【摘 要】
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地下水动态能相对灵敏地反映构造活动和地震信息,当井-含水层系统处于封闭性良好的承压体系中时,该系统即为一个天然体应变仪,井水位震前和同震响应机制是地震流体学科的热点问题之一。井水位震前-同震连续响应是对孕震-地震破裂这一连续变化过程的持续反映,可进一步探明地震活动与水位响应之间的关系。由于影响因素复杂,定量分析从孕震到发震过程中地壳应力连续变化-含水层变形-孔隙压力变化-水动力条件连续改变-井水位
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地下水动态能相对灵敏地反映构造活动和地震信息,当井-含水层系统处于封闭性良好的承压体系中时,该系统即为一个天然体应变仪,井水位震前和同震响应机制是地震流体学科的热点问题之一。井水位震前-同震连续响应是对孕震-地震破裂这一连续变化过程的持续反映,可进一步探明地震活动与水位响应之间的关系。由于影响因素复杂,定量分析从孕震到发震过程中地壳应力连续变化-含水层变形-孔隙压力变化-水动力条件连续改变-井水位动态变化规律是井水位对地震响应研究的难点。同时,由于井水位震前和同震响应的物理机制和研究目的不同,对二者的研究在时间上也是分割开来的。将井水位震前变化和同震响应视为连续过程,刻画震前及同震过程中应力-应变-孔压-水位变化的一系列物理过程,定量分析井水位响应过程与渗透率、孔隙度等水文地质参数及杨氏模量、泊松比等岩石力学参数之间的对应关系,揭示井水位震前-同震连续响应的规律,对近断裂带区域地质环境数据获取、地震监测及预报工作的深化具有一定的实际意义。本文在前人分阶段、单场研究的基础上,以静态应力作用下的近场地震为例,建立基于流固耦合近断裂段井水位震前-同震连续响应数学模型及数值模型。通过参数敏感性分析和典型地震-井水位响应的模拟验证,取得成果如下:(1)对井水位震前-同震连续响应物理过程进行概念模型、假设条件、数学模型的构建;在考虑速度场、断层几何、介质岩石力学参数、水文地质参数的基础上,建立基于流固耦合的“震前-同震含水层孔隙压力数值模型”,模拟震前应力累积-断层破裂过程中应变和含水层孔隙压力的演化过程;在考虑含水层性质、井的结构、井内流动等因素的基础上构建“含水层-井水位响应数值模型”,模拟在孔压扰动下井水位的响应。最终以“孔隙压力”为接口,实现近断裂段井水位震前-同震连续响应数值模型的构建。(2)井水位震前-同震连续响应规律受震前应力场累积规律的直接影响,同时与震前-同震应变场调整值有直接关系:在震前累积过程到同震调整时刻,位于拉张应变区域点位应变值得到快速释放,孔压上升,井水位上升,震前-同震井水位变化表现为降低-突升;位于压缩应变区域点位应变值得到快速释放,孔压下降,井水位下降,震前-同震井水位变化表现为上升-突降;位于压缩应变区域点位应变值调整后继续加速压缩,孔压持续上升,井水位持续上升,震前-同震井水位变化表现为上升-突升。(3)通过井水位震前-同震连续响应数值模型参数敏感性分析可知:地质体的泊松比和断层的摩擦系数,直接影响震前-同震应变场;含水层的泊松比、杨氏模量、孔隙度、渗透系数影响震前-同震含水层孔隙压力的演化;孔隙压力的演化与含水层的渗透系数、储水率、监测井的井径共同影响井水位震前-同震连续响应。含水层参数既影响水位变幅又影响同震水位恢复时间,地质体的泊松比、摩擦系数等岩石力学参数通过改变应变场演化规律最终影响水位变幅。(4)为验证本文数值模型对于实际井水位响应现象的有效性,选取井水位响应情况、地质及水文地质条件均不同的案例进行场地验证,分别构建会泽井对鲁甸地震震前-同震井水位连续响应数值模型和双桥井对唐山地震震前-同震井水位连续响应数值模型。通过不同参数方案设计,对地质体泊松比、摩擦系数、含水层渗透系数等参数进行的识别和校正,震前-同震连续响应模拟值与实测水位获得较好拟合效果,并通过同震体应变及定点水位进行模型验证。本文构建的近场地震井水位震前-同震连续响应数值模型对物理过程的刻画“相对合理”。
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