我國(guó)地震地下流體觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)調(diào)整與優(yōu)化方案探討

車用太 魚金子

（中國(guó)北京100029中國(guó)地震局地質(zhì)研究所）

引言

我國(guó)地震地下流體觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)建成近30年，已初具規(guī)模，在地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)研究中發(fā)揮了積極作用，但同時(shí)也暴露出一些問題，遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)今防震減災(zāi)的實(shí)際需求，更不能滿足深入進(jìn)行地震預(yù)測(cè)理論與方法的科學(xué)探索的要求.為此，本文提出臺(tái)網(wǎng)的進(jìn)一步調(diào)整與優(yōu)化問題.這些問題包括臺(tái)網(wǎng)的布設(shè)與規(guī)模及觀測(cè)項(xiàng)目的調(diào)整與優(yōu)化，觀測(cè)場(chǎng)地與觀測(cè)井（泉、點(diǎn)）建設(shè)的科學(xué)化，以及觀測(cè)技術(shù)的完善與提升等.這些問題的解決，無疑在現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)水平下，可最大限度地提升我國(guó)地下流體臺(tái)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)效益，為我國(guó)防震減災(zāi)事業(yè)與地震預(yù)測(cè)的科學(xué)探索提供更加有效的服務(wù).

1 我國(guó)地震地下流體觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)現(xiàn)狀

我國(guó)大陸地震地下流體觀測(cè)始于1966年3月邢臺(tái)MS7.2地震之后，由早期的群眾性觀測(cè)發(fā)展到專業(yè)化觀測(cè)，由早期的地方區(qū)域性觀測(cè)發(fā)展到20世紀(jì)80年代末的全國(guó)范圍內(nèi)的成網(wǎng)觀測(cè)，之后又經(jīng)歷多次改造、完善與提升，現(xiàn)已發(fā)展成為世界上規(guī)模最大、觀測(cè)效益較好的地震地下流體前兆臺(tái)網(wǎng).

截至目前，我國(guó)地下流體臺(tái)網(wǎng)已布設(shè)在31個(gè)省、市、自治區(qū)，地下水觀測(cè)井（泉）的總數(shù)達(dá)到638個(gè)（馮恩國(guó)等，2012），另有斷層氣體觀測(cè)點(diǎn)110個(gè).另外，還在長(zhǎng)江三峽地區(qū)與金沙江下游地區(qū)分別布設(shè)由8口與5口觀測(cè)井組成的水庫(kù)區(qū)誘發(fā)地震地下水觀測(cè)網(wǎng)，觀測(cè)井（泉、點(diǎn)）的總數(shù)為761個(gè).全國(guó)地震地下流體觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)現(xiàn)有觀測(cè)水位487項(xiàng)、水溫（含地溫）424項(xiàng)、氡（含水氡與氣氡）328項(xiàng)、汞（含水汞與氣汞）96項(xiàng)、其它（離子、溶解氣等）163項(xiàng)，測(cè)項(xiàng)總數(shù)為1 498項(xiàng).

全國(guó)地震地下流體觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)（以下簡(jiǎn)稱臺(tái)網(wǎng)）主要測(cè)項(xiàng)為井水位、井水溫、氡與汞.臺(tái)網(wǎng)的觀測(cè)技術(shù)，“九五”之前基本上是人工取樣觀測(cè)或人工讀數(shù)觀測(cè)（俗稱模擬觀測(cè)），“九五”開始實(shí)現(xiàn)數(shù)字化觀測(cè)，“十五”開始實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化觀測(cè).目前，已實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化觀測(cè)的比例為井水位觀測(cè)占70%，井水溫觀測(cè)占98%，數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化觀測(cè)氡（稱氣氡）約占42%，觀測(cè)汞（稱氣汞）約占73%.

臺(tái)網(wǎng)按財(cái)權(quán)與管理權(quán)分為國(guó)家網(wǎng)、區(qū)域網(wǎng)、地方網(wǎng)與企業(yè)網(wǎng)等4類，各類網(wǎng)屬下的觀測(cè)井（泉、點(diǎn)）數(shù)量的比例大體上分別為17.68%、10.61%、70.02%和1.70%.由此可見，我國(guó)地下流體觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)以各縣、市、地區(qū)地震部門投資建設(shè)并管理的觀測(cè)井（泉、點(diǎn)）為主.

臺(tái)網(wǎng)運(yùn)行有近30年歷史，其中有些井（泉）已連續(xù)觀測(cè)了40多年，個(gè)別觀測(cè)已近50年，積累了大量的歷史數(shù)據(jù).這些數(shù)據(jù)中含有豐富的地殼動(dòng)力作用信息，特別是在井水位動(dòng)態(tài)中含有地球固體潮、大氣壓力變化、地震波、前驅(qū)波、地表水體荷載作用、滑坡與泥石流作用、斷層蠕動(dòng)等信息，為地球科學(xué)的研究提供了有價(jià)值的信息資源（車用太等，2006）.無論是哪一個(gè)測(cè)項(xiàng)，都在一些地震之前記錄到一定數(shù)量的疑似前兆的異常信息.據(jù)我國(guó)1966—1991年114個(gè)MS≥5.0震例統(tǒng)計(jì)，地震前后共識(shí)別出三大前兆學(xué)科異常共計(jì)898項(xiàng)，其中地下流體異常為469項(xiàng)，占52.3%（車用太等，2006）.據(jù)岳明生（2005）統(tǒng)計(jì)，1975—2001年間我國(guó)成功預(yù)報(bào)并產(chǎn)生減災(zāi)實(shí)效的MS≥5.0地震24次，其中有15次地下流體臺(tái)網(wǎng)提供的異常信息在短臨預(yù)報(bào)中起到重要甚至決定性的作用.另外，不少次地震前曾根據(jù)地下流體異常提出過較好的短臨預(yù)測(cè)意見，例如1976年7月河北唐山MS7.8、1998年1月河北張北MS6.2、2000年1月云南姚安MS6.5等幾十次地震.由此可見，地震地下流體臺(tái)網(wǎng)在我國(guó)地震預(yù)報(bào)的科學(xué)探索與防震減災(zāi)的實(shí)踐中發(fā)揮了舉足輕重的作用.

