邢臺(tái)地震臺(tái)地下流體觀測(cè)數(shù)據(jù)跟蹤分析

張明哲，王靜，凌燕，羅娜，田勤，解真，張波

(河北省地震局紅山基準(zhǔn)臺(tái)，河北 邢臺(tái) 054000)

0 引 言

河北地震前兆臺(tái)網(wǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)跟蹤分析工作于2012 年開(kāi)始試行，2014年底正式納入省級(jí)年度觀測(cè)資料質(zhì)量評(píng)比范圍[1]。邢臺(tái)地震臺(tái)地下流體觀測(cè)產(chǎn)出了多年連續(xù)、準(zhǔn)確、高質(zhì)量的觀測(cè)數(shù)據(jù)，但隨著環(huán)境的改變、儀器的老化、更新?lián)Q代等影響，干擾因素也逐漸增多。提供真實(shí)可靠的觀測(cè)資料是監(jiān)測(cè)工作的主要職能之一，提供更豐富的前兆數(shù)據(jù)產(chǎn)品為地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和相關(guān)科學(xué)研究提供數(shù)據(jù)服務(wù)[2-3]，是臺(tái)站的工作目標(biāo)。本文基于2015～2019年的數(shù)據(jù)跟蹤分析工作，從觀測(cè)系統(tǒng)、自然環(huán)境、場(chǎng)地環(huán)境、人為干擾和地球物理事件5個(gè)方面，總結(jié)和歸納各類(lèi)干擾因素對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響，探究邢臺(tái)地震臺(tái)地下流體觀測(cè)典型干擾因素及形態(tài)特征，直觀了解影響邢臺(tái)地震臺(tái)地下流體觀測(cè)質(zhì)量的主要因素，為觀測(cè)資料應(yīng)用研究提供參考，也為其他臺(tái)站同類(lèi)干擾事件提供參考和依據(jù)。

1 邢臺(tái)地震臺(tái)地下流體概況

邢臺(tái)地震臺(tái)有3口流體井觀測(cè)站，分別為衡水冀16井觀測(cè)站、辛集冀21井觀測(cè)站和寧晉冀22井觀測(cè)站(以下簡(jiǎn)稱(chēng)衡水井、辛集井和寧晉井)，涉及水位、水溫和氣象三要素測(cè)項(xiàng)，共10套儀器、16個(gè)測(cè)項(xiàng)分量(衡水井配備ZKGD3000地下水?dāng)?shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、ZKGD3000-NT水溫儀和RTP-Ⅱ氣象三要素儀；辛集井配備ZKGD3000-NL水位儀、ZKGD3000-NT水溫儀、SW40-1 水位儀和WYY-1氣象三要素儀；寧晉井配備ZKGD3000-NL水位儀、ZKGD3000-NT水溫儀和WYY-1氣象三要素儀)。數(shù)字化水位觀測(cè)儀器共3套。水溫儀器共3套，人工模擬水位觀測(cè)儀器 1 套，氣象三要素儀器3套。觀測(cè)資料連續(xù)率和完整率較高。

圖1 邢臺(tái)地震臺(tái)地下流體觀測(cè)站點(diǎn)分布

其中，衡水井位于華北平原沉降帶冀中鋤陷新河凸起高點(diǎn)上，衡水?dāng)嗔褞У哪蟼?cè)，太行山前斷裂帶和百尺口斷裂帶東側(cè)；辛集井位于華北平原沉降帶，冀中拗陷寧晉凸起東側(cè)斜坡上，其東為束鹿凹陷；寧晉井位于華北沉降帶束鹿凹陷西斜坡南部，東西向構(gòu)造斷裂帶，臺(tái)站分布見(jiàn)圖1。

2 跟蹤分析記錄產(chǎn)出

基于2015～2019年衡水井、辛集井和寧晉井跟蹤分析記錄事件產(chǎn)出，共將前兆觀測(cè)數(shù)據(jù)形態(tài)分為7大類(lèi)，分別為正常動(dòng)態(tài)、觀測(cè)系統(tǒng)、自然環(huán)境、場(chǎng)地環(huán)境、人為干擾、地球物理事件和不明原因，共產(chǎn)出事件199條(不包含正常事件)。其中，正常動(dòng)態(tài)的分析為數(shù)據(jù)分析提供了參考背景，非正常動(dòng)態(tài)中前 5 類(lèi)都是對(duì)數(shù)據(jù)變化原因進(jìn)行干擾排查，不明原因類(lèi)數(shù)據(jù)變化則分為疑似地震異常和不明原因兩類(lèi)[3]。邢臺(tái)地震臺(tái)3口井?dāng)?shù)據(jù)跟蹤分析事件分類(lèi)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表 1、表2、表3。

