地下流体的水力特性会随着地球化学和动力学过程的变化而改变，这些变化通常很慢，主要由成岩作用或压实作用导致，而地震产生的压力会导致其发生迅速的变化。在近场，断层的破坏和愈合伴随着渗透率的变化；在中远场，即超过几个破裂长度的场地范围，应力仍然可以大到足以影响地下水的运移。地震对地下流体的作用，可能影响盖层封闭性、含水层之间的水力联系、溶质和污染物运输、井中水的可用性，以及地表水-地下水相互作用等，同震孔隙压力的巨变也可能诱发地层的永久性变形，从而引发崩塌、滑坡、泥石流、浅层地震等地质灾害，从而对工程地质环境造成巨大影响。因此，了解地震诱发含水层特性变化的条件和机制，以及地震后的恢复过程和时间尺度，是水文地质学、地球物理学及工程地质学研究的热点问题。然而，同震时含水层水力特征的变化过程和变化机理，仍是一个重要且悬而未决的问题。
最近，中国科学院地质与地球物理研究所页岩气与地质工程院重点实验室的张艳副研究员、黄天明研究员、祁生文研究员与美国加州大学伯克利分校的Michael Manga教授等人合作，选择了相距~50 km远的两口地下水观测井（北京左家庄井（ZJZ）和天津宝坻井(BD)）（图1）研究地震如何对不同性质的含水层产生影响。
图1 研究区构造图，蓝色三角表示研究井的位置，红色圆圈表示最近的地震仪位置，断层用黑色曲线表示。离流体井最近的断层用较大的字体和蓝色的标签标注。橙色的测线记为BB'表示如图2所示的地震截面的位置
该研究利用地下水水位对固体地球潮汐的反应来记录地震前后的地层性质的变化以及含水层和裂缝性质如何恢复到震前性质。基于水位对月亮主日波(O1)和主半日波(M2)潮汐分波响应的相位和振幅，对比了水位的潮汐响应渗漏模型和裂缝模型。在渗漏模型中，潮汐响应变化由渗透性和储水量的变化引起；在裂缝模型中，潮汐响应变化是由宏观变化引起的渗透性裂缝的方向变化导致的。
研究发现两井满足不同的潮汐响应模型，左家庄井的同震响应能够用渗漏含水层模型来解释，可解释同震水位和渗透率的大幅度变化和大地震后不可恢复的变化；而宝坻井的响应与裂缝模型一致，同震水位变化不大，但裂缝走向发生变化。地震地面运动越大、水位同震响应幅度越大，且恢复时间也越长。
探究模型适用性原因：潮汐响应的渗漏模型更适合左家庄井（图3），因为左家庄井的观测含水层是成分比较单一、均匀的岩石（白云岩），而宝坻井的观测含水层含有较多页岩，会导致观测含水层呈现非均质性和各向异性，因此计算得到的含水层渗透率与抽水实验测得的数值量级差别很大；潮汐响应的裂隙模型更适合宝坻井（“走向-倾角”比对：图4，图2，图1），因为该模型需要含水层的渗透性相对较大，有利于孔隙压均匀分布，而左家庄井观测含水层的渗透率较小，裂隙走向的计算结果与附近断层走向不匹配（图4，图1）。需指出：隔水层的岩性对模型影响并不大，因为隔水层都是压实的岩层，孔隙度都比较小，泥页岩与普通岩石的差别并不明显。
该研究还发现了裂隙含水层特性决定同震压力变化规律，由于含水层的低渗透性，左家庄井周围极为非均匀分布的孔隙压力（水位）在同震时重新分布，导致具有较大的同震变化甚至是不可恢复的水位和水文地质性质的变化；而在渗透性较好的宝坻井周围更为均匀分布的孔隙压力在同震时不易出现孔隙压力的重新分布，因此具有较小的同震变化和非永久性变化的水位和水文地质性质。该结论为合理躲避不可恢复的永久性变化导致的地质灾害提供了参考、借鉴的新思路。
图2 西北-东南地震(地震偏移成像)和沿BB′测线（图1）的地质剖面，修改自He et al.(2017)。绿色条表示井位，粉色条表示观测含水层，与Boadi井(BD)相交的断层倾角为50-65度。Q: 第四纪;Nm: 明化镇组;Ng: 馆陶组;Es3: 沙河街组(第三段);Es4: 沙河街组(第四段);Ek: 孔店组;Chc: 常州沟组;Jx: 蓟县系;Є:寒武纪
图3 按照潮汐响应的渗漏模型计算得到：左家庄(ZJZ)和宝坻(BD)井随时间变化的隔水层垂直向渗透系数(K′)、含水层水平向导水系数(T)和储水系数(S)的变化曲线。在2011年Mw 9.1 Tohoku地震后，ZJZ井的渗透率变化没有恢复。竖线表示引起水位变化的地震日期和震级，红线表示地震也引起了计算得到的裂缝走向的变化。研究发现左家庄井的观测条件适合该渗漏模型
图4 按照潮汐响应的裂隙模型计算得到：左家庄(ZJZ)和宝坻(BD)井随时间变化的裂缝走向和倾角。2008年Mw 7.9汶川地震发生后，左家庄和宝坻都发生了明显的同震裂隙走向变化并且随着时间推移（三年左右）都逐渐恢复到地震前的数值，但在2011年Mw 9.1 Tohoku地震后，ZJZ井的走向变化没有恢复。竖线表示引起水位变化的地震日期和震级，红线表示地震也引起了计算得到的裂缝走向的变化。研究发现宝坻井的观测条件适合该裂隙模型
研究成果发表于国际地球物理领域权威期刊JGR: Solid Earth (Zhang Y,Manga M,Fu L,Zhang H,Huang T M,Yang Q,Cui Z,Qi S,Huang Y. Long- and short- term effects of seismic waves and coseismic pressure changes on fractured aquifers[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth,2024,129: e2023JB027970. DOI: 10.1029/2023JB027970)。研究得到了自然科学基金委基金（42141009;42230803;41725017）的支持。
