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承压井水位潮汐异常机理研究

廖欣  
【摘要】: 本文结合孔隙弹性理论和地下水动力学理论,建立了含水层孔压控制方程,根据井孔与含水层水量交换的平衡关系,以及无穷远处不排水边界条件,求解控制方程得出井水位对含水层平均应力响应的解析解,提出了井水位对含水层潮汐应力响应的理论模型。以模型为基础,提出了利用远场大震前后井水位潮汐分波振幅及初始相位的变化与否作为判断依据来检验井水位潮汐响应(井水位对含水层潮汐应力的响应)是否满足不排水条件的简便方法。并给出了利用井水位数据推求含水层参数(Skempton系数B和导水系数T)的方法。通过推求得到的参数变化情况,来识别井水位潮汐异常,并分析异常机制。最后,对会理川-06井和川-18井水位和理论固体潮多年数据进行潮汐分析,利用理论模型推求出多年含水层Skempton系数和导水系数的变化。 潮汐响应模型的提出,有利于更好的进行井水位潮汐响应的定量分析。同时Skempton系数和导水系数的推求为利用井水位推求含水层水文地质参数提供有效的途径;且有利于更好的识别震前井水位潮汐异常,解释井水位潮汐异常机制。同时本文对地震地下水动态观测网布孔中的井孔选择,对研究地震孕育过程中地壳种应力应变活动,以及探索地震预报的新途径具有重大的意义。 通过理论分析和实际分析,得到了以下重要结论: 1、井水位潮汐响应振幅,与综合反映含水层弹性和孔隙弹性属性的Skempton系数,含水层水力参数,如导水系数、储水系数,以及井孔半径和潮汐信号频率有关;响应相位差只与含水层水力参数,以及井孔半径和潮汐信号频率有关。当讨论某井水位对特定频率潮汐应力分波的响应时,其主要受含水层Skempton系数和导水(渗透)系数影响,对含水层储水系数不敏感。 2、井水位潮汐响应满足不排水条件时,井水位潮汐变化主要受孔隙弹性响应控制,水力响应可以忽略。井水位潮汐响应主要受含水层弹性和孔隙弹性属性影响;响应振幅等于含水层孔压水头潮汐振幅,相位差数值上等于孔压与潮汐应力之间的相位差。井水位潮汐响应满足过渡条件时,其受孔隙弹性响应影响的同时,还受水力响应影响;其中井水位振幅受孔隙弹性响应影响,而相位差受水力响应影响。井水位潮汐响应满足充分排水条件时,其主要受水力响应控制。 3、远场大震后,若井水位振幅和初始相位不变时,井水位潮汐响应满足不排水条件,此时可以直接利用井水位与理论潮汐应力求算含水层Skempton系数,且精度较高。若相位变化,而振幅几乎不变,井水位潮汐响应满足过渡状态。若响应振幅和相位都发生变化,则井水位潮汐响应满足充分排水条件。当井水位潮汐响应处于过渡状态和充分排水状态时,不仅可以推求含水层Skempton系数,还可以推求导水(渗透)系数,且具有一定得精度。 4、含水层Skempton系数和导水(渗透)系数,任一要素变化或者两者同时变化,都可能造成井水位潮汐异常。地震波引起的远场井水位响应振幅和相位差变化归因于含水层渗透(导水)系数的变大;含水层在压应力作用下含水层导水系数变小,使得井水位潮汐响应变化。对会理川-18井的分析表明,对于中远场井水位潮汐异常往往是含水层导水系数的变化。


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