地震波-孔隙介质含水层相互作用对井水位的影响研究

Water level changes induced by the earthquake in wells is one of the response phenomenon of well-aquifer system to seismic waves.The conclusion of its mechanism has greater uncertainty and difficult to be verified due to many factors affect this process. In this project, firstly，the typical water level dynamic characteristics, aquifer structure and seismic phase of observation wells which response to Wenchuan earthquake was good will be summarized，and then the research on porous aquifer seepage experiment based on seismic simulation shaking table will be carryed out. Through the shaking table test which input seismic waves of different input angle and frequency contents, to analyze the change process of pore pressure and hydrogeological parameters in the single porous aquifer and study on factors influencing the change of water level, and then mainly focuses on the study of the law and cause of formation of well water level dynamic changes in different layers under the condition of seismic waves-multiple porous aquifer interaction, finaly, this project will reveal the mechanism of laboratory-scale seismic waves-porous aquifer interaction effects on well water level. The research results of the project will provide scientific references to clarify the the actual scale relationship between the water level changes and seismic waves and extract seismic information contained in the groundwater level dynamics, and also will be of practical great significance to promote and enhance the level of seismic underground fluid monitoring.

地震引起的井水位变化是井-含水层系统对地震波响应的现象之一。由于该过程影响因素较多，使其机理解释结论具有较大的不确定性且难以得到验证。本项目从分析对汶川地震响应良好的典型流体观测井水位动态、含水层结构及震相特征出发，开展基于地震模拟振动台的孔隙介质含水层渗流试验研究。通过不同入射角度及不同频谱成分地震波输入的振动试验，分析孔隙介质单一含水层孔隙压力、水文地质参数变化过程，探讨水位变化影响因素；进而重点研究地震波与多含水层相互作用条件下不同层位的井水位动态变化规律及其成因，揭示实验室尺度下地震波-孔隙介质含水层相互作用对井水位的影响机理。研究成果对阐明实际尺度下井水位变化与地震波间的相互关系、提取地下水位动态所蕴含的地震信息提供理论依据，对促进地震地下流体监测水平的提高具有现实意义。

本项目通过对野外井水位同震响应现象的综合分析和地震模拟振动台开展的室内实验进行井-孔隙含水层系统对地震波的响应研究。实验设计渗流和静水两种水动力条件下加载正弦波及地震波荷载以模拟研究振动对井-孔隙承压含水层系统测压水位的影响过程。通过捕捉振动过程中孔隙水压力及测压水位变化的细微过程，分析其变化的特征、规律及相关性，从而为解释井水位同震变化机理和定量研究传递过程提供参考。项目主要成果如下：（1）测压水位在振动过程中有振荡，阶变上升，阶变下降，振荡上升，振荡阶变上升和振荡阶变下降六种变化形态，与天然地震同震响应井水位变化形态具有相似性，证明了实验的有效性和可行性；（2）渗流和静水条件下测压水位对加载频率的响应形态特征基本有：加载低频1，2Hz时呈下降变化，中高频5，10Hz时呈上升变化，高频15Hz及地震波时呈振荡变化。但受加载加速度的影响表现略有差异：渗流条件下，加载较大加速度0.25g时振动加载15Hz也呈上升变化，上升变化的频率范围有所扩大；而静水条件下，加载较小加速度0.15g时呈上升变化的频率范围比较大；（3）测压水位的变幅在渗流条件下与加载加速度呈正相关，与频率呈负相关。而静水条件下有随频率的增大呈先增大后减小的变化规律；（4）无论渗流或静水条件，孔隙水压力均有振荡，振荡上升和振荡下降3种变化，且变化形态的升降、变幅与之对应的测压水位对振动的响应一致，二者变幅的Pearson相关系数最高达0.995，反映了振动通过引起含水层孔隙压力的变化从而影响井水位的变化过程；（5）利用渗流条件的实验数据对Cooper（1965）提出的水位波动与孔压波动之间的振幅比参数即放大因子的计算，发现同一观测井三个孔隙水压力测点的放大因子值均不一致，且大小与测点的深度无明显规律；（6）通过对北京八宝山断裂带大灰厂上下两盘井同震水位变化特征差异性的相关研究得到：二者的同震响应差异不仅与断裂带的屏蔽作用有关，且与井所处含水层渗透性的不同规律变化密切相关。