、指标参数计算干扰因素多等问题,导致评价结果存在不同程度的误差,有不足之处敬请批评指正。

关键词：监测井效能评价改进的FCE-AHP 法华北地块区井水位同震响应远场大震