渗流条件下振动对测压水位的影响实验

利用地震模拟振动台和自行设计的刚性渗流模型箱,模拟渗流条件下振动对井-承压含水层系统水位的影响过程.通过输入12组不同的振动频率和振动加速度的正弦波及1组模拟EL Centro波,探察水位与不同输入频率和加速度的振动响应关系,并同步观测含水层井水位变化过程中对应响应加速度、孔隙压力的变化特征.结果表明:测压水位的变化形态与输入振动的频率有关,并且与孔隙压力的变化一致,输入低频(0.5、1、2 Hz)时,孔隙压力振荡下降,测压水位呈阶降变化;输入高频(5、10、15 Hz)时,孔隙压力振荡上升,测压水位以阶升变化为主,验证了测压水位的变化主要是振动引起含水层孔隙压的变化导致的.本次实验可为今后开展此类实验提供一般的研究思路和技术经验,并为进一步探究含水层形变-孔隙压-水位之间的定量关系传递机理提供基础数据支持.     

静水条件下振动对测压水位影响实验

将自行设计的井-承压含水层渗流系统置于地震模拟振动台之上，探究静水条件下测压水位的同震响应特征.该实验含12组工况，加载频率f_in分别为0.5，1，2，5，10，15 Hz和加速度a_in分别为1.5，2.5 m/s2的正弦波.研究结果表明:测压水位呈现阶升、阶升—振荡、振荡和阶降—振荡等4种响应变化形态，与天然地震同震响应井水位变化形态具有一定的相似性；12组工况中, 测压水位和孔隙水压力在加载低频(f_in=1，2 Hz)工况时均呈下降变化，中高频(f_in=5，10 Hz)时为上升变化，高频(f_in=15 Hz)时为振荡变化，且加速度峰值也会影响二者的变化形态；测压水位和孔隙水压力的变幅均随输入频率的增大呈先增大后减小的变化规律，其最大变幅分别出现在a_in=1.5 m/s2, f_in=10 Hz和a_in=2.5 m/s2, f_in=5 Hz两种工况中.      

腾冲井同震水位动态孔弹性响应的渗透率反演

获得地下含水层的水文参数对于适当评价地下水资源至关重要.除了实验室方法和现场测井实验,目前多利用水位对外部周期性载荷的响应函数进行含水层参数的反演.其中,基于似稳态孔弹性理论的方法有很多,但这些方法通常忽略多孔含水层中可能存在的频率依赖的固流耦合.本文提出基于动态孔弹性理论的水文同震响应模型,推演了频率依赖的含水层孔压和围压的关系,构建动态响应函数.根据云南省腾冲井观测到的近场同震水位响应并基于动态模型反演了井含水层渗透率的长期演化.计算结果显示动态孔弹性模型能很好地解释水位的同震响应并且适当反演含水层参数.近场地震会导致井含水层的短期渗透率大幅度增加并在不久后恢复,这可能与地震触发应力导致的瞬时固体形变、孔隙疏通和颗粒物的重分布有关.     

无极井水位同震效应特征浅析

地下流体观测中水位同震效应是地震波作用于井-含水层系统最直接的体现,开展水位同震响应特征与响应机理的研究,能较好地解释地下水动态与含水层受力之间的相互关系。本文以无极井为例,通过选取2016年无极井水位同震效应资料,对井水位同震效应的形态类型及其特征进行了初步分析。     

湖南省数字化井水位对尼泊尔M 8.1地震的同震响应特征分析

通过分析湖南省数字化井水位对尼泊尔M 8.1地震的同震响应特征,我们发现,同一地震在不同观测井中引起的同震响应特征各不相同.湖南省井水位的同震响应形态以水震波为主,而且对于波动伴随阶变的同震响应类型,总是先记录到水震波然后才产生阶变.认为,同震响应形态的差异性以及初动响应时间的快慢可能与仪器、井况、井孔的构造环境以及水文地质条件等因素有关.湖南省水位观测井对远场大震的远场效应反映较灵敏,能反映区域应力场变化引起的含水层应力应变的变化.     

相邻两井对大地震的不同水力响应模型研究——页岩影响分析

大地震引起了左家庄和宝坻(相距～50km)两井中截然不同的同震水位响应.我们用水位的气压和潮汐响应来分析解释此现象.结果表明,宝坻井的观测含水层中存在页岩,且此井受裂隙影响很大,储水效应较差.页岩的复杂裂隙或者各向异性可能会导致此井观测含水层处于半封闭状态,从而导致垂直向排水的发生.通过多方计算分析后,我们将这两口井划分为两种模型—1.水平流动模型;2.水平流动+垂直流动的混合流动模型.由于裂隙影响,宝坻井的观测含水层介质与外界的水力沟通性在震前就较强(震前渗透率就比较大),所以宝坻井观测含水层与外界的孔隙压差异较小,导致同震渗透率上升较小甚至没有变化,这些因素是导致该井同震水位变化幅度总是非常微小的原因.     

