井水位对气压和潮汐的响应特征与机理研究

井水位作为一种灵敏的体应变仪,是一种重要的前兆观测资料,有望用于提取地下应力和介质变化信息。目前我国已建成较为密集的地震地下水观测井网,积累了大量的波形记录,为建立地下水位变化模型、提取应力及介质变化信息和开展地震预测研究等提供了基础性平台。然而,由于井水位受多种因素影响,水位变化的信噪比很低,从水位中提取含水层物性和应力变化的模型、方法和规律都有待深入研究。本论文围绕井水位对气压和潮汐这两种天然载荷的响应特征与机理开展研究。从中国大陆地震地下水观测井网选取了一些气压和水位较为连续、稳定的台站资料,用于发展井水位微弱信号分析方法;利用汶川地震和芦山地震水位资料,分析同震水位阶变类型,区分动态和静态应力变化的作用;利用全频带气压响应分析井水含水层的承压特性,尝试反演含水层物性;选取潮汐响应敏感的台站,利用水位对潮汐的相位响应进行含水层渗透率变化的分析。研究得出:(1)通过井水位传递函数的多次叠加可以大幅度提高信噪比,首次在一些台站获得了井水位对气压的全频带响应。(2)发展了全频带气压响应拟合反演含水层物性的方法,相对于低频带和几个潮汐频点拟合,全频带拟合可以提高反演的可靠性,降低强能量潮汐频点的影响。分析了含水层的承压状况以及井筒的储集效应,计算获得了承压含水层的压缩系数、孔隙度等参数。(3)汶川地震近场水位阶变主要与静态应力变化有关,而芦山地震400km范围内的井水位同震响应与静态应力变化无关,这种差别可能与地震能量和地质构造等因素有关。(4)无论汶川地震还是芦山地震,不管水位同震变化是上升还是下降,多数台站同震引起的含水层渗透率都增大,表明渗透率的增强可能主要与动态应力有关,而与静态应力变化关系不大。(5)芦山地震引起的水井渗透率增大在震后一年内基本恢复到震前水平,而汶川地震引起泸沽湖井的渗透率增大明显,并在约6年后仍然没有恢复到震前水平,推测该区域在汶川地震中有新的裂隙产生。     

小波分析方法在提取井水位潮汐因子震前变化特征的初步应用

运用小波分析方法对1990年常熟、1995年苍山和1996年南黄海三个中强地震前江苏地区井水位固体潮的变化特征进行了研究，发现井水位M2波潮汐因子在地震前几个月几乎都出现一个幅度较大、周期为半月或一个月左右的异常信号，表明小波分析方法在处理和分析井水位潮汐资料方面可能是一种有效的方法。     

井水位对气压扰动的响应

分析了河北省地震地下流体井网的黄骅、深州、无极、宁晋、永年五口深井水位对气压扰动的响应。结果表明,气压瞬间的大幅度变化能够引起水位的准同步变化,由此求得的井水位气压系数与利用日均值序列计算的气压系数基本相当;与日均值序列相关分析结果比较,水位对气压扰动的响应表现出了一定的波动性。     

计算井水位对固体潮和气压滞后响应的新方法

提出了一种计算井水位对固体潮和气压滞后响应的新方法.利用杜得森潮汐展开和泰勒级数展开,导出了计算井水位固体潮系数和气压系数以及滞后时间公式,并给出了考虑滞后影响的井水位固体潮和气压改正公式.利用该法处理了鲁03井水位和气压观测资料,求出该井水位固体潮系数为1.8mm/10~_(-3),水位对固体潮响应的滞后时间为1.53小时,气压系数为6.4mm/hPa,滞后时间为1.5小时。与以前的一般回归分析方法相比,改正后的水位中误差明显减小,改正效果较好。     

井水位随气压变化之解析解

气压作用下, 井-含水层系统中地下水流是一类流体力学问题。 本文应用井壁水流通量边界条件和气压作用下井壁内外水(孔)压平衡条件, 提出了一个井水位随气压变化的解析公式。 解析式表明, 气压系数随时段长度增加而增大, 并趋于气压常数; 气压系数随时段长度的变化只依赖于导水系数与井半径平方的比值(T/r²_w), 而与气压变化过程无关; 气压常数只与含水层的一维荷载效率(B)有关, 而与导水系数和井半径无关。 解析解所反映的气压系数与时段长度的关系, 与南溪井实测序列数据分析结果具有很好的一致性。 根据气压系数随时段长度变化过程, 提出了一个参数估计方法, 应用于估计南溪井含水层气压常数和导水系数, 并对本文提出的参数估计方法进行了讨论。     

维尼迪科夫调和分析对大甸子井水位潮汐因子和相位的气象影响研究

利用维尼迪柯夫潮汐调和分析方法计算内蒙古大甸子井水位原始资料和剔除气压、降雨资料后的潮汐因子和相位。结果显示,两种情况下得到的潮汐因子和相位具有较好的一致性,说明采用维尼迪柯夫潮汐调和分析方法得到的结果基本不受降水、气压等因素的影响。这对于缺少气压和降水等辅助观测的水位观测资料,使用原始资料进行维尼迪科夫潮汐调和分析,可获取比较可靠的潮汐因子和相位参数。     

大甸子井水位的气压系数及其震前异常

对内蒙古赤峰大甸子井的水位和气压进行了相关性分析,得到了该井气压系数的背景值。还对内蒙古东部几次中强地震前该井水位气压系数的异常变化情况进行了分析。该井气压系数表现出的短期高、低值变化一定程度上反映了震前前兆异常的变化特点。     