表1 事件統(tǒng)計(jì)

表2 測(cè)項(xiàng)事件統(tǒng)計(jì)

由表1可以看出，邢臺(tái)地震臺(tái)地下流體觀測(cè)主要受自然環(huán)境、場(chǎng)地環(huán)境和人為干擾影響，受影響比例分別為45.73%、28.64%和18.09%。但受影響天數(shù)較長(zhǎng)的是場(chǎng)地環(huán)境、人為干擾和自然環(huán)境干擾。由表2可以看出，在邢臺(tái)地震臺(tái)地下流體觀測(cè)中，水位測(cè)項(xiàng)比水溫測(cè)項(xiàng)更容易受到干擾。由表3得出，衡水井受干擾最多，占比達(dá)51.76%；其次是辛集井，占比30.15%；寧晉井受干擾程度最小，占比為18.09%。

3 典型干擾特征分析

3.1 觀測(cè)系統(tǒng)故障事件

2015～2019年邢臺(tái)地震臺(tái)地下流體觀測(cè)共記錄到觀測(cè)系統(tǒng)事件5條，故障類(lèi)型以主機(jī)裝置故障、供電故障及井口裝置故障為主。觀測(cè)曲線(xiàn)的表現(xiàn)形態(tài)為錯(cuò)誤數(shù)據(jù)和曲線(xiàn)臺(tái)階變化。例如2019年5月10日辛集井SW40-1 水位儀觀測(cè)中，因模擬儀器滾筒故障造成數(shù)據(jù)大幅度階變。

圖2 辛集井SW40-1 水位儀觀測(cè)值受干擾曲線(xiàn)(2019年5月)

3.2 自然環(huán)境干擾事件

自然環(huán)境因素包括大風(fēng)、雷電、降雨、氣壓和溫濕度等[4]。由表1可知，自然環(huán)境干擾是影響邢臺(tái)地震臺(tái)地下流體觀測(cè)的最主要因素，其中以氣壓和風(fēng)擾為主，而降雨對(duì)3個(gè)流體井均沒(méi)有影響。氣壓和風(fēng)擾觀測(cè)曲線(xiàn)變化通常與該時(shí)段氣壓波動(dòng)變化同步，表現(xiàn)形態(tài)主要有固體潮畸變和噪聲變大等，氣壓穩(wěn)定后數(shù)據(jù)恢復(fù)正常形態(tài)。水位對(duì)氣壓響應(yīng)機(jī)理前人已有成熟的理論，劉國(guó)俊等指出氣壓變化引起井孔水位變化是通過(guò)井孔和含水層間滲流來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)大氣壓變化時(shí)，井孔中的水流向含水層或含水層中的水流向井孔，從而在曲線(xiàn)上表現(xiàn)出上下波動(dòng)和畸變等形態(tài)[5]。例如2019年8月15日，辛集井所在地均出現(xiàn)氣壓的大幅波動(dòng)，造成水位觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)出現(xiàn)畸變，時(shí)間與氣壓波動(dòng)時(shí)間基本一致(圖3)。

圖3 氣壓干擾曲線(xiàn)(2019年8月)

圖4 衡水井水位儀抽水干擾(2016年8月)

圖5 水位儀、水溫儀人為干擾曲線(xiàn)

3.3 場(chǎng)地環(huán)境干擾事件

場(chǎng)地環(huán)境干擾雖然占比不大，但影響總天數(shù)是最長(zhǎng)的，嚴(yán)重影響觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量。從2015～2019年跟蹤分析記錄及表3中可以看出，受場(chǎng)地環(huán)境干擾的是衡水井水位測(cè)項(xiàng)。衡水井水位經(jīng)常出現(xiàn)大幅波動(dòng)現(xiàn)象，呈現(xiàn)急速下降后上升的“漏斗”狀固體潮階變形態(tài)，羅娜等通過(guò)對(duì)比觀測(cè)、環(huán)境調(diào)查及抽水試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)此干擾是由觀測(cè)井周邊養(yǎng)魚(yú)場(chǎng)一口冷水井抽水所致[6]。此干擾主要影響時(shí)間在2016年，自2017年后衡水井水位便不再受抽水干擾，但仍需密切關(guān)注。2016年8月衡水井連續(xù)受到抽水影響，出現(xiàn)多次階升階降變化形態(tài)，最大變化幅度達(dá)0.677 4 m(圖5)。

