遠近地震所引起地下水位變化之研究

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劉政(Chen Liu) 查詢紙本館藏

畢業系所

地球物理研究所

論文名稱

遠近地震所引起地下水位變化之研究
(Study of Water Level Fluctuations Induced by Local and Teleseismic Earthquakes at Two Wells in Hualien, Eastern Taiwan)

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摘要(中)

導致地下水位變化的原因有許多種，其中包括來自於自然和人為現象的「非構造因子」，及來自於地質活動和板塊運動的「構造因子」。在非構造因子中的自然現象，包括：降雨、大氣壓力、溫度、地下含水層分部及附近水系的伏流、地潮、海潮、引力、季節變化等；非構造因子中的人為現象，包括：人為的抽取與補注等，甚至於地下含水層附近地表負載及震動都可能造成地下水位在井裏的振盪。在構造因子的現象中，則包括：來自於地球組成與大地構造的現象所造成的火山活動與地震事件及板塊運動作用等。
地下水位產生變化在非構造因子中，以降雨為最大的影響因子，其次為大氣壓力與潮汐變化。但這些影響因子對地下水位變化的影響，降雨會因區域性地質現象及含水層分布，導致降雨入滲到含水層時，產生遲延的現象。而大氣壓力與潮汐雖能直接影響水位的變化的，但都屬長週期的影響。
地下水位產生變化在構造因子中，以地震事件最為明顯，影響範圍較大，火山活動屬區域性，影響範圍較小。地震的發生多來自於板塊運動後淺部地殼受到應力的擠壓與大地應力轉移與釋放所造成。在大地應力藉由地震事件釋放時，是短暫且劇烈的，其影響的範圍也較廣。地震造成的地震動是短暫而瞬間的，但一個較大地震發生後可能因餘震的持續發生使得整個地震延續較長的時間。
地震事件所產生的地震動現象，是造成地下水位產生瞬間上升或下降的主要影響因子。這種水位瞬移的現象，有可能來自於地殼在地震發生時因應力傳遞造成地下含水層的變化，或因地殼在地震發生瞬間產生含水層的破裂或地下水流的阻塞，造成地下水位的變化。本研究中將地震事件分成近震地震與遠震地震分別討論。在地震中，地震波以彈性波的模式傳遞，造成區域性地層的質點非一致性的位移現象，也就是應變的改變，此應變的變化值在各個方向上根據地震波的特性而改變；以直角座標(Cartersian)系統下，假設在短暫的時間內(dT)，U為質點的位移量，則隨著地層之正應變與剪切應變的影響將會使得地下水位面隨著地層應變的變化而有上升或是下降的動態變化；此地下水位面之震盪與地震波波傳至之含水地層之內涵頻率有極大之關係性。在遠場地震中，大地應力的傳遞及造成區域地殼發生應變的現象，對地下水位變動的直接影響較小，但地震所產生的能量釋放確能將地震波傳播到遙遠的地方；本研究中，因遠場地震所造成的地下水位變動與地動之S波和表面波的波相有明顯的相關性。將水井之水位變化與地震站之記錄做一比對，以探討水位變化與地震波之相關性，地震波之內涵頻率與水位震盪之內涵頻率之比較。另外探討水位震盪的最大值與地震波最大速度值(PGV)以及最大位移值(PGD)之行為模式是否與近震地震所造成的現象一致。

摘要(英)

Fluctuations of Water level in wells often are in response to changes of volumetric strains caused by tectonic deformation or by passage of seismic waves. Continuous monitoring of water level fluctuations in two wells, coded HLC-05 and HLC-03, in Hualien area of eastern Taiwan has been made since 2002 by digital recorders with high sampling rates at 1- and 6-second intervals, respectively. The data thus far show that fluctuations of water level are often induced by earthquakes. The results can be summarized as follows: 1) Observations of water level fluctuations can be induced by earthquakes of magnitude M³0.43+2.39log10D, where D is the hypocenter distance from the well; 2) The peak water level fluctuation (PWL) is linearly proportional to either the peak ground velocity (PGV) or peak ground displacement (PGD) on logarithmic scales, and the correlation coefficients of the former one are larger than those of the latter one. On the contrary, no clear trends with the peak ground acceleration (PGA) are found.
A well, coded HLC-05, with high sampling rate of 1 Hz for monitoring the water level changes has been installed since May 2002 in Hualien, eastern Taiwan. The changes of tectonic strains induced by earthquakes have led to changes of water level in the well, including the static (steps) and dynamic behaviors (fluctuations). Static water level changes, with which water level raises to a step persistently for about 30 seconds and then decreases gradually to its background trend which is in response to the long period effects (i.e., earth tides and rainfalls), induced by three events (ML4.5, 5.8, and 6.5) are well recorded so far. Based on a dislocation model of a finite fault plane, we try to describe the correlation between volumetric strain changes and water level steps. Due to lack of pumping tests, an one-dimensional diffusion equation (Crank, 1975; Brodsky et al., 2003) applied to a blockage system can provide a good estimate of stratum parameter (i.e., hydraulic diffusivity) from the continuous drops of water level as function of lapse time. From the results of observation from the three events, we have determined three values of hydraulic diffusivity at 0.21, 0.17, and 0.17 m2/sec, correspondently, with an average value of 0.18 m2/sec. The results can be verified by the future events or by pumping tests in the well.