2021年玛多MS7.4和2022年门源MS6.9地震引起的山东井水位同震响应特征分析

2021年5月22日青海玛多M_S7.4地震和2022年1月8日青海门源M_S6.9地震引起栖霞鲁07井、枣庄鲁15井和菏泽鲁27井水位不同程度的同震响应。基于秒数据,对比分析3口井水位同震变化形态、幅度与分钟值记录的差异,并从含水层渗透性变化、地震能量密度等方面进行同震响应机理探讨。结果表明,井水位秒数据能够更加完整地记录水震波信息,更加精确展现水位同震变化形态、幅度;井水位对于远场大震的震荡形态主要受含水层水文地质条件的影响。在正常应力背景下,远场大震引起枣庄鲁15井水位同震响应的地震能量密度阈值大约是1.54×10^-4 J·m^-3。     

湖南长沙井动水位对远大地震的同震响应特征分析

通过分析长沙井数字化水位对国内外大震的同震响应特征,我们发现:长沙井水位对不同地震表现出不同的同震响应形态,一般以振荡型为主,有时候表现为阶变型和脉冲型,表明单口井对多个地震的同震响应形式并不相同.我们认为,同一井孔在不同地震中表现出复杂的同震响应现象可能是受本地区局部应力状态发生改变的影响,也可能是由于一些大震之后井-含水层系统的水动力条件与含水层参数发生变化所引起.     

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。     

基于地下水位观测的震后孔隙回弹：以2000年冰岛地震为例

以2000年两次M_W 6.5冰岛地震为例，利用近场地下水位的同震响应和震后响应约束孔隙模型参数，分析了孔隙回弹效应造成的地表变形大小和时间演化过程。首先利用数值模拟方法获得地震造成的孔隙压力变化和测井水位响应的时间序列，并以测井水位的同震阶跃幅值和震后水位恢复速率分别约束孔隙模型中的Skempton系数和扩散系数；然后基于孔隙弹性模型使用最优孔隙参数模拟震后孔隙回弹效应引起的地壳变形。结果显示：孔隙压力的同震响应控制着孔隙回弹引起的地壳变形，其变形速率与流体扩散系数呈正相关关系；孔隙回弹造成的变形以垂直向为主，且随时间快速衰减。因此，利用近场地下水位的同震响应和震后响应可以约束孔隙模型参数，为获取震后孔隙回弹机制所致的地壳变形提供依据。     

新10井水位对九寨沟M_S7.0、精河M_S6.6地震同震响应

基于新10井水位对九寨沟M_S7.0、精河M_S6.6地震的同震响应特征,分别利用水震波和潮汐分析法,反演得到了新10井水位在地震波作用期间和地震波作用前后含水层参数特征,探讨了2次地震引起的新10井同震响应变化机理。结果表明,新10井水位对九寨沟地震和精河地震具有不同的同震响应形态,利用水平流模型反演所得的新10井含水层渗透系数,在九寨沟地震时为61m/d,而在精河地震时为147m/d,表明地震波作用导致水平向的渗透性增强;利用垂向流模型反演得到的新10井含水层渗透系数,在2次地震之前约为49×10~(-5)m/d,而在地震之后约为18×10~(-5)m/d,表明地震波作用导致垂直向的渗透性减弱。因此,新10井水位的同震响应变化与地震波引起的含水层渗透率的改变有关。     

日本秋田地震(1983年7.7级)引起我国应力场的震时调整变化

本文通过水平分层承压含水层模型,推导出含水层的水头和含水层应力变化之间的定量关系.利用我国在日本秋田地震时有水位阶变的52口井孔的观测资料,通过水井水位的体应变固体潮系数,估算了震时引起我国应力场的调整变化.讨论了这种应力调整时应力增加区和降低区交替出现的可能原因.      

Co-seismic multilayer water temperature and water level changes associated with Wenchuan and Tohoku-Oki earthquakes in the Chuan no. 03 well,China

The present paper shows analysis of water level (the distance from the land surface to the water in the well under static condition) and water temperature observed at three different levels of Chuan no. 03 well to study the changes associated with the Wenchuan earthquake of 2008 and the 2011 Tohoku-Oki earthquake. Our analysis shows co-seismic changes in water level and water temperature associated with the increase in compressive stress associated with the Wenchuan earthquake. The water level shows an increase, whereas there was drop in water temperature at the shallow depth (395 m) and enhancement of water temperature at the middle (595 m) and the bottom (765 m) layers. However, no step change in water level or temperature of Chuan no. 03 well is observed associated with the Tohoku-Oki earthquake, only seismic wave propagation-induced water level oscillation and led to co-seismic response of water temperature. The analysis of the co-seismic responses and post-earthquake adjustment processes combined with the borehole histogram and the borehole temperature gradient data clearly show co-seismic changes in water temperature that could be closely associated with the changes in the regional stress and strain state and the distribution of the aquifer and the characteristics of the aquifer. The observed temperature variation of different layers in the borehole is likely to be controlled by the flow of water in the horizontal direction.     

