基于數(shù)據(jù)跟蹤的新疆地下流體觀測(cè)環(huán)境干擾特征分析①

顏 龍, 郭春生, 斯 琴, 關(guān)冬曉, 王 斌

(新疆維吾爾自治區(qū)地震局，新疆 烏魯木齊 830011)

地震地下流體觀測(cè)是以捕捉地震異常為主要目標(biāo)的地下流體觀測(cè)量的動(dòng)態(tài)觀測(cè)。而地下流體觀測(cè)不僅僅觀測(cè)到想獲得的地震異常信息，同時(shí)還會(huì)觀測(cè)到一些與地震無關(guān)的信息[1-3]。因此，排除非地震因素引起的觀測(cè)量異常變化很必要。車用太等提出評(píng)估流體觀測(cè)環(huán)境的允許干擾度，可以更好地判斷地震前兆異常量的大小[4]；孫小龍等運(yùn)用有限差分法計(jì)算地下水開采所引起的區(qū)域水位下降漏斗，分析水位下降異常的時(shí)空演化特征[5]。數(shù)字化資料提高了采樣率，信息量也大幅提高，儀器運(yùn)行過程中會(huì)受到多種因素的影響，不可避免的致使部分非構(gòu)造因素?fù)诫s于觀測(cè)數(shù)據(jù)中。2014年8月數(shù)據(jù)跟蹤分析工作正式進(jìn)入常態(tài)化分析和完善階段，一線觀測(cè)人員可以通過數(shù)據(jù)跟蹤分析工作平臺(tái)及時(shí)發(fā)現(xiàn)和分析前兆異常，并為科研預(yù)報(bào)人員提供準(zhǔn)確及時(shí)的服務(wù)產(chǎn)品[6-7]。本文中以2015～2019年地下流體數(shù)據(jù)跟蹤分析產(chǎn)品庫中的環(huán)境干擾事件為研究對(duì)象，將這些影響觀測(cè)質(zhì)量的環(huán)境干擾因素進(jìn)行分類分析，并給出典型的干擾圖像，研究流體觀測(cè)資料干擾的識(shí)別和排除方法，以期提高地下流體臺(tái)網(wǎng)對(duì)地震的監(jiān)測(cè)效能。

1 新疆區(qū)域地下流體數(shù)據(jù)跟蹤分析概況

新疆區(qū)域地下流體臺(tái)網(wǎng)主要分布在北天山、烏魯木齊和南天山東段，其中烏魯木齊及其周邊的流體測(cè)項(xiàng)密度較大，占全疆流體測(cè)項(xiàng)的44%(圖1)。區(qū)域內(nèi)地下流體測(cè)項(xiàng)涵蓋水位、水溫、流量、氡、汞、斷層氣和多種水化學(xué)氣體、離子組分。

圖1 研究區(qū)地下流體臺(tái)網(wǎng)空間分布圖

2015年1月1日～2019年12月31日新疆區(qū)域內(nèi)共對(duì)24個(gè)臺(tái)站57套地下流體儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)跟蹤分析，已產(chǎn)出了大量數(shù)據(jù)產(chǎn)品，其中環(huán)境干擾事件主要分為自然環(huán)境干擾事件和場(chǎng)地環(huán)境干擾事件兩類。經(jīng)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，自然環(huán)境干擾主要包括5類干擾因素，分別為融雪、降水、氣壓(風(fēng)擾)、氣溫、雷電干擾，共計(jì)214條記錄；場(chǎng)地環(huán)境干擾主要包括3類干擾因素，分別為抽水(蓄水、灌溉)、施工、地表水混入干擾，共計(jì)103條記錄(表1)。

