井水温度微动态形成的水动力学机制研究

井水温度微动态观测越来越受到有关学者的关注，已成为我国地震地下流体动态观测的主测项之一。观测结果表明，无论是水温的正常动态还是震前的异常动态的形成，用传统的热传导或热对流机制难以给出合理解释。因此笔者根据观测到的事实、异常特征与同震效应等提出了水动力学机制，即含水层变形→含水层内孔隙压力变化→井－含水层系统内水流变化→井水温度的变化。     

应力加载作用引起地下水微温度场变化的研究综述

在地震地下流体动态观测中,水温对地震活动的响应非常敏感,井水温度微动态观测越来越受到有关学者的关注。本文收集了相关资料,以引起水温变化的水动力学机制为基础,从应力加载作用下渗流场的变化、渗流场变化引起地下水温度变化以及裂隙介质热量运移三个方面分别阐述了前人研究成果,旨在理清“含水层受力变形→井-含水层系统内水流变化→井水温度变化”的理论模式,探讨应力加载作用引起地下水微温度场变化的理论基础和技术途径。对这一领域研究成果的综合分析将有助于我们深入地研究地震孕育过程中的前兆成因机理。     

水温微动态形成的水热动力学与地热动力学机制

以井-含水层热系统分析为基础,结合井水温度(水温)动态观测到的实际结果,提出了水温微动态形成的两类基本机制,即水热动力学机制与地热动力学机制.水热动力学机制指井水温度的动态是由于水流动产生的热对流引起的变化;地热动力学机制指井区岩土中大地热流作用或热传导引起的井水温度变化.结果表明,多数同震响应是水热动力学机制下生成的水温微动态;水温的震后效应或变化则多是热传导或深部热流变化引起的,属于地热动力学机制下生成的水温微动态.少数水温微动态特征较为复杂,多是源于井-含水层系统中包含有多个水文地质特征差异明显的含水层,尚不能简单地用水热或地热动力学机制予以解释.     

河北省数字水位短临异常特征研究——以2016年唐山4.2级地震为例

2016年9月10日河北唐山发生M_S 4.2地震,以该震为例,研究河北省地下流体观测井水位震前异常变化特征。结果表明：①震中区域观测井水位异常变化形态一般为缓变型,震中外围观测井水位异常变化形态一般为骤变型;②距离震中越近,观测井水位异常出现越早,异常持续时间越长;③临近地震震中时,观测井水位异常有从震中向外围扩散的趋势;④观测井水位异常最大幅度与井震距关系不大。     

首都圈地区井水温度的动态类型及其成因分析

在系统清理首都圈地区 11口高精度水温度观测井近 10年的观测资料的基础上 ,归纳出井水温度动态的多年趋势、年、月、日动态类型 ,并对其成因与特征进行分析。多年动态类型可归纳为平稳型、上升型、下降型、起伏型与复合型 ;年动态类型可归纳为平稳 -阶变型、上升型、下降型、起伏型 ;月动态类型可归纳为平稳型、平稳 -阶变型、平稳 -起伏型、下降 -起伏型、上升 -起伏型与复合型 ;日动态多为随机起伏型 ,但在 5口井发现有水温潮汐 ,绝大多数井中存在阶变或脉冲等。目前发现的影响水温动态类型的因素有大气降水的渗入补给、地表水的侧向补给、邻井地下水开采及观测井内的井水扰动等 ,此外仪器本身的不稳定性对动态类型也产生重要影响。认识上述的正常动态类型 ,排除各种干扰之后 ,仍发现井水温度有较好的映震效应 ,在一些中强以上地震之前有较好的短临异常 ,在一些远大震之时也有显著的同震异常 ,在个别远大震之前发现有震前异常。因此 ,深入研究井水温度的动态类型 ,有效地排除各种干扰 ,包括仪器不稳定产生的阶变或脉冲等 ,将会显著地增强井水温度动态监测的映震效能 ,有助于提高中国的地震短临预测能力     

