張 昱，劉小鳳， 邵輝成，常千軍，陳 瑤

（1.甘肅省地震局，甘肅 蘭州 730000； 2.陜西省地震局，陜西 西安 710068）

甘肅地區(qū)“十五”數(shù)字化水溫觀測及其地震前兆監(jiān)測效能評估

張 昱1，劉小鳳1， 邵輝成2，常千軍1，陳 瑤1

（1.甘肅省地震局，甘肅 蘭州 730000； 2.陜西省地震局，陜西 西安 710068）

對甘肅地區(qū)已建成的 “十五”數(shù)字化水溫觀測點的年、月、日動態(tài)特征以及主要影響數(shù)字化學溫資料的干擾因素進行了分析，結果發(fā)現(xiàn)，多數(shù)井點的資料比較連續(xù)可靠，多數(shù)井水溫觀測年動態(tài)正常穩(wěn)定。數(shù)字化水溫觀測中目前較為突出的問題是，個別井點水溫動態(tài)中存在較大幅度的脈沖、突變，個別井點還有斷記。根據(jù)以往的震例總結，多數(shù)井點有可能識別出破年變?yōu)闃酥镜闹衅谇罢桩惓?，月動態(tài)規(guī)律清楚的井點，有可能在短期前兆監(jiān)測中發(fā)揮效能。部分井點有可能在階變和脈沖為特征的短臨異常識別中發(fā)揮作用。并提出了進一步發(fā)揮井水溫度觀測監(jiān)測效能的若干建議。

井水溫度；動態(tài)特征；監(jiān)測效能；甘肅地區(qū)

引言

地熱方法是研究地球熱狀態(tài)，特別是地殼淺部表層熱狀態(tài)及其隨時間變化與地震活動關系的一種地震預報方法。主要是測量深井水溫微動態(tài)變化，是標志地下水物理狀態(tài)的重要參數(shù)之一。

根據(jù)震源熱力學理論和對地震熱前兆的研究，地震與水溫關系密切。地震的孕育與發(fā)生伴隨著不同方式的熱效應，從而引起地熱場的重新分布和變化[1]。而這些變化會導致溫度的變化，這種由孕震過程中應力增強或減弱引起的溫度異常變化是可以通過觀測得到的。這就是我們目前所觀測的水溫異常?？梢娝疁赜^測不僅對于探索地震前兆，而且對于深入研究地震成因都具有十分重要的意義。目前，水溫觀測作為傳統(tǒng)地球物理學的一個重要分支，在理論上已日益成熟和完善，水溫觀測與研究取得了豐富的資料和可喜的預報效果。但觀測結果與觀測環(huán)境、條件有相當大的關系，觀測對象、觀測深度不同，其結果也存在明顯差異[1]。

地震水溫前兆觀測和研究在我國起步較晚，早期的觀測主要集中在云南地區(qū)和首都圈，觀測數(shù)據(jù)主要是整點值[2]。數(shù)字化水溫觀測自1987年11月瀾滄-耿馬7.6級地震之前取得一批短臨異常以來，在我國地震監(jiān)測與預測中已成為重要的測項，而且取得了一批有科學價值的資料[3]。

1 “十五”甘肅數(shù)字化水溫觀測概況

甘肅地區(qū)的水溫觀測最早始于1996年8月平?jīng)鯟11井[4]，采用SZW-1A型數(shù)字溫度計觀測水溫?！笆濉逼陂g中國地震局對水溫觀測臺網(wǎng)進行了改造，甘肅地區(qū)也新增了很多測點，正式運行已有三年的時間。本文對甘肅地區(qū) “十五”數(shù)字化水溫觀測資料進行了系統(tǒng)的清理分析，特別是對數(shù)字化水溫觀測的現(xiàn)狀及其地震前兆監(jiān)測效能做了初步的探討和評估，并對目前影響數(shù)字化水溫觀測資料動態(tài)特征的干擾因素進行了分析。

“十五”期間甘肅地區(qū)數(shù)字化水溫觀測由兩個項目承建，分別為甘肅前兆臺網(wǎng)和天祝前兆臺陣，共有9個井點，13個測項。前兆臺網(wǎng)分別是武都樊壩、成縣、清水溫泉、清水李溝、臨夏 （1號井）；天祝前兆臺陣分別為永登鶯鴿、臨夏 （2號井），景泰蘆陽和古浪橫梁（分別在190 m、110 m、50 m深度有3個水溫探頭）等測點。其中武都樊壩、清水溫泉、清水李溝、臨夏 （1號井）、永登鶯鴿、景泰蘆陽、古浪橫梁、臨夏 （1號井）均為流體綜合觀測井。圖1為部分測點觀測曲線。

