（水文学及水资源专业论文）地下水位的分解及震前异常识别研究.pdf

摘要 地震是岩石在地壳运动过程中由于应力的不断积累增强，超过了 岩体所能承受的最大强度，于是地球内部介质局部发生急剧的破裂， 产生地震波，从而在地面一定范围内引起振动的现象。大量观测和分 析研究表明，地下流体不仅能灵敏地记录岩石的应力一应变变化，还 可调制和引发地壳岩石的应力一应变变化，尽管目前还未能完全了解 各种与地震有关的地下水位异常形成机理，但地震预报潜在的社会经 济价值，随着研究的深入和认识水平的提高，利用地下水位的异常变 化来进行地震前兆的预报是非常有意义的。 本文通过对地下水位影响因素的分析，利用井一含水层系统岩石 力学一水动力耦合理论，分析主要非构造应力对井水位的影响机理， 推导出井水位分别随引潮力和气压变化的解析解；然后根据非构造应 力高频和周期性等特征，估计井水位对各种主要非构造应力的响应系 数，从而从井水位数据中把引潮力、气压和降雨对其的影响分解出来， 得到单纯由构造应力引起的井水位变化数据。在此基础上，对已消除 非构造应力( 主要是气压、潮汐、降雨) 引起的井水位变化数据，结 合震区水文地质、工程地质特征，从震前构造应力异常变化角度出发， 分析构造应力作用下的水位变化：同时，利用响应系数中包含的岩石 力学和水动力学物理量的变化对井水位变化的影响，分析震前水位异 常成因，探讨震前水位异常识别方法，为利用地下水位的动态变化预 报地震提供基础依据。 取得如下结论： ( 1 ) 井水位分别随引潮力和气压变化的解析解 井水位随引潮力变化之解析解：幽= 陋+ ( f 咽p 一心】( 忱g ) 。 井水位随气压变化之解析解：a h = 一( 1 一f 1 ) ( 1 一e - 4 r a t 噶) a p 。 ( 2 ) 地下水位的分解 通过对易门、南溪和德阳3 口观测井的数据分析，分别对易门井 使用一元回归分析方法和小波分析法、对南溪井使用二元回归分析方 法和小波分析法、对德阳井使用状态空间分析方法和小波分析法分离 非构造因素对井水位的影响，意在检验方法的可行性及对比这三种方 法的分解效果。对比上述3 口观测井原始水位曲线图和分解后的水位 曲线图，分解后的水位曲线不仅更光滑且波动幅度更小，更能用来描 述构造应力的变化。在国内应用回归分析法处理地震观测井数据已非 常普遍，但状态空间分析法和小波分析法应用极少，所以本文对状态 空间分析法和小波分析法做了详细的描述。 ( 3 ) 震前地下水位异常识别 2 0 0 8 年5 月1 2 日1 4 时2 8 分，四川省汶川县发生m s 8 0 大地震， 本文通过对四川邛崃、泸沽湖、南溪、德阳和西昌等5 口观测井的数 据分析，考虑到邛崃井水位对气压响应很好，故采用计算气压系数， 来进行异常识别；考虑到泸沽湖井水位对重力固体潮响应很好，水位 的变化反应了固体潮的变化，故采用固体潮畸变异常方法，来进行异 常识别；考虑到南溪井水位对引潮力和气压响应很好，故采用二元回 归分析法和小波分析法，从原始井水位数据中分解出引潮力和气压的 影响，进行异常识别；对德阳井采用状态空间分析法和小波分析法分 离引潮力、气压和降雨的影响，进行异常识别；对西昌井采用水位固 体潮加卸载响应比，进行异常识别。通过对上述5 口观测井的异常识 别，得到结论：( 1 ) 邛崃井井水位在震前有短期异常；( 2 ) 泸沽湖井井 水位在震前有短期异常；( 3 ) 南溪井井水位在震前没有出现异常；( 4 ) 德阳井井水位在震前有明显的短临异常；( 5 ) 西昌井井水位在震前有短 期异常。 关键词：地震；井水位；引潮力；气压；地下水位的分解：异常 a b s t r a c t e a r t h q u a k e ist h ep r o c e s so fc r u s t a lm o v e m e n to fr o c k s t r e s s s t r a i nc o n t i n u et oa c c u m u l a t e ， e n h a n c e m e n t ， w h e ni t e x c e e d st h em a x i m u ms t r e n g t ho fr o c kc a nb e a r ，t h ee a r t h s i n t e r i o rd r a m a t i cb r e a k d o w no fl o c a lm e d i at og e n e r a t es e i s m i c w a v e s ，w h ic h i nac e r t a i nr a n g eo fp h e n o m e n ac a u s e db yg r o u n d v i b r a t i o n al a r g en u m b e ro fo b s e r v a t i o n sa n ds t u d i e sh a v e s h o w nt h a ts e n s i t i v er e c o r d so fb o t h u n d e r g r o u n df l u i d s ，b u t a l s om o d u l a t