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Hydrological Processes:基于近地表地温变化获取青藏高原东缘热扩散系数及地下水运动特征

2019-04-22

 青藏高原东缘晚第四纪构造和地震活动极为强烈,且热泉活跃,具强烈的水热活动。自2009年以来,地质所已沿鲜水河、龙门山及安宁河断裂等先后分四期建成川西基岩地温观测网(图1)。通过基岩上的浅孔,对近地表的温度进行长期监测,在由地温观测获取地壳应力变化方面取得重要研究成果。由于断裂带附近水热活动显著,流体运动会对地温观测产生一定影响,反过来,从温度时间序列中也可以识别流体运动。厘清台站附近的地下水运动对深入研究温度与应力的关系以及流体流速与地震的响应都具有重要的意义。

中国地震局地质研究所刘琼颖副研究员、陈顺云研究员、陈立春研究员及杨竹转高工,与团队其他成员通过基岩地温不同深度年周期性变化的相位和振幅关系,分别由相位方法和振幅方法获取了基岩的原位热扩散系数,并建立了通过两者差异获取地下水流速的方法。研究结果表明:

(1)纯热传导的情况下,由相位方法计算得到的热扩散系数 (αΦ)与振幅方法得到的热扩散系数(αA)相等。当存在向上的流体运动时,αΦ>αA ,反之亦然(图2)。因此,通过αΦ和αA 的关系,可以获得垂向地下水流速;

(2)由川西基岩地温台站记录的温度时间序列,求得αΦ为1.22×10-6 ~ 3.00×10-6 m2/s, 平均1.73×10-6 m2/s;αA为0.93×10-6 ~ 2.41×10-6 m2/s, 平均 1.41×10-6 m2/s(图3);

(3)川西地区浅部存在两种热传递机制:“Y”字形断裂系统交汇区域的一些台站热传导与热对流共存(αΦ>αA),以向上的地下水运动为主,达西流速平均约-10-7 m/s;而另一些台站则以热传导为主(αΦ=αA)。研究从原位地温观测的角度为川西断裂带的水热活动提供了新的证据。

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图1 基岩地温台站分布

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图2 相位和振幅方法计算的热扩散系数随地下水流速变化的理论模型

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图3 相位和振幅方法计算得到的热扩散系数对比

(虚线代表纯热传导的情况)

以上研究成果发表于国际水文学重要杂志Hydrological Processes上(Liu Qiongying, Chen Shunyun, Jiang Liangwen, Wang Dong, Yang Zhuzhuan, Chen Lichun. Determining thermal diffusivity using near‐surface periodic temperature variations and its implications for tracing groundwater movement at the eastern margin of the Tibetan Plateau. Hydrological Processes, 2019, 33, 1276-1286)。

原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/hyp.13399