滲透率是水文地質(zhì)和巖石物理學中重要的參數(shù)，控制著淺地表流體的傳輸過程。近期大量國際研究表明，滲透率在大地震動態(tài)作用過程中會發(fā)生改變，對于地下水資源運輸和污染擴散等具有非常重要的影響?，F(xiàn)有研究多采用地下水對固體潮的加載響應來探究滲透率的變化，但對于加載響應往往存在多種解釋，導致較難探知真正的水文物理機理。
中科院地質(zhì)與地球物理研究所地球與行星物理院重點實驗室張艷副研究員與加州大學伯克利分校王其允教授、石油大學（華東）符力耘教授等合作，近年來對華北的地下水位、氣壓等觀測質(zhì)量較高，且對近場、中遠場地震有明顯水位響應的左家莊流體臺站(圖1)開展了長時間、長序列、多測向（水位、氣壓、降雨等）的跟蹤觀測研究(2008-2018年)。
圖1 左家莊井的地理位置（紅色三角形）和引起左家莊井同震水位變化的地震的震中位置（沙灘球）
研究結果顯示，2011 MW 9.1日本Tohoku大地震后，從水位和理論固體潮中提取的M2波相位差和幅度比都大幅上升。此現(xiàn)象可有兩種解釋：（1）震后封閉含水層中水平向滲透率的大幅增加；（2）垂直向滲透率的發(fā)生，亦即震后含水層封閉性遭到破壞。為了找到確切的物理機理，研究采用水位對氣壓的響應作為井觀測含水層封閉性的檢測手段。計算表明，Tohoku大地震前后左家莊井含水層的封閉性都較好，因此排除了"震后含水層封閉性遭到破壞"的機理解釋。
在確認了上述"震后封閉含水層中水平向滲透率的大幅增加"物理機理后，本文采用Hsieh 的水平向理論模型計算了含水層的水力參數(shù)和孔隙彈性參數(shù)（圖2），發(fā)現(xiàn)在MW 9.1 Tohoku大地震后參數(shù)都發(fā)生了永久性變化。與此同時，地震波能量計算恰巧發(fā)現(xiàn)：日本Tohoku大地震產(chǎn)生的地震波在>1500 km 的遠場左家莊區(qū)域的振動能量密度 > 0.1 J/m3（圖3），超越了導致液化作用發(fā)生（永久性變化）的能量密度的界限（0.1 J/m3（圖3）），因此極有可能引發(fā)左家莊井孔區(qū)域淺地表地層介質(zhì)物理性質(zhì)的永久性改變，這與上述參數(shù)的永久性變化非常一致。因此，進一步確認了"震后封閉含水層中水平向滲透率的大幅增加"的物理機理的正確性。
圖2 按照Hsieh的水平流模型計算所得2008年2月1日至2016年3月31日的左家莊井的(a)導水系數(shù)（藍色）和滲透率（綠色），(b)儲水系數(shù)（黃色）和儲水率（紫色），(c) BKu. 虛線表示地震發(fā)震時刻
圖3 地震引起的作為地震震級和震中距函數(shù)的水力變化分布圖
研究成果發(fā)表于EPSL。（Zhang Y, Wang C Y, Fu L Y, et al. Unexpected far-field hydrological response to a great earthquake[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2019, 519: 202-212.）（原文鏈接）