圖1 臨夏(1)、清水、成縣井水溫觀測曲線Fig.1 The observation curve of water temperature in Linxia,Qingshui and Chengxian

數(shù)字化水溫觀測采用兩種儀器，分別為SZW-2A型數(shù)字化水溫儀和ZKGD型數(shù)字化水溫儀，儀器由兩部分組成，一部分是水溫傳感器，另一部分是數(shù)字記錄器。SZW-2A型和ZKGD型數(shù)字化水溫儀采樣率高，信息量大，人為觀測誤差小，自動化程度高，資料傳遞快速。表1給出了甘肅地區(qū)十五地下水溫數(shù)字化觀測點 （井）的基本概況。

表1 數(shù)字化水溫測點基本概況Table 1 The basic situation of digital water temperature measurement points

2 水溫動態(tài)分析

表2 數(shù)字化水溫年變幅度統(tǒng)計表Table 2 The statistical table of digital water temperature amplitude

2.1 水溫年動態(tài)分析

井水溫的年動態(tài)曲線是以月均值為基礎繪制的。對所有井點資料的分析結果表明，成縣、清水溫泉、清水李溝、臨夏 （1號井）、臨夏 （2號井）、景泰等多數(shù)井點的數(shù)字化水溫資料可以看出年變規(guī)律，即使是有干擾或缺數(shù)的武都、永登、古浪井點也能看出年變規(guī)律。這些井點的井水溫度年動態(tài)曲線類型多種多樣，形態(tài)特征復雜，有平穩(wěn)型、漸升型、緩降型、波動型、年變型、或在波動和緩降的基礎上表現(xiàn)出年變形態(tài)。圖2所示為不同類型的年變曲線。

圖2 甘肅地區(qū)井水溫的月均值動態(tài)類型Fig.2 The dynamic type of monthly mean value of well temperature in Gansu region

表2為各井點2007～2009年井水溫度年變幅統(tǒng)計。從表2中可以看出，各個井點井水溫的年變幅度不同，即使是同一井點或者是同一井點不同深度年變幅度也有差別，年變幅小者約為0.0 009℃，年變幅大者約為0.1 718℃。另外，從表2中還可以知道，年變幅最大的是古浪井點，剛開始觀測儀器不穩(wěn)定，導致2007年年變幅度較大。

根據(jù)以往的震例[5]，井水溫度中期前兆異常的基本特征是年動態(tài)規(guī)律發(fā)生變化，如年變形態(tài)變化、轉折時間變化、升或降的速度變化等。因此，有年動態(tài)規(guī)律的井點在未來中強以上地震監(jiān)測中有可能捕捉到以井水溫動態(tài)的不正常轉折與年動態(tài)類型變化為標志的中期前兆異常[3]。此外，有缺數(shù)或干擾的幾個井點也有可能在中期監(jiān)測中發(fā)揮一定的作用。

2.2 水溫月動態(tài)分析

水溫月動態(tài)分析是在以日均值為基礎繪制的曲線上進行的，分析的基本內容是月動態(tài)規(guī)律性及其變化幅度。主要分析其1個月的時間尺度上是否有規(guī)律可循，把漸升、漸降、平穩(wěn)的變化作為有規(guī)律的變化標志，把無規(guī)律起伏、階變、明顯的脈沖作為無規(guī)律變化的標志。這樣做使有規(guī)律變化的動態(tài)曲線上有可能識別出轉折、階變、脈沖等地震短期前兆異常[6]。

對所有井點的資料，我們選取2008年以來數(shù)據(jù)連續(xù)的月份進行分析，其結果表明，多數(shù)井點的水溫資料月動態(tài)規(guī)律清楚，古浪、武都的資料個別時段由于突變而引起月動態(tài)規(guī)律不清楚，其余時間月動態(tài)規(guī)律還是比較清楚。月動態(tài)曲線形態(tài)主要有平穩(wěn)上升型、波動上升型、平穩(wěn)波動型和緩慢下降等類型，因此，甘肅地區(qū)多數(shù)井點的 “十五”數(shù)字化井水溫觀測有可能在地震中短期或短期前兆監(jiān)測中發(fā)揮作用[3]。

