廣東省地下流體觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)跟蹤分析

邵 葉，劉 錦，嚴(yán) 興，鐘天任

（廣東省地震局，廣東 廣州 510070）

0 引言

廣東省地震局2014 年8 月1 日開(kāi)始正式在全臺(tái)網(wǎng)開(kāi)展前兆數(shù)據(jù)的日常跟蹤分析工作。數(shù)據(jù)跟蹤分析工作是以前兆臺(tái)站工作為基礎(chǔ)，由臺(tái)站工作人員收集數(shù)據(jù)后，使用跟蹤分析系統(tǒng)定期對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并落實(shí)事件變化原因，形成事件分析記錄保存入庫(kù)。事件分析記錄會(huì)相繼同步到區(qū)域前兆臺(tái)網(wǎng)中心、國(guó)家前兆臺(tái)網(wǎng)中心和前兆各學(xué)科臺(tái)網(wǎng)中心。區(qū)域前兆臺(tái)網(wǎng)中心在跟蹤分析系統(tǒng)對(duì)事件分析記錄進(jìn)行審核，并形成月報(bào)和年報(bào)[1]。

數(shù)據(jù)跟蹤分析工作產(chǎn)出了大量的事件分析記錄，可以提供給分析預(yù)報(bào)人員和前兆運(yùn)維管理人員使用，有效幫助識(shí)別前兆異常和各類干擾。目前，許多區(qū)域前兆臺(tái)網(wǎng)中心就數(shù)據(jù)跟蹤分析工作中常見(jiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)的分析與總結(jié)，為提高數(shù)據(jù)質(zhì)量的監(jiān)控和產(chǎn)出做了大量的研究[2-7]。廣東省地震前兆臺(tái)網(wǎng)經(jīng)過(guò)近幾年的工作積累，廣東地區(qū)前兆臺(tái)站和區(qū)域臺(tái)網(wǎng)中心人員不僅能熟練應(yīng)用跟蹤分析軟件，而且對(duì)分析記錄的圖形標(biāo)注、事件描述都趨于規(guī)范。隨著軟件的升級(jí)完善和分析規(guī)范的修訂，對(duì)出現(xiàn)的新問(wèn)題，區(qū)域前兆臺(tái)網(wǎng)中心能通過(guò)QQ、微信、電話和郵件等手段，及時(shí)同分析人員溝通了解，指出錯(cuò)誤，解決問(wèn)題。

本文對(duì)廣東省地下流體臺(tái)網(wǎng)開(kāi)展數(shù)據(jù)跟蹤分析工作以來(lái)產(chǎn)出的6 大類非正常變化事件記錄進(jìn)行了歸納匯總，同時(shí)結(jié)合歷史地震的研究和觀測(cè)背景，回顧了廣東東源2015 年5 月15日3.3 級(jí)地震發(fā)生前廣東地區(qū)水化學(xué)的短臨異常跟蹤分析事件。

1 廣東地下流體觀測(cè)網(wǎng)概況

地下流體臺(tái)網(wǎng)是以監(jiān)測(cè)地震前兆為主要目的，觀測(cè)對(duì)象包括水物理和水化學(xué)兩大方向。廣東地下流體前兆監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)目前有13 個(gè)臺(tái)站，29 個(gè)測(cè)點(diǎn)運(yùn)行，共41 套儀器，58 個(gè)測(cè)項(xiàng)分量。其中，“十五”期間架設(shè)18 套，“九五”期間架設(shè)2 套，人工觀測(cè)19 套，模擬觀測(cè)2 套；水位13 套，水溫14 套，氡4 套，其它流體（如氣體組份、離子、氦、電導(dǎo)率、pH 值、熱泉的水溫等）10 套，具體如表1 所示。

表1 廣東省地震前兆地下流體觀測(cè)網(wǎng)儀器數(shù)量統(tǒng)計(jì)表

時(shí)間上，除地下流體觀測(cè)數(shù)字化資料外，其余所有觀測(cè)記錄長(zhǎng)度均超過(guò)10 年，個(gè)別超過(guò)20 年；空間上，廣東地區(qū)地下流體測(cè)點(diǎn)主要布設(shè)在斷裂上及其附近地區(qū)，整體分布不均勻且較為稀疏，其中珠江三角洲及粵東測(cè)點(diǎn)布設(shè)相對(duì)密集，粵北地區(qū)測(cè)點(diǎn)較為稀少（圖1）。目前，廣東省地下流體觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)有10 個(gè)臺(tái)站共28 套儀器參與數(shù)據(jù)跟蹤分析工作。

