自然条件下地下水的喷发现象往往出现在具有特殊地质构造的水热系统中，如美国的黄石公园、智利、冰岛以及我国西藏地区的间歇泉发育区。此外，一些湖泊及地下气田在外力触发下也可能导致喷发，造成严重的灾害。如1986年发生在喀麦隆的Nyos湖泊喷发出的大量CO2造成了超过1700人的死亡。上述喷发现象的机制往往被认为与温度变化或CO2溶解度的变化有关。另一方面，在地震作用下往往也能触发大量的喷发现象，比如火山、间歇泉和泥火山喷发甚至常规含水层地下水的喷发。尽管许多研究提出了地震触发的火山及间歇泉喷发机制，人们对于地震如何触发常规含水层中的地下水的过程和机制仍然不清楚。
2004年12月26日苏门答腊9.1级地震发生后，距离震中3000多公里远的广东差干井发生了强烈的地下水喷发现象，喷发形成了60 m高的水柱，并持续了十余天(图 1)。这一全球罕见的现象引起了广泛的关注，然而并未有针对这一现象的定量研究。
我校水资源与环境学院博士生闫鑫，在史浙明教授指导下，联合加州大学伯克利分校Wang Chi-Yuen教授、Michael Manga教授，以及美国地质调查局Steve Ingebritsen教授，基于地下水位高频监测数据，应用潮汐分析和数值模拟方法，构建了井-含水层系统的层流与紊流耦合的多相流模型，定量分析了2004年12月26日苏门答腊9.1级地震导致该井出现猛烈喷发现象的原因和机理。研究取得的主要创新性认识如下：
1. 苏门答腊地震导致差干井所在含水层渗透率增大到原来的2到3倍、地下流体中气体含量增大到原来的1.6倍，两者综合作用造成该井产生了强烈的井喷现象（图2）；
2. 苏门答腊地震引起差干井所在弱透水层渗透率增加幅度超过含水层的渗透率变化幅度，在一定程度上破坏了含水层系统的承压性，导致了震后恢复水位低于震前；
3. 远场地震波引起裂隙渗透率增加，以及纵波和瑞丽波振动引起含水层中气体脱溶作用是导致该井喷发的主要机制（图3）；
4. 地震活动导致常规含水层产生喷发需要具备以下条件：含水层需同时满足高渗透性、高承压性和局部存在气体，且地震引起该含水层渗透率和气体含量增加。这些较为苛刻的条件或许能够解释世界范围内冷水井井喷现象较少。
本研究定量解释了远震引发地下水喷发的机理，表明含水层的水文地质参数和地下流体中的气体含量控制了地下流体对地震的响应。同时相关研究对于评估地震影响下的地热资源开发、二氧化碳地质封存和水源供给安全等提供了重要科学依据。
图1 2004苏门答腊Mw9.1 地震引起的差干井强烈喷发
图2 震后渗透率和气体体积分数的模拟结果。（a）和（b）分别为弱透水层和含水层的渗透率变化；（c）和（d）分别为气体体积分数和承压性的变化。绿点表示潮汐分析的结果，绿色箭头指示了苏门答腊地震发生时间
图3 地震引起气体含量增加的机理示意图
上述研究成果发表在地质学领域著名期刊《Geophysical Research Letters》上，Yan, X., Shi, Z. M.*, Wang, C. Y., Ingebritsen, S. E., & Manga, M. (2022). Violent Groundwater Eruption Triggered by a Distant Earthquake. Geophysical Research Letters, 49. DOI: 10.1029/2022gl101239. [IF2021=5.576]
全文链接：https://doi.org/10.1029/2022gl101239
