研究亮点

张卉:基于深井水位的气压和潮汐响应揭示地震对地下水系统的影响【WRR,2019】
发布:科技处 2019-09-05 阅读:

传统水文地质研究中,渗透系数往往作为一个常量进行处理。然而,不同学科的观测及研究表明,地壳渗透性不是一个静态不变的参数。例如:在长时间尺度上矿物沉降和溶解等地球化学过程能够引起渗透性的增大或降低,构造活动产生的应力应变也可以导致渗透性的改变。在短期内,地壳的水文地质特性的变化则更多地受地震及人为活动的影响。与地壳渗透性在空间上的变化的刻画相比,渗透性随时间上的变化较少地受到关注。以往的研究常常利用地下水位对潮汐应力的响应来计算地震前后含水层的渗透性变化,以及基于解析解模型和潮汐响应的幅度和相位的变化特征来推测垂向的渗透性变化。上述方法无法同时获取地震对含水层及弱透水层的影响,因而无法全面地评价地震对地下水系统的影响。

针对以上科学问题,我校水资源与环境学院博士生张卉在“地下水循环过程与水污染防控”求真研究群体史浙明副教授和王广才教授指导下,以北京的一个2600m深的地下水监测井记录的水位、气压观测资料为研究对象,通过引入连续小波变换,提出了同时获取含水层及弱透水层渗透性的新方法。研究取得以下创新性认识:

1、通过小波变换方法获得水位在时频空间上的响应(图1),同时采用地下水对气压(图3)和潮汐的响应函数(图24),提出了一种获得地震前后含水层/弱透水层的渗透性变化方法。结果表明,2011年日本311大地震对左家庄井(井震距>2000km)所在含水层系统造成了显著的影响,震后含水层的导水系数为震前6倍,而隔水层的垂向弥散系数则为震前2倍。

2、研究同时表明,即使距离震中很远,大地震仍然能够对地下水含水层系统造成影响。联合地下水的气压及潮汐响应可以同时定量地震引起的含水层及弱透水层的渗透性。这种方法也可以用于识别常规地下水系统的含水层-弱透水层系统的水力特性。

 

1. 不同时间序列的小波功率谱 (a)理论潮汐应变,(b)气压,(c)水位;以及不同时间序列之间的小波相干(d)水位和潮汐应变,(e)水位和气压, (f)气压和潮汐应变。地震前后(图中黑色虚线)地下水对潮汐响应的相位发生明显变化(d),水位对气压响应的频率特性发生变化。

 

2 M2潮汐分波2009-2012潮汐幅度和相位响应 (箭头表示发震时刻),地震前后潮汐参数(相位差和响应幅度出现明显增加)

 

3 地震前后气压响应函数拟合结果 (a) 增益响应拟合, (b)相位响应拟合

 

4 利用考虑地下水越流的潮汐越流模型计算地震前后弱透水层垂向弥散系数的变化。

 

上述成果发表在水文地质学国际权威期刊《Water Resource Research》上:Zhang, H., Shi, Z*., Wang, G., Sun, X., Yan, R., & Liu, C. (2019). Large Earthquake Reshapes the Groundwater Flow System: Insight From the Water-Level Response to Earth Tides and Atmospheric Pressure in a Deep Well. Water Resources Research, 55(5), 4207-4219.

全文链接:https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2018WR024608

美国工程院院士、USGS水文地质学家Steve Ingebritsen和美国科学院院士、UC Berkeley地质系Michael Manga教授针对本项研究在WRR上撰写了题为“Earthquake Hydrogeology”的评论文章,认为本研究首次分别识别了地震对含水层和弱透水层的影响,也是第一次将小波分析应用于此问题,加深了对渗透性时空变化这一问题的认识(https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2019WR025341)。美国地球物理学会会刊EOS也针对该项研究进行了新闻报道(https://eos.org/articles/earthquakes-shake-up-groundwater-systems)。

附件20190905160828597331.pdf (1.673789MB)