然而，幾十年的監(jiān)測(cè)實(shí)踐也反映了臺(tái)網(wǎng)的地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)的效能十分有限.據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)（車用太等，2006），1975—1999年間我國(guó)大陸中東部地區(qū)（約105°E以東）發(fā)生MS5.0—5.9地震174次，其中僅預(yù)報(bào)了13次；發(fā)生MS6.0—6.9地震37次，其中僅預(yù)報(bào)了5次.尚有80%—90%的地震不能在震前提出明確的預(yù)報(bào)意見.這樣的現(xiàn)狀，說明臺(tái)網(wǎng)還存在多種多樣的問題與缺陷，亟待進(jìn)一步調(diào)整與改造、優(yōu)化與提升.

2 臺(tái)網(wǎng)布局與規(guī)模及其優(yōu)化

我國(guó)地震地下流體臺(tái)網(wǎng)已布設(shè)在31個(gè)省、市、自治區(qū)，但其布局不盡合理，總體上中西部地區(qū)（105°E以西）多震、強(qiáng)震區(qū)觀測(cè)井（泉、點(diǎn)）少，而東部少震、弱震區(qū)觀測(cè)井（泉、點(diǎn)）多，具體統(tǒng)計(jì)如表1所示.

表1 我國(guó)地下流體觀測(cè)井（泉）數(shù)統(tǒng)計(jì)表（引自馮恩國(guó)等，2012）Table 1 Number of observation wells and springs of China（after Feng et al，2012）

我國(guó)地下流體觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)的布局，是以各省、市、自治區(qū)區(qū)域臺(tái)網(wǎng)與其屬下的地方臺(tái)網(wǎng)為基礎(chǔ)構(gòu)成的，缺乏全國(guó)“一盤棋”的考慮，沒有在一定的科學(xué)理論指導(dǎo)下作統(tǒng)一布設(shè).近年來，我國(guó)活斷層研究取得了重要進(jìn)展，已基本摸清活斷層的分布及其對(duì)強(qiáng)震活動(dòng)的控制作用，新一代地震區(qū)劃圖也已問世.因此，新一代地下流體臺(tái)網(wǎng)的布設(shè)，要充分利用這些成果，增加現(xiàn)今活動(dòng)斷裂帶（鄧起東等，2007）與地震動(dòng)加速度大于等于0.15g（1g＝9.8 m／s2）的高烈度區(qū)（國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，2001）內(nèi)的地下流體觀測(cè)井?dāng)?shù)量.本文建議以《中國(guó)大陸活動(dòng)地塊劃分與強(qiáng)震分布圖》（張培震等，2003）為基礎(chǔ)，對(duì)現(xiàn)有的觀測(cè)井（泉）布局進(jìn)行較大的調(diào)整，本著強(qiáng)化活動(dòng)地塊邊界斷裂帶（強(qiáng)震活動(dòng)帶）的觀測(cè)并兼顧活動(dòng)地塊內(nèi)部（地震活動(dòng)弱的區(qū)域）觀測(cè)相結(jié)合的原則，通過對(duì)現(xiàn)有的觀測(cè)井（泉）進(jìn)行篩選及新選或新建一批觀測(cè)井（泉），逐步改變現(xiàn)有的不夠科學(xué)的布局.

關(guān)于地震地下流體觀測(cè)網(wǎng)的規(guī)模問題，要從我國(guó)地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)的總體目標(biāo)出發(fā)，即西部地區(qū)抓MS≥7.0地震，東部地區(qū)抓MS≥6.0地震，首都圈地區(qū)抓MS≥5.0破壞性地震，在這些地震前能夠作出一定程度的預(yù)報(bào)，實(shí)現(xiàn)減輕地震災(zāi)害的目標(biāo).首先要考慮觀測(cè)井間距離（觀測(cè)井的密度），依此調(diào)整布局，確定規(guī)模.不同震級(jí)的地震孕育與發(fā)生過程中，孕震斷裂上的應(yīng)力應(yīng)變異常表現(xiàn)的范圍大小不同.依據(jù)我國(guó)震例研究提出的震級(jí)MS與孕震斷裂長(zhǎng)度L（km）的關(guān)系MS＝3.3＋2.1lgL以及應(yīng)力應(yīng)變類前兆表現(xiàn)尺度R＝（2—3）L（km）（車用太，2002b），不同強(qiáng)度的地震前兆反應(yīng)區(qū)的范圍大體上如表2所示.由此可見，在一定區(qū)域內(nèi)要捕捉到一定震級(jí)的地震前兆異常信息，觀測(cè)井間距一定要小于表2中的井間距.例如西部地區(qū)井間距要小于140km，東部地區(qū)要小于50km，首都圈地區(qū)要小于15km.