i o na n dt r i g g e rc r u s t a ls t r e s s s t r a i nc h a n g e s ， a l t h o u g hn o ty e t f u ll yu n d e r s t a n dt h ev a r i o u se a r t h q u a k e r e l a t e dg r o u n d w a t e rl e v e la b n o r m a lf o r m a t i o nm e c h a n i s m ，b u t w i t ht h ep o t e n t i a lo fe a r t h q u a k ep r e d i c t i o nt h es o c i o 。e c o n o m i c v a l u e ， a si n d e p t hs t u d ya n du n d e r s t a n d i n go ft h ec o n ti n u o u s i m p r o v e m e n to ft h el e v e lo fu s eo ft h ea b n o r m a lc h a n g e s i n g r o u n d w a t e r l e v e l t o c a r r y o u t e a r t h q u a k ep r e c u r s o r s p r e d i c t i o ni sv e r ym e a n i n g f u l i nt h i sp a p e r ，a na n a l y s i so fi n f l u e n c i n gf a c t o r so nt h e w a t e rt a b l e ，u s i n gw e l l s a q u i f e rs y s t e mo fr o c km e c h a n i c s t h e h y d r o d y n a m i cc o u p li n gt h e o r ya n a l y s i so fm a j o rn o n t e c t o n i c e f f e c t so fs t r e s so nt h ew e l lw a t e rl e v e li nt h em e c h a n i s mo f w a t e rw e ll sw e r ed e d u c e dw i t ht h et i d a l f o r c ea n dp r e s s u r e c h a n g e si na n a l y t i c a ls o l u t i o n t h e na c c o r d i n gt on o n t e c t o n i c s t r e s sf e a t u r e ss u c ha sh i g h f r e q u e n c ya n dp e r i o d i c i t y ，i ti s e s ti m a t e dw e l1w a t e rl e v e lf o rv a r i o u sm a j o rn o n t e c t o n i c s t r e s sr e s p o n s ef a c t o r ，a n dt h u sf r o mt h ew e l lw a t e rl e v e ld a t a t ot i d a lf o r c e ，p r e s s u r ea n dr a i n f a l li m p a c ti tw i1 lb r e a kd o w n o u tt ob es i m p l yam a t t e ro ft h ew e llw a t e rl e v e lc a u s e db y t e c t o n i cs t r e s sc h a n g ed a t a o nt h isb a s is ，t h a th a v eb e e nt h e e li m i n a t i o no fn o n t e c t o n i cs t r e s s( m a i n l y a t m o s p h e r i c ! 