圖1 廣東省地震前兆地下流體觀測(cè)臺(tái)分布圖Fig.1 The distribution map of the subsurface fluid observation network in Guangdong Province

2 分析記錄的產(chǎn)出

2014 年08 月—2018 年12 月，廣東省地下流體觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)共產(chǎn)出非正常變化事件記錄747條，具體見(jiàn)表2。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，其中9 個(gè)臺(tái)站24 套儀器由觀測(cè)系統(tǒng)故障引起241 條事件記錄，占總事件記錄32.26%；10 個(gè)臺(tái)站14 套儀器由自然環(huán)境干擾引起372 條記錄，占總事件記錄49.80%；9 個(gè)臺(tái)站21 套儀器由人為干擾引起68 條記錄，6 個(gè)臺(tái)站10 套儀器由場(chǎng)地環(huán)境干擾引起15 條記錄，1 個(gè)臺(tái)站1 套儀器由地球物理事件引起2 條記錄，7 個(gè)臺(tái)站13 套儀器由數(shù)據(jù)變化原因不明引起49 條記錄。從圖2 可以看出，6 類非正常變化事件記錄中，觀測(cè)系統(tǒng)故障記錄在2016 年最多，有74 條；自然環(huán)境干擾事件在2018 年最多，達(dá)到103 條記錄；人為干擾事件和場(chǎng)地環(huán)境干擾事件在2017 年略多，分別為18 條和8 條；不明原因事件在2015 年最多，為20 條。

表2 2014年8 月—2018 年12 月流體臺(tái)網(wǎng)非正常變化事件記錄統(tǒng)計(jì)

圖2 2015 年至2018 年流體臺(tái)網(wǎng)非正常變化事件按年份統(tǒng)計(jì)柱狀圖Fig.2 Histogram of the abnormal change event logs by year from 2015 to 2018

2.1 觀測(cè)系統(tǒng)事件

241 條觀測(cè)系統(tǒng)事件中，221 條記錄由20套數(shù)字化觀測(cè)儀器產(chǎn)生，約占91.3%，20 條由8 套人工和模擬觀測(cè)儀器產(chǎn)生，約占8.7%。開(kāi)展跟蹤分析工作的數(shù)字化觀測(cè)儀全部由水位和水溫觀測(cè)儀器組成，絕大多數(shù)是使用SWY-II和SZW-1A 水溫儀。數(shù)字化儀器產(chǎn)生的事件中，主機(jī)故障、供電系統(tǒng)故障、數(shù)采故障和傳感器故障為主要，分別有55、51、44 和27 條記錄，約占80.09%。人工和模擬觀測(cè)包括1 項(xiàng)水位觀測(cè)、全部氡和其他水化學(xué)觀測(cè)，產(chǎn)生的記錄主要是井水?dāng)嗔鳌y(cè)氡儀的井口裝置故障和氣路輸送故障和主機(jī)故障等。

2.2 自然環(huán)境事件

372 條自然環(huán)境事件記錄中，只有2 條由人工和模擬觀測(cè)產(chǎn)生，其余全部由數(shù)字化觀測(cè)儀器產(chǎn)生。廣東地處東南沿海地區(qū)，全年潮濕多雨，3—10 月份經(jīng)常有強(qiáng)降雨，流體臺(tái)網(wǎng)受降雨的干擾嚴(yán)重，主要表現(xiàn)為降雨引起水位大幅度上升，因此全省的水位儀受自然環(huán)境的干擾明顯，共產(chǎn)生367 條記錄。

2.3 人為干擾

人為干擾事件記錄一共產(chǎn)生68 條，其中數(shù)字化觀測(cè)儀器產(chǎn)生54 條，人工和模擬觀測(cè)產(chǎn)生14 條。同口井進(jìn)行多項(xiàng)目觀測(cè)，維修、井口改造、儀器安裝等會(huì)同時(shí)影響多測(cè)項(xiàng)的觀測(cè)，并且觀測(cè)儀器需要定期標(biāo)定、校測(cè)和檢修，因此會(huì)對(duì)正常的觀測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生干擾形成突跳變化，形成人為干擾事件記錄。

