山東區(qū)域流體數(shù)據(jù)跟蹤分析及思考＊

王西寶 程樹岐

（山東省地震局沂水地震臺，山東沂水 276400）

引言

自2010年起，原國家地震前兆臺網(wǎng)中心組織各省地震局區(qū)域前兆臺網(wǎng)中心、學(xué)科臺網(wǎng)中心和地震臺站，在方法探索（2011年，甘肅、新疆、山西省地震前兆臺網(wǎng)）、擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)[2012年，河北、云南等17?。ㄖ陛犑校┑卣鹎罢着_網(wǎng)]、分布式網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)流程構(gòu)建（2013年）3個(gè)研究階段后①②關(guān)于組織開展地震前兆臺網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)跟蹤簡報(bào)編寫工作的通知. 中震測函〔2012〕165號，歷經(jīng)2014年和2015年的應(yīng)用檢驗(yàn)，形成了地球物理臺網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)跟蹤分析（以下簡稱數(shù)據(jù)跟蹤分析）工作模式與組織機(jī)制常態(tài)化[1]。

目前，許多區(qū)域地球物理臺網(wǎng)以及臺站的工作人員從觀測系統(tǒng)、自然環(huán)境、場地環(huán)境、人為干擾和地球物理事件等5個(gè)方面對數(shù)據(jù)跟蹤分析工作中常見的問題進(jìn)行了系統(tǒng)的分析與總結(jié)[2-7]。李慧等[8]對河北前兆形變數(shù)據(jù)跟蹤分析中常見的典型干擾事件進(jìn)行了分類整理并提出有效的消除方法；劉川琴等[9]對安徽前兆數(shù)據(jù)異常跟蹤分析進(jìn)行了深入分析研究并形成了異常特征庫；李希亮等[10]和董曉娜等[11]對山東臺網(wǎng)數(shù)據(jù)跟蹤分析事件記錄進(jìn)行系統(tǒng)梳理并歸納了制約臺網(wǎng)運(yùn)行的一些因素。

山東省的數(shù)據(jù)跟蹤分析工作于2014年8月1日正式在全網(wǎng)開展，此項(xiàng)工作自開展以來已積累了大量的事件記錄，為地震分析預(yù)報(bào)人員提供了必要的資料。本文對近4年（2017—2020，以下所有數(shù)據(jù)及事件統(tǒng)計(jì)均在這個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)）山東省地下流體臺網(wǎng)數(shù)據(jù)跟蹤分析產(chǎn)生的6大類事件記錄中的典型事件進(jìn)行梳理和匯總，未發(fā)現(xiàn)有關(guān)地震長、中、短、臨前兆異常等地球物理事件①山東省地球物理臺網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)跟蹤分析年報(bào)（2017、2018、2019、2020年），故本文主要結(jié)合地球物理事件中的同震效應(yīng)研究流體井監(jiān)測地殼應(yīng)力變化的能力，以期對山東地區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)跟蹤分析質(zhì)量提升有所幫助，對其他單位數(shù)據(jù)跟蹤分析提供借鑒。

1 山東地下流體測網(wǎng)概況

目前，山東地區(qū)地下流體站點(diǎn)有22個(gè)臺站57套儀器參與數(shù)據(jù)跟蹤分析工作，其中有人值守臺站8個(gè)，無人值守臺站14個(gè)。從空間上來看，流體站點(diǎn)主要分布在斷裂帶及其附近地區(qū)，其中，沂沭斷裂帶和聊考斷裂帶上布設(shè)測點(diǎn)較多，分別占12個(gè)和8個(gè)；燕山—渤海地震活動構(gòu)造帶站點(diǎn)較少，只有2個(gè)?？傮w來看臺站布局基本合理（圖1）。

圖1 山東地下流體站點(diǎn)分布Fig. 1 Distribution of underground fluid stations in Shandong Province

2 數(shù)據(jù)跟蹤分析概況

2017年1月—2020年12月，山東區(qū)域臺網(wǎng)地下流體觀測站共產(chǎn)出事件827條（表1）。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，其中43套儀器由觀測系統(tǒng)故障引起514條事件，占總事件記錄62.15%；35套儀器由人為干擾引起205條事件，占總事件記錄24.79%；11套儀器由自然環(huán)境干擾引起72條事件，占總事件記錄8.71%；8套儀器由場地環(huán)境干擾引起15條事件，6套儀器由地球物理事件引起17條事件，2套儀器由數(shù)據(jù)變化原因不明引起4條事件。

