1、2023 年第 38 卷 第1期2023，38(1):0012-0019地球物理学进展Progress in Geophysicshttp:/wwwprogeophyscnISSN 1004-2903CN 11-2982/P高楚林，张煜，张双喜，等 2023 腾冲井同震水位动态孔弹性响应的渗透率反演 地球物理学进展，38(1):0012-0019，doi:10 6038/pg2023GG0178GAO ChuLin，ZHANG Yu，ZHANG ShuangXi，et al2023 Permeability inversion of coseismic water level dynamic
2、poroelastic response in Tengchong wellProgress in Geophysics(in Chinese)，38(1):0012-0019，doi:106038/pg2023GG0178腾冲井同震水位动态孔弹性响应的渗透率反演Permeability inversion of coseismic water level dynamic poroelastic response inTengchong well高楚林1，张煜1，2*，张双喜1，2，黄旭东1，姚永康1GAO ChuLin1，ZHANG Yu1，2*，ZHANG ShuangXi1，2，HUAN
3、G XuDong1，YAO YongKang1收稿日期2022-06-07;修回日期2022-11-15投稿网址http:/www progeophys cn基金项 目国 家 自 然 科 学 基 金 项 目(41774119，41874169，41774056，42074176，U1939204)、中 央 高 校 基 础 研 究 专 项 基 金 项 目(2042017kf0228)和武汉大学实验技术专项基金项目(WHU-2019SYJS-12)联合资助第一作者简介高楚林，女，1997 年生，硕士研究生，主要从事井水位同震响应机制方面研究 E-mail:clgao whu edu cn*通讯作者
4、张煜，男，1982 年生，副教授，主要从事地震波传播与成像研究 E-mail:yuzhang sgg whu edu cn1 武汉大学测绘学院，武汉4300792 武汉大学地球空间环境与大地测量教育部重点实验室，武汉4300791 School of Geodesy and Geomatics，Wuhan University，Wuhan 430079，China2 Key Laboratory of Geospace Environment and Geodesy，Ministry of Education，Wuhan University，Wuhan 430079，China摘要获得地下含
5、水层的水文参数对于适当评价地下水资源至关重要 除了实验室方法和现场测井实验，目前多利用水位对外部周期性载荷的响应函数进行含水层参数的反演 其中，基于似稳态孔弹性理论的方法有很多，但这些方法通常忽略多孔含水层中可能存在的频率依赖的固流耦合 本文提出基于动态孔弹性理论的水文同震响应模型，推演了频率依赖的含水层孔压和围压的关系，构建动态响应函数 根据云南省腾冲井观测到的近场同震水位响应并基于动态模型反演了井含水层渗透率的长期演化 计算结果显示动态孔弹性模型能很好地解释水位的同震响应并且适当反演含水层参数 近场地震会导致井含水层的短期渗透率大幅度增加并在不久后恢复，这可能与地震触发应力导致的瞬时固体形
6、变、孔隙疏通和颗粒物的重分布有关关键词井水位;同震响应;动态孔弹性理论中图分类号P315文献标识码Adoi:10 6038/pg2023GG0178AbstractEstimating the hydralic properties of subsurfaceaquifersiscrucialtoproperlyevaluategroundwaterresources Apart from laboratory methods and field loggingexperiments，theinversionofaquiferparametersiscurrently mostly perfo
7、rmed using the response function ofwater level to external periodic loadings Among them，therearemanymethodsbasedonquasistaticporoelasticity，but these approaches have ignored thepossible frequency-dependent solid/fluid coupling in theporous aquiferIn this paper，a hydrological coseismicresponse model
8、based on dynamic poroelastic theory isfirstlyproposedtoderivethefrequency-dependentrelationship between aquifer pore pressure and stress Byconstructing a dynamic response function，the long-termevolution of well aquifer permeability was inferred from thenear-field coseismic water level response obser