論文目次

目錄
論文提要 i
英文摘要 ii
誌謝 iii
目錄 iv
圖目 ..vii
表目 ..xi
第一章、緒論 1
1.1 研究動機與目的 1
1.2 研究區域地質概況 5
1.2.1台灣地質概況 5
1.2.2研究區域地質 9
1.2.3觀測井的地質 12
1.3 本文內容 17
第二章、水位變化及地震動觀測 18
2.1 使用儀器 18
2.1.1 地下水觀測紀錄器 18
2.1.2 地震儀 18
2.2 地下水位變動資料 22
2.2.1 資料蒐集 22
2.2.2地下水變動資料擷取 22
2.3 地震資料 24
2.3.1 測站選取 24
2.3.2地動資料擷取 24
2.3.3資料分析方法 27
2.4 地下水位變化與地震分布 28
2.4.1 地下水位變化 28
2.4.2長期水位變化長週期水位圖 28
2.4.3月變化月水位圖 29
2.4.4一週地下水位變化兩日水位圖 29
2.4.5兩日地下水位變化 30
2.4.6及時水位變化 30
2.5 地震分布 34
2.5.1 研究期間地震分布 34
2.5.2 影響地下水位的地震分布 34
第三章、近震地震波動引起的動態水位變化 36
3.1 水井之水位變化與地震的關係 38
3.1.1 水井HLC-05之地下水位變化 38
3.1.2 水井HLC-03之地下水位變化 43
3.2 水井水位變化與地震之規模和震源距離的關係 42
3.2.1 水井HLC-05水位變化 42
3.2.2 水井HLC-03水位變化 42
3.2.3 水位變化與地震規模和震源距離的關係 43
3.2.4 遠震造成之水位變化 44
3.3 HLC-03水井水位變化振幅與PGA、PGV和PGD的關係 48
3.3.1 去除趨勢面水位變化 48
3.3.2 最大水位變化振幅與與最大地動加速度之關係 55
第四章、遠震地震波動引起的動態水位變化 64
4.1 遠震地震波形與HLC-05水井水位變化的關係 66
4.1.1 蘇門達臘地震主震與餘震之地震動 66
4.1.2 蘇門達臘地震主震與餘震之地震動頻率 67
4.2 地震之規模和震源距離與HLC-05水井水位變化的關係 73
4.3 水井HLC-05水位變化與地動相關性之討論 76
第五章地震應力引起的靜態水位變動 79
5.1 地震事件與水井HLC-05水位變化 80
5.1.1 地震事件 80
5.1.2 水井HLC-05水位變化 82
5.2 水井水位隨時間的回復機制 88
5.2.1一維地下水擴散方程式解 88
5.2.2 數值計算之結果 89
5.3 水井水位的瞬移機制 93
5.3.1 Dislocation model 93
5.3.2錯位模型之理論與有限斷層之設定 94
5.3.3阻塞系統機制 96
第六章結論與討論 108
參考文獻 112
附錄一地下水變化與強地動紀錄比較資料 116
附錄一地下水變化與強地動紀錄比較資料 132
圖目
圖1.1地下水位變動與地震的關係 4
圖1.2台灣附近地形圖 6
圖1.2台灣的板塊構造立體圖(Angelier, 1986) 2
圖1.3台灣的板塊構造立體圖 7
圖1.4台灣地質圖 8
圖1.5台灣活動斷層分布圖 10
圖1.5台灣活動斷層分布圖 2
圖1.6 台灣東部地質概況圖 11
圖1.7研究區域地質圖 14
圖1.8研究區域地下水觀測井、地震站及寬頻地震站分布圖 15
圖1.9地下水觀測井地質柱狀圖 16
圖2.1 2002年2月至2005年1月長週期水位變化與地震、震央距、降雨量關係圖 22
圖2.2 HLC-05 20030601至20030630計 30日連續地下水位變化圖 23
圖2.3 HLC-05 20030613至20030621計8日地下水位變化圖 23
圖2.4 HLC-05 20030615至20030617計 2日地下水位變化圖 24
圖2.5 HLC-05 20030616因地震引起的同震水位變化圖，圖中水位最
大上下震盪值達7.4公分 24
圖2.6研究期間ML≧3.0的地震分布及影響地下水位變動的地震 26
圖3.1研究期間ML³3.0及HLC-05地下水井及造成水井水位震盪的地
震分布圖 31
圖3.2研究期間ML³3.0及HLC-03地下水井及造成水井水位震盪的地
震分布圖 32
圖3.3震央距離與地震規模(ML³3.0)之關係。空心圓符號為規模大於
3之地震，紅色實心圓符號為水井HLC-05有水位變化之地震分佈 37
