山西臨汾地震觀測站水位觀測數(shù)據(jù)對比分析

霍擁軍，張 梅，高 娟

（山西臨汾市地震局，山西 臨汾 041000）

0 引言

地下流體觀測是地震前兆觀測的重要組成部分，地下水位觀測在地震短臨預(yù)報中起著非常重要的作用。臨汾地震觀測站于2014年9月安裝了一套ZKGD3000—N型地下流體監(jiān)測設(shè)備，與2000年10月安裝的LN—3型數(shù)字化水位儀并行觀測。為保證觀測數(shù)據(jù)的真實(shí)性和可靠性，對兩套儀器同一時段的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

1 觀測臺站及儀器概況

1.1 觀測站概況

臨汾井建于臨汾地震觀測站內(nèi)，觀測站位于臨汾盆地中部的臨汾凹陷，是多組活動斷裂復(fù)合交匯的部位，北北東向赤峪斷裂縱穿臨汾市區(qū)，北東東向淹底—臨汾斷裂在市區(qū)南部與之交匯，臨汾一帶為盆地內(nèi)地殼沉降幅度最大的地段，第四紀(jì)厚度500米以上。

該井處在汾河?xùn)|岸二級階地上，成井于1984年，井深600.37m，觀測層為上新統(tǒng)頂部中砂層，主要受西部山區(qū)地下水和汾河上游補(bǔ)給，并向汾河下游排泄。

1.2 儀器概況

此井為地震專用井，于1985年1月開始正式觀測，先后使用SW40－1型水位自記儀、SW－3型和SW－5型水位觀測儀等觀測設(shè)備。2000年10月，安裝了1臺LN—3型數(shù)字式水位儀進(jìn)行水位觀測，同時還安裝國家地殼應(yīng)力研究所生產(chǎn)的SEW—1A型數(shù)字式溫度計，探頭下到井下320m處。

2014年5月以來，多次出現(xiàn)水位異常變化，根據(jù)分析，該變化與觀測室溫度的變化似乎有某種關(guān)系。為探究觀測數(shù)據(jù)的這種變化是否反映真實(shí)的水位變化，于2014年9月11日，在該井孔中又安裝一套中科光大自動化設(shè)備有限公司生產(chǎn)的ZKGD3000—N型地下流體觀測設(shè)備，兩套設(shè)備開始并行觀測。

2 臨汾井水位動態(tài)分析

2.1 年動態(tài)特征

臨汾井自1985年觀測以來，水位一直表現(xiàn)為緩慢下降，符合臨汾地下水下降速率。因臨汾市地下水開采范圍內(nèi)有一中層降水漏斗，范圍很大，臨汾井自觀測以來累計下降29m之多，每年平均下降1.2m左右。為保障觀測井與觀測層有較好的水力聯(lián)系，2004年8月對臨汾井進(jìn)行全面清洗。經(jīng)過清洗深井，水位上升3米多。從多年的觀測看，此井觀測數(shù)據(jù)連續(xù)、可靠（見圖1）。

圖1 臨汾觀測站井水位日均值Fig.1 Daily mean value of well water level at Linfen observation station

2.2 映震效果

臨汾井水位自1985年觀測以來，共出現(xiàn)2次地震前兆異常，具體情況如下：

（1）井水位在趨勢下降的背景下，于2001年12月20日至2002年4月5日累計上升300多毫米，之后恢復(fù)趨勢下降，在異常結(jié)束后4個多月發(fā)生2002年9月2日太原郝莊5.0級地震（見圖2）。

圖2 臨汾觀測站井水位日均值（2001－10—2002－05）Fig.2 Daily mean value of well water level at Linfen observation station（October 2001to May 2002）

（2）2003年11月21日至23日，臨汾井水位出現(xiàn)突降突升，20日至21日突降183mm，22日至23日突升200mm。在落實(shí)異常過程中，發(fā)生山西洪洞甘亭5.0級地震（見圖3）。

圖3 臨汾觀測站井水位日均值（2003－09—2004－01）Fig.3 Daily mean value of well water level at Linfen observation station（September 2003to January 2004）

3 觀測數(shù)據(jù)對比分析

2014年9月11日，在井孔內(nèi)安裝ZKGD3000—N型地下流體觀測設(shè)備。在儀器安裝過程中，破壞了觀測井原有的水位動態(tài)特征，需要恢復(fù)到正常動態(tài)。根據(jù)觀測實(shí)際，選取2014年10月1日至2015年3月31日的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3.1 氣壓對比分析

氣壓對地下水影響有普遍性［1－2］，臨汾井水位受氣壓影響明顯，且滯后于氣壓變化約1.5小時。從2014年10月至2015年3月水位、氣壓對比數(shù)據(jù)看出，新、舊數(shù)據(jù)與氣壓都有明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，即氣壓上升時，水位下降，反之，水位上升（見圖4、圖5）。

從新、舊設(shè)備的氣壓系數(shù)和相關(guān)系數(shù)對比分析看出，新設(shè)備的相關(guān)系數(shù)比舊設(shè)備的略小，氣壓系數(shù)相當(dāng)（見表1）。

以2014年10月為例，對新、舊儀器觀測數(shù)據(jù)做去除潮汐分析，發(fā)現(xiàn)兩套儀器的觀測曲線在去除潮汐變化后的形態(tài)基本一致，且與氣壓有較好的負(fù)相關(guān)關(guān)系（見圖6）。