表1 2015～2019年新疆區(qū)域環(huán)境干擾事件統(tǒng)計(jì)表

下面將針對(duì)這8類不同環(huán)境干擾進(jìn)行典型事件例舉，通過數(shù)據(jù)形態(tài)的變化，分析事件成因和可采取的防范規(guī)避干擾手段，以便為后期對(duì)各類事件進(jìn)行快速識(shí)別歸類提供參考。在氣候交替和社會(huì)工農(nóng)業(yè)的發(fā)展影響下，自然環(huán)境干擾和場(chǎng)地環(huán)境干擾始終伴隨在地下流體觀測(cè)中。在所有環(huán)境干擾因素中氣壓(風(fēng)擾)對(duì)地下流體觀測(cè)造成的干擾記錄最多，占比為46.1%，總計(jì)146條事件記錄；而在所有地下流體觀測(cè)中受干擾最多的測(cè)項(xiàng)為水位，占比為70.7%，總計(jì)224條事件記錄，這與水位在新疆地下流體臺(tái)網(wǎng)的布設(shè)比例較高有一定關(guān)系。

2 環(huán)境影響典型事件分析

2.1 融雪干擾

新疆區(qū)域地下流體觀測(cè)受融雪干擾主要發(fā)生在每年2～3月冬春交季和10～11月秋冬交季之時(shí)，冬春交季之時(shí)融雪影響尤為顯著[8]，每年2月下旬隨著氣溫的回升，融雪量逐漸增多，水位、動(dòng)水位和流量等測(cè)項(xiàng)受干擾最為明顯，受影響的程度則主要受控于每年降雪量和氣溫上升速度。典型事件：2018年2月26日新10井靜水位(圖2a)開始快速上升，3月14日達(dá)到峰值，上升0.612 m；同時(shí)期，新10泉流量(圖2b)和動(dòng)水位(圖2c)也同步出現(xiàn)快速上升變化，分別上漲1.375 L/min和0.017 m。對(duì)比當(dāng)?shù)氐臍鉁刈兓闆r，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)異常核實(shí)，此次三測(cè)項(xiàng)同步快速上升變化主要由于春季氣溫快速回升，導(dǎo)致融雪量劇增，融化的雪水補(bǔ)給到泉點(diǎn)從而造成干擾，當(dāng)融雪量達(dá)到極大值后，各測(cè)項(xiàng)也開始同步緩慢波動(dòng)下降。

圖2 融雪干擾觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線圖

2.2 氣溫干擾

氣溫干擾是由觀測(cè)環(huán)境溫度變化引起觀測(cè)系統(tǒng)改變或者電路元器件參數(shù)發(fā)生變化，從而直接反應(yīng)到觀測(cè)數(shù)據(jù)中，常見于水溫觀測(cè)中，淺層水溫由于傳感器埋深較淺，受氣溫干擾一般較明顯。氣溫干擾也會(huì)偶見于動(dòng)水位和痕量氫[9-10]，由于此類干擾較為少見，將這兩個(gè)觀測(cè)項(xiàng)目的干擾事件做為典型事件進(jìn)行例舉。典型事件：① 2018年1月6日～2月13日受極寒天氣影響，沙灣新26泉?jiǎng)铀?圖3a)觀測(cè)室溫度過低導(dǎo)致其泄流口結(jié)冰，溢出泉水無法正常泄流，受此影響1月6～15日水位出現(xiàn)大量突跳現(xiàn)象，1月16日后泄流口已完全冰封無法排水，致使觀測(cè)系統(tǒng)無法正常工作。直至氣溫回升，人工疏通泄流口后，觀測(cè)系統(tǒng)才恢復(fù)正常工作。② 2017年8月12日23時(shí)～13日7時(shí)庫爾勒霍拉山痕量氫數(shù)據(jù)出現(xiàn)快速上升變化(圖3b)，變化幅度為0.271 5×10-6,同期氣溫則出現(xiàn)快速下降變化，下降幅度為8.47 ℃，隨后7～16時(shí)氣溫又快速上升，上升幅度為13.873 ℃，數(shù)據(jù)曲線則出現(xiàn)快速下降變化，變化幅度為0.273 51×10-6。經(jīng)與氣溫曲線對(duì)比發(fā)現(xiàn)，觀測(cè)室溫度快速下降，痕量氫濃度上升，觀測(cè)室溫度上升，則痕量氫濃度下降。