表2 不同震級(jí)地震與前兆場(chǎng)顯現(xiàn)區(qū)和井間距的關(guān)系（引自車用太等，2006）Table 2 Relationship between different magnitude earthquakes and dimensions of its precursor field region，interval distance of wells（after Che et al，2006）

從地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)的需求出發(fā)，按上述理論計(jì)算結(jié)果，新疆阿爾泰、天山、阿爾金、昆侖山地震帶需布設(shè)40口觀測(cè)井（泉），西藏雅魯藏布江兩側(cè)（較發(fā)達(dá)地區(qū)）需布設(shè)20口，這樣100°E以西主要地震活動(dòng)地區(qū)需布設(shè)60口井.100°E以東的廣大地區(qū)，欲監(jiān)測(cè)MS≥6.0地震的前兆異常則需布設(shè)540口井，其中南北地震帶的中南段（川滇）地區(qū)需布設(shè)240口井，南北帶的北段（甘寧）需布設(shè)90口井.首都圈地區(qū)，欲監(jiān)測(cè)MS≥5.0地震的前兆異常，則需布設(shè)200口觀測(cè)井.綜上，上述地區(qū)僅以地震前兆監(jiān)測(cè)為目的的觀測(cè)井?dāng)?shù)要達(dá)到800口；除此之外，為了推進(jìn)地震科學(xué)研究與開展火山活動(dòng)區(qū)、地?zé)岙惓^(qū)等特殊地區(qū)的監(jiān)測(cè)，還需另布設(shè)約200口觀測(cè)井.這樣，我國(guó)新一代地震地下流體觀測(cè)網(wǎng)中的觀測(cè)井（泉）總數(shù)宜控制在1 000口左右.顯然，現(xiàn)有臺(tái)網(wǎng)的規(guī)模需要擴(kuò)大，新一代臺(tái)網(wǎng)較現(xiàn)有臺(tái)網(wǎng)，觀測(cè)井（泉）的總數(shù)要增加350口左右.

3 觀測(cè)井的質(zhì)量及其優(yōu)化

新一代的觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)建設(shè)，首先，無疑應(yīng)以現(xiàn)有臺(tái)網(wǎng)為基礎(chǔ)，對(duì)其觀測(cè)井的硬件質(zhì)量與軟件質(zhì)量及其地震監(jiān)測(cè)能力等進(jìn)行評(píng)估之后，進(jìn)行篩選、改造、優(yōu)化而成為新一代觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)的組成部分；其次，應(yīng)繼續(xù)向非地震行業(yè)如地質(zhì)、石油、冶金、煤炭、水利等部門請(qǐng)求協(xié)助，利用各部門提供的勘探井或廢棄井，經(jīng)改造成為地震地下流體觀測(cè)井；最重要的是要新建一批地震地下流體觀測(cè)井.不管通過什么途徑選井或建井，都要嚴(yán)格保證有關(guān)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)（國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)，2004；中國(guó)地震局，2006）中對(duì)觀測(cè)井質(zhì)量的要求.觀測(cè)井的質(zhì)量首先是“硬件”質(zhì)量，即觀測(cè)井位、觀測(cè)含水層、觀測(cè)井結(jié)構(gòu)及觀測(cè)環(huán)境質(zhì)量（主要指各類干擾）等；其次是“軟件”質(zhì)量，即相關(guān)的資料與參數(shù)應(yīng)齊全而準(zhǔn)確.對(duì)于已有的觀測(cè)井，要考察其動(dòng)態(tài)特征及映震能力.其中，關(guān)系到觀測(cè)井質(zhì)量的關(guān)鍵是井位、觀測(cè)井結(jié)構(gòu)與觀測(cè)含水層及其地下水特性.

關(guān)于觀測(cè)井井位問題，要從兩個(gè)方面考慮：一是映震能力，二是干擾作用.映震能力，主要取決于井位與活動(dòng)構(gòu)造的關(guān)系，一般認(rèn)為地震前兆異常信息來自孕震斷裂及與其有關(guān)的斷裂活動(dòng)，因此要求觀測(cè)井的位置應(yīng)位于活動(dòng)斷裂帶上（部分供研究的井除外），井的位置距斷裂帶一般不超過10km，以5km以內(nèi)為最好（車用太等，1999）.另外，考慮到地震前兆信息多與地殼某部分的應(yīng)力集中與釋放有關(guān)，還要求井的位置應(yīng)盡可能靠近應(yīng)力易于集中的斷裂帶的端部和拐彎處或多條斷裂帶的交匯部位（車用太，魚金子，1992）.最常見的干擾有兩種，一是大氣降雨滲入補(bǔ)給，二是鄰井地下水開采，觀測(cè)井應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離這類干擾源.觀測(cè)井距大氣降雨滲入補(bǔ)給區(qū)邊緣或地下水開采井的距離，在基巖地區(qū)一般要大于5km；在大型導(dǎo)水?dāng)鄬优c巖溶管道發(fā)育區(qū)要大于10km；在第四系松散層發(fā)育區(qū)，按觀測(cè)含水層的巖性類別，在細(xì)砂含水層區(qū)要大于1km，中細(xì)砂含水層區(qū)要大于2km，粗砂含水層區(qū)要大于3km，砂礫石含水層區(qū)要大于5km（車用太等，2006）.

