論文以唐山地下水觀測井為研究試驗場,分析了唐山井所處的地質構造和水文地質環境,如大地構造、區域地震地質、井孔周圍水文地質環境、井孔結構等因素,分析了唐山井地下水和相關觀測,用統計學方法處理了觀測數據,在井下不同深度進行了長期水溫實驗觀測,分析了全球大震和唐山余震與唐山井地下水位、地下水溫動態變化的響應關系,通過試驗數據的處理和理論推導,分析地下水動態變化機理,研究地震過程和地下水動態的關系。
唐山井處于大尺度地質構造交匯區域,唐山斷裂帶發震斷層的轉折部位,具有相對獨立封閉性強的水文地質單元環境,這是形成唐山井映震靈敏的地質構造原因。通過分析唐山余震活動的時空分布特點和深度剖面b值掃描,顯示出唐山斷裂帶深部存在巖漿活動區,唐山斷裂的深淺部小震活動具有連貫性,顯示了唐山井對大區域和周邊微小的應力變動的靈敏響應的地震活動性因素。論文統計分析了唐山井地下水及其諸多影響因素,包括氣壓、固體潮、氣溫、降水、開采、煤礦排水、爆破等,發現水位與氣壓、固體潮、降雨正相關,與開采負相關,與煤礦排水、爆破相關性較差。而氣溫與氣壓變化形態完全相反,氣溫變動影響氣壓變動來影響水位。采用水位均衡法、統計學方法、狀態空間模型研究消除地下水宏微觀影響因素。鑒于固體潮、氣壓等應力影響因素對水位影響時滯極小,說明唐山井應力傳導效率極高。
分析研究了唐山井水位長、短期動態在遠大震、近震前后的變化特點,研究全球M≥5.5級遠震同震變化,發現震級為主要影響因素,其次為距離、傳播路徑等因素,說明遠震同震主要為井孔對地震波響應。汶川地震主余震的同震變化研究也顯示井水位相當于地震計,但對地震波各震的反映是地震波及傳播、井孔水文地質環境共同作用的結果。研究唐山余震同震變化發現近震的同震階變也有地震波的影響,需要提高觀測分辨率進行進一步的.研究。
分析還發現一些遠震、唐山余震震前地下水動態存在異常變化。為研究水溫同震變化機理,使用備用水溫計在唐山井不同深度做了連續9個月的水溫實驗,發現水溫梯度在88 m以下出現彎曲變化,說明該深度以下受淺層地下水向下的流動影響;對比研究水位、淺部和深部水溫對換紙、標定、提放水漂及探頭等系列非震因素的響應,發現其變化與地震同震形態基本一致。結合地震波、形變數據統計水溫同震變化,發現了震級與井震距、同震幅度和震級與井震距、時間延遲與井震距的相關方程,顯示水位與水溫的同震振幅呈對數線性;分析了水溫熱傳導和垂直對流等熱交換作用,建立水溫同震模型,。
綜合研究表明,唐山井獨特的地質構造與水文地質條件,能夠及時反映地下應力的態變化,應用統計方法去除影響因素,研究地下水位、水溫在地震前后的動態變化,可量研究地下水位、水溫與地震過程的相關機理打下基礎。
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