琼中台重力非潮汐变化气压与海潮负荷改正

本文对琼中台连续重力观测数据进行收集整理并处理,基于处理后的数据,进行了潮汐分析和非潮汐分析。潮汐分析采用VAV调和分析方法;非潮汐分析则分别进行了零漂改正、固体潮改正、气压改正和海潮改正。其中,零漂改正采用一般多项式拟合零漂的方法;气压改正采用VAV软件;海潮改正运用SPOTL程序,以NAO.99b潮汐模型计算了琼中台海潮负荷值。最终获得了改正后的琼中台重力非潮汐变化,结果表明琼中台的重力气压导纳值为-0.34×10^-8m/s²/mbar,气压改正幅度约为10×10^-8m/s²,海潮改正幅度约为5×10^-8m/s²。改正后,琼中台重力非潮汐变化数据,比仅进行零漂固体潮改正后的重力非潮汐变化数据中的潮汐信号更加微弱,说明进行海潮改正后的效果是明显的,该方法可进一步去除其中的潮汐信号。     

Application of Wavelet Decomposition to Removing Barometric and Borehole Water Tidal Response in Level

Wavelet decomposition is used to analyze barometric fluctuation and earth tidal response in borehole water level changes. We apply wavelet analysis method to the decomposition of barometric fluctuation and earth tidal response into several temporal series in different frequency ranges. Barometric and tidal coefficients in different frequency ranges are computed with least squares method to remove barometric and tidal response. Comparing this method with general linear regression analysis method, we find wavelet analysis method can efficiently remove barometric and earth tidal response in borehole water level. Wavelet analysis method is based on wave theory and vibration theories. It not only considers the frequency characteristic of the observed data but also the temporal characteristic, and it can get barometric and tidal coefficients in different frequency ranges. This method has definite physical meaning.     

Application of Wavelet Decomposition to Removing Barometric and Tidal Response in Borehole Water Level

Wavelet decomposition is used to analyze barometric fluctuation and earth tidal response in borehole water level changes. We apply wavelet analysis method to the decomposition of barometric fluctuation and earth tidal response into several temporal series in different frequency ranges. Barometric and tidal coefficients in different frequency ranges are computed with least squares method to remove barometric and tidal response. Comparing this method with general linear regression analysis method, we find wavelet analysis method can efficiently remove barometric and earth tidal response in borehole water level. Wavelet analysis method is based on wave theory and vibration theories. It not only considers the frequency characteristic of the observed data but also the temporal characteristic, and it can get barometric and tidal coefficients in different frequency ranges. This method has definite physical meaning.     

基于小波分析的水位观测气压效应研究

为研究水位气压效应的主要特征, 采用广西南宁石埠、 九塘两个台站的水位、 气压观测资料, 利用小波分析、 交叉小波分析、 小波相干分析方法在时间-频率空间内对二者的周期特征以及二者的相关特征进行了分析。 结果表明: 水位观测数据的显著周期为7.8~14.7 h, 气压观测数据的显著周期为7.8~14.7 h和17.5~27.8 h; 水位和气压存在7.8~14.7 h尺度的共振周期; 水位和气压在较宽的周期尺度上存在着显著的相关性, 且水位和气压的相关系数随周期和时间变化, 二者的相对相位角也因周期的不同而存在差异。     

中高频带地下水位对气压和固体潮的响应特征分析

我国前兆观测网络数字化改造的完成, 使得对地震地下水位观测的孕震信息提取和干扰因素排除的研究拓宽至更广的频率范围, 而对原有一些认识的重新考察也成为可能。 本文从中国地震前兆台网挑选出数据质量较好的10个台站, 分析各个台站2008年1月1日至5月11日的地下水位和气压资料及理论重力固体潮的频谱及其频域相关性特征, 并分析了地下水位对气压响应的时移。 结果表明, 中高频带地下水位对气压的响应没有低频带好, 两者相关性随周期的减小而减弱; 含水层岩性对中高频带地下水位的气压和固体潮响应特征有较大影响, 部分灰岩井在高频频段存在地下水位对气压响应异常的现象; 时移效应对水位的气压响应整体特征影响不大, 体现出两种信号自身的复杂性。     

小波变换在数字化水位观测资料分析中的应用

小波变换是近年兴起的信号处理方法,具有良好的时频局部化特征。它不但可以准确地描述瞬变信号的局部特征,还可以通过多尺度变换,从不同频带上观察信号的特征。利用小波变换的以上特征将其运用于数字化水位观测资料不同频率潮汐波的分离、同震水震波及震前水位长周期“前驱波”的识别、干扰与同震效应的识别等方面,都取得了较好的效果。     

小波变换在深井水位异常识别中的应用

在小波多尺度分解的基础上,首先利用小波谱识别出所研究时间序列的主尺度,然后采用正弦拟合对主尺度的主频信息进行消除,以达到识别被主频信息掩盖的异常信息的目的。通过对湖南省安乡井水位日均值序列和河北省浅牛6井水位日均值序列的分析处理实验,获得了较好的结果。     

忻州XZ－2号井水位动态气压效应的研究

对忻州ＸＺ－２井气压系数的确定、排除气压干扰的方法进行了探讨，并收到了较好的处理效果。研究表明，该井孔排除气压干扰后的正常水位动态为一条在稳定水位背景上叠加出现的水位固体潮变化曲线。为识别水位异常，找到了判断依据。     

水位观测资料的小波变换及异常提取

利用小波分析方法对永安台水位观测资料进行处理,提取测点周边5次中强震前水位观测资料中存在的短临异常信息,通过分析,永安台水位资料对150 km范围内中强震前确实存在一定程度的异常反应。结果表明:小波分析方法能够有效地将一些高频信息从原数据中分离出去,并且能够得到清晰的前兆数据原始变化趋势,可以使今后各种长短期震前异常的识别变得更加容易。