雙王井數(shù)字化觀測資料前兆及干擾異常分析＊

方 園 白翔宇 楊 魁 何 昕 潘存英

（陜西省地震局， 陜西西安 710068）

0 引言

我國地下流體前兆學科具有龐大的觀測體系，觀測點達1000多個，表現(xiàn)出監(jiān)測與映震優(yōu)勢[1]。隨著地下流體觀測技術的發(fā)展，我國地下流體觀測已經(jīng)發(fā)展到數(shù)字化階段，各地下流體臺站也已經(jīng)積累了大量的觀測資料。對地下流體資料的分析研究及應用為推動地震分析預報的發(fā)展提供了重要的方法途徑。

目前對地下流體觀測資料的分析及研究，主要集中在以下3個方面： ① 在已經(jīng)排除是干擾影響，確認為地震前兆異常的基礎上針對其映震能力等的研究[2-4]； ② 確認為異常干擾的特征分析研究[5-6]； ③ 地下流體觀測資料的質量評估[7-8]。關于地下流體資料分析的3個研究方向，第3個方向是前兩個方向的研究基礎，確保了映震能力評估的準確性和可靠性。為了推動地震分析預測的發(fā)展，近年來關于地下流體資料干擾及震前異常分析及映震能力的研究越來越受到科研人員的重視。

因此，本文結合前人研究基礎，利用雙王井地下流體觀測數(shù)據(jù)，對渭南雙王井觀測資料中的動態(tài)趨勢變化、固體潮特征、同震變化與震前異常等進行分析，研究其反映的信息及觀測資料特點，評估其監(jiān)測效能，以期為今后渭南及周邊地區(qū)地震分析預報和異常核實提供一些參考。

1 雙王井基本情況

雙王井隸屬于陜西省地震局，屬省級地震臺站。臨渭雙王地震監(jiān)測站位于渭南市臨渭區(qū)雙王村，地理坐標為（34.51°N，109.46°E），高程為345 m。觀測井位于渭河斷陷盆地中央隱伏斷裂帶北側（圖1），屬于渭河雙王曲流段高岸的二級階地。所在位置構造地貌為黃土臺塬，地層為第四系更新統(tǒng)—全新統(tǒng)沖積砂、砂礫石夾粉細砂與亞粘土互層孔隙裂隙潛水巖組，為中等富水地層（圖2）。地下水埋藏類型屬于河谷階地孔隙潛水及承壓水區(qū)，即上部為沖積層潛水，下部為沖湖積層承壓水，水位一般是5～30 m，流量一般為100～1000 t/d，地下水徑流模數(shù)為2.5～3.07萬m3/(a?km2)[9]。

圖1 雙王井所處構造位置Fig.1 Structural position of Shuangwang well

圖2 雙王井柱狀剖面圖Fig.2 Columnar profile of Shuangwang well

2 井口裝置及觀測儀器

陜西省地震局2007年完成了對雙王井的全面數(shù)字化改造。水位觀測采用LN-3A型水位儀，2017年更換為中國地震局地殼應力研究所生產(chǎn)的SWYII型水位儀；水溫觀測采用北京中科光大有限責任公司研制生產(chǎn)的ZKGD 3000 NT型水溫儀。水位傳感器位于井口以下14.9 m處。

3 資料分析

3.1 趨勢變化特征

3.1.1 觀測資料年動態(tài)特征分析

（1）水位年動態(tài)特征分析。水位觀測資料的年動態(tài)變化類型大體可以分為趨勢上升型、下降型、起伏型和平穩(wěn)型。對雙王井的水位日觀測資料進行分析，發(fā)現(xiàn)雙王井靜水位資料年動態(tài)呈現(xiàn)起伏型。水位形態(tài)總體復雜，基本表現(xiàn)為1—3月或4月上升，3月或4—9月下降，9—12月上升。動態(tài)過程呈起伏變化，年變幅度為1.81～2.07 m不等。2017年9—12月，由于儀器故障，刪除錯誤數(shù)據(jù)后導致記錄缺數(shù)（圖3）。