表1 2017—2020年事件統(tǒng)計(jì)Table 1 Event statistics from 2017 to 2020

從圖2可以看出，6類事件記錄中，觀測系統(tǒng)故障在2017年最多，達(dá)到191條；人為干擾事件2017年、2018年以及2019年相差無幾；其他幾類事件相對較少，基本在25條以下。山東區(qū)域地球物理臺網(wǎng)流體學(xué)科的觀測運(yùn)行受到觀測系統(tǒng)因素的嚴(yán)重制約，2017—2020年這類事件占比依次為72.90%、57.28%、54.21%和59.88%。人為干擾則主要是由于校測或標(biāo)定引起[12]，自然環(huán)境干擾主要為降水。2019年省十三五儀器更新改造項(xiàng)目對部分流體儀器進(jìn)行了更新升級，且在省局技術(shù)保障室的指導(dǎo)下，部分臺站具備備機(jī)備件快速更換以及儀器維修能力，流體儀器的故障率或者故障時(shí)長相對有所降低，在圖上體現(xiàn)出2019年觀測系統(tǒng)事件數(shù)較往年有所下降。

圖2 2017—2020年事件統(tǒng)計(jì)圖Fig. 2 Statistical chart of abnormal events from 2017 to 2020

3 典型事件

2017—2020年數(shù)據(jù)跟蹤分析產(chǎn)品流體學(xué)科庫中，山東區(qū)域的22個(gè)流體臺站57套儀器共記錄到各類事件827條。在數(shù)據(jù)跟蹤分析中，事件主要有6大類，分為觀測系統(tǒng)故障事件、自然環(huán)境干擾事件、場地環(huán)境干擾事件、人為干擾事件、地球物理事件和不明原因事件①地震前兆數(shù)據(jù)跟蹤分析描述事件要素標(biāo)準(zhǔn)（2版，2015年11月），本文篩選除不明原因外的5類事件做分析說明。

3.1 觀測系統(tǒng)故障事件

觀測系統(tǒng)故障事件主要是指由主機(jī)故障、傳感器故障、數(shù)采故障、觀測裝置、觀測設(shè)備、觀測供電等發(fā)生的故障或損壞而引起的事件。通過梳理發(fā)現(xiàn)研究時(shí)段內(nèi)觀測系統(tǒng)故障事件主要是由儀器故障（占比73.62%）和供電故障（占比20.43%）產(chǎn)生，此二者引起的事件占比達(dá)94.05%。例如，2019年6月4日聊城地震監(jiān)測中心站6時(shí)22分—23時(shí)20分由于市電故障長時(shí)間停電，發(fā)電機(jī)長時(shí)間滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，造成多次跳閘斷電，水泵斷流，導(dǎo)致靜水位觀測在多個(gè)時(shí)段出現(xiàn)數(shù)據(jù)突跳，造成缺數(shù)（圖3）。

圖3 觀測系統(tǒng)事件事例Fig. 3 An example of observation system event

3.2 自然環(huán)境干擾事件

自然環(huán)境干擾事件主要是指由氣壓、降雨、降（融）雪、雷電、溫度、濕度、風(fēng)擾、氣旋、臺風(fēng)等干擾影響而引起的事件。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在自然環(huán)境事件中受降雨影響事件占比68.63%，此類事件主要集中在昌邑魯02井、棲霞魯07井、莒南魯14井、棗莊魯15井以及蒙陰魯33井。

例如，2020年8月13日18時(shí)蒙陰魯33井附近突降暴雨，由于蒙陰魯33井無氣象三要素測項(xiàng)，經(jīng)蒙陰縣地震監(jiān)測中心工作人員詢問縣氣象部門得知，蒙陰縣城區(qū)此次暴雨降水量約260 mm，蒙陰魯33井水位出現(xiàn)升高，此次降雨導(dǎo)致蒙陰魯33井靜水位升高約1.63 m（圖4）。