圖3 氣溫干擾觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線圖

氣溫干擾往往在氣溫恢復(fù)平穩(wěn)變化后，觀測(cè)數(shù)據(jù)也會(huì)較快恢復(fù)到正常變化，當(dāng)外界氣溫劇烈變化時(shí)，間接影響到觀測(cè)室的溫度變化，并由此導(dǎo)致傳感器的傳導(dǎo)系數(shù)發(fā)生變化甚至影響到觀測(cè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。因此，加強(qiáng)觀測(cè)室的密閉保溫工作可以盡量減少外界氣溫帶來的影響。

2.3 降水干擾

降水干擾在水位觀測(cè)中最為常見，其在自然環(huán)境干擾事件中占比僅次于風(fēng)擾，由于水位變化受多重因素控制，不僅與降水的分布、大小、速率等因素有關(guān)，還與降雨滲入補(bǔ)給區(qū)的地形地貌、透水性、補(bǔ)給路徑有關(guān)[11]，因此降水量往往和造成地下流體觀測(cè)中的干擾不成比例。此外，降水也可能對(duì)同一觀測(cè)點(diǎn)的水溫、流量、水氡觀測(cè)數(shù)據(jù)造成干擾。典型事件：庫爾勒501泉?jiǎng)铀?016年7月9日09時(shí)00分～12時(shí)59分受強(qiáng)降雨影響(圖4a)，數(shù)據(jù)快速上升，上升幅度約0.02 m，13時(shí)轉(zhuǎn)為下降，較快恢復(fù)平穩(wěn)變化。同時(shí)期，庫爾勒501泉深層水溫受2016年7月7日和9日強(qiáng)降雨影響(圖4b)，數(shù)據(jù)出現(xiàn)快速上升變化，上升0.12 ℃，7月10日9時(shí)～14日23時(shí)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為緩慢下降變化，下降約0.11 ℃。

圖4 降水干擾觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線圖

通常，井水位對(duì)于降水干擾的響應(yīng)更為直接快速，降雨結(jié)束水位即可短期內(nèi)恢復(fù)到背景值，而深層水溫由于水溫探頭埋深較深，降水需要流經(jīng)漫長(zhǎng)的巖石裂隙，經(jīng)過一系列的水巖熱交換才能反應(yīng)到探頭所處含水層。因而，降水干擾未直接響應(yīng)到深層水溫的變化上，表現(xiàn)出一定的滯后性。

2.4 氣壓干擾

氣壓變化對(duì)地下流體觀測(cè)的影響具有一定的線性關(guān)系，同時(shí)還具有明顯的時(shí)間滯后性和記憶性特征。典型事件：2019年1月4日07時(shí)00分～23時(shí)59分新10井靜水位受到大風(fēng)干擾(圖5a)，數(shù)據(jù)變化形態(tài)出現(xiàn)較大噪聲干擾，最大變化幅度0.03 m。而距離新10井僅3 km處的新11井水位，同時(shí)期也出現(xiàn)較大噪聲(圖5b)，最大變化幅度0.01 m。兩口井雖然距離相近，水位變化形態(tài)也較相似，受到同一時(shí)期氣壓劇烈變化時(shí)，新10井水位中高頻干擾的頻率和幅度都大于新11井，兩井呈現(xiàn)出不同的響應(yīng)特征。

雖然氣壓干擾在水位觀測(cè)中最為常見，但影響的程度受到井孔系數(shù)、含水層參數(shù)、氣壓作用的滯后和延時(shí)常數(shù)等多重因素控制[12]。因此，每口井對(duì)氣壓的響應(yīng)呈現(xiàn)出各自的特征，而觀測(cè)井中的水位大幅擾動(dòng)通常也會(huì)引起該井中淺層水溫?cái)_動(dòng)。