1 1 p r e s s u r e ，t i d e s ，r a i n f a l l ) c a u s e db yc h a n g e si nt h ew e l lw a t e r l e v e ld a t a ，c o m b i n e dw i t he a r t h q u a k ez o n eh y d r o g e o l o g i c a l ， e n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ， f r o mt h ea b n o r m a l c h a n g e so ft e c t o n i cs t r e s sb e f o r et h e e a r t h q u a k ep o i n to fv i e w ， a n a l y s i so ft e c t o n i cs t r e s su n d e rt h ea c t i o no fw a t e rl e v e l c h a n g e s ：t h es a m eti m e ，t h eu s eo fr e s p o n s ef a c t o r sc o n t a i n e d i n t h ep h y sic a l q u a n t it yo fr o c km e c h a n ic sa n dd y n a m ic so f c h a n g e si nw a t e r - w e l lw a t e rl e v e lc h a n g e s ，a n a l y z et h ec a u s e s o fp r e 。e a r t h q u a k ew a t e rl e v e la n o m a l yt o e x p l o r e t h e p r e e a r t h q u a k ew a t e rl e v e la n o m a l yi d e n ti f i c a ti o nm e t h o d ，f o r t h eu s eo ft h eg r o u n d w a t e rt a b l ed y n a m i c sp r o v i d et h eb a s i sf o r e a r t h q u a k ep r e d ic ti o nb a s e do n o b t a i nt h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n s ： ( 1 ) r e s p e c t i v e l ya n a l y t i cs o l u t i o nt ow e l l - w a t e rl e v e l c h a n g e su n d e re a r t ht i d e s t r e s sa n db a r o m e t r i cp r e s s u r e a na n a l y t i cs o l u t i o nt ow e l l - w a t e rl e v e lc h a n g e su n d e r e a r t ht i d es t r e s s ：a h = e + ( e - e ) e 一触】( 忱g ) a na n a l y t i cs o l u t i o nt ow e l l - w a t e rl e v e lc h a n g e su n d e r b a r o m e t r i cp r e s s u r e ：a h = 一o - ) ( 1 一p 。4 划) 卸 ( 2 ) d e c o m p o s i t i o no fw a t e rt a b l e b yy i m e n ，n a n x ia n dd e y a n g ，t h r e eo b s e r v a t i o nw e l l si nt h e d a t aa n a l y s i s ，r e s p e c t i v e l yu s i n gar e g r e s s i o na n a l y s i sm e t h o d a n dw a v e l e ta n a l y s i so nt h ey i m e n ，t h eu s eo fb i n a r yr e g r e s s i o n a n a l y s i sm e t h o d sa n dw a v e l e ta n a l y s i so nt h en a n x i ，t h eu s eo f t h es t a t eo fs p a t i a la n a l y s i sm e t h o d sa n dw a v e l e ta n a l y s i so n t h ed e y a n g ，t h ea i miss e p a r a ti o nt h en o n s t r u c t u r a lf a c t o r s i m p a c to nt h ew e l lw a t e rl e v e l ，a i m e da tt e s t i n ga n dc o m p a r i n g t h ee f f e c t so ft h e s et h r e em e t h o d so fd e c o m p o s i t i o n c o n t r a s t t ot h ea b o v e m e n t i o n e dt h r e eo b s e r v a t i o nw e l l sa n d d e c o m p o s i t i