丽江井2015年尼泊尔地震水温同震变化及其机理研究

【作者】 黄旭东； 张煜； 张双喜；

【机构】 武汉大学测绘学院；

【摘要】 地下水与地震的关系已被许多研究人员讨论过,近年来地震导致的同震井水温变化被越来越多的观察到。本文以2015年4月25日Mw7.8尼泊尔地震为例,以丽江井水温同震响应的观测数据为基础,综合运用小波功率谱分析、相干性分析以及多物理场数值模拟等方法,探究其同震响应特征以及内在机制。本文的数据来源于云南丽江井所记录到的地震波记录和井水温记录,使用的仪器为CTS-1宽频带地震仪和SZW-1A水温计,采样频率分别为100Hz和1/60Hz,固体潮汐数据由理论计算得到。我们观察到在地震波到达后,井水温出现了0.008℃的降幅,随后缓慢恢复。我们运用小波分析的方法计算井水温在同震期间的功率谱,所用的小波基为Morlet小波。发现井水温的功率谱在地震后明显增强,呈现明显的同震响应特征,表明地震对井水温有很强的影响。为了进一步探究井水温和地震波以及固体潮形变之间的关系,采取了相干性分析的方法,将井水温作为输出信号。结果表明,在非同震时刻大多数时间内,井水温受到固体潮的影响很大,尤其是在半日潮(M2)频段内,井水温和固体潮有着很强的相干性,说明井水温主要受到固体潮汐应变的控制。另一方面,在同震时刻内,井水温和地震波之间相干性出现了明显的增强,而非同震时刻则没有这种现象。因此有理由推测,由于地震波的传播,导致丽江井出现了井水温同震响应,从而引起井水温和地震波相干性出现明显增强,当地震波消失后两者之间的相干性随之下降。为了验证丽江井的水温变化是地震传播产生的井水扰动造成的,本文使用COMSOL软件进行多物理场数值模拟。首先根据相关的测井资料,构建丽江井的几何结构,考虑到井筒的轴对称性质,将其简化为二维轴对称模型;其次结合丽江地区地质调查的结果,设置井筒的物性参数,并将井内的水温梯度设置为0.01℃/m;再根据结合多物理场对流和传热方程,模拟出同震时刻的水温变化,模拟所使用的有限元网格划分由物理场控制。最终的结果表明,同震水温下降主要是由于井内水位对流引起。在地震波到达后引起井内水位的剧烈扰动对流,由于井内水温存在梯度,致使浅部温度较低的水与水温计所在温度较高的水混合,造成水温下降。而当地震波停止扰动后,井水温通过热传导的方式,逐渐恢复到之前的温度。当井内水温与和周围的围岩存在温差,两者发生热传导过程,从而使得井水温逐渐上升恢复。更多还原