2.5 雷電干擾

新疆區(qū)域地下流體臺(tái)網(wǎng)在經(jīng)歷多次臺(tái)站防雷改造后，雷電干擾在自然環(huán)境干擾中的比例已明顯下降，雷電干擾主要出現(xiàn)在水位和水溫觀測(cè)項(xiàng)目中。典型事件：2018年7月25日、7月31 日博樂新32井深層水溫兩次受到雷電影響(圖6)，造成數(shù)據(jù)曲線大幅快速下降，最大變化量為0.183 2 ℃。由于新32井觀測(cè)點(diǎn)周圍并未架設(shè)輔助觀測(cè)手段，只能依據(jù)當(dāng)?shù)赜邢薜臍庀筚Y料和臺(tái)站人員當(dāng)日觀察，推測(cè)新32井水溫此次畸變是雷電干擾所致。

圖6 博樂新32井深層水溫雷電干擾觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線圖

邱永平等研究發(fā)現(xiàn)，雷電越強(qiáng)，對(duì)水溫觀測(cè)資料的影響越大，影響的持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，反之越小，與雷電的持續(xù)時(shí)間無關(guān)，而引起的測(cè)值異常量可以是正常波動(dòng)值的一倍到數(shù)百倍，持續(xù)時(shí)間與影響程度沒有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系[13]。如果沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)雷電干擾，則較難與前兆異常區(qū)別。雖然目前無法通過輔助測(cè)項(xiàng)定量觀測(cè)雷電的大小，用以分析雷電干擾和觀測(cè)數(shù)據(jù)之間相關(guān)性，但隨著區(qū)域防雷改造項(xiàng)目的實(shí)施，只要按照技術(shù)規(guī)范架設(shè)相應(yīng)的防雷設(shè)施，就能最大程度避免此類干擾。

2.6 抽水干擾

隨著流體觀測(cè)點(diǎn)周圍工業(yè)和農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，抽水、灌溉、蓄水等影響在地下流體觀測(cè)中呈逐漸上升態(tài)勢(shì)[14-15]，由于此類干擾能在短時(shí)間內(nèi)打破觀測(cè)水點(diǎn)周圍的水源補(bǔ)給平衡，造成水位短期大幅快速變化，從而間接打破同井水溫探頭所處含水層的交換平衡。典型事件：新30井水位從2015年5月開始，受觀測(cè)點(diǎn)以西150 m森林公園人工湖不定期蓄水和排水影響(圖7a)，水位出現(xiàn)多次大幅階變，5月隨著人工湖內(nèi)水位的整體上漲，新30井水位也同步出現(xiàn)階升并維持高水位波動(dòng)變化，蓄水的干擾直到9月，人工湖內(nèi)水被排完方才結(jié)束；新30井流量也隨著水位的抬升逐漸增大，一直隨著水位波動(dòng)變化(圖7c)。2015年5月該井的深層水溫也由趨勢(shì)性上升轉(zhuǎn)為下降(圖7b),進(jìn)入7月中旬，新30井旁10 m處的黑山頭連日灌溉，造成山體飽和，下滲觀測(cè)井周邊，深層水溫又開始趨勢(shì)性轉(zhuǎn)折上升。.

圖7 抽蓄水干擾觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線圖

由此可見，地下水資源的開采與利用，對(duì)處于開發(fā)區(qū)域內(nèi)的淺層觀測(cè)項(xiàng)目較容易造成干擾，特別是抽水井含水層與觀測(cè)井含水層為同一含水層時(shí)，水位觀測(cè)受干擾情況最為顯著。由于抽排水干擾較難避免，且受觀測(cè)井所處區(qū)域內(nèi)經(jīng)濟(jì)工業(yè)發(fā)展需要，往往并非只有單一干擾源存在，只能在干擾發(fā)生后，通過現(xiàn)場(chǎng)異常核實(shí)才能確定干擾源，觀測(cè)項(xiàng)目恢復(fù)背景值也較為緩慢。