o no ft h eo r i g i n a lw a t e rl e v e lc u r v ea f t e rt h ew a t e r l e v e lc u r v e ，t h ew a t e ri e v e io fd e c o m p o s i t i o ni sn o to n l ym o r e i v s m o o t hc u r v e sa n dv o l a t i l i t yo fs m a l l e r ，m o r eu s e dt od e s c r i b e t h ec h a n g e si nt e c t o n i cs t r e s s i nt h ed o m e s t i ca p p l i c a t i o no f r e g r e s s i o na n a l y s i sa n dw a v e l e ta n a l y s i so fd a t ad e a l i n gw i t h s e i s m i co b s e r v a t i o nw e l i sa r ev e r y c o m m o n ，b u tv e r y f e w s t a t e s p a c ea n a l y sisa p p lic a ti o n s ， s ot h is s t a t e - s p a c e a n a l y s i so fad e t a i l e dd e s c r i p t i o n ( 3 ) g r o u n d w a t e rl e v e lp r e c u r s o r ya n o m a l i e si d e n t i f i e da t 1 4 ：2 8o nm a y1 2 ，2 0 0 8 ，am a j o re a r t h q u a k e - m s 8 0o c c u r r e di n w e n c h u a nc o u n t y ，s i c h u a np r o v i n c e i nt h isp a p e r ，b yt h ed a t e a n a l y s i so ft h eo b s e r v a t i o nw e l l s ，s u c ha s ，q i o n g l a i ，l u g u h u ， n a n x i ，d e y a n g ，a n dx i c h a n g ，t a k i n gi n t oa c c o u n tq i o n g l a iw e ll w a t e rl e v e lo ft h ep r e s s u r et or e s p o n dt ow e l l ，i ti sc a l c u l a t e d u s i n gp r e s s u r ec o e f f i c i e n t st oc a r r yo u tu n u s u a lr e c o g n i t i o n ： t a k i n gi n t oa c c o u n tt h el a k ew a t e rl e v e lo ft h eg r a v i t yw e l l o fe a r t ht i d er e s p o n s et ow e l lw a t e rl e v e lc h a n g e si nr e s p o n s e t ot h et i d ec h a n g e s ，i ti su n u s u a lm e t h o do fu s i n gt i d a l d i s t o r t i o nt oc a r r yo u ta ne x c e p t i o ni d e n t i f i c a t i o n ：t a k ei n t o a c c o u n tt h ew e l1w a t e rl e v e ln a n x ir e s p o n s et ot h et i d a lf o r c e a n dp r e s s u r ev e r yw e l l ，s ou s eo fb i n a r yr e g r e s s i o na n a l y s i s a n dw a v e l e ta n a l y s i s ，w e l lw a t e rl e v e ld a t af r o mt h eo r i g i n a l b r e a ko u tt h ei m p a c to ftid a lf o r c ea n dp r e s s u r et oc a r r yo u t a ne x c e p t i o nr e c o g n i t i o n ：r i g h td e y a n gw e l lw i t hs t a t e s p a c e a n a l y s i sa n dw a