關(guān)于觀測(cè)井結(jié)構(gòu)問題，要重點(diǎn)考慮井深、井徑、套管、過水?dāng)嗝骖愋?、止水措施等（車用太等?014）.對(duì)于井深的要求是，非自流井的深度一般要求大于200m，從現(xiàn)有的震例統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看以500—1 000m為理想.對(duì)于井徑的要求是，內(nèi)徑宜為100—200mm，最好是井孔全身不變徑，若不得不變徑時(shí)，變徑次數(shù)不宜超過3次.地下流體觀測(cè)井必須下設(shè)套管，下設(shè)的深度以完全封死非觀測(cè)層為原則.套管與原鉆井壁間的環(huán)狀間隙，一定要填充不透水材料嚴(yán)格止水，不允許非觀測(cè)層地下水沿此間隙流入井中.過水?dāng)嗝娴念愋?，依?jù)觀測(cè)含水層的井壁巖體穩(wěn)定性而定，按其穩(wěn)定性從弱到強(qiáng)可分別選擇帶網(wǎng)的濾水管、一般濾水管與裸孔（不設(shè)濾水管）.此外，必須查明觀測(cè)井圍巖地層剖面、水理性質(zhì)和導(dǎo)熱特性等，做到基本資料齊全.

關(guān)于觀測(cè)含水層及其地下水的物理化學(xué)特性問題，觀測(cè)含水層首先要考慮必須具有承壓性與封閉性，其次要弄清其分布，以及頂?shù)装甯羲?、厚度和滲透性等特性.觀測(cè)含水層地下水的物理化學(xué)特性主要指井水溫度、水化學(xué)類型、礦化度、pH值和Eh值等基本性質(zhì).

在水溫觀測(cè)井中，要測(cè)水溫梯度.在水文地球化學(xué)觀測(cè)井中，建議分層取樣測(cè)試，要弄清一個(gè)井孔中各類組分的垂向分布規(guī)律.在有條件的情況下，對(duì)觀測(cè)井進(jìn)行井內(nèi)地下水流速流向的探測(cè)，以掌握觀測(cè)井內(nèi)水動(dòng)力特性變化規(guī)律.

我國(guó)現(xiàn)有的地震地下流體觀測(cè)井多由非地震部門的勘探井篩選而來.由于各行業(yè)對(duì)鉆井的技術(shù)要求不盡一致而且建網(wǎng)時(shí)震情緊張、時(shí)間緊迫，加上條件有限，故被選入地震地下流體觀測(cè)網(wǎng)中的井常帶有不同程度的缺陷與不足.不僅其硬件條件不完全符合上述各項(xiàng)要求，而且大多缺少必要的基礎(chǔ)資料.大多數(shù)觀測(cè)井缺少重要的技術(shù)參數(shù)與相關(guān)資料，對(duì)產(chǎn)出的觀測(cè)數(shù)據(jù)難以作科學(xué)的分析，嚴(yán)重影響流體學(xué)科的發(fā)展以及數(shù)據(jù)在地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中發(fā)揮更大的作用.因此，有必要對(duì)現(xiàn)有的觀測(cè)井，從硬件到軟件作一次全面的清理，對(duì)其存在的缺陷與不足予以彌補(bǔ)，如資料要齊全、準(zhǔn)確，重點(diǎn)是對(duì)擬改造的井孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造與補(bǔ)救，對(duì)先天不足無法補(bǔ)救的觀測(cè)井要予以淘汰.

對(duì)現(xiàn)有觀測(cè)井進(jìn)行改造、補(bǔ)救和優(yōu)化的同時(shí)，對(duì)新篩選并入網(wǎng)的井，一定要按上述要求嚴(yán)格把關(guān).對(duì)新建的井，從選井、設(shè)計(jì)與施工，都要嚴(yán)格要求、逐條落實(shí)，確保新一代地震地下流體觀測(cè)井質(zhì)量達(dá)到優(yōu)秀水平，把我國(guó)地震地下流體觀測(cè)推入科學(xué)觀測(cè)的新時(shí)代.

觀測(cè)井的質(zhì)量問題，歸根到底集中表現(xiàn)在其各項(xiàng)動(dòng)態(tài)特征上.不管哪一個(gè)測(cè)項(xiàng)，若產(chǎn)出的各時(shí)間段的正常動(dòng)態(tài)平穩(wěn)或有規(guī)律變化，干擾信息少，有用的地殼動(dòng)力作用信息多，地震前兆現(xiàn)象明顯，就能在地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)與地球科學(xué)研究中發(fā)揮應(yīng)有的作用.對(duì)現(xiàn)有的觀測(cè)井質(zhì)量評(píng)估中，要考慮這些方面，對(duì)那些正常規(guī)律不清楚、有用信息少、對(duì)地震活動(dòng)無響應(yīng)的觀測(cè)井應(yīng)予以淘汰.

4 觀測(cè)項(xiàng)目及其優(yōu)化

我國(guó)地震地下流體臺(tái)網(wǎng)現(xiàn)今的主要觀測(cè)項(xiàng)目為水位、水溫、氡（水氡與氣氡）和汞（水汞與氣汞）4大類6個(gè)測(cè)項(xiàng).其它的測(cè)項(xiàng)，均尚未形成規(guī)模.這樣的狀況，與國(guó)外的情況也大體相似.但據(jù)作者多年的研究與關(guān)注，認(rèn)為這樣的局面也應(yīng)有所改變，故對(duì)測(cè)項(xiàng)發(fā)展與優(yōu)化方面提出如下建議：

