基于井水位潮汐分析研究地震引起断裂带渗透性变化

发布时间：2020-08-21 00:37

【摘要】：地震引起的大部分水文现象,包括地下水位、水温、水化学成分和河流流量等变化,往往归因于地壳介质渗透性的变化,因此前人围绕地震引起的静应力和地震波(动应力)对介质渗透性的影响及机理开展了一系列研究。因构造活动强烈,断裂带裂隙发育,断裂带渗透性作为断层稳定性变化及其恢复的重要指示,越来越受到学者们的关注。封闭良好的承压含水层对应变响应敏感,利用井水位的潮汐响应分析渗透性变化,成为认识断裂带介质形变变化的一种有效手段。基于井水位潮汐分析,开展地震引起断裂带渗透性变化研究,为实时获取与地震和构造运动相关的断裂带介质物理性质参数的时空变化信息,提供了可行的途径,也为合理开发地下水、地热、石油、天然气等地下资源,有效保障核废料和有毒物质的地下安全存储,提供了有效的理论支持。本研究基于井水位对引潮力的潮汐响应,利用Hsieh模型和Roeloffs模型中潮汐参数(相位差和振幅)与水动力参数的关系,计算获得渗透系数(导水系数),进而从同震渗透性(增大/减小)变化和径向、垂向渗透性变化,震间渗透性趋势性变化等方面,深入分析了地震波和静应力作用与断裂带渗透性变化的关系,获得主要结论如下:(1)分析了郯庐断裂带上3口监测井的同震渗透性变化,结果表明,地震波作用下裂隙含水带的渗透性既可能增大,也可能减小,并提供了地震波引起含水带渗透性减小的直接证据。此外,结果显示,引起3口井渗透性增大和减小的地震集中分布在一定方位区域,其中2口井呈现一定的地震波方位选择性。考虑到地震波方位选择性,参考裂隙疏通导致渗透性增大的机理,提出了地震波通过激发沉积物和淤堵物的重新分布,导致导水裂隙淤堵,从而引起渗透性减小的机理。进而讨论认为,断裂带裂隙发育的各向异性可能是影响裂隙介质中渗透性(增大和减小)变化的地震波方位选择性的主要因素。(2)分析了小江断裂带上4口监测井的潮汐参数变化特征,在前人常用的判别方法(相位差是否大于0°)基础上,进一步结合相位差和振幅的正向或反向的变化关系,提出了更准确地识别地下水流类型的方法。据此判断昭通井所处含水层地下水流运动以垂向流为主,曲靖井和东川井所处含水层地下水流运动以径向流为主,弥勒井所处含水层地下水流则是以垂向流为主,径向流为辅的混合流运动。明确了地震引起了4口井径向、垂向渗透性增强的特征,其中地震导致了昭通井垂向渗透性短时间增强,曲靖井和东川径向渗透性在一定时段内增强,东川井受鲁甸地震影响其渗透性发生了永久性增强。地震波导致弥勒井水平渗透性短时间明显增强,出现垂向流向径向流的转变,但震后又恢复至垂向流为主的水流运动状态。提出了地震波通过疏通裂隙可导致弥勒井短时间内地下水流类型的变化的机理。(3)分析了华蓥山断裂带上4口监测井水位、渗透性的时空变化特征,结果显示,北碚井水位的趋势性变化与渗透性变化一致,该井和大足井渗透性的趋势性下降,主要受区域压应力增强导致。荣昌和南溪井水位的多年趋势性上升,可能主要受当地降雨量的影响。研究表明,渗透性的趋势性发生变化时,在排除降雨、气压等非构造因素影响后,一定程度上反映了震后静应力的调整。据此推测:2008-2018年间华蓥山断裂带的东北部应力调整较大,而西南部应力调整相对较小。其中,2008-2016年间东北部压应力有所增强,张应力出现减弱到增强的调整变化,2016-2018年间压应力逐渐减弱,张应力仍以增强为主。本文基于断裂带上监测井水位变化潮汐分析结果,探讨渗透性变化与地震活动之间关系。本研究的理论成果和方法,可为更深入理解断裂带的流体活动,全面认识地震对地壳介质渗透性影响提供理论基础和分析手段,也为进一步研究地下流体与地震的相互作用提供了一定参考。
【学位授予单位】：湖南师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P315.2
【图文】：

研究思路,趋势性变化

基于井水位潮汐分析研究地震引起断裂带渗透性变化分析华蓥山断裂带上 4 口监测井水位、渗透性的趋势性变化特征，结合气压和降雨观测数据，对比 GPS 形变数据，分析华蓥山断裂带上监测井水位、渗透性趋势性变化的原因，探讨震间期静态应力作用下渗透性趋势性变化与地表形变关系。

技术路线图,渗透性,断裂带,机理

基于地震波振幅与地震波能量密度的关系，分析不同地震波能量密度下，断裂带渗透性的分布，研究地震波振幅对渗透性变化的影响，明确是否地震波振幅与渗透性变化是否存在线性/指数关系；基于不同频率地震波随距离的衰减差异，分析不同震中距下，断裂带渗透性的分布情况，研究地震波频率对渗透性变化的影响，判断渗透性变化是否存在频率依赖性；基于影响渗透性变化的地震震中的空间方位分布，研究地震波的传播方向对渗透性变化的影响，进而根据渗透性变化的方向特征，分析断裂带的各向异性程度，探讨断裂带各向异性对渗透性变化的影响。（5）地震引起的断裂带渗透性变化的机理结合水位变化、渗透性变化的时空特征，利用前人模型，明确引起断裂带渗透性变化的具体机理，或者在前人模型基础上，进一步提出引起断裂带渗透性变化的具体机理。

垂向分层,含水层,潮力,岩石形变

20 0 22 '/19( ) 14NH EN G = 0度。一般认为，应力作用下水头对岩石形变的响应是相位，因此，如果有岩石体膨胀观测数据，的值可潮力相位之差确定。垂向流含水层水头对引潮高的响应模型

【参考文献】