v e l e ta n a l y s iss e p a r a t e dti d a lf o r c e ，p r e s s u r e a n dr a i n f a l li n f l u e n c et oa b n o r m a lr e c o g n i t i o n ：p a i r sw e l lw i t h w a t e rl e v e li nx i c h a n gt i d a ll o a d i n ga n du n l o a d i n gr e s p o n s e r a t i o ， f o ra ne x c e p t i o ni d e n t i f i c a t i o n b a s e do nt h e a b o v e - m e n t i o n e df i v eo b s e r v a t i o nw e l i si n i d e n t i f y i n gt h e a b n o r m a lf i n d i n g sw e r e ：( 1 ) t h ew e l1w a t e rt a b l eo ft h eq i o n g l a i o c c u r r e ds h o r t t e r ma n o m a l yb e f o r et h ee a r t h q u a k e ：( 2 ) t h ew e l1 w a t e rt a b l eo ft h el u g u h uo c c u r r e ds h o r t t e r ma n o m a l yb e f o r e t h ee a r t h q u a k e ：( 3 ) t h ew e l lw a t e rt a b l eo ft h en a n x ih a sn o t v a n o m a l yb e f o r et h ee a r t h q u a k e ：( 4 ) t h ew e llw a t e rt a b l eo ft h e d e y a n g h a so b v i o u s s h o r t i m p e n d i n ga n o m a li yb e f o r et h e e a r t h q u a k e ：( 5 ) t h ew e llw a t e rt a b l eo ft h ex i c h a n go c c u r r e d s h o r t t e r ma n o m a l yb e f o r et h ee a r t h q u a k e ： k e yw o r d s ：e a r t h q u a k e ：w e l ll e v e l ：e a r t ht i d e ：a t m o s p h e r i c p r e s s u r e 湖南师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：邳釉 矽肜年月z 日 湖南师范大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属湖南师范大学。 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南师范大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 i 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密耐。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 伤7 秽 日期：驯矿年多月z 日 锄，1 嘲：么弘“哆日 i ，、ji j 办 名名签签者师作导 地下水位的分解及震前异常识别研究 1 1 问题的提出 1 前言 随着新地球观的形成和发展，对地球的研究从以固体地球为研究 对象的固体地球科学转向以岩石圈、水圈、大气圈、生物圈及其相互 作用为研究对象的地球系统科学，流体的研究日益被科学家所关注。 地球流体是指存在于地球系统、无一定形状、能流动的气态、液 态、超临界态和熔融态的物质。水作为一种很重要的流体，是地球表 面分布最广泛、最重要的物质。而地下水贮存在特定的地质体当中， 能承受强大的压应力，且压缩系数很小，但它不能承受剪应力，即便 是很小的剪应力，也会使地下水流动。地下水在运动过程中，不停地 与围岩进行物理化学作用，不仅改造着地质体，也改造着自身。正是 由于地下水有上述这些性质，使其成为了新构造活动中特别活跃的因 素和判别新构造活动强度的一个强有力的指标。地下水在地壳中是非 常活跃的，尤其是在封闭条件下的承压系统时，就更能客观灵敏地反 映地壳中应力一应变状态的变化2 1 。有关含水层对固体潮、气压和降 雨等的响应，国内外做了大量的研究工作，取得了丰硕的成果。国内 外地震科学家们在研究地震孕育过程及其前兆机理时，一直把地下水 作为地震科学探索的重要组成部分，虽然对地震的孕育、发展和发生 与地下水的参与、作用方式有不同的认识，但均认为地下水对其产生 影响。