新30井新、旧观测点井水温资料初步分析

在系统清理温泉台新30号观测井水温度20多年观测资料的基础上,归纳出新30井新、旧观测点井水温动态的多年趋势和年、月、日动态类型,并对其特征进行分析。多年动态类型为下降—阶变型和下降型,年动态类型为平稳—下降型,月动态类型为平稳—下降型和平稳—上升型,日动态类型为随机起伏型。影响水温动态类型的因素有地表水的侧向补给、邻井地下水开采及观测井内的井水扰动等,此外仪器本身的不稳定性对动态类型也产生重要影响。排除各种干扰之后,仍发现井水温度有较好的映震效应。该井水温以同震或震后效应为主,对附近的中、小地震在震前也有一定的异常显示。     

夏垫断裂带地震地下流体的同震响应研究

地震地下流体已成为一种重要的地震监测手段。 本文分析夏垫断裂带上观测井的同震响应特征, 探讨观测井水位、 水温同震变化对夏垫断裂带的影响机理, 收集和整理布设在夏垫断裂带上的赵各庄井和西集井两口观测井水位和水温同震响应资料, 从响应的地震次数及发震位置、 异常幅度、 时间和形态类型等方面对其响应特征进行分析, 从震中距、 震级和井-含水层岩性等方面探讨了地下流体地震前兆异常的成因。 结果显示, 赵各庄井和西集井水位地震响应能力强于水温, 响应形态以振荡型为主, 对于M_S7.0以上地震具有显著的映震能力。 在水温资料中, 仅有赵各庄井对2008年汶川M_S8.0地震有响应, 响应幅度为0.0129℃。 综合分析认为, 井-含水层岩性影响了两井同震响应形态特征, 远场大地震产生的动态应变导致了较大的水位变幅。     

塔院井水温微动态研究

简要介绍了塔院井水温动态观测的环境与条件, 系统清理了水温多年、年、月、日动态特征并认识了水温的正常变化规律, 揭示出存在的干扰因素, 研究了典型震例, 发现了井水温度观测的最佳深度及在此观测到的水温潮汐、同震阶变与远震前兆异常等新的现象。     

大姚地热动态特征分析

通过大姚高精度水温观测井水地质、井孔条件的分析，震例观测资料、实验观测数据的处理，以及井水水质分析结果，表明大姚水温周期性变化的突出位置是井深75m左右，根本原因是该地层石膏脉稳定释热，含水层热水与井内冷水混合过程中，在通道内形成钙盐类沉淀物（如CaSO4CaCO3），堵塞对流通道，含水层内外压差突破被阻塞通道，热水反复侵入井内，便形成水温周期性变化。地震的孕育、发生和调整过程，由于应力场作用，产生附加地热场，水温基值发生变化，周期畸变或消失，这种附加地热动态是可以恢复的。所以认为大姚地热动态是井区特殊地层地热信息的反映。     

传感器放置深度对水温动态特征的影响及其机理分析

地热井的观测规范要求尽可能将水温传感器放置在井下深处, 一般放置深度应当大于100 m, 小于200 m。 然而, 近几年的观测结果表明, 水温传感器的放置深度对水温动态特征的影响较大。 在多数观测井中, 同井水温与水位的时值动态、 潮汐效应、 同震响应及震后阶变等动态特征的相关性或一致性, 多与水温传感器的放置深度有关。 本文主要探讨了传感器放置深度对水温动态特征的影响, 水温传感器放置在观测含水层中, 都受井—含水层间水流运动的影响, 会造成水温动态随井水位变化而变化; 当放置在观测含水层下部时, 水温动态则不受井水位变化的影响, 多表现为动态相对稳定。 其原因是水温动态的形成受水热动力学与地热动力学两种不同机制的控制, 此外, 井—含水层系统的条件也会产生影响。     

