井—含水层系统对可量化地壳应力变化的响应函数研究

Based on the water level recorded at about 25 observation wells, which are chosen from the observation network of seismic underground fluid in China, we propose to study response of the well-aquifer system to quantify changes in crustal stress. First, we will collect the hydro-geological parameters of well-aquifer system and compute the variability of water level response to the earth tide, atmospheric pressure and seismic waves, and then classify and modeled well-acquirer systems. Second, we will divide the changes in crustal stress into high (seismic waves) and low frequencies (solid tide and atmospheric pressure), and deduce the response functions in different frequency bands. Third, we will carry out detailed response functions on different frequency bands and obtain the response function of the well-aquifer system to the quantify changes in crustal stress. Fourth, Using the existing data and parameters of the observation network of seismic underground fluid, we will test and validate, and modify the response function to do fine tuning of the model, and analyze the boundary/deadline conditions and the sensitivity of the model..This project has great scientific value and significance to optimize the observational network, lay oute, building boreholes, quantitative analyzing of abnormal information and so on. This project also can offer technical supports for developing the quantitative analysis and scientific understanding of the dynamics of the underground fluid, and enhancing the effectiveness in earthquake monitoring and forecasting by underground fluid and water level changes.

从我国地震地下流体观测网中遴选出25口左右观测井作为本次研究对象，进行井—含水层系统对可量化地壳应力响应函数的研究。收集研究对象的井—含水层系统水文地质参数，计算井水位对固体潮汐、气压、地震波的响应特性值，进行归类、建模；在此基础上，对可量化的地壳应力变化响应分高频段（地震波）与低频段（固体潮汐、气压）分别进行响应函数的推导；对不同频段的响应函数进行联合分析与综合，得到普适性强的、井—含水层系统对可量化地壳应力变化的响应函数。利用我国地震地下流体台网已有数据与参数，进行响应函数检验与修正，分析响应函数的边界/截止条件、灵敏性等，提出质量评价指标，完善井—含水层水文地质参数的反演方法；本项目的完成，对我国地震地下流体观测台网的优化、下一步的布局、新建观测井、异常信息的定量化分析等方面具有科学意义，为推进地震地下流体学科发展的定量化与科学化、为提升学科在地震监测预测中的有效性提供理论保障。

基于全国地震地下流体台网，项目汇集386口监测井的井孔资料、观测数据，观测数据最早起始时间为2000年1月1日；基于美国国家海洋和大气管理局（NOAA，National Oceanic and Atmospheric Administration）服务器，进行气象数据下载；基于USGS地震目录，按一定规则，每个台站进行地震震例选取，分别开展井水位动态与井—含水层结构、台站基岩、井孔围岩特性的定性统计，以及井水位动态与地球固体潮汐、大气压力、地震三要素参数的量化计算：井水位动态受井孔条件影响，含水层的承压性是井水位对地壳活动响应的前提条件，能记录到地震事件的均能记录到潮汐事件，但记录到潮汐事件的井孔不一定能记录到地震事件，这是由于井孔条件对不同频段的输入响应不一所导致，而不具有承压条件（潜水），则很难记录到地壳活动；对于岩性来说，泥岩、砂岩等弹性模量较小，对于长周期的潮汐与气压有着很好的响应，而对于高频地震记录能力较弱。水震波幅度与地震三要间存在H=a1*exp(b1*M)-a2*exp(b2*L)-a3*exp(b3*D)+a4的关系，其中H为水震波幅度，M为震级，L为井震中距离，D为震源深度，其中D<50公里时，量化关系不明显，50-180公里时呈现比较清晰的量化关系，而大于180公里后，该量化公式不满足，呈现随机关系。而井水位受地震的阶变关系，则符合logA=a1*M-a2*logD+a3关系，其中A为阶变振幅，M为震级，D为井震中距离，这一关系只有在震源深度小于50公里条件下满足。.通过定性、定量计算，可得出井水位对地震响应机理，可用地震导致含水层渗透增强、或者地震导致含水层间产生新的“通道”来解释。当观测井距离补给区较近，距离排泄区较远时，观测井和补给区之间的补给能力将随着地震波引起的渗透率的提高而显著提高，而观测井和泄流区之间的泄流能力将几乎保持在地震前水平，因为摩擦抵消了渗透率的增加，因此近补给区的观测井多表现为阶升；相反，近排泄区的监测井那多表现为阶降，而对于处在径流区的监测井，且有承压含水层穿透的情况下，多为振荡。当然地震也可以产生新的裂隙，或者对含水层参数产生永久性改变，从气压因子可反映出来。