唐山7.8级地震地下水动力环境模拟研究

论文摘要

1976年7月28日河北省唐山市发生7.8级强烈地震,造成24.2万人死亡,16.4万人受伤,经济损失100亿元,这是近百年来中国遭受到的最严重的一次破坏性地震。有关唐山地震地下水动态研究,前人已作了系统深入的工作。关于唐山地震地下水渗流场研究,目前尚无系统的理论成果。依据地下水渗流场与应力场耦合理论,建立京、津、唐地区受构造活动影响的水文地质模型,采用有限差分方法,通过数值模拟提取唐山地震地下水渗流场异常信息。在此基础上,根据井-含水层系统对应力变化的响应,反演地震前后应力场的变化,取得了一些初步成果。利用滨海地区井水位固体潮观测资料,通过海潮负荷改正,把潮汐引力变化对含水层渗透性能的影响作为修正系数,改进了Hsieh和Bredehoeft提出的利用固体潮效应求取含水层水文地质参数的方法,取得了比较合理的结果。假设研究区渗流场只受重力循环作用（不考虑地震孕育过程）的影响,将数值模拟结果作为背景渗流场。结果显示,1974～1976年唐山地区模拟结果与实测结果存在显著差异,这种“差异”难以用重力作用下的地下水均衡原理来解释。初步分析认为,这种“差异”可能是区域应力场作用引起的。通过对华北地区开采对地下水位影响的关系研究,提出了定量排除开采对水位动态影响的方法。对1972～1975年唐山地震前震源区附近地下水趋势性快速下降变化是开采干扰还是地震异常?这一多年来存在争议的问题进行了初步的定量分析。根据井-含水层系统对潮汐变化的响应,确定含水层对应力变化的响应系数k w。结果表明,应力响应系数k w能够反映含水层的岩性和结构变化,可作为划分水文地质单元的一种新方法进行深入研究。通过地下水动力环境（应力场）与地震活动时空演化关系研究,结果表明,在中等地震增强,蠕变释放加速,b值下降和空区形成过程中,震源区附近主压应力轴发生90°左右的转向变化。这种转折变化标志着强震孕育由中期向中短期（1年左右）过渡。在中短期阶段,应力场作用进一步增强,中等地震平静,蠕变释放加速后转平,孕震空区解体并收缩成短期空区。短期阶段应力作用减弱并向震源区收缩,震源区地震活动平静,外围中小地震增多。地震发生后,震源体破裂,岩体的膨胀作用消失,主压应力轴方向恢复。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 选题的目的和意义
• 1.2 流－固耦合作用研究历程简介
• 1.3 地震地下水动力环境研究综述
• 1.3.1 流体作用与构造活动
• 1.3.2 流体作用与地震活动
• 1.3.3 流体异常动态与地震活动
• 1.3.4 地下水渗流场与地壳应力场耦合作用
• 1.4 唐山7.8 级地震地下水动力环境研究进展
• 1.5 主要研究内容、方法和关键技术
• 1.5.1 主要研究内容
• 1.5.2 技术思路和方法
• 1.5.3 关键技术、难点和解决方法
• 2 地下水渗流场与地壳应力场的耦合关系
• 2.1 承压含水层地下水非稳定运动基本理论
• 2.1.1 概述
• 2.1.2 承压含水层地下水非稳定运动基本方程
• 2.2 地壳介质中的应力与应变
• 2.2.1 概述
• 2.2.2 岩石中的应力与应变
• 2.3 地下水渗流场与地壳应力场的耦合理论
• 2.3.1 岩石和岩体的应力－应变与孔隙压力的关系
• 2.3.2 地下水渗流场与地壳应力场耦合方程
• 2.4 地下水渗流场对地壳应力场变化的响应
• 2.4.1 应力作用与含水层渗透系数的关系
• 2.4.2 应力作用与含水层水头变化的关系
• 2.5 小结
• 3 水文地质模型与参数分析
• 3.1 地震地质背景
• 3.1.1 概述
• 3.1.2 构造轮廓
• 3.1.3 深部结构
• 3.1.4 主要活动断裂
• 3.2 第四系水文地质条件
• 3.2.1 地层划分
• 3.2.2 水文地质分区
• 3.2.3 第四系含水层组划分
• 3.2.4 地下水同位素特征
• 3.2.5 补给、径流与排泄
• 3.2.6 地下水位动态
• 3.3 井－含水层系统对潮汐变化的响应
• 3.3.1 概述
• 3.3.2 奇、偶数字滤波器
• 3.3.3 分波波群的潮汐因子δ和相位差σ
• 3.3.4 不同水文地质单元应变响应能力分析
• 3.4 确定含水层水文地质参数
• 3.4.1 概述
• 3.4.2 海潮负荷校正
• 3.4.3 弹性贮水系数
• 3.4.4 导水系数
• 3.5 小结
• 4 地下水渗流场数值模拟
• 4.1 概述
• 4.2 地下水均衡计算
• 4.2.1 地下水补－排关系
• 4.2.2 地下水均衡计算
• 4.3 有限差分数学模型
• 4.3.1 离散化概念
• 4.3.2 有限差分方程
• 4.3.3 求解形式
• 4.3.4 边界条件处理
• 4.4 水文地质概念模型
• 4.4.1 含水层（组）结构的概化
• 4.4.2 边界条件的确定
• 4.4.3 源（补给）汇（排泄）项处理
• 4.4.4 地下水流态的概化
• 4.4.5 模型及数值方法
• 4.5 数学模型识别
• 4.5.1 模型拟合
• 4.5.2 模型检验
• 4.6 重力作用下的地下水渗流场模拟
• 4.6.1 模型参数的确定
• 4.6.2 模拟结果分析
• 4.7 小结
• 5 唐山地震地下水动力环境演化特征
• 5.1 概述
• 5.2 强震孕育环境下的地下水渗流场
• 5.2.1 地下水动态干扰因素分析
• 5.2.2 地震前兆异常信息的提取
• 5.2.3 应力－应变作用下的地下水渗流场异常特征
• 5.3 唐山地震孕震过程的应力场反演
• 5.3.1 含水层力学参数
• 5.3.2 含水层对应力变化的响应
• 5.3.3 区域应力场反演结果
• 5.3.4 计算结果检验
• 5.4 区域应力场时空演化特征
• 5.4.1 华北北部区域应力场
• 5.4.2 区域应力场时空演化特征
• 5.4.3 地下水动力环境演化与地震活动的关系
• 5.5 小结
• 6 总结与讨论
• 6.1 总结
• 6.2 特色和创新
• 6.3 讨论
• 6.4 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A：单位点源面负荷的应变负荷格林函数
• 附录B：研究区地下水均衡计算结果汇总表
• 附录C：唐山7.8 级地震地下水动力环境（区域应力场）演化图像
• 作者简介