1）建議在各測(cè)項(xiàng)都有發(fā)展的進(jìn)程中，優(yōu)先發(fā)展物理量觀測(cè).從理論上講，大多數(shù)地質(zhì)學(xué)家和地球物理學(xué)家都認(rèn)為，地震的孕育與發(fā)生過程，是以物理機(jī)制為主，受控于地殼中應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的改變.因此，地震前兆信息，無疑是以物理異常信息為主.另一方面，從幾十年觀測(cè)實(shí)踐中看，盡管各類測(cè)項(xiàng)都積累了一定震例，但具有明確的地殼動(dòng)力學(xué)響應(yīng)意義的，如從地球固體潮、大氣壓力、地震波、地表荷載作用等的響應(yīng)效果上看，井水位與井水溫，明顯優(yōu)于化學(xué)量的測(cè)項(xiàng).全國(guó)已查明有潮汐效應(yīng)的井水位觀測(cè)井超過200口（汪成民，1990），井水溫觀測(cè)井超過30口（馬玉川，2010），而氡與汞觀測(cè)井尚無1口.從2008年汶川地震的同震響應(yīng)上看，全國(guó)有194口井水位與132口井水溫有響應(yīng)，而氣氡的響應(yīng)僅有1口泉（劉耀煒，2009）.

2）建議大力發(fā)展流量觀測(cè).地下水是具有強(qiáng)烈流動(dòng)性的介質(zhì)，固體介質(zhì)中發(fā)生的各種地殼動(dòng)力過程（含地震孕育與發(fā)展過程）所產(chǎn)生的各種信息可通過水的流動(dòng)由深部向淺部、由遠(yuǎn)處向測(cè)量點(diǎn)傳遞過來，可靈敏地反映在水的流量上.因此，國(guó)內(nèi)外有些研究人員多年來一直宣傳井（泉）水流量可能是地下水觀測(cè)中映震能力最強(qiáng)的測(cè)項(xiàng)（Koizumi，1989；萬迪堃等，1990；車用太，魚金子，1991）.我國(guó)現(xiàn)有的地下流體觀測(cè)網(wǎng)中有79個(gè)泉與94口自流井，其中約1／3的觀測(cè)井（泉）具有流量觀測(cè)的先天條件.然而，由于觀測(cè)技術(shù)不能滿足長(zhǎng)期、連續(xù)、穩(wěn)定的地震前兆觀測(cè)要求，地下水流量觀測(cè)一直得不到推廣.近年來，我國(guó)流量觀測(cè)技術(shù)取得了一些重要進(jìn)展，如引進(jìn)電磁觀測(cè)技術(shù)、泉改井測(cè)水位觀測(cè)技術(shù)等，使推廣流量觀測(cè)得到了技術(shù)支撐（中國(guó)地震局，2012）.

3）建議大力發(fā)展斷層帶土壤氣觀測(cè).我國(guó)地震地下流體觀測(cè)網(wǎng)目前以地下水觀測(cè)為主，而對(duì)地下氣體，尤其是對(duì)斷層帶土壤氣的觀測(cè)一直處于十分薄弱的狀態(tài).全國(guó)斷層氣觀測(cè)點(diǎn)僅100個(gè)左右（馮恩國(guó)等，2012），且多數(shù)觀測(cè)不正常，測(cè)項(xiàng)也較單一（CO2）.之所以提出這一建議，一方面由于目前我國(guó)地下水觀測(cè)多受當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展影響，地下水開采干擾等日益嚴(yán)重，原有的正常動(dòng)態(tài)遭到嚴(yán)重破壞，信噪比顯著下降，其地震前兆監(jiān)測(cè)能力明顯減弱，甚至已完全喪失；另一方面由于氣體動(dòng)態(tài)不僅受人為干擾小，而且由于其質(zhì)量輕，穿透能力與遷移能力強(qiáng)，更能把深部地震活動(dòng)信息帶到地殼淺部來，其映震靈敏性要強(qiáng)于地下水.有限的斷層氣觀測(cè)已捕捉到一些信噪比很高的地震前兆信息，在地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中發(fā)揮了重要作用（林元武等，1998）.大力發(fā)展斷層氣觀測(cè)，其更有利的條件是投資低，建一個(gè)斷層氣觀測(cè)點(diǎn)較建一個(gè)地下水觀測(cè)井（泉）的投資要低幾十倍，甚至上百倍，具備大面積快速發(fā)展的條件.因此可以考慮除了地下水觀測(cè)網(wǎng)、地?zé)幔ㄋ疁兀┯^測(cè)網(wǎng)與水文地球化學(xué)觀測(cè)網(wǎng)外，再建一個(gè)斷層帶土壤氣觀測(cè)網(wǎng).在該觀測(cè)網(wǎng)中，觀測(cè)項(xiàng)目除了氡、汞外，還要增加H2、He與CO2的數(shù)字化觀測(cè)，這是因?yàn)镠2與He都是質(zhì)量最輕、穿透力與遷移性最強(qiáng)的氣體，而且與CO2一起富集在地殼多震層的頂部，對(duì)地殼中地震孕育與發(fā)生過程的反應(yīng)可能最靈敏.斷層帶土壤氣觀測(cè)網(wǎng)的規(guī)?？煽紤]布設(shè)1 000個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，重點(diǎn)布設(shè)在我國(guó)北方與西部基巖山區(qū).這類測(cè)項(xiàng)的數(shù)字化觀測(cè)技術(shù)正在研發(fā)之中，有望近幾年內(nèi)得到推廣應(yīng)用.

