动力加载作用与地下水物理动态过程研究

论文摘要

地下水物理动态中的井孔水位、水温观测是地震预测预报中重要的前兆观测项目。本文通过远场地震波的动力加载作用和人工爆破动力加载作用分析,研究井-含水层系统井孔水位、水温动态响应特征,旨在揭示地震孕育过程中地下水物理动态与地壳介质应力应变之间的关系。本文统计了2004年印尼苏门答腊8.7级地震和2008年四川汶川8.0级地震中国大陆地震地下水观测网井孔水位、水温同震效应类型和特征,提出了“热对流-传导模式”并对井孔水位震荡、水温下降的物理机制进行了解释;应用600kg炸药在10m深地下的野外爆破试验结果,分析了爆破动力加载对井孔流量的影响特征,并与地震波效应进行对比分析。以上统计分析、数值模拟与野外试验获得以下研究结果。1、中国大陆103个井孔有78个记录到苏门答腊8.7级地震水位同震效应;218个井孔有196个记录到汶川8.0级地震水位同震效应。113个井孔有69个记录到苏门答腊8.7级地震水温同震效应;216个井孔有132个记录到汶川8.0级地震水温同震效应;两次地震对比分析表明,井孔水温下降比例高于水温上升,水位震荡比例高于其它类型;汶川8.0级地震对中国大陆某些地区的影响大于苏门答腊8.7级地震,表明这些地区的应力状态产生了新的变化,对震情跟踪有重要的指示意义。2、井孔水位振荡伴随水温的快速下降主要是由于井孔周围含水层垂直渗流作用引起的,地震波结束后水温缓慢恢复是围岩热传导效应。用“热对流-传导模式”完成的模拟结果表明,含水层中的水混入井孔水的混合比θ直接影响水温下降速度,θ越大混合速度越快;而温度下降幅度除了与θ有关,还与混入井孔的初始水温T0有关;影响水温恢复快慢的主要因素是井孔周围垂直渗流混合区范围的大小。在不同的井-含水层系统中,井水温度下降的幅度是受该井本身水文地质环境条件控制;在同一个井-含水层系统中,地震波作用的大小以及水位振荡幅度与水温下降的幅度具有指数统计关系。3、爆破试验在地表布设5套强震仪,在井下布设1台地声仪。用强震记录直接计算得到了在150m深处的井底由于SH波场而引起介质的附加应力:切向σt=318.2Pa,径向σn=735.7Pa,垂直σu=2851Pa;爆破时在井底150m处接受的地声声波效声压约为110Pa;爆破激发的能量相当于ML1.3级地震（MS0.37）,可以模拟100km以远发生的中强地震对流体观测点的作用。地震波和爆破动力加载作用产生的弹性冲击作用会使井水流量瞬时增加,而由地震波（或爆破）激发的流体孔隙压扩散造成了2天后流量的显著增加。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题的目的和意义
• 1.2 主要研究内容、关键技术和创新
• 1.2.1 基本技术思路
• 1.2.2 关键技术、难点和解决方法
• 1.2.3 论文内容
• 1.2.4 研究特色和创新
• 1.3 预期结果和意义
• 第2章 地下水物理动态过程基础与研究进展
• 2.1 地下水物理动态观测
• 2.2 地下水物理动态特征
• 2.2.1 地下水物理动态基本特征
• 2.2.2 地下水物理动态观测技术
• 2.2.3 地下水物理的正常动态
• 2.2.4 影响地下水物理动态的因素
• 2.2.5 影响因素的排除方法
• 2.3 动力加载作用
• 2.3.1 动力加载作用分类
• 2.3.2 应力作用下的岩体介质参数变化
• 2.3.3 应力作用下的断裂活动
• 2.3.4 应力场与渗流场的耦合作用
• 2.4 地下水物理动态与应力应变效应
• 2.4.1 固体潮效应
• 2.4.2 气压效应
• 2.4.3 其他荷载效应
• 2.5 地下水物理动态对地震波的响应
• 2.5.1 井孔水位地震波响应特征
• 2.5.2 井孔水位地震波响应机理及解释
• 2.5.3 井孔水温地震波响应特征
• 2.5.4 井孔水温地震波响应机理及解释
• 2.6 地下水物理动态异常与地震
• 2.6.1 地下水物理动态异常与地震前兆
• 2.6.2 地下水前兆异常与地震预报实践
• 2.7 本章小结
• 第3章 地下水物理动态对远大地震的响应研究
• 3.1 苏门答腊8.7级地震水位、水温响应特征
• 3.1.1 地震概况
• 3.1.2 同震效应基本类型
• 3.1.3 同震效应空间分布
• 3.2 汶川8.0级地震水位、水温响应特征
• 3.2.1 地震概况
• 3.2.2 同震效应基本类型
• 3.2.3 同震效应空间分布
• 3.3 8.7 级地震与8.0 级地震同震效应对比分析
• 3.3.1 同震效应类型比例分析
• 3.3.2 同震效应的一致性对比分析
• 3.3.3 同井水位与水温对比分析
• 3.3.4 苏门答腊8.7 级与8.5 级地震同震效应对比分析
• 3.4 典型井孔水位、水温同震效应特征分析
• 3.4.1 水位振荡、水温下降特征
• 3.4.2 水位振荡、水温上升特征
• 3.4.3 水位阶变与水温同步变化或反向变化特征
• 3.5 本章小结
• 第4章 地震波作用与井孔水温变化特征
• 4.1 井孔水位、温度对地震的响应
• 4.1.1 观测数据
• 4.1.2 同震效应特征分析
• 4.1.3 对几种物理机理解释的讨论
• 4.1.4 “热对流-传导模式”的物理解释
• 4.2 水温下降阶段的物理过程与数值模拟
• 4.2.1 基本原理
• 4.2.2 数学模型
• 4.2.3 计算与分析
• 4.3 水温恢复阶段的物理过程与数值模拟
• 4.3.1 基本原理
• 4.3.2 数学模型
• 4.3.3 计算与分析
• 4.4 观测资料数值模拟结果分析
• 4.5 主要问题讨论
• 4.6 本章小结
• 第5章 人工爆破加载作用下的流量效应
• 5.1 爆破试验概况
• 5.1.1 爆破试验简介
• 5.1.2 试验场地和环境
• 5.1.3 试验观测
• 5.1.4 爆破情况
• 5.2 爆破过程及分析
• 5.2.1 观测仪器
• 5.2.2 爆破振动分析
• 5.2.3 爆破地声分析
• 5.3 井孔流量对爆破加载的响应
• 5.3.1 流量观测概况
• 5.3.2 流量对爆破加载的响应
• 5.3.3 试验观测结果分析
• 5.3.4 爆破与同震效应对比分析
• 5.4 本章结论
• 第6章 总结与讨论
• 6.1 总结
• 6.2 存在的问题与讨论
• 6.3 展望
• 参考文献
• 简历
• 在读期间完成的主要论文
• 致谢