地震对含水层结构及其脆弱性影响的定量评估

《Technovation》：Quantitative estimation of earthquake effects on aquifer structure and vulnerability

地震导致含水层结构变化及脆弱性评估研究。通过建立水位-气压/潮汐响应模型，分析华莹山断裂带三个观测井在汶川（M8.0）和芦山（M7.0）地震后的渗透系数、导水率及裂缝网络变化，发现垂直渗透系数增15%-50%，导水率降30%-50%，裂缝倾角变陡15°-25°，脆弱性指数（Cts）降20%-50%。研究成果为地下水评估和灾害防治提供理论支持。

　　这项研究聚焦于地震对地下含水层结构和脆弱性的影响，特别关注了2008年汶川地震和2013年芦山地震对位于华蓥山断裂带附近的三个观测井的冲击。研究人员通过建立水位与气压/潮汐响应模型，尝试定量评估这些地震对含水层系统的影响。研究结果显示，当水位变化与气压或潮汐信号之间存在强相关性时，模型的拟合效果显著提升，从而增强了参数反演的可靠性。观测井B在气压模型中表现出更高的适应性，其相关系数达到0.907，而观测井A和C则更符合潮汐响应特征。总体来看，强烈地震导致垂直渗漏系数增加了15%至50%，而导水性则减少了30%至50%。同时，地震后平均裂缝倾角变化了15°至25°，变得更加垂直；此外，含水层脆弱性指数（Cts）也出现了显著下降，降幅在20%至50%之间。这些变化表明，地震不仅改变了含水层的结构，还增强了垂直渗透性，形成了新的渗流通道，同时削弱了污染防控能力，从而显著提高了污染风险。

地震是一种常见的自然灾害，其对含水层系统的影响主要体现在断层破裂和地震波传播过程中。这些影响可以表现在含水层的水文地质参数变化和裂缝的空间分布上，包括地下水位波动、渗透性、导水性和储水系数等。此外，裂缝的走向和倾角也会发生改变，进而影响地下水的流动路径和水体的水质。例如，2008年汶川地震导致了导水性的降低，而2011年日本东日本大地震则改变了裂缝的方向和倾角，提高了裂缝的连通性。这些结构上的变化会进一步影响地下水的流动模式，增加污染物泄漏的可能性，提升含水层对污染的敏感度和脆弱性。因此，对地震对含水层结构和脆弱性影响的精确量化评估成为当前科学研究中的重要课题。

近年来，国内外学者在研究地震引发的含水层水文地质性质变化方面取得了显著进展。特别是通过观测井水位对气压和潮汐信号的响应函数，研究人员已经开发出多种方法来估算含水层的水文地质参数。这些方法在评估地震后含水层的结构和水力变化方面提供了有效的工具。已有研究表明，地震往往会增强含水层的渗透性，这种变化通常与地震引发的裂缝动态变化有关。这些裂缝的变化不仅影响局部的水文地质特性，还可能通过裂缝网络影响更广泛的地下水系统，从而改变地下水的流动路径和水质条件。此外，地震后的地下水位变化也反映了这种渗透性变化的长期影响，其恢复时间可以从几个月到几年不等。

然而，当前对地震引发的含水层结构变化的研究大多依赖于潮汐模型，而使用气压模型的研究相对较少。这可能与获取压力数据的难度以及气压响应模型的复杂性有关。因此，气压模型尚未广泛应用于研究地震对含水层结构变化的影响。此外，研究团队还发现，在中国四川-云南地区，并非所有观测井都会对地震中的气压或潮汐加载产生显著响应。即使存在响应，气压和潮汐响应曲线的拟合精度往往偏离理论预期，表明不同井的响应模型适用性存在显著差异。这种差异引入了参数估计的不确定性，进而阻碍了对地震引发含水层变化的精确评估。尽管已有研究对比了气压和潮汐模型在单一观测井中的应用结果，但关于如何选择最合适的模型来研究地震对含水层结构的影响，以及如何获得更可靠的水文地质参数，仍需进一步探讨。

本研究通过分析汶川和芦山地震对三个观测井的影响，建立了三种响应模型——气压模型、潮汐模型和裂缝模型，以刻画地震后含水层结构的变化。通过比较不同模型的适用性以及参数估计的差异，研究探讨了强地震对含水层结构和脆弱性的影响。研究结果不仅有助于预测地震后地下水的时空分布，也为评估含水层系统的安全性提供了科学依据。此外，研究还提出了一种基于观测井水位数据的模型选择方法，为地震-水文地质分析中的气压和潮汐模型应用提供了实际指导。