Characteristics and Mechanisms of Co-seismic Groundwater Responses in Tayuan Well

Co-seismic responses of the groundwater level and temperature in the Tayuan well of 68 earthquakes (M_S≥7.0) from January 2004 to September 2007 were analyzed. Results show that the Tayuan well has a strong ability to record large earthquakes worldwide, and the co-seismic response shows a pattern of water level oscillation → temperature decrease→ oscillation stop → temperature resumption. Further analyses indicate that the amplitude of the water level and temperature change is not only concerned with the epicenter distance and magnitude, but is also related to the temporal state of aquifer while the seismic wave arrives. Mechanisms of water level oscillation, temperature decrease, water level oscillation stop and temperature resumption are discussed, with the results from previous research on the co-seismic response mechanisms analyzed. These include gas escape, heat diffusion and cold water seepage. Results show that a single mechanism could not explain the co-seismic response of the Tayuan well water level to multiple earthquakes; the results were garnered from a variety of jointly acting mechanisms.     

Poroelastic Effects on Fracture Characterization

Reverse water‐level fluctuations have been widely observed in aquitards or aquifers separated from a pumped confined aquifer (Noordbergum effect) immediately after the initiation of pumping. This same reverse fluctuation has been observed in a fractured crystalline‐rock aquifer at the Coles Hill uranium site in Virginia in which the reverse water‐level response occurs within a pumped fracture and results from an instantaneous strain response to pumping that precedes the pore‐pressure response in observation wells of sufficient distance from the pumped well. This response is referred to as the Mandel‐Cryer effect. The unique aspect of this water level rise during a controlled 24 h pumping test was that the reverse water levels lasted for approximately 100 min and reached a magnitude of nearly 1 cm prior to a typical drawdown response. The duration and magnitude of the response reflects the poromechanical properties of the fractured host rock and hydraulic properties of the pumped fracture. An axisymmetric flow and deformation model were developed using Biot2 in an effort to simulate the observed water‐level response along an assumed 0.5 to 1.0 cm aperture horizontal fracture 176 m from the pumping well and to identify the importance of the poroelastic effect. Results indicate that traditional aquifer‐testing methods that ignore the poromechanical response are not significantly different than results that include the response. However, the poroelastic effect allows for more accurate and efficient parameter calibration.     

广西桂平西山井水位同震特征和机理初探

收集了2008~2016年广西桂平西山井水位观测数据及全球5级以上地震资料,分析井孔记录水震波的能力、水震波形态特征及影响因素,初步探讨了西山井同震的机理,获得以下认识:桂平西山井对全球M_S≥7地震具有较好的同震响应能力,水震波的形态主要为振荡型,少数呈现阶升型。井-含水层观测系统、地震震级、井震距是影响井孔记录水震波能力的主要因素。含水层介质受瑞利面波作用会发生体积变化,导致水位振荡,是形成振荡型水震波的可能机理。阶变型水震波的形成与区域应力场增强、介质变化及构造活动等因素有关。西山井水位阶升与周边中强地震活动存在较好对应关系,该认识可为地震预测研究提供参考。     

九江1井水位与水温对大震的同震响应特征及机理浅析

统计分析九江1井2008—2011年水位、水温在多次大震中的同震响应特征,结果显示:水位通常表现为在正常背景下振荡,水温则通常表现为突降后恢复正常,水位和水温对远场大震的同震响应存在着一致性。同时,九江1井水位对地震的同震响应灵敏性优于同井水温观测,但水位观测受降雨影响,且气压效应明显。     

宾川井对印尼大震的同震响应特征及其机理解释

系统统计分析了云南宾川井水位与水温对印尼苏门答腊4次大震的同震响应资料。 宾川井在这4次强震中的同震响应形态表现为水位振荡—水温下降和振荡停止(减弱)—水温恢复。 进一步的分析表明, 水位与水温的变化幅度与震中距、 震级有一定的统计关系。 分别探讨了水位振荡—水温下降和振荡停止—水温恢复现象产生的机理, 综合分析了前人所提出的同震响应机理, 并依据宾川井实际观测资料对机理进行了定量化的数值模拟。 模拟结果显示, 气体逸出、 热弥散及冷水下渗作用都可以导致井水温度下降, 而水温的恢复则主要是与围岩发生静态热传导所致。     

深井水位对地震波、固体潮和气压的水力响应—以范县井为例

以河南范县井为例，利用不同的水力响应模型分析了井水位对地震波、固体潮和气压的响应特征，并基于相关水力响应模型反演估算了含水层的水力参数。结果显示:在高频加载作用过程中，井-含水层系统中的水流模式以水平向为主，而在低频加载作用过程中，则为水平向和垂直向共存的混合模式；利用周期为10—102 s的高频段的地震波响应模型估算的含水层导水系数值较大，为7.20×10?3 m2/s，利用周期为3.75×104 s的低频段的固体潮响应模型估算的含水层导水系数值较小，为2.02×10?6 m2/s，而利用周期为102—104 s的中等频率段的气压响应模型得到的估算值介于二者之间，为3.44×10?5 m2/s。由此分析认为，在周期性加载作用过程中，井-含水层系统内的水流模式与加载频率有关，基于不同水力响应模型反演估算的含水层水力参数存在尺度效应。本研究取得的认识，既可为井水位动态响应的机理解释提供理论基础，也可为目标含水层水力参数的原位测量提供技术支撑。