圖3.4 震央距離與地震規模(ML³3.0)之關係。空心圓符號為規模大於
3之地震，藍色實心圓符號為水井HLC-03水位有變化之地震分佈 38
圖3.5紅色空心圓符號為發生在印尼地區蘇門達臘地震(Mw9.0)與其
一餘震(Mw8.7)，紅色實心圓符號為水井HLC-05有水位變化之地震分佈 39
圖3.6由2004年2月4日地震(ML5.6)造成水井HLC-05之水位變化(a)圖為50分鐘之水位變化曲線；(b)圖為(a)中虛線範圍之放大圖，水位
紀錄歷時約17分鐘 42
圖3.7由2004年2月4日地震(ML5.6)造成水井HLC-05之水位變化，
已去除趨勢面之水位變化曲線 43
圖3.8由2004年2月4日地震(ML5.6)造成水井HLC-03之水位變化(a)
圖為約117分鐘之水位變化曲線；(b)圖為(a)中虛線範圍之放大圖，水位紀錄歷時約14分鐘 44
圖3.9由2004年2月4日地震(ML5.6)造成水井HLC-03之水位變化，
已去除趨勢面之水位變化曲線 45
圖3.10地下水位變動與強地動波形之比較圖，紅色實線為HLC-05井之水位震盪記錄，藍色實線為HLC-03井之水位震盪記錄，黑線為地震記錄，由上至下分別為垂直向、東西向與南北向之地動記錄；由左至右分別為加速度、速度與位移地動記錄 52
圖3.11地下水位震盪與強地動紀錄頻率振幅之比對圖，紅色點線為水井HLC-05水位記錄之頻率振幅，藍色虛線為水井HLC-03水位記錄之頻率振幅，黑色實線為地震波之速度頻率振幅，由上而下分別為垂直向、南北向與東西向之頻率振幅 53
圖3.12地下水位震盪與強地動紀錄最大振幅之比對圖，紅色菱形與藍色三角形符號為水平向之PGA、PGV和PGD與最大水位變化振幅；黑色十字符號為垂直向之PGA、PGV和PGD與最大水位變化振幅 54
圖4.1蘇門達臘地震與其餘震之位置圖，三角形符號為BATS之寬頻
地震站(NACB，寧安橋站)，地震與地震觀測站位置約為3600公里 56
圖4.2蘇門達臘主震之地下水位變化與寬頻地震站(NACB，寧安橋站)
紀錄比較圖，紅色線為地下水位變化，黑色線為地震動紀錄曲線；S表示剪力波波相，LR表示表面波波相 60
圖4.3蘇門達臘餘震之地下水位變化與寬頻地震站(NACB，寧安橋站)
紀錄比較圖，紅色線為地下水位變化，黑色線為地震動紀錄曲線；S表示剪力波波相，LR表示表面波波相 61
圖4.4蘇門達臘主震之地下水位變化與寬頻地震站(NACB，寧安橋站)
紀錄之頻譜振幅比較圖，紅色線為地下水位變化，黑色線為地震動紀錄曲線；左邊刻度為地震動振幅，右邊刻度為水位變化振幅 62
圖4.5蘇門達臘餘震之地下水位變化與寬頻地震站(NACB，寧安橋站)
紀錄之頻譜振幅比較圖，紅色線為地下水位變化，黑色線為地震動紀錄曲線；左邊刻度為地震動振幅，右邊刻度為水位變化振幅 63
圖4.6地下水位震盪與寬頻地震站(NACB，寧安橋站)紀錄最大振幅之比對圖，紅色菱形與藍色三角形符號為水平方向之PGA、PGV和PGD與最大水位變化振幅；黑色十字符號為垂直方向之PGA、PGV和PGD與最大水位變化振幅 66
圖4.7摘至Brodsky et al. (2003)之水位變化與地動記錄關係圖 69
圖5.1震央位置及震源機制解與HLC-05位置圖 72
圖5.2水位震盪與水位抬升圖 76
圖5.3水位震盪與水位抬升圖 77
圖5.4水位震盪與水位抬升圖 78
圖5.5正規化水頭高與水位回復之關係圖 82
圖5.6水頭高與應力降關係圖 83
圖5.7有限斷層模型 88
圖5.8由Okada Model計算之體應變等值線圖 90
圖5.9由Okada Model計算之體應變等值線圖 92
圖5.10由Okada Model計算之體應變等值線圖 94
圖5.11體應變與地下水位瞬移關係圖 96
圖5.12 地下水流之阻塞系統制 98
表目
表1.1地下水觀測井參數 13
表2.1地下水觀測井參數 20
表2.2地震站參數 21
表2.3近震地震與研究區域地下水位變動紀錄及地震儀紀錄 26
表3.1最大地動速度與最大水位變化 59
表3.2最大地動位移與最大水位變化 60
表5.1地震參數 84
表5.2 有限斷層之參數設定 98

參考文獻

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指導教授

顏宏元(Horng-Yuan Yen)

審核日期

2006-1-13

推文