5 觀測(cè)模式及其優(yōu)化

目前我國(guó)地震地下流體觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)中，觀測(cè)模式較為單一，即以一地一臺(tái)固定觀測(cè)為主，而一臺(tái)多項(xiàng)綜合觀測(cè)中現(xiàn)有的也不盡合理，遠(yuǎn)不能滿足地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)研究的需要.例如，地震前觀測(cè)到的一些異常信息，不僅難以判定其前兆的可靠性，而且更難判定信息來自何處，如何傳遞或遷移來的，是在什么樣的條件下表現(xiàn)出來的，為什么信息的特征會(huì)是這樣或那樣等等，對(duì)很多現(xiàn)象不能作出科學(xué)解釋，使觀測(cè)帶有很大的盲目性，嚴(yán)重阻礙地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)學(xué)科的發(fā)展.為了改變這種觀測(cè)的盲目性，本文提出如下建議：

1）一臺(tái)多項(xiàng)觀測(cè)需進(jìn)一步優(yōu)化組合.我國(guó)目前基本上實(shí)現(xiàn)了一井多項(xiàng)觀測(cè)，如非自流井中開展水位與水溫對(duì)比觀測(cè)，自流井中除了水位與水溫之外還進(jìn)行氡與汞組合觀測(cè)，以及在泉水中進(jìn)行水溫與氡、汞的組合觀測(cè)等.但這種組合觀測(cè)的臺(tái)站數(shù)量不多，組合的測(cè)項(xiàng)種類還不齊全；一井（泉）的組合觀測(cè)資料利用率還不夠高，觀測(cè)的效益也還不顯著.針對(duì)這種狀況，表3給出了一井多項(xiàng)組合觀測(cè)和優(yōu)化方案.

表3 一井（泉）地下流體多測(cè)項(xiàng)優(yōu)化組合觀測(cè)方案Table 3 Optimized combination scheme for multiple observation items of underground fluid in one well or spring

2）實(shí)現(xiàn)一地多井臺(tái)陣式觀測(cè)實(shí)驗(yàn).在全國(guó)多震強(qiáng)震活動(dòng)區(qū)，如南北地震帶、天山地震帶、山西地震帶、河北平原地震帶、郯廬地震帶、東南沿海地震帶等，被選定為近期有破壞性地震發(fā)生的一、兩個(gè)地方開展一地多井臺(tái)陣式觀測(cè)實(shí)驗(yàn).這種臺(tái)陣布設(shè)首先是平面的（車用太等，2002a），也可以發(fā)展成立體式多層次對(duì)比觀測(cè).平面式臺(tái)陣可以沿著斷層帶和垂直斷層帶走向布設(shè)，組成一個(gè)觀測(cè)場(chǎng)地，場(chǎng)地的地質(zhì)－水文地質(zhì)條件應(yīng)相近，觀測(cè)井的結(jié)構(gòu)相同，觀測(cè)的項(xiàng)目以井水位與井水溫為主，這樣觀測(cè)到的各種信息具有可比性.立體式多層次臺(tái)陣可套在平面式臺(tái)陣中，從平面式臺(tái)陣中選一、兩口觀測(cè)井為中心開展一井多層次立體化觀測(cè)，觀測(cè)項(xiàng)目以溫度為主，進(jìn)行一口井內(nèi)不同深度或不同條件下的多層次對(duì)比觀測(cè).還可以進(jìn)行單點(diǎn)水溫、地溫、氣溫等不同介質(zhì)的溫度對(duì)比觀測(cè)，甚至地下、地面與高空（衛(wèi)星熱紅外）溫度的對(duì)比觀測(cè)等.臺(tái)陣式觀測(cè)的主要目標(biāo)是探索前兆信息的形成、傳遞機(jī)制與條件，進(jìn)一步推進(jìn)地震地下流體監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)的科學(xué)化.

3）專業(yè)固定臺(tái)站觀測(cè)與流動(dòng)觀測(cè)、宏觀觀測(cè)相結(jié)合.不管我國(guó)地震地下流體觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)加密到什么程度，布設(shè)得多么科學(xué)，在目前我國(guó)地震長(zhǎng)期與中期監(jiān)測(cè)水平還較低的條件下，僅靠固定式專業(yè)臺(tái)站觀測(cè)是不能保證震前一定能夠捕捉到地震前兆信息，一定能夠?qū)崿F(xiàn)短期或短臨地震預(yù)測(cè)的，因此必須要流動(dòng)觀測(cè)與宏觀觀測(cè)相配套.我國(guó)的地震地下流體流動(dòng)觀測(cè)，多年來一直處于“形式上存在，實(shí)際上無為”的狀態(tài).建議至少在新疆、云南、四川、首都圈等地震活躍與防震減災(zāi)任務(wù)重的地區(qū)切實(shí)落實(shí)地下流體流動(dòng)觀測(cè).流動(dòng)觀測(cè)的任務(wù)可分為平時(shí)與震時(shí)兩個(gè)不同時(shí)段來考慮，平時(shí)是觀測(cè)背景，震前是加密觀測(cè)，震后觀測(cè)是為震后趨勢(shì)判定提供服務(wù).其中特別重要的是，平時(shí)的背景觀測(cè)要考慮到地下流體動(dòng)態(tài)多有季節(jié)性變化的特點(diǎn)，按季節(jié)每年至少應(yīng)觀測(cè)4次.地下流體的宏觀觀測(cè)是現(xiàn)有臺(tái)網(wǎng)的微觀觀測(cè)無法替代的，其優(yōu)勢(shì)在于觀測(cè)井（泉、點(diǎn)）的數(shù)量可遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于微觀觀測(cè)井（泉、點(diǎn)），所觀測(cè)到的前兆異常信噪比往往特別高，因此是實(shí)現(xiàn)臨震預(yù)報(bào)不可缺少的環(huán)節(jié).地下流體宏觀異常出現(xiàn)的時(shí)間短，多為震前幾天甚至幾小時(shí)，因此宏觀觀測(cè)的主要任務(wù)是異常信息的及時(shí)匯總與分析，不僅要建立宏觀觀測(cè)點(diǎn)及觀測(cè)網(wǎng)，而且必須要建立暢通的通訊系統(tǒng)及分析預(yù)報(bào)系統(tǒng)，才能使宏觀觀測(cè)得到實(shí)效.