2.7 施工干擾

施工對(duì)地下流體觀測(cè)資料造成的干擾原因較為多樣，從統(tǒng)計(jì)的事件分析，主要有以下幾個(gè)原因：① 由于施工距離觀測(cè)水點(diǎn)較近，造成接入觀測(cè)系統(tǒng)的交直流電壓擾動(dòng)，從而觀測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)擾動(dòng)；② 由于重載設(shè)備進(jìn)入觀測(cè)點(diǎn)周圍施工，水點(diǎn)附近載荷突變引起的數(shù)據(jù)受擾；③ 由于施工維修改變?cè)杏^測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)致使數(shù)據(jù)變化。典型事件：① 2016年10月14日08：35～10：50新10井水位因觀測(cè)室內(nèi)鋪設(shè)地磚，施工結(jié)束后，新10井水位觀測(cè)系統(tǒng)整體抬升，影響井口高度，造成靜水位測(cè)值由1.02 m上升至1.12 m(圖8a)，后期數(shù)據(jù)觀測(cè)較快恢復(fù)平穩(wěn)。② 富蘊(yùn)新37泉?jiǎng)铀?017年8月3日10：25～13：30，因觀測(cè)室改造項(xiàng)目有大型施工車輛駛?cè)胗^測(cè)室附近進(jìn)行工程作業(yè)(圖8b)，主要有推土機(jī)和攪拌車進(jìn)場(chǎng)施工，車輛施工產(chǎn)生的載荷通過路基傳遞到地下含水層頂面時(shí)，含水層受力而使其變形引起孔隙壓力的變化，造成動(dòng)水位數(shù)據(jù)出現(xiàn)階變，由于施工載荷作用時(shí)間較短，僅僅十幾分鐘，工程作業(yè)結(jié)束后數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。

圖8 施工干擾觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線圖

施工造成的干擾一般較容易識(shí)別，當(dāng)施工開始時(shí)或者施工車輛進(jìn)入觀測(cè)點(diǎn)周圍時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)發(fā)生較為明顯的階變現(xiàn)象，施工結(jié)束后觀測(cè)數(shù)據(jù)一般可快速恢復(fù)正常，但這期間仍需要觀測(cè)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)并了解情況。

2.8 地表水滲入干擾

地表水主要指江、河、湖、渠、水庫以及工業(yè)廢水等滲入觀測(cè)水點(diǎn)造成的地下流體動(dòng)態(tài)干擾，其干擾作用機(jī)制可分為兩大類，一種是地表水體直接滲入補(bǔ)給引起的干擾[16-17]，另一種是地表水體的載荷作用引起的干擾。典型事件：紅雁池新09泉由于觀測(cè)室地處低洼并且密閉不嚴(yán)，2016年1月20日受到風(fēng)吹雪影響(圖9a)，造成取水樣時(shí)觀測(cè)點(diǎn)周圍的雪水混入，水氡測(cè)值突然下降。2016年2月28日～3月7日新09泉觀測(cè)點(diǎn)周圍因春季融雪水大量匯聚(圖9b)，當(dāng)?shù)乇矸e水高于泉點(diǎn)時(shí)，地表積水直接倒灌入泉點(diǎn)，致使新09泉電導(dǎo)率持續(xù)高值變化。地表水滲入的干擾較為明顯，干擾直接表現(xiàn)為測(cè)值大幅背離背景值，通過改造觀測(cè)室的條件可較好的避免類似情況發(fā)生。

圖9 地表水滲入干擾觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線圖

3 結(jié)論與討論

本研究通過統(tǒng)計(jì)近5年新疆區(qū)域地下流體數(shù)據(jù)跟蹤分析中的自然環(huán)境干擾和場(chǎng)地環(huán)境干擾事件，總結(jié)歸納了地下流體觀測(cè)中常出現(xiàn)的8種環(huán)境影響因素的特征，并嘗試探討不同環(huán)境影響因素的變化機(jī)理和可采取的防范措施。