圖3 2007—2021水位長趨勢圖Fig.3 Water level trend from 2007 to 2021

（2）水溫年動態(tài)特征分析。水溫的年或多年變化類型主要有緩升型、緩降型、起伏型和平穩(wěn)型等，其中緩升型和緩降型的趨勢較為常見。對雙王井水溫觀測資料進行分析后發(fā)現(xiàn)，盡管干擾較為嚴重，仍可看出水溫年動態(tài)屬于平穩(wěn)型，年變幅度不足0.01℃。2016年更換儀器后，由于儀器零漂，水溫的年動態(tài)呈現(xiàn)下降型，年變幅度約為0.1℃（圖4）。

圖4 2007—2021水溫長趨勢圖Fig.4 Water temperature trend from 2007 to 2021

3.1.2 降水量影響

本地降雨對水位變化的影響不大，從短期來看基本上沒有降雨影響。雙王井北距渭河約3 km，渭河水位變化對水位觀測資料影響明顯（圖5）。由于近年渭南地區(qū)降水量與渭河流量的逐年增加，地下水開采量逐年減少，地表補給加大，渭南市城區(qū)地下水位正在逐年上升，雙王井水位從2019年9月—2021年12月累計上升2.966 m，年平均上升幅度達0.989 m。

圖5 2007—2021年渭河水位與雙王水位對比圖Fig.5 Comparison of water level of Wei river and Shuangwang well from 2007 to 2021

3.2 固體潮特征

井水固體潮效應是體應變固體潮的次生效應[10]。井水位固體潮效應的機理為地殼在日、月起潮力的作用下，導致地殼內(nèi)部發(fā)生潮汐變形和含水層變化，進而使裂隙水壓發(fā)生變化，導致水位隨之產(chǎn)生有規(guī)律的升降變化[7]。雙王井能觀測到的固體潮形態(tài)清晰，潮汐效應較為顯著，可以較好的反映出地殼應力應變的情況（圖6）。

圖6 雙王井固體潮效應圖Fig.6 Solid earth tidal effect time series of Shuangwang well

3.3 同震變化特征

地下流體同震效應是揭示地殼介質對應力—應變過程響應最有效和最直接的方式之一，井水位和井水溫同震效應能夠間接反映地震發(fā)生時的地下介質應變和孔隙壓的變化特征[11]。地下水位的同震變化形態(tài)主要包括震蕩、階變以及上升和下降變化。本文結合雙王井2007年6月1日—2021年12月31日的水位數(shù)據(jù)資料，對國內(nèi)發(fā)生的MS6.0以上地震以及陜西省境內(nèi)發(fā)生的MS3.0以上地震進行分析，發(fā)現(xiàn)雙王井觀測資料記錄到了一些強震前較為明顯的同震響應。對于部分地震有一定的前兆異常表現(xiàn)，如水位在汶川8.0級地震表現(xiàn)出上升的變化；在青海瑪多7.4級地震和四川青川6.4級地震時表現(xiàn)出脈沖型跳變；在新疆于田7.3級地震表現(xiàn)出水震波的變化（圖7）。

圖7 水位同震響應曲線圖Fig.7 Coseismic response curves of well level

水溫的同震響應也是研究地殼應力應變變化過程的方式之一，其主要特征為階降和階升。通過對雙王井水溫資料的分析，發(fā)現(xiàn)除汶川8.0級地震表現(xiàn)出下降—保持低值—上升型形態(tài)外（圖8），幾乎其他地震的同震效應均不明顯。

圖8 2008年5月12—13日汶川地震水溫同震響應曲線圖Fig.8 Water temperature coseismic response curve of Wenchuan earthquake on May 12—13，2008

3.4 地震前兆異常特征

關于前兆資料映震能力范圍，許多學者進行過研究總結，由于各測點地質結構的復雜性和地震震源機制等的不確定性，一些學者給出了前兆資料映震能力大概的定量范圍。根據(jù)王燕等[12]對映震效能的研究結果，認為選取震中距小于700 km的8級地震，震中距小于500 km的7級地震，震中距小于400 km的6級地震，震中距小于300 km的5級地震作為研究對象較為合理。沿襲該思路，同時對雙王井周邊發(fā)生的MS＞3.0、震中距小于200 km的地震進行篩選（時間上從數(shù)字化觀測之始到2021年12月31日，在符合震中距條件下，時間間隔相近的地震只統(tǒng)計正式速報早的地震目錄），并對所選地震目錄及震中距進行統(tǒng)計（表1）。雙王井水位和水溫資料均未出現(xiàn)明顯的地震前兆異常。