圖4 自然環(huán)境事件事例Fig. 4 An example of natural environmental event

3.3 場地環(huán)境干擾事件

場地環(huán)境干擾事件主要是指由載荷干擾、水（油）井泉抽水、水（油）井注水、爆破、塌方、工程等影響而引起的事件。在這類事件中，爆破影響占比33.3%，主要表現(xiàn)在棗莊魯15井；抽水影響占比20%，如莒南魯14井新井抽水、聊古一井受冬季地?zé)峁┡樗绊慬3]。

2019年7月以及2020年10月棗莊魯15井共受到5次爆破干擾，如2020年10月28日棗莊魯15井周邊有爆破工程，井水位開始下降，至29日下降0.38 m，30日后水位逐漸恢復(fù)。經(jīng)現(xiàn)場核實(shí)并與省地震局專家溝通，認(rèn)為是周邊爆破干擾所致（圖5）。

圖5 場地環(huán)境事件事例Fig. 5 An example of field environmental event

3.4 人為干擾事件

人為干擾事件主要是指由調(diào)零、標(biāo)定（校測）、檢修儀器、模擬換紙、安裝儀器、裝置系統(tǒng)改造、取水樣、抽氣、觀測井抽水與放水、調(diào)節(jié)流量等影響而引起的事件。在統(tǒng)計(jì)時(shí)間段內(nèi)，安裝儀器引起的事件占比31.2%，檢修儀器引起的占比23.9%，標(biāo)定引起的占比35.6%，標(biāo)定為主要影響因素。如聊城地震監(jiān)測中心站多個(gè)測項(xiàng)需要進(jìn)行年度標(biāo)定，德州地震臺水氡測項(xiàng)每年4次儀器標(biāo)定等（圖6）。

圖6 人為干擾事件事例Fig. 6 An example of human-caused disturbance factors event

3.5 地球物理事件

地球物理事件主要是指由地球物理場、地球電磁場、太空引力變化等影響而引起的事件[11]，包括地震引起的地震長、中、短、臨前兆異常等事件。2017—2020年山東省地下流體臺網(wǎng)數(shù)據(jù)跟蹤分析未發(fā)現(xiàn)有關(guān)地震長、中、短、臨前兆異常等地球物理事件①山東省地球物理臺網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)跟蹤分析年報(bào)（2017、2018、2019、2020年），山東省地下流體臺網(wǎng)數(shù)據(jù)的地球物理事件主要以水位和水溫兩個(gè)測項(xiàng)記錄到的同震和震后效應(yīng)為主，本研究時(shí)段內(nèi)記錄到的17條地球物理事件主要包括11條同震效應(yīng)、5條震后效應(yīng)以及1條疑似震前效應(yīng)。如2018年1月23日商河魯09井?dāng)?shù)字化水位水溫綜合觀測儀（DRSW-Ⅱ）產(chǎn)出的水位數(shù)據(jù)因17時(shí)31分阿拉斯加灣8.0級地震出現(xiàn)波動，波動幅度近0.05 m，震后恢復(fù)正常（圖7）。

圖7 地球物理事件事例Fig. 7 An example of geophysical event

4 地球物理事件分析

2017—2020年山東省地下流體臺網(wǎng)數(shù)據(jù)跟蹤分析未發(fā)現(xiàn)有關(guān)地震長、中、短、臨前兆異常等地球物理事件①，在此主要分析山東省地下流體臺網(wǎng)數(shù)據(jù)的同震效應(yīng)地球物理事件。地下流體同震效應(yīng)能夠有效直接的揭示地殼介質(zhì)對應(yīng)力、應(yīng)變的響應(yīng)，目前對于流體同震效應(yīng)的研究多集中在水位、水溫方面[13-17]。本研究以數(shù)據(jù)異常跟蹤分析為基礎(chǔ)，選取近4年產(chǎn)生的地球物理事件記錄中有關(guān)井水位和水溫在地震波的作用下所表現(xiàn)出來的異常升降，統(tǒng)計(jì)水位、水溫對地震的響應(yīng)及其幅度，確定響應(yīng)形態(tài)、類型等特征。經(jīng)過對近4年地球物理事件的梳理，山東區(qū)域流體井共記錄到同震效應(yīng)11次，涉及的井孔為魯07井、魯09井和魯27井，均是水位對地震事件的響應(yīng)，且同震效應(yīng)均表現(xiàn)為振蕩型（表2和圖8），這也與劉凱等[18]的研究相一致。