2.4 場(chǎng)地環(huán)境事件

隨著城市化進(jìn)程的加快，觀測(cè)臺(tái)站周圍的工程建設(shè)對(duì)觀測(cè)儀器造成的干擾越來(lái)越多也越日趨嚴(yán)重。突出表現(xiàn)為測(cè)點(diǎn)附近的同層井抽水對(duì)水位儀、流量?jī)x和測(cè)氡儀的正常觀測(cè)造成嚴(yán)重的干擾。近幾年場(chǎng)地環(huán)境事件記錄共15 條，其中水位儀引起10 條，水化學(xué)觀測(cè)儀引起5條。最典型的事件是陽(yáng)西臺(tái)水位觀測(cè)在2018 年4 月11—13 日期間，受附近30 米處陽(yáng)西車站水井快速抽水,水位發(fā)生急速下降，變化幅度0.368m，如圖3 所示。

圖3 2018 年4 月10—14 日陽(yáng)西臺(tái)靜水位受抽水干擾曲線Fig.3 Pumping interference curve of water level in Yangxi station from 10 to 14 April，2018

2.5 地球物理事件

自前兆跟蹤分析工作開(kāi)展以來(lái)，地下流體觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)記錄到的地球物理事件特別少，僅花都地下流體觀測(cè)站的水位儀記錄到2 次同震響應(yīng)，分別是2015 年4 月25 日尼泊爾地震引起水震波和水位下降（圖4）以及2016 年7 月30日馬里亞納群島北部海域7.8 級(jí)地震引起水震波[8-9]。

圖4 2015 年4 月25—27 日花都靜水位同震曲線Fig.4 Coseimic curve of water level in Huadu station from 25 to 27 April，2015

2.6 不明原因事件

對(duì)儀器觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行檢查和周邊環(huán)境進(jìn)行調(diào)查后仍找不到數(shù)據(jù)變化原因，就會(huì)列為不明原因事件。地下流體觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)共有49 條不明原因事件記錄，其中14 條屬于疑似故障或者干擾，33 條屬于中短期不明原因，2 條屬于疑似前兆異常。

3 跟蹤分析在地震預(yù)測(cè)工作中的應(yīng)用

中國(guó)南方降雨量相對(duì)較大，導(dǎo)致南方地區(qū)水位受到降雨影響普遍嚴(yán)重，且這種干擾難以定量排除；若數(shù)字化水溫觀測(cè)探頭未選擇好合適的觀測(cè)層位，會(huì)導(dǎo)致觀測(cè)數(shù)據(jù)普遍呈現(xiàn)長(zhǎng)趨勢(shì)的漂移現(xiàn)象，增加了對(duì)儀器的零漂還是觀測(cè)層水溫的真實(shí)變化判斷難度，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致數(shù)字化水溫觀測(cè)基本無(wú)同震響應(yīng)，無(wú)固體潮，無(wú)年變，難以檢驗(yàn)其真實(shí)的預(yù)報(bào)效能。再加上流體臺(tái)網(wǎng)布局不均勻，密度不夠，以上這些都給前兆異常的判定和提取造成一定的困難。

自廣東省前兆臺(tái)網(wǎng)中心2014 年8 月正式開(kāi)展跟蹤分析以來(lái)，流體臺(tái)網(wǎng)在跟蹤分析工作中，有及時(shí)發(fā)現(xiàn)到疑似地震前兆的事件記錄，為分析預(yù)報(bào)工作提供了可靠有效的觀測(cè)數(shù)據(jù)和分析。如河源2015 年5 月15 日3.3 級(jí)地震前，新豐江臺(tái)黃子洞水氡觀測(cè)產(chǎn)生1 條疑似地震前兆事件記錄。

新豐江臺(tái)黃子洞水氡觀測(cè)站位于河源市東埔區(qū)黃子洞鄉(xiāng)五屋附近（圖5），處于北東走向河源—紹武斷裂帶上。區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜，除上述河源—紹武斷裂外，還包括規(guī)模巨大的佛岡—豐良東西向大斷裂、北北西向石角—新港—白田斷裂等[10-12]。1962 年新豐江水庫(kù)6.1 級(jí)地震正是發(fā)生在上述多組斷裂的交匯點(diǎn)上，黃子洞水氡井距6.1 級(jí)地震震中約6 km。

該區(qū)發(fā)育多級(jí)夷平面丘陵地貌，地形嚴(yán)格受構(gòu)造線控制，山脊、溝谷以北東—南西走向?yàn)橹?。站址附近主要為剝蝕堆積地形。地層主要為第三系丹霞群。丹霞群主要為沙礫巖，巖石空隙度大，滲透性強(qiáng)，含水較為豐富。黃子洞水氡井為承壓裂隙水，孔深26 m，流量7 m3/h，水溫37.3 ℃，水質(zhì)為硫酸鈣型，屬高層混合含水，該井水氡背景值約19 Bq/L，沒(méi)有年變動(dòng)態(tài)，不受降雨影響[13-14]。