北京良乡、赵各庄井水位、水温同震响应对比研究

收集了2001年以来北京地区良乡、赵各庄井水位、水温的同震响应资料,从其同震响应特征中发现,虽然两观测井水位的响应灵敏度相差不大,但良乡井水温的灵敏度要好于赵各庄井。在对比两观测井水温日变化幅度以及气泡脱逸模型的基础上,结合两观测井含水层的水文地质特征,对于两观测井水温响应灵敏度的差异给出了较为合理的解释。     

地下水动态映震机制的试验与观测研究

本文根据一系列室内外试验与观测研究结果,论述了震前地下水位动态异常信息形成的四个基本环节:①地壳应力活动与含水层应力状态的变化,②含水层变形破坏与孔隙压力的变化;③孔压变化信息在井—含水层系统中的传递;④孔压变化信息在井孔地下水动态中的表现。在此基础上,提出了地下水动态映震特性的若干观点。     

永清MS 4.3地震前永清井水温异常分析

2017年12月永清井观测温度急剧下降,采用该井水温、水位多年观测数据,从仪器测量原理及精细温度梯度测量出发,结合井孔资料,认为该变化为永清M_S 4.3地震（井震距<30 km）发生前的异常信息。利用正弦累加模型计算温度异常持续时间和幅度,发现该异常变化存在2个周期：①周期42天,温度变化幅度为0.042 12℃;②周期16.77天,温度变化幅度为0.018 62℃。分析认为,区域应力状态发生变化,使含水层渗透性受到影响,从而间接影响到井下温度传感器安放处水温。地震发生后近距离观测到水温异常变化尚属首次,利用模型对变化时间与幅度进行量化提取,可为经验预报、统计预报提供经典震例。     

井水温观测分析中的水-热动力学研究综述

从井水温动态影响因素、井水温对动力加载的响应机理、水-热动力学理论模型三方面阐述了井水温研究进展。高精度数字化观测技术,为井水温的科学研究提供可靠、有效的数据支持。补给源和水动力作用是影响井水温动态变化的两大因素,补给源决定了井-含水层系统温度的垂直分布曲线的形态,水动力作用决定了含水层地下水补给量的多少和地下水流速的快慢,从而影响井-含水层系统温度变化的大小,而动力加载作用影响井-含水层系统内部的水流流动速度,改变水温变化情况。通过对井水温动态影响因素与水-热动力学形成机理研究的总结,有助于厘清井水温动态和含水层的关系,为井水温动态的定量分析和机理解释提供重要的研究思路。     

2019年长宁M6.0和2018年兴文M5.7地震引起的井水位同震响应对比分析

2019年长宁M6.0地震和2018年兴文M5.7地震引起了华蓥山断裂及其附近区域8口观测井水位不同程度的响应变化。 本文对比分析各观测井水位的同震响应特征, 从地震波能量密度、 同震破裂体应变、 含水层渗透性参数变化以及断裂带控制作用几个方面探讨了其同震响应机理。 结果显示, 井水位同震响应的幅度与地震波能量密度有一定关系; 2019年长宁M6.0地震引起的井水位同震响应形态符合同震破裂体应变四象限空间分布特征, 但2018年兴文M5.7地震则不符合; 两次地震引起的含水层渗透性参数变化存在空间上的不一致性和单点各向异性, 并且断裂带自身的水文条件对井水位同震响应形态和幅度有一定的控制作用。 综合分析认为, 目前已有的几种机理无法完全解释两次地震引起的井水位同震响应现象。     

地下不位固体潮响应的地震异常

本文从理论上讨论了承压井不位与含水层固体应变的关系以及在非线性失稳状态井水位对固体潮响应的变化，重点讨论了其响应率与响应比的变化。对水位观测资料的计算分析表明，震前响庆率有一些变化；响应比有一个背景值１，与理论是一致的，而且震前也存在一些变化位固体潮响应可以反映含水层岩石参数的变化。     