地下流體觀測(cè)中的自然環(huán)境干擾。自然環(huán)境影響因素對(duì)地下流體觀測(cè)造成的干擾大多不可避免，但可以通過總結(jié)規(guī)律較好識(shí)別和剔除。其中，融雪干擾往往具有一定的季節(jié)性特征，可通過對(duì)比觀測(cè)資料歷年融雪影響的變化規(guī)律并結(jié)合當(dāng)?shù)氐纳郎厝谘┣闆r進(jìn)行剔除。降水、氣溫、氣壓的干擾對(duì)于淺層觀測(cè)項(xiàng)目干擾較為直接，干擾停止后觀測(cè)數(shù)據(jù)可較快恢復(fù)背景變化。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，降水干擾偶爾會(huì)對(duì)深層水溫觀測(cè)造成影響，但由于深層水溫探頭埋深較深，降水補(bǔ)給需要流經(jīng)漫長(zhǎng)的巖石裂隙，經(jīng)過一系列的水巖熱交換才能反應(yīng)到探頭所處含水層。因此，降水的干擾未能直接響應(yīng)到深層水溫的數(shù)據(jù)變化上，而是具有一定的滯后性。雷電干擾則通過近些年新疆地球物理臺(tái)網(wǎng)不斷進(jìn)行的防雷改造項(xiàng)目，目前可有效避免。

地下流體觀測(cè)中的場(chǎng)地環(huán)境干擾。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和臺(tái)站自身升級(jí)改造的需要，場(chǎng)地環(huán)境干擾越來越多的出現(xiàn)在各類觀測(cè)資料中。抽水(灌溉)干擾在所有場(chǎng)地環(huán)境干擾中占比58.6%，工農(nóng)業(yè)的開發(fā)使得部分臺(tái)站的觀測(cè)環(huán)境頻繁受到破壞，這往往是多種無規(guī)律干擾源并存且很難剔除的干擾，針對(duì)長(zhǎng)期受擾的臺(tái)站只能采取大面積刪除干擾數(shù)據(jù)，或最終選擇遷址重建。地下流體觀測(cè)中施工干擾較容易識(shí)別，通常由觀測(cè)臺(tái)站所處環(huán)境的升級(jí)改造造成，施工結(jié)束后觀測(cè)資料大都可快速恢復(fù)。觀測(cè)室密閉性不佳是地表水滲入地下流體臺(tái)站的主要原因，后期可通過觀測(cè)室改造避免此類干擾。

地下流體干擾數(shù)據(jù)庫的建立。通過對(duì)新疆區(qū)域地下流體環(huán)境干擾事件的梳理，已經(jīng)積累了8種不同類別干擾事件，依據(jù)前期積累，在今后數(shù)據(jù)跟蹤與分析中可快速對(duì)各類別事件進(jìn)行規(guī)范化歸類，推動(dòng)數(shù)字化地下流體海量數(shù)據(jù)的信息化處理進(jìn)程，直接反映地下流體學(xué)科變化現(xiàn)象和演變規(guī)律中各種地球物理觀測(cè)事件記錄，可大幅提高科研人員挖掘有效前兆數(shù)據(jù)的效率?；诖?，建議加大地下流體干擾因素研究力度，盡快建立新疆地區(qū)地下流體干擾數(shù)據(jù)庫，包含觀測(cè)環(huán)境、觀測(cè)條件(系統(tǒng))、人為干擾和不明原因等因素，有利于夯實(shí)數(shù)字化地震地下流體臺(tái)網(wǎng)的基礎(chǔ)處理能力，更加有效的發(fā)揮新疆區(qū)域數(shù)據(jù)跟蹤分析產(chǎn)品的應(yīng)用研究功能。