所以他们提出的地震前兆机理中均包含地下水对地震前兆的作 用，从而使地震前兆异常机理研究的成果能够对一些前兆现象做出合 理的解释，比如扩容与裂隙串通模型【3 】- 【4 1 、流体促震假设【s 】、水诱发 异常【6 】和“双力源”前兆观蒯7 】等。所以，在分析研究地震前兆时无 法忽略地下流体所起的重要作用。虽然他们都认为地下水对地震前兆 异常有一定的反映，但是对于这个异常阶段的划分、形态、以及空间 展布等存在着很大的分歧。追究其原因，主要是因为对其影响因素的 研究不够深入。因此为了减轻地震所带来的次生灾害以及研究地壳活 动规律，我们须对地下水微动态进行深入的研究，以此追溯地震前兆。 硕士学位论文 目前中国地震局及各省地震局均有大量的地下水位、气压、降雨等气 象观测资料以及各测井的水文地质资料，如何把这些资料运用到地震 工作当中，是一项具有现实意义和科学研究价值的课题，本文拟从这 一方面开展一些探讨性的研究工作。 1 2 研究现状 地下水位的变化在一定程度上反映了岩层的应力一应变状态、裂 隙的发育与串通、断层的闭锁、蠕动和错动等【l 】。因此地下水位的异 常变化早已被用于地震监测预报，并在短期预报中发挥了重要作用。 但是引起地下水位变化的因素有很多，包含了构造应力和固体潮、大 气压、降雨、人为注水或抽水等非构造应力因素。非构造应力因素我 们把它视为干扰因素，而构造应力因素则是大地构造应力变化引起的 岩体体积的应变，而使孔压发生改变，进而反映在含水层地下水位的 变化，但是非构造应力因素的干扰往往掩盖了由构造应力引起的水位 异常变化。分析主要非构造应力对井水位的影响机制，研究具有明确 物理意义响应系数，提出适于数字化水位观测数据的井水位分解方 法，探讨震前水位异常成因，进而有效判定、提取与地震有关的水位 变化异常，是提高地下水映震能力的关键之一。 为了排除干扰因素，提取孕震信息，前人就主要非构造应力对井 水位的影响机制做了大量的研究工作。 气压对井水位的影响很早就受到关注，1 9 4 0 年j a c o b i s 】推出气压 变化和井水位变化之间的线性关系式：1 9 6 7 年b r e d e h o e f t 9 利用气压 效率计算了含水层的水动力学参数；1 9 8 3 年k a m p v o 提出了多孔介质 中应力和流体压力相互作用的三维方程；1 9 8 6 年张昭栋【l i 】推出了气 压随承压含水层水头变化的微分方程，得到了在不排水条件下的简化 解，在此基础上，于1 9 8 9 年，结合井孔和含水层之间相互渗流的边 界条件，得到了方程的解，并且给出了气压效率与井水位气压响应的 相位滞后以及水井含水层系统参数之间的关系式【1 2 l ；1 9 9 0 年鱼金子 等【i3 】用滑动滤波延时处理后的数据进行回归分析，计算得出某些中强 震之前气压效率确实有畸变的结论；1 9 9 3 年张昭栋等【1 4 通过井口气 压变化对井水位影响的试验，分析研究了井水位对气压变化的响应幅 地下水位的分解及震前异常识别研究 度及滞后时间；1 9 9 7 年张元胜【l5 】提出以深井水位气压效应的形成机 制为出发点，描述了震前观测井孑l 气压系数异常变化的物理现象； 2 0 0 3 年魏焕等【l6 】根据承压井水位的气压效应，把气压的随机变化作 为加载和卸载的力源，从理论上论证了可以用气压的随机变化来计算 加卸载响应比，2 0 0 7 年运用m a t l a b 小波分析工具箱，将气压观测数 据分解为不同频段的时间序列，然后计算不同频段的响应系数，以此 消除气压对井水位的影响。 井水位的潮汐是地下水诸潮汐中最早被观测到的一种潮汐现象。 引潮力是一种外力，是一个时刻变化的力，尽管其值不大，应变量也 不大，但是如果在封闭的地下水系统下，应变量集中在井孔，压力放 大效应明显，从而在客观上是不容忽视的。1 9 6 7 年b r e d e h o e f 和1 9 8 4 年n a r a s i n m h a n 1 8 】分别对不可压缩与可压缩含水层井水位潮汐膨胀现 象的响应进行了研究；1 9 8 3 年v a n d e rk a m p 1 0 】和2 0 0 3 年n e i l t l 9 】提出 潮汐应变引起含水层孔压变化依赖于含水层剪切模量和荷载效率；到 目前为止，井水位对固体潮响应的更多研究是井水位变化和引潮力 ( 体应变) 变化的比例系数( 称之为固体潮系数) ，理论和实践都表明， 在孔弹性介质条件下，井水位变化和引潮力变化成正比。1 9 9 1 年尹 祥础 2 0 】提出了非线性系统失稳过程响应比不断增高理论；1 9 9 4 年陈 建民、张昭栋等【2 l 】。【2 2 】探讨了承压含水层中井水位对固体潮响应的地 震异常；1 9 9 1 年田竹君等【2 3 】通过众多井水位动态观测井的水位潮汐 资料分析表明，在一些情况下响应固体潮的井水位变化会出现滞后现 象。1 9 8 6 年和1 9 9 1 年张昭栋【2 4 】【2 5 】通过理论分析表明，这种滞后现象 是由于井与含水层之间的水流交换过程导致的。1 9 8 7 年h s i e hp a t 2 6 】 利用井水位对固体潮的滞后过程，估计了含水层的水动力学参数。 