2.3 水溫日動態(tài)分析

水溫日動態(tài)分析是在以時均值或分鐘值為基礎繪制的曲線上進行的。分析的內容是日動態(tài)規(guī)律及其變化幅度。所有資料的分析結果表明，成縣、清水溫泉、清水李溝、臨夏 （1號井）、臨夏 （2號井）井點日變幅度較??；景泰50 m個別時段、古浪110 m個別時段、永登部分時段的日變幅較大；武都水溫資料干擾大、突變多，日變幅度太大，多數(shù)時段日動態(tài)不明顯。根據(jù)以往的震例，井水溫短臨階變前兆異常的表現(xiàn)有下列三種形式：一是出現(xiàn)較大階變與脈沖；二是日變幅度發(fā)生顯著變化；三是日變規(guī)律發(fā)生明顯改變[6]。按照這樣的思路，甘肅地區(qū) “十五”數(shù)字化水溫觀測資料，在地震短臨前兆監(jiān)測中有可能發(fā)揮效能的井點是成縣、清水溫泉、清水李溝、臨夏 （1號井）、臨夏 （2號井）；在地震短臨前兆監(jiān)測中有可能發(fā)揮一定效能的井點是永登、景泰、古浪；武都井點在地震短臨前兆監(jiān)測中很難發(fā)揮其效能[3]。

圖3 甘肅地區(qū)井水溫的日均值動態(tài)類型Fig.3 The dynamic type of daily mean value of well temperature in Gansu region

3 數(shù)字化水溫觀測資料的應用與分析

3.1 數(shù)字化水溫資料的應用

根據(jù)水溫數(shù)字化資料的變化特征，主要采用差分分析、數(shù)字濾波、去趨勢等方法進行異常的分析與提取。

對數(shù)字化水溫觀測的原始值 （分鐘值）分析的方法是，采用一般多項式擬合的方法對原始觀測值進行濾波，分解為相對低頻變化的部分與高頻變化的部分。在濾波后得到的低頻數(shù)值動態(tài)曲線上，分析日變規(guī)律的穩(wěn)定性與日變幅度大小，然后查有無明顯的階變動態(tài)；在高頻數(shù)值的動態(tài)曲線上分析數(shù)據(jù)的短期穩(wěn)定性，分析有無明顯的脈沖狀動態(tài)，查超過二倍均方差 （＞2δ）和超過三倍均方差值 （＞3δ）的脈沖狀異常。如前所述，井水溫的短臨階變前兆異常表現(xiàn)有三種形式：一是出現(xiàn)較大階變與脈沖；二是日變幅度發(fā)生顯著變化；三是日變規(guī)律發(fā)生明顯改變[6]，我們可以根據(jù)這幾種異常形態(tài)來判斷資料是否存在短臨異常。

3.2 數(shù)字化水溫觀測資料的震時和震后效應

地下流體同震效應研究是揭示地殼介質對應力－應變過程響應最有效和直接的手段之一，前人對水位同震變化已有過不同程度的研究，水溫的同震響應現(xiàn)象由于受到觀測方法的限制，近20年來才引起地震學家的關注，其機理的研究目前也處于探討階段，而且比較復雜，提出的響應機制主要有冷水下滲說、熱彌散說和氣體溢出說[7～10]，各觀點均具有合理性，但哪種機理更具普適性和合理性，有待更進一步的研究。另外，前人研究的水溫同震響應特征，多數(shù)以水溫階變下降為主[7～9、11]，個別也有上升。

自2008年以來全球發(fā)生多次MS7.0以上地震，筆者對水溫測點的資料做了分析，多數(shù)井點只有2008年四川汶川地震時有明顯的同震效應，其余地震的同震效應不明顯。這也說明水溫的同震效應受多種因素的制約。該地震時，臨夏兩個井點、古浪井點50 m資料同震效應不明顯，永登資料有干擾，其余資料均有比較明顯的同震效應。其形態(tài)多數(shù)井點為快速下降－之后緩慢恢復，景泰50 m資料這段時間雖然有干擾，但還是有明顯的同震效應（與其余兩個深度時間同步），其形態(tài)為快上－快下－快上－緩慢恢復，成縣井點為快速下降－快速上升－緩慢恢復，武都為快速上升－快速恢復，只有清水李溝在15日完全恢復，其余井點均在當天恢復，圖4為部分井點記錄的同震效應典型曲線。

圖4 不同測點記錄到汶川地震同震效應曲線Fig.4 The co－seismic effectcurve of Wenchuan earthquake recorded at the different positions

4 數(shù)字化水溫資料主要影響因素分析

筆者對所有水溫資料進行過分析，發(fā)現(xiàn)其觀測資料主要有兩種變化，即脈沖型和突變型 （臺階變化），直觀分析這些變化基本不屬地震前兆異常。這種變化大部分是儀器故障引起的，人為因素很少，主要有電壓瞬間不穩(wěn)、突然斷電、數(shù)采器故障、傳輸?shù)纫鹩^測值的不正常變化，這些因素影響數(shù)值大幅度變化的機理有待進一步研究。對于這些不正常非客觀的資料動態(tài)，因其形態(tài)特征各異，引起的原因有待進一步分析。另外，古浪井水溫資料缺數(shù)主要是由于停電引起的 （測點采用的是農用電，容易停電），這樣就會斷記，引起缺數(shù)，希望在今后能解決該問題。