表1 雙王井周邊發(fā)生的MS3.0以上地震參數(shù)Table 1 Parameters of MS＞3.0 earthquakes around Shuangwang well

對于該現(xiàn)象，筆者查詢了相同時間陜西地區(qū)涇陽、三原、鳳翔、洛南和石泉地下流體觀測站相同時間內(nèi)的水溫水位資料，發(fā)現(xiàn)有些井在地震前曲線出現(xiàn)了異于常態(tài)的變化，而有的井并未記錄到明顯的地震前兆異常。查閱各觀測井相關信息，推測可能與觀測井所處的構造地質環(huán)境及水文地質條件有關，而同一臺站的不同觀測井，由于深度與結構有所不同，其中一口井記錄到了清晰的異常曲線，另一口井保持原動態(tài)趨勢，認為可能與觀測井的結構也存在一定的相關性。

3.5 無震異常分析

數(shù)字化地下水位觀測經(jīng)常受到各種干擾因素的影響，有時候出現(xiàn)大幅度的升降變化，并不一定是地震前兆異?；蚴怯傻卣鸹顒右鸬模灿锌赡転槠渌蓴_因素造成的異常動態(tài)[13]。

2021年4月10日17時—2021年4月12日14時，雙王井水位大幅度下降0.253 m，之后數(shù)據(jù)緩慢回升。經(jīng)工作人員現(xiàn)場調查，對比同時段周鄰臺站數(shù)據(jù)資料并對水位進行校測，排除了自然環(huán)境、觀測系統(tǒng)和地球物理事件的干擾，初步認定是由雙王井周邊玫瑰園施工抽水影響所致。與施工項目部交流后了解到，為建造生活館及室內(nèi)游泳池，施工隊在雙王井南側不足500 m處建造了9個抽水井。聯(lián)系施工方索要水位數(shù)據(jù)后，將臺站水位日均值數(shù)據(jù)與施工方給予的水位數(shù)據(jù)進行對比繪圖，發(fā)現(xiàn)其形態(tài)變化基本一致（圖9）。2021年后期多次水位突降經(jīng)核實均與周邊施工抽水有關。

圖9 雙王井與施工方水位數(shù)據(jù)對比圖Fig.9 Comparison of water level data between Shuangwang well and the constructor

4 結論與討論

（1）雙王井的封閉條件與含水層承壓性較好，水位觀測數(shù)據(jù)受降雨影響不大，與渭河水位變化關系密切，其年變規(guī)律為夏低冬高。水位與水溫的原始數(shù)據(jù)曲線無法判斷雙王井所處含水層系統(tǒng)在地震前是否發(fā)生了應力狀態(tài)的變化。

（2）臺站周邊地下水的開采對臺站數(shù)據(jù)質量影響較大。由于近年渭南地區(qū)降水量與渭河流量的逐年增加，地下水開采量逐年減少，地表補給加大，渭南市城區(qū)地下水位正在逐年上升，使得水位數(shù)據(jù)近年來呈現(xiàn)起伏上升的年動態(tài)，說明雙王井與淺層取水有一定關系。

（3）水溫資料記錄的同震響應相較于水位而言數(shù)量要少，僅汶川地震時出現(xiàn)了水溫的同震響應，推測是由于地震引起的水位變化幅度未達到雙王井的水溫同震響應觸發(fā)閾值所致。

（4）雙王井的水位、水溫資料基本較為穩(wěn)定連續(xù)，能夠記錄到地球物理信息，其觀測數(shù)據(jù)可以為今后地震分析預報提供科學的參考依據(jù)。

致謝

本文得到了課題指導老師趙小茂和陜西地震臺劉潔的指導，以及渭南市地震監(jiān)測與服務中心預報科科長霍艷艷同志的幫助；審稿專家對本文提出了修改意見和建議，在此一并表示衷心感謝。