井水位对降雨的响应机理，一般认为是降雨入渗补给导致井水位 升高，这种观点对潜水含水层中的浅井而言是毫无疑问的，而对于承 压深井，则考虑是地表降雨积水通过对含水层顶板施加荷载作用，产 生附加应力，从而引起含水层孔压增大而导致井水位上升。1 9 9 3 年车 用太等【2 7 】进一步提出降雨入渗补给与水压力传递相结合的理论，认为 浅层含水层中降雨入渗被抬高的水头以水压力的形式迅速传递到深 井，引起深井水位较快响应，由于传递过程中能量衰减，影响也将随 硕士学位论文 着传递距离的加大而逐渐减弱。 为了消除非构造应力影响，在分析主要非构造应力对井水位影响 机制的基础上，一些分解井水位变化的物理模型被提出。尽管模型中 响应系数的物理意义较明确，能够发现异常，并在一定程度上分析成 因，但很少考虑响应系数中包含的岩石与水力学物理量变化对井水位 变化的影响，导致拟合精度较低。而采用适当的数学方法分解水位， 可以在拟合精度较高情况下，凸显异常信息。目前常用的数学分析方 法有：回归分析法、小波分析法和状态空间分析法等。 回归分析法是将主要影响地下水位变化的因素引入回归方程，计 算一段时间内的响应系数，再以原来不同时间段的均值序列和正常年 动态曲线的余差序列提取异常信息。由于它建立在较短时段影响因素 与水位变化呈线性关系的基础上，对能较好的响应气压或固体潮的观 测井分解效果是比较好的，模拟值与观测值偏差较小。 小波分析法是一种信号的时间一尺度( 频率) 分析方法，它具有多 分辨分析的特点，是一种窗口大小固定不变但其形状可变，时间窗和 频率窗都可变的时频局部化分析方法。利用气压、固体潮和降雨等非 构造因素的周期不同，小波分析法通过选择不同的尺度和小波基( 文 中一般采用d b 4 ) ，然后用最小二乘法求出各自不同频段的响应系数， 予以消除这些因素的影响。选用的小尺度代表着信息的高频部分( 即 短周期因素) ，但是我们需要的是低频部分的信息( 即构造应力引起 的部分) ，在以往的研究中，一般选择4 - - , 6 层的小波分析来消除这些 因素的影响，目的是为了把这些因素的影响降到最低。 状态空间分析法是考虑到当前时刻的地下水位可能还受前一时 刻气压、潮汐或降雨的影响，根据非构造应力的周期性以及周期性不 同的特点，建立状态空间模型，将观测到的地下水位分解为气压响应、 潮汐响应、降雨响应、误差和水位残差五个因子，通过a i c 准则，得 到构造应力影响的地下水位数据，提取与地震活动有关的异常信息。 目前震前水位异常识别方法主要分为两类，一种通过消除主要非 构造应力( 气压、固体潮、降雨) 对井水位影响的基础上，分析构造 应力对井水位变化的影响；另一种根据非构造应力影响的异常变化， 如气压系数畸变【2 8 】、水位固体潮畸变、加卸载响应比理论等， 4 地下水位的分解及震前异常识别研究 进行震前井水位异常识别。本文将重点研究地下水位对非构造应力的 响应机理和非构造应力的分解及震前异常识别。 1 3 研究内容与技术路线 1 3 1 研究内容 综上所述，前人的工作在许多方面取得了很好的成果，为进一步 的深入研究打下了良好的基础，但在研究地下水位对各种非构造应力 的响应机理方面是零散的，特别是在如何分解各种非构造应力( 主要 是气压、潮汐和降雨) 对井水位的影响和地下水位所隐含的构造活动 信息的研究是非常有限的。而这些研究对于震前异常识别具有极其重 要的意义。我国是世界上地下水位观测井最多的国家，几十年的观测 积累了丰富的资料，应该在这一领域有更大的贡献。本文将试图在这 一方面开展研究工作，研究各种非构造应力对地下水位的影响，并通 过对典型震例和观测井资料的分析，分解各非构造应力对地下水位的 响应，进而揭示其所隐含的构造活动信息，进行震前异常识别。 在工作中，首先介绍分析各种非构造应力( 主要是气压、固体潮 和降雨) 的特征及其对地下水位的影响机理，然后根据非构造应力高 频和周期性等特征，估计井水位对各种主要非构造应力的响应系数， 利用井一含水层系统岩石力学一水动力耦合理论，分析主要非构造应力 对井水位的影响机制，从而从井水位数据中把气压、固体潮和降雨对 其的影响分解出来，得到单纯由构造应力引起的井水位变化数据。目 前常用的数学分解方法有回归分析法、小波分析法和状态空间分析法 等，本文对这三种方法的理论做了详细的描述，并将其应用于实际观 测数据中进行了对比分析。整理分析相关震例的井水位观测数据，以 及相关气象、固体潮和地形变等资料，将原始水位变化曲线图与分解 后水位变化曲线图进行比较，检验和提高方法的可靠性。 在此基础上，对已消除非构造应力( 主要是气压、潮汐、降雨) 影响的井水位变化，结合震区水文地质、工程地质特征，从震前构造 应力异常变化角度出发，分析构造应力作用下水位变化；同时，利用 响应系数中包含的岩石和水力学物理量变化对井水位变化的影响，分 析震前水位异常成因，探讨震前水位异常识别方法。 硕士学位论文 最后，在归纳总结的基础上，对论文中存在的一些问题进行讨论， 明确进一步研究的方向。 1 3 2 技术路线 ( 1 ) 资料收集：收集四川、云南等研究区地下水观测井网的水位、 气压、降雨等数据；搜集井所在部位的水文地质条件、含水层结构构 造、补给、径流和排泄条件，以及井孔结构、观测层位等资料。 ( 2 ) 岩体弹性变形引起的地下水微动态：利用井一含水层系统岩石 力学一水动力藕合理论，分析主要非构造应力对井水位的影响机制， 重点研究固体潮、气压和降雨对地下水位影响的作用方式、作用机理、 作用大小等特征，推导出井水位分别随固体潮和气压变化之解析解。 ( 3 ) 地下水位的分解及实例分析：前面已分析地下水位微动态变 化的各种影响因素，通过研究固体潮和气压对地下水位微动态影响的 物理机制，考虑到各种非构造因素的周期性以及周期性差异等特征， 应用不同的方法将各种影响因素分解出来，从而得到单纯由构造应力 引起的水位变化数据，本文主要应用回归分析方法、状态空间分析方 法和小波分析方法对地下水位进行分解，文中对这三种方法的理论做 了详细的描述，并将其应用于实际观测数据中进行了对比分析。 ( 4 ) 震前异常识别研究及实例分析：一方面运用上述分解方法对 井水位数据进行分解，分析研究单纯由构造应力引起的地下水位变化 数据，识别地下水位的震前异常变化，以期探查到与地震有关的异常 信息；另一方面根据非构造应力影响的地下水位异常变化( 气压系数 畸变、水位固体潮畸变和加卸载响应比理论) 来进行异常识别的判定。 地下水位的分解及震前异常识别研究 论文研究的技术路线如图1 1 。 厂 监 测 井 基 本 信 息 l 国内外文献调研 结合收集的资料与国内外研究确定研究方法 分析地下水位微动态变化的各种影响因素，重点研究 固体潮、气压和降雨对地下水位的影响的作用方式、 作用机理以及作用大小等特征 推导出井水位随引潮力和气压变化的解析解 提出适于数字化水位观测数据的水位分解方法 资粹 研究消除非构造力( 丰要是气压、 潮汐、降雨) 影响下，构造应力对 井水位变化的影响 根据响应系数中包含的岩石和水力学 物理量变化对井水位变化的影响，分 析导致非构造应力影响变化异常( 加 卸载比异常) 的成因 探讨震前水位异常识别方法 图1 1 研究技术路线图 7 硕士学位论文 2 岩体弹性变形引起的地下水微动态 岩体弹性变形引起的地下水微动态是指在有限力的作用下产生 的可恢复变形过程中引起的地下水位的变化。常见的有理论固体潮 汐、大气压力、降雨荷载和地表水体荷载、构造活动和地震、人工爆 破和机械振动、矿井塌方以及邻层抽水等各种力的作用引起的地下水 的水位、流量、压力和化学组分的变化。本章仅对固体潮、气压和降 雨等产生微动态的基本特征予以介绍。 2 1 地下水的潮汐效应 2 1 1 水位与固体潮变化的关系 潮汐现象是一种十分常见的自然现象。提起潮汐，人们很自然 地就想到了海潮。然而，除了这种极为明显的海潮之外，还有其它一 些潮汐，如大气潮、地球固体潮等。地下水位有规律的变化，一般是 地球固体潮引起的一种次生效应。理论固体潮变化引起地下水位变化 的基本特征是：理论固体潮值升高，地下水位升高，理论固体潮值降 低，地下水位降低，地下水位的变化与理论固体潮值的变化呈正相关 关系( 如图2 1 ) 。 4 月1 日4 月2 日4 f 3 日4 月4 日4 , 9 5 日4 月6 日4 月7 日4 月8 日4 f 9 1 t4 月1 0 日 图2 12 0 0 8 年4 月1 日一1 0 日泸沽湖井水位与理论固体潮值双轴曲线图 2 1 2 地下水位的固体潮效率及其影响因素 2 1 2 1 地下水位的固体潮效率 8 8 0 6 0 4 0 2 0 0 - 2 0 _ 4 0 6 4 2 5 8 6 4 2 4 8 5 5 5 l 4 4 4 4 3 3 3 3 3 3 3 3 3 地下水位的分解及震前异常识别研究 井水位的固体潮效率( a ) 是指单位固体潮变化量引起的井水位 变化量： a ：竺 ( 2 1 ) = 一 i 么一lj 缈 式中，a 指固体潮效率( m m l o 8 体应变) ；缈指固体潮变化量( 1 0 - s 体应变) ；幽指固体潮引起的水位变化量( m m ) 。 2 1 2 2 地下水位固体潮效率的影响因素 含水层具有一定的封闭性与承压性是地下水能反映固体地球潮 汐变形并记录固体潮效应的基本条件。但不同井孔的水位潮差是有差 异的，最大可达3 0 c m ，有的仅l c m - - 2 c m ，甚至更小，井潮差主要 受下面三种因素制约。 ( 1 ) 含水层岩性 井潮差与观测层岩性关系非常紧密。下面是我国近2 0 0 口井的统 计结果( 表2 1 ) 。 表2 1 潮差与观测层岩性的关系 岩石类别井数潮差平均值( c m )潮差最大值( c m ) 侵入岩 91 0 92 3 4 碳酸盐岩4 6 8 32 2 4 火山岩 1 15 71 4 5 前第三系 2 93 61 5 0 碎 其中：前白垩系 1 74 81 5 0 屑 白垩系 1 21 84 5 第二二系3 21 35 8 ( 除l 口井外均小于5 ) m 石 第四系 6 4 0 4 3 0 ( 除1 口井外均小于2 ) 从表2 一l 我们可知，岩石越坚硬和难以变形的潮差就越大，反之 潮差越小。 ( 2 ) 含水层岩石力学性质 含水层岩石力学性质不同，水位潮差大小也不同( 表2 2 ) 。从表 2 2 我们可知，水位潮差的大小与岩石压缩系数( ) 和杨氏模量( e ) 有 关。含水层岩石压