地下水位前兆敏感水力学条件的数值模拟研究

根据弹性孔隙理论,利用数值分析的方法,研究了承压含水层对井水位的映震效果的影响,模拟结果显示：含水层系统的封闭状态对水位的映震效果有很大的影响,侧漏的大小和水头的高低会直接影响水位的观测效果,在系统封闭很好的情况下,观测水位的变化基本与水头的变化呈线性关系,此外,含水层系统的渗透性也是影响水位变化的重要条件之一,渗透性好则水位的映震效果明显。     

地下水位固体潮响应的地震异常

本文从理论上讨论了承压井水位与含水层固体潮体应变的关系以及在非线性失稳状态井水位对固体潮响应的变化,重点讨论了其响应率与响应比的变化。对水位观测资料的计算分析表明,震前响应率有一些变化,响应比有一个背景值1,与理论是一致的,而且震前也存在一些变化,说明水位固体潮响应可以反映含水层岩石参数的变化。     

井水位对气压和潮汐的响应特征与机理研究

井水位作为一种灵敏的体应变仪,是一种重要的前兆观测资料,有望用于提取地下应力和介质变化信息。目前我国已建成较为密集的地震地下水观测井网,积累了大量的波形记录,为建立地下水位变化模型、提取应力及介质变化信息和开展地震预测研究等提供了基础性平台。然而,由于井水位受多种因素影响,水位变化的信噪比很低,从水位中提取含水层物性和应力变化的模型、方法和规律都有待深入研究。本论文围绕井水位对气压和潮汐这两种天然载荷的响应特征与机理开展研究。从中国大陆地震地下水观测井网选取了一些气压和水位较为连续、稳定的台站资料,用于发展井水位微弱信号分析方法;利用汶川地震和芦山地震水位资料,分析同震水位阶变类型,区分动态和静态应力变化的作用;利用全频带气压响应分析井水含水层的承压特性,尝试反演含水层物性;选取潮汐响应敏感的台站,利用水位对潮汐的相位响应进行含水层渗透率变化的分析。研究得出:(1)通过井水位传递函数的多次叠加可以大幅度提高信噪比,首次在一些台站获得了井水位对气压的全频带响应。(2)发展了全频带气压响应拟合反演含水层物性的方法,相对于低频带和几个潮汐频点拟合,全频带拟合可以提高反演的可靠性,降低强能量潮汐频点的影响。分析了含水层的承压状况以及井筒的储集效应,计算获得了承压含水层的压缩系数、孔隙度等参数。(3)汶川地震近场水位阶变主要与静态应力变化有关,而芦山地震400km范围内的井水位同震响应与静态应力变化无关,这种差别可能与地震能量和地质构造等因素有关。(4)无论汶川地震还是芦山地震,不管水位同震变化是上升还是下降,多数台站同震引起的含水层渗透率都增大,表明渗透率的增强可能主要与动态应力有关,而与静态应力变化关系不大。(5)芦山地震引起的水井渗透率增大在震后一年内基本恢复到震前水平,而汶川地震引起泸沽湖井的渗透率增大明显,并在约6年后仍然没有恢复到震前水平,推测该区域在汶川地震中有新的裂隙产生。     

唐山井水温的同震变化及其物理解释

唐山市一口水井观测到多次同震水位振荡， 以及伴之的高精度测量到的深部层水温变化. 水温变化幅度与水位振荡幅度有关， 水位幅度变化数厘米到一米， 水温变化幅度为0.001℃~0.01℃，而且总是温度下降， 震后一到数小时内水温恢复正常. 我们进行了有限单元法模型计算， 认为井水垂直振荡时搅动井水引起的弥散效应， 是造成同震水温变化的主要原因， 后续的热传导作用可以解释水温的复原过程. 今后如果在不同深度同时进行高精度井水温度观测可以检验该模型.