观测井的普遍条件及其水位特征是本研究的基础。华蓥山断裂带位于四川盆地中部与东缘褶皱带之间的边界断层，是一种右旋走滑逆断层，总长度约为460公里，主要由两到三条主要断层组成，其走向多为东北方向，倾角一般在40°至60°之间。该断层切割了从寒武纪到三叠纪的岩层，其地质结构复杂，为研究地震对含水层的影响提供了理想的实验场地。研究中所使用的观测井均位于这一断裂带附近，其水位变化受到多种因素的影响，包括气压变化、潮汐作用以及地震活动等。通过对这些井的水位变化进行系统分析，研究人员能够更全面地了解地震对含水层结构和水文地质特性的影响。

在气压响应模型方面，学者们将井水位的响应分为三个严格独立的过程：1）地表与水位之间的垂直空气流动；2）水位与隔水层之间、隔水层与含水层之间的垂直地下水流动；3）地下水横向流动进入含水层和部分隔水层的过程。这些过程的相互作用决定了井水位对气压变化的响应特征。研究中，通过将气压信号划分为低频（f < 0.5 cpd）、中频（0.5 < f < 8 cpd）和高频（f > 8 cpd）三个频段，研究人员能够更细致地分析不同频段对含水层渗透性的指示作用。结果显示，中频段的响应特征最能反映含水层的渗透性变化。观测井的水位变化与气压信号在中频段表现出负相关性，相位滞后约为-175°，表明该频段的水位响应对气压变化的敏感性较高。这种高敏感性有助于研究人员更准确地估算含水层的渗透性参数。

研究还发现，不同观测井对气压和潮汐模型的适应性存在显著差异。观测井B在气压模型中的表现最为突出，其模型拟合效果良好，相关系数较高。相比之下，观测井A和C则更符合潮汐模型的典型特征。这一发现表明，在选择响应模型时，需要根据具体井的水位响应特征进行判断，以确保参数估算的准确性。研究团队通过比较不同模型的适用性，提出了一个基于观测井水位数据的模型选择方法，该方法能够帮助研究人员更有效地在气压和潮汐模型之间进行选择，从而提高对地震影响的评估精度。

在讨论部分，研究团队进一步分析了不同模型对含水层参数估算的影响。他们指出，当观测井的水位变化与气压或潮汐信号在时频域中表现出强相关性时，对应的响应模型拟合效果显著提升，从而使得通过模型反演获得的含水层参数更具可靠性。此外，研究还强调了地震对含水层结构的复杂影响，包括裂缝网络的重组、垂直渗透性的增强以及新的渗流通道的形成。这些变化不仅影响了地下水的流动路径，还可能对地下水的水质和污染防控能力产生深远影响。因此，研究不仅关注地震对含水层结构的直接改变，还探讨了这些改变对含水层脆弱性的影响。

研究结论表明，选择合适的响应模型对于准确评估地震对含水层的影响至关重要。观测井B更适合使用气压模型，而观测井A和C则更符合潮汐模型的特征。这种差异可能与各井的地质条件、水文地质结构以及外部环境因素有关。通过分析不同模型的适用性，研究团队提出了一个更系统的模型选择方法，以提高地震-水文地质分析的准确性。此外，研究还指出，地震对含水层的影响不仅限于局部区域，还可能通过裂缝网络传播到更广泛的地下水系统，从而改变地下水的流动模式和水质条件。这种跨区域的影响进一步凸显了研究地震对含水层结构和脆弱性影响的重要性。

最后，研究团队对本研究的贡献进行了说明。他们强调，本研究不仅提供了对地震对含水层影响的深入理解，还为后续的地下水资源评估和水文地质灾害防控提供了理论和技术支持。研究结果表明，地震对含水层结构和脆弱性的影响是多方面的，涉及渗透性、导水性、裂缝倾角以及脆弱性指数等多个关键参数的变化。这些变化不仅影响了地下水的流动和分布，还可能对生态环境和人类活动产生潜在威胁。因此，进一步研究地震对含水层的影响机制，以及开发更精确的评估方法，对于保障地下水资源的安全和可持续利用具有重要意义。