我国大陆水位、水温观测对印尼8.7级地震的同震响应特征及机理研究

摘要

本论文通过对比我国大陆地下流体121个观测井(泉)，2004年12月26日08时58分发生在印度尼西亚苏门答腊西北近海8.7级地震水位、水温的同震响应特征，试图对水温的同震响应机理做出较为合理的解释。 在本论文第二章中，通过水位、水温的响应特征的统计分析，提出了其分类方法，得到了三种基本类型和两种复合类型：水位振荡-水温下降型、水位水温双阶变型；水位水温双脉冲变化型，两种复合类型分别为同震水位振荡-水温下降，后效双阶变型；另一种为同震水位水温双脉冲变化，后效双阶变型。 以上分类为本论文的主线，论文重点对三种基本类型的水位、水温同震响应特征和水温的响应机理做了较为深入的研究。特别是对于水位振荡-水温下降型机理的研究是本论文的一个创新点。 在此次地震“一震多井”的同震响应特征研究中，我们发现了一类具有规律性的变化特征：即当某观测井同震水位出现振荡变化的时候，其水温都会下降，当水位振荡停止的时候，水温开始恢复。在本论文第四章中，对此类型的典型观测井北京良乡井、赵各庄井、河北唐山矿井的“一井多震”水位、水温的远场大震同震响应特征进行了深入研究，发现都具有相同的规律性。总结此类水位、水温同震响应具有以下特征： (1)震后几分钟到十几分钟当地震波传播过来的时候，水位出现高频振荡，同井水温快速下降，水位振荡停止后立即恢复到震前的水平，水温则在数小时的时间内以较缓的速度回升到震前的水平； (2)水位振荡的持续时间一般为30分钟左右，并且水温下降期和水位振荡期在时间上能很好的对应； (3)对于某一观测井来说，水位振荡幅度的增大对应温度下降速率增加，即水位振荡幅度越大，温度下降的越快； (4)各观测井之间，水位振荡幅度和温度下降幅度并没有一定的关系，即并不是某个观测井的水位振荡幅度大，其水温下降的幅度就大； (5)井孔的空间分布对水位和水温同震响应特征也未表现出规律性，这种特征可能和井-含水层系统的水文地质条件、水温观测条件等有关。 本论文还系统收集与分析了唐山矿井水位历年同震响应的资料，发现该井同震水位振荡的最大双振幅△H(单位m)、水温的最大下降幅度△T(单位℃)、震级M以及震中距D(单位km)四个量之间经回归分析发现满足以下三个关系式： △T=0.0099△H0.3842lg△H=2.2329M-1.25271gD-7.9205lg△T=0.8579M-0.48131gD-7.6583其条件为：6.0≤M≤9.0，1000km≤D，△H≤3.0。 在对所有可能造成水温同震下降的影响因素逐一排除的基础上，本论文提出了同震水温下降的气体脱逸模式：认为地震波传播到井孔所在的含水层，使得含水层固体骨架产生周期性弹性变形，赋存在孔隙尖端的气体在周期性变化的外力、表面张力、气液压力差的共同作用下形成气泡，气泡在上升的过程中体积增大，吸热对外做功，由此造成周围的井水温度下降。另外地下水中的溶解气在高频振荡过程中也会脱逸，同样也会造成水温下降。 在以上脱逸模式的基础上，本论文对观测到的几个现象做出了较为合理的解释，比如良乡井几次远场大震观测到了水温下降，但并没有观测到水位振荡的过程，可以解释为此地震波的能量较小还不足于使得水位振荡，但赋存在固体孔隙中的气体相对比较敏感仍然有脱逸的过程，因此造成水温下降。同样我们可以解释良乡井水温同震响应要比赵各庄井好的原因，良乡井的观测含水层的封闭性要好于赵各庄井(这一点可以从其水温的日变化幅度以及观测含水层性质中得到)，因此赵各庄井气体脱逸的通道较分散，井孔并不是其气体脱逸的唯一通道，所以其水温下降幅度不明显。部分观测井其温度日变化幅度达到或者超过10-2℃量级，同震水位出现振荡、水温无同震响应，其原因也可以这样解释。因此此类观测井可以通过调整水温探头的观测层位来优化水温的观测效果。 对于同震水位、水温双阶变型，经统计分析发现其变化具有以下特征：(1)此类井孔的承压性都比较强，大多数为自流井，静水位的井水位埋深也比较浅，部分井孔水位和水温都能记录到固体潮，说明其含水层对应力的改变比较敏感； (2)大多数水位和水温同向变化，即水位上升温度上升，水位下降温度下降，是符合地温梯度的规律的，但同时有水位、温度反向变化的，这可能是受其井-含水层系统的水文地质条件比如和正常相反的地温梯度，顶、底板透水性断层的开启等等都可能造成这种情况。