圖4 LN—3型水位儀水位、氣壓對比曲線Fig.4 Contrast between water level and pressure of LN－3water level meter

圖5 ZKGD3000—N設(shè)備水位、氣壓對比曲線Fig.5 Contrast between water level and pressure of ZKGD3000－N equipment

表1 臨汾井新、舊設(shè)備氣壓系數(shù)對比表Table 1 Comparison of pressure coefficient of new and old equipment in Linfen Well

3.2 潮汐對比分析

從新、舊儀器2014年10月至2015年3月的逐月M2波潮汐因子分析可以看出，舊設(shè)備記錄到的潮汐因子略大于新設(shè)備，但新設(shè)備中誤差要低于舊設(shè)備的（見表2）。

為分析新舊儀器觀測數(shù)據(jù)受潮汐變化的影響，以2014年10月為例，分別對兩種觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行去除氣壓干擾的分析，其結(jié)果如第15頁圖7所示。對比分析發(fā)現(xiàn)，新舊儀器觀測曲線與理論固體潮曲線的大潮、小潮期基本吻合，且呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。新儀器比舊儀器的潮汐變化幅度稍大，曲線較為光滑，與理論固體潮曲線更相近。

圖6 兩套儀器觀測數(shù)據(jù)去除理論固體潮影響的曲線與氣壓曲線Fig.6 Observation data after removal of theoretical solid tide and pressure of two sets of instruments

表2 臨汾井新、舊設(shè)備M2波潮汐因子對比表Table 2 Comparison of tidal factor of M2wave of new and old equipment in Linfen Well

圖7 兩套儀器觀測數(shù)據(jù)去除氣壓影響的曲線與理論固體潮曲線Fig.7 Observation data after removal of pressure and theoretical solid tide of two sets of instruments

3.3 水位變化不一致的對比分析

從以上分析看出，兩套設(shè)備觀測數(shù)據(jù)變化形態(tài)基本一致，但也存在不同之處，下面對其進(jìn)行分析。

（1）舊設(shè)備受觀測室溫度影響。

2014年10月2日至3日的分鐘值曲線可看出（見圖8），10月2日08：16舊儀器的觀測數(shù)據(jù)突然下降，且變化幅度較大，新儀器觀測數(shù)據(jù)平緩；10：47之后，兩套儀器的觀測數(shù)據(jù)又表現(xiàn)一致。10月3日又出現(xiàn)同樣的變化：7：42舊儀器的觀測數(shù)據(jù)突然下降，且變化幅度較大，新儀器觀測數(shù)據(jù)平緩；09：41之后，兩套儀器的觀測數(shù)據(jù)又表現(xiàn)一致。經(jīng)檢查，并與當(dāng)日值班人員核實(shí)，10月2日8：15左右和10月3日7：45左右，觀測員將觀測室窗戶打開通風(fēng)，因溫度變化引起了水位觀測值的變化，兩者的關(guān)系如圖9所示。經(jīng)與儀器維護(hù)人員溝通，認(rèn)為可能是數(shù)據(jù)采集器的溫控元件出現(xiàn)故障。

由此說明，新儀器在穩(wěn)定性上要優(yōu)于舊儀器。

圖8 2014年10月2日至3日兩套儀器分鐘值觀測曲線Fig.8 Minute point value of two sets of instruments from October 2，2014to October 3，2014

圖9 舊儀器水位、觀測室溫度分鐘值觀測曲線Fig.9 Minute point value of water level and temperature of observation room of the old instrument

（2）新儀器觀測曲線較舊儀器光滑。

從2014年10月25日分鐘值數(shù)據(jù)曲線看，新儀器觀測曲線光滑，而舊儀器有毛刺，且出現(xiàn)臺階樣變化（見圖10）。

圖10 2014年10月25日兩套儀器水位分鐘值對比觀測曲線Fig.10 Minute point value of water level of two sets of instruments on October 25，2014

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

通過對兩套儀器2014年10月1日至2015年3月31日觀測數(shù)據(jù)的對比分析看出，觀測曲線較為一致，都基本真實(shí)地反映水位的變化。從去除氣壓影響后的觀測曲線來看，新儀器記錄曲線毛刺較少，且與理論固體潮變化更為接近。舊儀器水位觀測值易受觀測室溫度變化的影響，抗干擾能力和穩(wěn)定性要弱于新儀器。

4.2 建議

臨汾觀測站井水位觀測近30年，特別是從2000年“九五”數(shù)字化改造以來，在日常觀測中遇到過一些問題，如何提高觀測質(zhì)量，為地震預(yù)報提供更為準(zhǔn)確的觀測數(shù)據(jù)，結(jié)合觀測實(shí)際提出以下兩點(diǎn)建議。

（1）建議配備備用設(shè)備。當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常變化時，有的無法及時找到原因，如果有兩套儀器同時觀測，就可以在第一時間排除儀器出現(xiàn)故障所致的數(shù)據(jù)變化。

（2）建議加強(qiáng)對基層觀測人員的業(yè)務(wù)培訓(xùn)?；鶎佑^測人員大多缺乏專業(yè)知識，主要依靠經(jīng)驗，在遇到數(shù)據(jù)變化及儀器出現(xiàn)故障時，無法快速找出原因并解決，對觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)性、完整性造成影響。

［1］汪成民，車用太.地下水微動態(tài)研究［M］.北京：地震出版社，1988：27－34.

［2］董守玉，賈化周，萬迪堃，等.井水位氣壓系數(shù)的探討［J］.地震研究，1987（1）：63－70.