6 觀測(cè)技術(shù)及其優(yōu)化

我國(guó)地震地下流體觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)中各測(cè)項(xiàng)的觀測(cè)技術(shù)正處在由模擬觀測(cè)向數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化觀測(cè)發(fā)展的過渡階段，目前處于模擬觀測(cè)與數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化觀測(cè)并存階段.本文主張化學(xué)量的模擬觀測(cè)與數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化觀測(cè)并存的局面尚需保持相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)段，不宜急于全面實(shí)現(xiàn)數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化觀測(cè).這主要基于兩點(diǎn)考慮，一是有些測(cè)項(xiàng)，如氡與汞的模擬觀測(cè)與數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化觀測(cè)對(duì)象不完全相同，其產(chǎn)出的數(shù)據(jù)含義也不同.模擬觀測(cè)產(chǎn)出的主要是地下水溶解氣（可能含游離氣）中的氡濃度，而數(shù)字化觀測(cè)產(chǎn)出的主要是地下水中游離氣（含部分溶解氣）中的氡濃度，二者觀測(cè)的化學(xué)量是不完全相同的.例如一口熱水井（泉），水中水氡濃度可能不高，但氣氡濃度可能很高，兩個(gè)測(cè)值的差異很大，因此不能視為一個(gè)測(cè)項(xiàng).水汞與氣汞也是如此.二是由于目前的數(shù)字化觀測(cè)技術(shù)尚不夠完善，所產(chǎn)出的觀測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性、可靠性等方面還存在一些質(zhì)疑.

目前模擬觀測(cè)技術(shù)存在的主要問題是儀器設(shè)備亟待更新?lián)Q代.現(xiàn)在臺(tái)網(wǎng)服役的儀器設(shè)備多是20世紀(jì)七八十年代的產(chǎn)品，不僅技術(shù)指標(biāo)偏低，而且嚴(yán)重老化，多是“帶病服役”，越來越難以保證測(cè)值質(zhì)量，甚至連繼續(xù)維持觀測(cè)都困難.其次，數(shù)字化觀測(cè)儀器的穩(wěn)定性較差，易遭雷擊，不能完全滿足長(zhǎng)期、連續(xù)、穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行要求（車用太等，2007）.其中穩(wěn)定性差，主要指水位儀與水溫儀多存在零飄，其長(zhǎng)期穩(wěn)定性往往超過廠商給出的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，而且運(yùn)行中出現(xiàn)原因不明的單點(diǎn)或多點(diǎn)突跳、階升或階降等不合理的測(cè)值，嚴(yán)重影響觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量.同時(shí)，這些儀器還存在運(yùn)行的故障率偏高，易遭受雷擊等缺陷，影響數(shù)據(jù)的完整性與連續(xù)性等.現(xiàn)有的氣氡與氣汞觀測(cè)除了儀器自身的問題外，還存在配套使用的脫氣－集氣裝置不合理與不夠科學(xué)的問題，至今仍缺少針對(duì)不同流量與不同溫度的井（泉）水設(shè)計(jì)與制作的標(biāo)準(zhǔn)裝置，存在不同井（泉）水的測(cè)值之間無可比性等問題.

數(shù)字化觀測(cè)技術(shù)中存在的另一個(gè)突出問題是現(xiàn)場(chǎng)校測(cè)或標(biāo)定技術(shù)大多沒有得到解決.水位校測(cè)用“厘米”級(jí)的工具校測(cè)“毫米”級(jí)的儀器觀測(cè)，水溫觀測(cè)至今沒有現(xiàn)場(chǎng)校測(cè)，氡與汞現(xiàn)行的用“源”標(biāo)定技術(shù)不符合我國(guó)現(xiàn)有相關(guān)法規(guī)要求，難以在面上推廣應(yīng)用等.

數(shù)字化觀測(cè)技術(shù)中的問題，除了需有關(guān)廠商自身完善與提升各自儀器的性能與技術(shù)指標(biāo)之外，還必須考慮在更高的層次上進(jìn)行改革與完善.一是建議建立區(qū)域性的儀器維護(hù)管理中心，培養(yǎng)相關(guān)的技術(shù)隊(duì)伍，配備必要的備用儀器與充足的備用器件，盡快改變目前直接由廠商負(fù)責(zé)安裝、維護(hù)的被動(dòng)局面；二是建議建設(shè)地下流體觀測(cè)技術(shù)研發(fā)基地，除了研發(fā)相關(guān)儀器設(shè)備之外，還需負(fù)責(zé)各類儀器技術(shù)指標(biāo)與性能的檢測(cè)，承擔(dān)全局性的技術(shù)難題的攻關(guān)，如檢測(cè)與標(biāo)定技術(shù)，進(jìn)一步引進(jìn)與研發(fā)更加適用于我國(guó)地震地下流體臺(tái)站觀測(cè)的新的觀測(cè)儀器，如氣氡儀、氣汞儀、測(cè)氫儀、測(cè)氦儀、二氧化碳測(cè)定儀等化學(xué)量觀測(cè)儀器，引領(lǐng)地下流體觀測(cè)技術(shù)的全面進(jìn)步，確保現(xiàn)有儀器產(chǎn)出數(shù)據(jù)的連續(xù)性、可靠性.

