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張艷等-EPSL:遠場大地震引發的出乎意料的水力響應
2019-06-19 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

  滲透率是水文地質和巖石物理學中重要的參數,控制著淺地表流體的傳輸過程。近期大量國際研究表明,滲透率在大地震動態作用過程中會發生改變,對于地下水資源運輸和污染擴散等具有非常重要的影響。現有研究多采用地下水對固體潮的加載響應來探究滲透率的變化,但對于加載響應往往存在多種解釋,導致較難探知真正的水文物理機理。 

  中科院地質與地球物理研究所地球與行星物理院重點實驗室張艷副研究員與加州大學伯克利分校王其允教授、石油大學(華東)符力耘教授等合作,近年來對華北的地下水位、氣壓等觀測質量較高,且對近場、中遠場地震有明顯水位響應的左家莊流體臺站(1)開展了長時間、長序列、多測向(水位、氣壓、降雨等)的跟蹤觀測研究(2008-2018) 

1  左家莊井的地理位置(紅色三角形)和引起左家莊井同震水位變化的地震的震中位置(沙灘球)

  研究結果顯示,2011 MW 9.1日本Tohoku大地震后,從水位和理論固體潮中提取的M2波相位差和幅度比都大幅上升。此現象可有兩種解釋:(1)震后封閉含水層中水平向滲透率的大幅增加;(2)垂直向滲透率的發生,亦即震后含水層封閉性遭到破壞。為了找到確切的物理機理,研究采用水位對氣壓的響應作為井觀測含水層封閉性的檢測手段。計算表明,Tohoku大地震前后左家莊井含水層的封閉性都較好,因此排除了震后含水層封閉性遭到破壞的機理解釋。 

  在確認了上述震后封閉含水層中水平向滲透率的大幅增加物理機理后,本文采用Hsieh 的水平向理論模型計算了含水層的水力參數和孔隙彈性參數(圖2),發現在MW 9.1 Tohoku大地震后參數都發生了永久性變化。與此同時,地震波能量計算恰巧發現:日本Tohoku大地震產生的地震波在>1500 km 的遠場左家莊區域的振動能量密度 > 0.1 J/m3(圖3),超越了導致液化作用發生(永久性變化)的能量密度的界限(0.1 J/m3(圖3)),因此極有可能引發左家莊井孔區域淺地表地層介質物理性質的永久性改變,這與上述參數的永久性變化非常一致。因此,進一步確認了震后封閉含水層中水平向滲透率的大幅增加的物理機理的正確性。 

2  按照Hsieh的水平流模型計算所得200821日至2016331日的左家莊井的(a)導水系數(藍色)和滲透率(綠色),(b)儲水系數(黃色)和儲水率(紫色),(c) BKu. 虛線表示地震發震時刻

3 地震引起的作為地震震級和震中距函數的水力變化分布圖    

  研究成果發表于EPSL。(Zhang Y, Wang C Y, Fu L Y, et al. Unexpected far-field hydrological response to a great earthquake[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2019, 519: 202-212.)(原文鏈接
 
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