地壳应力与地下水动力响应

　　储存于岩石中的地下水，处于一定的地壳应力环境中，当地壳应力发生变化，必然引起地壳形变，并导致含水层孔压变化和地下水流动，孔压变化又影响岩石的形变，这是一个水一岩耦合的水力学过程。地壳应力作用下，地下水呈现丰富的水文现象。如潮汐力作用下，井水位的周期性升降、泉流量的周期性变化；地震活动影响下，井水浑浊，井水位、河流流量和泉流量的变化，以及砂土液化等现象。地震引起地壳应力的剧烈变化，甚至改变或破坏地下水的储存条件，引起地下水动力条件的大幅变化，有的变化甚至超出人类预期。应力作用下的地下水动力响应是研究地壳应力作用下地下水压对岩石形变的响应，地下水运动和井水位变化；探讨地壳应力作用下地下水文现象产生的力学机制；以及地下水压变化对岩石形变的影响。《地壳应力与地下水动力响应》主要研究已知高频自然力和地震（静应力、地震波）作用下，井一含水层系统的力学和水力学响应，以及由于井孔注水和水库蓄水等，地壳应力场和渗流场的改变对断层强度和可能诱发地震的影响。《地壳应力与地下水动力响应》共分9章。第1章简要推导流体力学耦合本构方程和常用的简化本构方程，以及主要的孔弹性变量和孔弹性常数之间的关系。水一岩耦合流体力学是分析应力作用与岩石形变和地下水压变化的力学基础。地下水对潮汐等高频自然力的响应是水一岩耦合的天然试验场。固体潮、海潮和气压等高频自然力的周期性和重复性，以及振幅和相位可计算或可测量等特征，在估计含水层参数和分析含水层应力（应变）等方面具有重要意义。第2章阐述引潮力和引潮位的概念和地球形变对潮汐的响应理论，介绍了承压井水位固体潮模型，以及应用井水位潮汐分析软件的预备知识。第3章研究以潮汐为主的高频自然力作用下，不排水岩体的水力响应，包括不排水多孔介质和裂隙介质水头的潮汐响应模型，以及气压效率、贮水率和孔隙度等重要参数的估计方法。第4章研究潮汐作用下井一含水层系统的水动力响应，包括潮汐垂向流作用下，含水层压力水头对引潮高的响应；潮汐径向流作用下，井水位对压力水头的响应，以及径向、垂向流综合作用下，井水位对引潮高的响应。分析讨论地下水潮汐流类型及其识别方法，以便于更好地分析和了解潮汐力作用下含水层水动力特征。第5章是研究如何利用井水位对固体潮和海潮的潮汐响应模型，估计含水层导水系数（导水率）方法。利用含水层孔压（井水位）对已知高频荷载的振幅和相位差响应关系，估计含水层孔弹性参数和地下水动力学参数，具有非扰动性、连续性等优点，是其他方法无法比拟的。第6章分析研究地震应力（静应力和地震波）作用对含水层渗透性的影响，讨论了季节性水量增减引起的静水压变化对含水层渗透性的影响。其中，含水层渗透性的变化主要通过井水位和井水位潮汐振幅和相位差变化确定。第7章研究地震与含水层力学响应，包括同震和震后含水层形变，井水位（孔压）变化所引起的地震水文现象，地震地下水位前兆预测的力学机理和案例分析，以及利用井水位和井水位潮汐振幅、相位差变化等资料，估计地震前后含水层应力变化，分析讨论了汶川地震后江油井水位急降13.Sm的成因。第8章应用岩石破坏的摩尔一库仑准则，分析讨论注水和水库蓄水等影响下，诱发地震的特征和发震机理。第9章是利用井水位和井水位潮汐振幅和相位差变化，分析和识别含水层形变和应力变化，它是应力作用下含水层形变和井水位（孔压）变化的逆分析过程。附录B介绍了井水位潮汐分析软件使用方法和利用井水位潮汐分析计算含水层导水系数的方法和程序。

　　刘春平，湖南醴陵人，1962年1月生，1989年12月国家地震局地质研究所博士研究生毕业。历任湖南师范大学讲师、副教授、教授，资源与环境学院院长，现任防灾科技学院教授、副院长，主要从事地下水动力学、地震地下流体的教学和科研工作，出版专著《地下水系统规划与管理优化模型》（中南工业大学出版社，1995）和大学教材2部，主编全国高中实验教材《环境保护》（湖南教育出版社，2004），在国内外学术刊物发表论文80多篇。曾获得省科技进步奖二等奖、三等奖和省教学成果一等奖。