可见区域性应力的加载方式只是影响水位、温度变化方向的一个影响因素，由于井-含水层系统的水文地质条件的复杂性，使得水位和水温的同震变化呈现多样性； (3)大多数井孔的水温响应要滞后水位的响应速度，这是符合温度变化的水动力学解释的，由于含水层的不可恢复性的变形，造成流体泄流通道的改变，由于地温梯度的存在，使得冷、热水得到混合，所以温度改变。在此过程中水位的变化是压力传导引起的，而水温的变化是水对流引起的，前者属于能量传递，后者属于热量传递，自然前者的响应要快一些； (4)不同观测井相同水位的变化幅度，其对应的水温变化幅度相差比较大，这可能受到其地温梯度、流量大小，水温背景值大小、水文地质条件等多种因素影响。 前人对此类变化类型的水位和水温的响应机理都给出了较为合理的解释。水位响应的机理，认为是由于应力-应变导致含水层孔隙压变化挤压水体，从而导致水位变化。水温响应的机理，认为地壳应力-应变状态的变化，首先引起含水层岩体变形及相应孔隙压的变化，并导致井-含水层系统水动力条件(水力梯度)的变化和水流状况(流速、流量)等的改变，然后由于水流量所携带着的井孔内热量变化引发出井水温度改变。 本论文在以上响应机理的基础上，通过假设观测井内温度梯度为正温度梯度(即随着深度的增加温度上升)，简化井孔的水文地质条件，给出了四种不同响应特征的简化模型。即水位上升、水温上升；水位下降、水温下降；水位上升、水温下降；水位下降、水温上升类型。需要说明的是，本论文给出的只是其中较简单的一种，由于影响因素的多样性，水文地质条件的复杂性，实际情况远较此模型复杂。同震水位、水温双脉冲类型本质上和阶变类型没有区别，如果含水层受力产生的短期内不可恢复的、永久性的变形，则水位、水温的同震变化也不能短期恢复，从而产生阶变类型变化。如果含水层受力产生的是短期内可恢复的变形，则水位、水温的同震变化也可以在短期内恢复，其响应类型为脉冲变化类型。 对于两种按照同震、后效不同阶段划分得到的复合类型，本论文只是在第六章给出了其典型井孔的变化图象，未作更加深入的研究。在第七章中，本论文对部分观测井2005年3月29日印尼8.5级地震和2004年12月26日印尼8.7级地震的水位、水温同震响应特征进行了对比，发现绝大多数井孔水位和水温的同震变化特征是一样的，只不过是响应的幅度减小，部分灵敏度较低的观测井第二次地震未见有明显同震变化。 在本论文的第八章，对此次研究中讨论的水位、水温的同震响应机理作了总结，并对目前水温观测系统提出了一些改进意见。最后，提出了本论文中存在的几个问题： (1)本论文中提出的气体脱逸模式只是通过推理分析得到的，缺少通过计算同震气体的脱逸量来验证其温度下降的幅度的过程； (2)论文中提到的赋存在固体骨架中的气体较敏感先脱逸，也是根据观测现象推测，缺少理论证明； (3)论文对几个特例未做更加深入的研究，比如河北北杜井的同震水位震荡-水温上升、陕西周至井两次地震水温反方向变化等现象。 另外，论文中对进一步的研究工作也提出了一些建议： (1)建议进行多观测手段的对比研究，比如对于同震水位振荡-水温下降型观测井，通过水温可以将水位和溶解气、逸出气联系起来，进而也可以对热红外异常进行验证。 (2)建议选取部分灵敏度较高的观测井进行不同层位的水温对比观测。 (3)本论文只是对远场大震的水温机理进行了研究，对于近震的响应机理有待进一步的研究，比如唐山矿井就未能记录到内蒙两次5.9级地震的水震波和水温下降。 (4)另外利用水位振荡-水温下降型来研究水位的前驱波，水位和水温的固体潮幅度对比以及滞后关系的研究都将具有科学意义。

目录

文摘

英文文摘

第一章深井水位、水温微动态观测的基础知识

第二章印尼8.7级地震水位、水温同震响应资料统计分析

第三章振荡-下降型研究

第四章振荡-下降型“一井多震”同震响应对比研究

第五章阶变-阶变型及脉冲-脉冲型研究

第六章复合类型研究

第七章印尼两次地震对比研究

第八章论文总结

参考文献

致谢