圖5 新豐江水庫(kù)區(qū)構(gòu)造示意圖Fig.5 Geological structure map of Xinfeng Jiang reservoir

黃子洞水氡自1986 年開(kāi)始觀測(cè)以來(lái)，新豐江地區(qū)多次中等地震前，黃子洞水氡異常形態(tài)均表現(xiàn)為上升—回降，如圖6 所示。對(duì)于大壩區(qū)的中等地震，高值異常持續(xù)9 天—10 個(gè)月不等，地震最后發(fā)生在高值回落階段。如1987 年9 月15 日河源4.7 級(jí)地震、1991 年9 月21 日河源4.6 級(jí)地震、1999 年3 月25 日河源4.2 級(jí)地震和2012 年8 月31 日河源4.0 級(jí)地震等[15]。對(duì)于庫(kù)尾區(qū)的東源地震，則異常一般表現(xiàn)為臨震突跳，如2014 年7 月11 日東源4.0 級(jí)地震。

圖6 新豐江臺(tái)黃子洞水氡測(cè)值5 日均值曲線（1987、1991、1999、2013 年）Fig.6 Anomaly in 5-day-value curve of water radon in Huangzidong Seismic Station

2015 年5 月13 日起，黃子洞水氡測(cè)值出現(xiàn)突跳式上升，最大值為51.7Bq/L（正常背景值約為19.7Bq/L），變化幅度達(dá)32Bq/L。經(jīng)跟蹤分析人員對(duì)觀測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行排查，對(duì)環(huán)境干擾進(jìn)行調(diào)查后，認(rèn)為黃子洞水氡儀器工作穩(wěn)定，并未發(fā)現(xiàn)明顯的干擾源，應(yīng)該是構(gòu)造活動(dòng)的反應(yīng)，為地震前兆異常的可能性大，產(chǎn)生事件分析記錄1 條（圖7b）。隨后在2015 年5 月15日，河源市東源發(fā)生3.3 級(jí)地震。5 月16 日開(kāi)始，測(cè)值回降。6 月9 日和20 日水氡測(cè)值也出現(xiàn)了突跳，變化幅度為11.3Bq/L。經(jīng)過(guò)臺(tái)站分析人員排查后認(rèn)為，是由于取樣時(shí)擴(kuò)散瓶吸收氣體導(dǎo)致測(cè)值突跳，而非地震前兆異常。

圖7 新豐江臺(tái)黃子洞水氡日值曲線與2 次事件記錄Fig.7 The day-value curve of water radon in Huangzidong station

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)地震前兆數(shù)據(jù)跟蹤分析工作，我們可以看出：（1）廣東省前兆流體觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)自2014年8 月1 日正式運(yùn)行以來(lái)，截止到2018 年12月31 日，共計(jì)產(chǎn)生非正常變化事件記錄747條。其中80%以上是觀測(cè)系統(tǒng)系統(tǒng)故障和自然環(huán)境干擾，主要是水位和水溫儀主機(jī)故障、供電系統(tǒng)故障、數(shù)采故障和傳感器故障，以及降雨引起水位大幅上升；（2）流體臺(tái)網(wǎng)所能記錄的地球物理事件很少；（3）數(shù)據(jù)跟蹤分析工作能比較有效的識(shí)別各類干擾和震前異常，如河源地區(qū)中等地震前，新豐江臺(tái)黃子洞水氡異常形態(tài)均為上升—回降，對(duì)于新豐江大壩區(qū)附近的地震異常過(guò)程一般持續(xù)數(shù)月，且主要表現(xiàn)為日值持續(xù)數(shù)月的高值異常，對(duì)于東源的中等地震則異常一般表現(xiàn)為臨震突跳。

跟蹤分析工作發(fā)揮了臺(tái)站工作人員的積極性，推進(jìn)了前兆臺(tái)網(wǎng)由觀測(cè)向觀測(cè)、應(yīng)用并重轉(zhuǎn)變，發(fā)揮了前兆數(shù)據(jù)在會(huì)商中基礎(chǔ)性作用，更好地服務(wù)于地震監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)研究。隨著前兆臺(tái)網(wǎng)在今后不斷建設(shè)和優(yōu)化布局以及科學(xué)儀器的穩(wěn)定性提高，這項(xiàng)工作將會(huì)更加重要，在地震預(yù)報(bào)中起到更積極作用。