圖8 部分典型水位同震響應(yīng)曲線Fig. 8 Co-seismic response curve of water level

表2 井水位同震響應(yīng)特征Table 2 Co-seismic response characteristics of well water level

振蕩型的同震效應(yīng)，是指地震振動作用下，地下水位出現(xiàn)類似地震波的高頻振蕩，反映了地下含水層介質(zhì)彈性模量較大，巖層透水性好，在地震波傳播過程中含水介質(zhì)的一種彈性變化結(jié)果。這種彈性變化會引起地下水潮汐參數(shù)的變化，如潮汐因子、相位差等。在地下流體效能評估中，井水位的M2潮汐因子及其觀測精度是極其重要的一項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)[19]，魯07井、魯09井和魯27井的這兩項(xiàng)指標(biāo)都是優(yōu)秀級別，其2019年M2潮汐因子參數(shù)分別為1.907 0、1.632 6和1.065 0，觀測精度分別為0.004 1、0.006 9和0.007 8。

在2017—2020年幾次遠(yuǎn)場大震中，山東區(qū)域流體14個(gè)水位測項(xiàng)，記錄到同震響應(yīng)的有3個(gè)，而對于水溫測項(xiàng)則沒有一個(gè)井孔記錄到同震響應(yīng)，說明該區(qū)水位觀測的記震能力強(qiáng)于水溫觀測[18,20-22]。耿杰等[20]的研究認(rèn)為，影響同震效應(yīng)的主要因素是井孔含水層系統(tǒng)的水文地質(zhì)條件、地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境和觀測儀器類型，目前山東水位觀測儀器已基本全部更新為DRSW-Ⅱ型地?zé)崴粴庀笕鼐C合觀測儀。本研究考慮山東流體井水位對遠(yuǎn)場大震的同震效應(yīng)，認(rèn)為主要受井孔含水層系統(tǒng)的水文地質(zhì)條件和地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境的影響。水文地質(zhì)條件方面，本文中觀測到水位同震效應(yīng)的三口井中魯09井和魯27井其含水層巖性為灰?guī)r，而魯07井含水層巖性為花崗巖。一般情況下，含水層巖性對水位同震效應(yīng)的影響其程度從大到小依次為灰?guī)r、變質(zhì)巖、砂巖、第四系砂礫石層。根據(jù)已有研究，灰?guī)r含水層具有良好的彈性力學(xué)性質(zhì)，含水量豐富，徑流條件好，井孔與含水層連通性好[23]。從表2可以看出，魯09井和魯27井水位的同震效應(yīng)無論從次數(shù)還是水位變化幅度都要優(yōu)于魯07井。Elkhoury等[24]提出大地震引起淺層地殼滲透率增加模型，地震波能使含水層的滲透系數(shù)瞬時(shí)增加，從而引起井水位上升，這可能是魯07井對遠(yuǎn)場大震偶爾會出現(xiàn)同震效應(yīng)的原因。地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境方面，魯07井位于萊陽、棲霞、福山斷裂交會處，魯09井位于濟(jì)陽坳陷帶，魯27井位于聊考斷裂與菏澤斷裂的交匯部位。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)①DB/T 20.1-2006地震臺站建設(shè)規(guī)范. 地下流體臺站. 第1部分：水位和水溫臺站，觀測井位宜選在活動斷裂帶及其附近包括斷裂帶的端點(diǎn)、拐點(diǎn)及與其他斷裂帶交匯的部位。地下水位的變化與觀測含水層所處斷裂帶的活動有直接的關(guān)系。由于一些發(fā)生過中強(qiáng)地震的斷裂帶，其裂隙發(fā)育，遠(yuǎn)場大震產(chǎn)生的地震波引起裂隙中的地下水快速流動，裂隙疏通，增加了含水層的滲透性，引起水位震蕩，滲透系數(shù)越大，水位震蕩的幅度就越大，同震效應(yīng)就越明顯。在地震波作用下一方面會引起地表介質(zhì)的上下波動，另一方面也會引起含水層孔隙壓力的波動，這兩個(gè)方面的原因都會造成井水位的振蕩，且井水位對應(yīng)力應(yīng)變有一定的放大作用[25]。