7 討論與結(jié)論

對(duì)目前我國(guó)地震地下流體觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)可實(shí)施或可開始實(shí)施的調(diào)整與優(yōu)化的方案，本文提出如下建議：

1）臺(tái)網(wǎng)布局的大調(diào)整.以活動(dòng)地塊理論為依據(jù)，對(duì)現(xiàn)有臺(tái)網(wǎng)進(jìn)行大幅度的調(diào)整，把主要的觀測(cè)井（泉）布設(shè)在活動(dòng)地塊的邊界活動(dòng)斷裂帶上；重點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)多震、強(qiáng)震活動(dòng)區(qū)的監(jiān)測(cè)，把大量觀測(cè)井（泉）布設(shè)在南北地震帶與天山地震帶上，使這些地區(qū)地震前兆的監(jiān)測(cè)能力得到顯著提升.

2）臺(tái)網(wǎng)規(guī)模適當(dāng)擴(kuò)大.按照在西部地區(qū)（100°E以西地區(qū)）有效監(jiān)測(cè)MS≥7.0，東部地區(qū)有效監(jiān)測(cè)MS≥6.0，首都圈地區(qū)有效監(jiān)測(cè)MS≥5.0地震前兆的宏觀要求，根據(jù)地震震級(jí)－孕震斷裂長(zhǎng)度－應(yīng)力應(yīng)變前兆顯現(xiàn)尺度關(guān)系粗略計(jì)算，我國(guó)大陸地震地下流體觀測(cè)井（泉）的總體數(shù)量應(yīng)為1 000口左右，較現(xiàn)在的規(guī)模要增加350口.這些觀測(cè)井（泉）一是對(duì)現(xiàn)有觀測(cè)井（泉）進(jìn)行清理、篩選、改造而成（估計(jì)占50%左右），二是對(duì)來自其它行業(yè)的勘探井或廢棄井進(jìn)行廣泛調(diào)研與嚴(yán)格篩選并經(jīng)改造而成（估計(jì)占10%—20%），三是要新建一批高質(zhì)量的觀測(cè)井（泉）（約占30%—40%）.

3）大力提高觀測(cè)井的內(nèi)在質(zhì)量.我國(guó)現(xiàn)有觀測(cè)井無論硬件還是軟件質(zhì)量都亟待提高，其突出的問題是井（泉）點(diǎn)位置不夠理想，觀測(cè)井結(jié)構(gòu)不夠合理，觀測(cè)含水層質(zhì)量不高及相關(guān)的資料不全，甚至缺少關(guān)鍵的技術(shù)參數(shù).無論是現(xiàn)有的觀測(cè)井，還是新選或新建的觀測(cè)井，都應(yīng)全面符合相關(guān)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的技術(shù)要求，不符合要求或經(jīng)改造仍達(dá)不到要求的觀測(cè)井應(yīng)予以淘汰.

4）測(cè)項(xiàng)優(yōu)化與發(fā)展新的測(cè)項(xiàng).地下水物理量與化學(xué)量觀測(cè)都要發(fā)展，但應(yīng)優(yōu)先發(fā)展物理量觀測(cè)；大力發(fā)展井（泉）水流量觀測(cè)；積極開展地下氣，尤其開展以H2、He和CO2為主的斷層帶土壤氣觀測(cè)，建立一個(gè)具有中國(guó)特色的斷層帶土壤氣觀測(cè)網(wǎng).

5）觀測(cè)模式的優(yōu)化.一是以現(xiàn)有觀測(cè)井為基礎(chǔ)，根據(jù)各井的特點(diǎn)與條件，最大限度地利用觀測(cè)資源，科學(xué)而合理地優(yōu)化測(cè)項(xiàng)組合，提升一井多項(xiàng)物理化學(xué)觀測(cè)的技術(shù)水平與觀測(cè)效益；二是發(fā)展一地多井臺(tái)陣式觀測(cè)技術(shù)，在重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)（近期強(qiáng)震危險(xiǎn)區(qū)）內(nèi)選擇孕震斷裂帶，開拓平面上多井臺(tái)陣式對(duì)比觀測(cè)和實(shí)現(xiàn)一井多層對(duì)比、一地水溫－地溫－氣溫對(duì)比和地下－地面－高空溫度對(duì)比觀測(cè)的多層次立體式臺(tái)陣觀測(cè)，開展地震前兆信息的生成、傳遞機(jī)理與條件的科學(xué)研究.

6）觀測(cè)技術(shù)的優(yōu)化.重點(diǎn)是對(duì)現(xiàn)有的數(shù)字化水位儀、水溫儀、氣氡儀與氣汞儀技術(shù)性能指標(biāo)的完善與提高，解決現(xiàn)場(chǎng)校測(cè)與標(biāo)定技術(shù)，建立儀器設(shè)備維護(hù)中心與研發(fā)基地.

經(jīng)過上述的調(diào)整與優(yōu)化，將使我國(guó)的地震地下流體觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)的面貌煥然一新，觀測(cè)走向科學(xué)化，觀測(cè)技術(shù)水平及地震監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)效能得到顯著提高.

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