3.4 人為干擾事件

邢臺(tái)地震臺(tái)地下流體人為干擾主要以校測(cè)、下放(提升)傳感器、采集水樣和水溫梯度實(shí)驗(yàn)等為主，干擾持續(xù)的時(shí)間通常較短，對(duì)觀測(cè)曲線(xiàn)造成的影響主要有突跳、錯(cuò)誤數(shù)據(jù)以及固體潮畸變等。人為干擾有些是無(wú)法避免的，如下放(提升)傳感器、采集水樣及水溫梯度實(shí)驗(yàn)必然會(huì)造成觀測(cè)數(shù)據(jù)的波動(dòng)、產(chǎn)生錯(cuò)誤數(shù)據(jù)等。

2017年5月3日～4日工作人員對(duì)衡水井進(jìn)行水溫梯度試驗(yàn)，造成數(shù)據(jù)有規(guī)律的間隔突跳變化，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，最大變化幅度0.019 8 m，但整體固體潮形態(tài)沒(méi)有被破壞，如圖5(a)。2018年3月20日采集辛集井內(nèi)水樣，產(chǎn)生錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，工作人員對(duì)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)做刪除處理，如圖5(b)。2019年9月20日和21日分別對(duì)辛集井、寧晉井進(jìn)行水位校測(cè)工作，造成辛集井水位產(chǎn)生錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，寧晉井水溫?cái)?shù)據(jù)出現(xiàn)短時(shí)下降變化，后逐漸恢復(fù)正常，如圖5(c)和(d)。

3.5 地球物理事件

地球物理事件記錄主要反映前兆臺(tái)網(wǎng)響應(yīng)的短期地球運(yùn)動(dòng)與變化過(guò)程[7]。邢臺(tái)地震臺(tái)地下流體觀測(cè)記錄的地球物理事件均為地震同震事件，曲線(xiàn)動(dòng)態(tài)形態(tài)為震蕩型。邢臺(tái)地震臺(tái)地下流體水位測(cè)項(xiàng)比水溫測(cè)項(xiàng)記錄同震能力靈敏，由表2可知水位記錄同震占比達(dá)78.95%。衡水井是3口流體井中最靈敏的觀測(cè)井，由表3可知記錄同震占比61.41%。其次為辛集井，占比38.6%，而寧晉井幾乎記錄不到同震效應(yīng)。地震波引起水位震蕩的機(jī)理前人已有諸多成熟明確的研究結(jié)論，地震波作用于含水層時(shí)，出現(xiàn)孔隙壓力的改變，孔隙在一定范圍內(nèi)壓縮與拉張，導(dǎo)致井與含水層之間水流的流動(dòng)，出現(xiàn)了水位震蕩現(xiàn)象[8-9]。井水位的同震效應(yīng)能力也反映出含水層所在斷裂帶滲透性的強(qiáng)弱，因此衡水井、辛集井和寧晉井所在地?cái)嗔褞У臐B透性研究也可作為今后一個(gè)研究探討的方向。同震效應(yīng)圖見(jiàn)圖6。

圖6 衡水井水位儀同震曲線(xiàn)(2017年9月8日)

4 結(jié) 論

(1)邢臺(tái)地震臺(tái)地下流體觀測(cè)干擾影響較大的觀測(cè)井為衡水井，占比51.76%。其次為辛集井，占比30.15%。寧晉井受影響最小，也從側(cè)面反映出寧晉井對(duì)同震、氣壓等因素反應(yīng)不靈敏。

(2)邢臺(tái)地震臺(tái)地下流體主要受自然環(huán)境、場(chǎng)地環(huán)境和人為干擾影響，受影響比例分別為45.73%、28.64%和18.09%，但受影響天數(shù)較長(zhǎng)的是由場(chǎng)地環(huán)境、人為和自然環(huán)境引起的干擾。

(3)在邢臺(tái)地震臺(tái)地下流體觀測(cè)中，水位觀測(cè)比水溫觀測(cè)更容易受到干擾。

(4)通過(guò)對(duì)2015～2019年跟蹤分析事件的梳理，歸納出觀測(cè)系統(tǒng)故障主要是辛集井SW40-1 人工模擬水位儀器老化造成的；自然環(huán)境事件中主要影響因素是氣壓；場(chǎng)地環(huán)境事件中主要影響因素是衡水井的抽水影響，此影響因素仍需密切關(guān)注；人為干擾事件中主要影響因素是水位校測(cè)以及采集水樣；地球物理事件中主要影響因素是地震。

(5)數(shù)據(jù)跟蹤分析產(chǎn)品可以準(zhǔn)確判定觀測(cè)數(shù)據(jù)變化的影響因素，可對(duì)臺(tái)站改造、儀器升級(jí)以及地球物理異常判斷及觀測(cè)資料應(yīng)用研究等提供參考依據(jù)。