從近年來積累的地球物理事件及山東省地球物理臺網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)跟蹤分析年報(bào)來看，山東大部分觀測井水位和所有的水溫測項(xiàng)記錄不到同震效應(yīng)，亦未發(fā)現(xiàn)有關(guān)地震長、中、短、臨前兆異常等事件①山東省地球物理臺網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)跟蹤分析年報(bào)（2017、2018、2019、2020年），當(dāng)然由于地震前兆異常本身就很難識別，再加上水位、水溫觀測中部分井點(diǎn)存在觀測環(huán)境干擾和觀測系統(tǒng)的不穩(wěn)定等因素，更增加了對地震前兆異常判斷的難度。同時(shí)由于這些井基本都是非地震行業(yè)如地質(zhì)、石油、冶金、煤炭、水利等部門的勘探井或廢棄井經(jīng)改造成為地震地下流體觀測井，隨著井孔條件的不斷惡化，如井壁坍塌、井壁滲漏等，大部分井的響應(yīng)靈敏性已大不如前。

5 措施與方法

提高跟蹤分析質(zhì)量，可通過采取一定的措施和方法逐步規(guī)范直至完全避免：①繼續(xù)加大對各觀測儀器設(shè)備的更換，逐步淘汰老化嚴(yán)重、運(yùn)行多年的儀器；②做好各儀器備機(jī)備件的儲備，以便儀器發(fā)生故障時(shí)能夠及時(shí)維修和更換；③加大對無人值守臺站的電源改造，在配備UPS電源的同時(shí)嘗試開展光伏發(fā)電，從而保障電力供應(yīng)；④建立健全技能培訓(xùn)機(jī)制，定期開展培訓(xùn)與交流，加強(qiáng)對臺站人員的業(yè)務(wù)指導(dǎo)，組織業(yè)務(wù)水平較高的臺站業(yè)務(wù)骨干對各臺站進(jìn)行技能培訓(xùn)，既培訓(xùn)工作人員對觀測硬件的維護(hù)和維修能力，又培訓(xùn)工作人員對地球物理觀測數(shù)據(jù)跟蹤分析的技術(shù)技巧，切實(shí)提高臺站工作人員的業(yè)務(wù)能力；⑤數(shù)據(jù)跟蹤分析的一些技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)則也在不斷完善當(dāng)中，省局流體學(xué)科組做好與國家學(xué)科組的交流溝通，針對學(xué)科中心的審核結(jié)果做好匯總總結(jié)，把最新的要求及時(shí)傳達(dá)給分析人員；⑥建議跟蹤分析人員實(shí)行專人負(fù)責(zé)或者是分學(xué)科專人負(fù)責(zé)；⑦加強(qiáng)區(qū)域中心審核人員與臺站分析人員的溝通，區(qū)域中心人員發(fā)現(xiàn)問題能夠及時(shí)指導(dǎo)臺站人員修改；⑧加大投資新建一些符合地震觀測規(guī)范的新井，逐步替換那些經(jīng)過改造的非地震行業(yè)觀測井以及井孔條件損壞的觀測點(diǎn)。

6 結(jié)論

通過對2017—2020年山東區(qū)域流體學(xué)科數(shù)據(jù)跟蹤分析的系統(tǒng)梳理和分析，得到如下幾點(diǎn)認(rèn)識：

（1）進(jìn)一步明確了影響和制約山東流體數(shù)據(jù)跟蹤分析質(zhì)量的主要因素是觀測系統(tǒng)、人為干擾和自然環(huán)境。在觀測系統(tǒng)中尤以儀器故障和供電為主要的干擾因素，人為干擾則主要為儀器的標(biāo)定和校測，而自然環(huán)境干擾則以降雨為主。

（2）在地球物理事件中同井水位變化的同時(shí)，水溫未見變化。說明在研究時(shí)段內(nèi)，從同震效應(yīng)來看，各觀測井水位測項(xiàng)的映震能力要優(yōu)于水溫測項(xiàng)。

（3）從井水位的同震效應(yīng)來看，能夠有效記錄到水震波的水井極少，只有魯07井、魯09井和魯27井，而魯27井表現(xiàn)較好，其次為魯09井。同時(shí)也說明多數(shù)觀測井監(jiān)測地殼應(yīng)力變化的能力不強(qiáng)。

致謝

本文在寫作過程中得到了山東地震臺張玲高工以及管貽亮的指導(dǎo)和幫助；評審專家提出了諸多有益建議，對稿件質(zhì)量的提升幫助很大，作者在此一并表示誠摯感謝。