9、ved in theTengchong well in Yunnan Province The results show thatthe dynamic poroelastic theorycanwellexplainthecoseismic water level response and appropriately invert theaquifer parameters Near-field seismic can cause a largeshort-term increase in the permeability of the well aquiferand recover sho
10、rtly afterwards，which may be related to thetransient solid deformation，pore opening，and particledistribution due to the near-field static stressKeywordsWater level;Coseismic response;Dynamicporoelastic theory2023，38(1)高楚林，等:腾冲井同震水位动态孔弹性响应的渗透率反演(www progeophys cn)0引言地下水分布广泛、易流动、不可压缩、对地下介质中的应力和固体变形非常敏
11、感(Sun et al，2015)当含水层位于一个紧密的承压系统时，地下水可作为一种高度敏感的应变仪，放大井含水层系统的应力扰动，响应多种外部载荷，例如地球潮汐(Hsieh et al，1988)、大气负载(Van Der Kamp andGale，1983)、断裂活动(Zhang and Huang，2011)、地震波传播(Kitagawa et al，2011)其中，地震孕育过程中的应力积累，断层位错引起的静应力，地震波传播触发的动应力都极易导致孔隙压力和岩体水文性质的变化地震监测中同震井水位响应特征逐步受到重视(崔瑾等，2019;苏鹤军等，2020;向阳等，2020)实践中，地震触发地下
12、水位变化在很多方面有重要意义:例如指示地壳变形(Johnston et al，1995)、油井的供水和生产(oberts et al，2003)、土壤液化(Wang，2007)、余震分布(Bosl and Nur，2002)、地震触发和火山爆发(Prejean，2004)，以及提供水文地质 地 震 前 兆 的 证 据(Matsumoto and oeloffs，2003)不同近震触发地下水位响应机制各异，多数记录显示阶梯状的同震井水位变化(Chia et al，2004;Wang and Chia，2008;胡小静等，2020;陈玮等，2020)基于似稳态孔弹性理论，有学者提出这可能由不排水扩
13、张和沉积物的固结所致，并与响应地震应变的单向传递及饱和水的扩散有关(Zhangand Huang，2011)，应力在“不排水”条件下忽略固流的互耦合从而触发孔隙流体流动(Wang et al，2018)而在实际观测中，“不排水”条件通常难以持续(Zhang et al，2015，2017)，尤其对于像地震波这样的高频响应(Zhang et al，2009)，固流之间应存在相互作用本文因此利用动态孔弹性理论充分考虑同震井水位响应形态及固流耦合的频率依赖，研究了云南省腾冲井由腾冲 MW5 0 级地震触发的井水位响应，观测数据集包括流体观测井水位和大气压力 基于潮汐分析结果，改写了频率依赖的孔压和围
14、压比值(特征 B()系数)，估算了井含水层的渗透率演化过程，并同 1998 年测井实验得到的渗透率值进行比较，分析了此方法在机理解释上解决的问题和同震响应对井含水层渗透率的影响1观测和数据腾冲地震台流体观测井(以下简称“腾冲井”)位于 NE 向大盈江断裂附近，在腾冲县城东南郊腾越镇董库村地震台内，海报高度 1620 m，地理坐标为 25 03N、98 5E 腾冲井井深 120 m，非自流井，属静水位观测，由于受断裂影响而构造发育，裂隙率达 12%，观测水层为第四系英安岩、安山岩及熔结凝灰岩沙层，地下水温度为 21 5，井孔构造图详见图 1a 水位观测仪器为 LN-3 型数字水位仪，测量精度为
15、0 2%F S，稳定度为 0 25%F S，分辨率为 1 mm 水位测量系统由压力传感器和数据采集器组成，采样率为 1 min 大气压力观测来自同一观测站的 TP-1 雨量气温气压观测仪，采样率同为1 min为了研究地震触发井水位响应，选择了距离腾冲井 30 41 km 发生于 2011 年 6 月 20 日 18 时 16分，震中25N，98 8E，深度15 7 km 的腾冲 MW5 0级 地 震(震 源 参 数 来 自 GCMT:https:/wwwglobalcmt org/CMTsearch html)，以下简称 6 20 地震 该地震震中位于腾冲小断裂附近，和腾冲井的空间位置详见图
16、1b图 2a 为 6 20 地震触发的腾冲井水位同震响应，表现为阶梯状变化伴随脉冲振荡(纵坐标为静水位测量值，即井口到水平面距离)，且在震后 1 天左右出现大幅度振荡 图 2 对比了水位和气压在6 20 地震前后的长期变化趋势，呈现出相似的周期性振荡 2011 年 2 月至 2011 年 4 月，水位出现季节性下降，对应于腾冲地区的旱季，后水位因为雨季的到来降雨的增多逐渐上升至 9 月进入平稳期 6 20地震触发的水位异常振荡位于雨季的长趋势上升中，因此，水位的同震及震后响应清晰区别于背景场，且同震振荡振幅约为日常潮汐振幅的 4 倍2频率域的含水层参数估算2 1潮汐分析为了确定水位和气压的频谱响应，采取小波变换进行时频分析 图 3a、b 为水位、大气压力降采到每小时后得到的小波功率谱，尽管水位和气压在256 h 及以上周期有一些模糊响应，但在 M2 潮汐频段(周期 T=745 2 min=12 42 h)均呈现出显著异于背景场且持续的响应，在图 3a 的其他频段，水位也呈现出明显的同震响应(白色虚线为发震时刻)图 3c、d 为水位和气压的交叉小波变换及小波相干，31地球物理学进展www