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Journal of Hydrology: 基于长期基岩温度时间序列识别两次大地震引发的地下水流速变化

2020-07-14

地震可以引发多种水文响应,如地下水位变化、河流或泉水排泄量的变化等。地震与水文过程的相互作用可为理解应力与介质水力特性的时空变化提供帮助。由于发震断层附近的原位观测机会十分难得,多数研究针对于距震中数百至上千公里处的水文响应,且主要关注单次地震事件引起的地下水流速变化,目前对于近场以及多次地震事件导致的水文响应差异及其形成机制认识较少。

自2009年起,地震动力学国家重点实验室沿青藏高原东缘鲜水河断裂带陆续布设完成基岩温度观测台网(图1),通过基岩上的浅孔,对近地表的温度进行长期监测。多深度周期性温度变化的振幅及相位特征可作为地下水的示踪剂,用于识别流体运移特征的变化。观测周期内在其周边发生了2013年Ms 7.0级芦山地震及2014年Ms 6.3级康定地震,观测台站分别位于两次地震的中场及近场,长期的温度记录为对比研究近场及中场地下水运动特征变化提供了绝佳的机会。

中国地震局地质研究所构造物理实验室刘琼颖副研究员等利用沿鲜水河断裂带的6个基岩温度观测孔2011-2016年的高精度温度时间序列(分辨率10-4 K),使用动态谐波回归模型,提取了不同深度年周期性温度变化振幅及相位随时间的变化,进而估算了地下水流速随时间的演化。研究结果显示,芦山及康定地震后地下水流速变化模式不同:芦山地震后,各个台站附近的地下水均出现了向上的流速增加;而康定地震后,各台站出现了不同的流速变化(图2)。通过与区域地表温度、降水量及潜水位记录对比,认为地震后地下水流速的变化与这些因素的相关性较小,而更可能与地震引起的地壳应力或水力参数变化有关。为了进一步研究震后地下水流速变化的成因机制,文章使用位错模型计算了两个地震的同震弹性体应变分布(图3)。结果表明,芦山地震后各台站向上的地下水流速增加与同震静态拉应力造成的地下水流动模式相悖,推测可能与震后地层垂向渗透性的增加有关;康定地震后地下水流速变化则与走滑型地震同震体应变的四象限分布吻合,表明近场流体运移特征变化很可能与同震静态应力变化相关。

研究首次通过温度时间序列定量计算了地震引起的地下水流速连续变化。这预示,基岩温度观测不仅可以获得地壳应力的动态变化信息(Chen et al., 2019),还可以为研究地震相关的水文变化提供新的视角。

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  图1 基岩温度观测台站位置

   

  

  图2. 基于不同深度对的地温年周期变化计算的垂向地下水流速随时间的变化

  (负值代表向上的地下水运动)

  D:UsersDesktop芦山+康定地震体应变(横版).jpg

  图3. 2013年芦山地震(a)及2014年康定地震(b)地下10米深处的同震静态体应变变化(蓝色表示压缩区,红色表示膨胀区;正三角、倒三角及正方形分别代表震后地下水向上的流速增加、向下的流速增加及无明显流速变化的台站)   

研究成果发表于国际权威学术期刊Journal of Hydrology。(Liu, Qiongying, Chen, Shunyun*, Chen, Lichun, Liu, Peixun, Yang, Zhuzhuan, Lu, Lili, 2020. Detection of groundwater flux changes in response to two large earthquakes using long-term bedrock temperature time series. Journal of Hydrology 590, 125245.)

原文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022169420307058

参考文献:

Chen, Shunyun, Liu, Peixun, Guo, Yanshuang, Liu, Liqiang, Ma, Jin, 2019. Co-seismic response of bedrock temperature to the Ms6.3 Kangding earthquake on 22 November 2014 in Sichuan, China. Pure and Applied Geophysics 176, 97-117.