5 結論與討論

（1）甘肅地區(qū) “十五”數(shù)字化水溫觀測目前共有9個井點，13個測項 （景泰和古浪兩口井分別在不同深度有3個溫度探頭）。這9個井點中成縣、清水溫泉、清水李溝、臨夏（1號井）4個井點的資料比較連續(xù)、穩(wěn)定、可靠，可以直接使用，占總數(shù)的44.4%。臨夏（2號井）、景泰 （3個深度）2個井點的資料除個別時段儀器故障外，其余時段也比較連續(xù)穩(wěn)定，也可以直接使用，共占66.7%。永登2008年6月之前缺數(shù)較多，之后資料比較連續(xù)，武都樊壩分鐘值資料干擾較大，突變較多，古浪橫梁 （3個深度）資料缺數(shù)較多，但經(jīng)過處理后還是可以使用的。觀測質量明顯高于 “九五”數(shù)字化水溫觀測。

（2）數(shù)字化水溫資料以月均值為基礎繪出年動態(tài)曲線，分析結果表明，資料較好的井點，數(shù)字化水溫資料均能看出年動態(tài)規(guī)律，即使是個有干擾或缺數(shù)的井點也能看出年動態(tài)規(guī)律。

（3）數(shù)字化水溫資料以日均值為基礎繪出月動態(tài)曲線，分析結果表明，多數(shù)井點的水溫資料月動態(tài)規(guī)律清楚，即使是有干擾和突變的武都和永登井點，只有個別月份月動態(tài)規(guī)律不清楚，其余時間月動態(tài)規(guī)律還是比較明顯。

（4）以分鐘值或時均值為基礎繪出的日動態(tài)曲線分析結果表明，觀測資料日變幅度小，基本無明顯的干擾和突變的5個井點，在地震短臨前兆監(jiān)測中有可能發(fā)揮效能；資料有缺數(shù)、部分時段日變幅度較大的3個井點，在地震短臨前兆監(jiān)測中有可能發(fā)揮一定效能；觀測資料干擾大、突變多的武都井點，在地震短臨前兆監(jiān)測中很難發(fā)揮其效能[3]。另外，多數(shù)井點能記錄某些大震的同震效應。

（5）數(shù)字化水溫觀測中，還需要解決以下一些問題：①確保所有臺站全部能夠正常運行；②確保已運行的臺站，都能全時程產出連續(xù)可靠的數(shù)據(jù)，在我們今后的地震監(jiān)測預報中發(fā)揮更好的作用；③水溫觀測數(shù)據(jù)中，個別測點存在一些突變或脈沖，應及早對引起正常時段產出不正常和無規(guī)律動態(tài)的各類干擾及引起階變、脈沖等 “異常”的原因進行調查與分析，這是水溫在地震短期和短臨前兆監(jiān)測中與真正的異常夾雜在一起時難區(qū)分的問題；進一步改進觀測技術，改善觀測環(huán)境，提高臺站維護管理的技術水平；④另外還有一個特別值得重視的問題，就是有部分水溫觀測儀器的時鐘系統(tǒng)可能存在問題，因為所記錄的2008年汶川地震的同震效應時間超前，是在14時23分或24分發(fā)生變化的，肯定是時鐘系統(tǒng)長時間的誤差或者安裝儀器時時間校正不準引起的。這樣才會使我們的數(shù)字化水溫觀測質量在各個方面能上一個臺階。對今后更多更長時間的資料做統(tǒng)計分析，加強對數(shù)字化資料的深入分析和研究，總結出更有價值適合數(shù)字化資料的異常提取指標和異常識別方法，更好地為地震預報服務。

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Abstract：This paper analyzed the digital observation data of water temperature from"The Tenth-Five-Year" stations,including the yearly,monthly and daily dynamic characteristics of the digital water temperature and some main influence factors to water temperature in the digital observation.The results showed that the data from most well points were reliable,and annual variation of digital water temperature observation were regular and stable.Currently,the main problem in digital water temperature observation was that there was a big pulse-amplitude,abrupt shifts and interrupt logging in dividual point.According to earthquake cases before,we can distinguish the mid-term precursor of earthquake in most well points with the symbol of broken annual variation and the short-term precursor of earthquake in some well points with clear monthly dynamic feature.Some well points with step variation and pulse may act on identification of short-impending.The paper also gave some suggestions on well water temperature monitoring in order to exert efficiency more in this paper.

Keywords：Well-water-temperature;Dynamic characteristics;Monitoring efficiency;Gansu region

“The Tenth-Five-Year”Digital Observation of Water Temperature and Monitoring Efficiency Evaluation of Earthquake Precursor in Gansu Region

ZHANG Yu1,LIU Xiaofeng1,SHAO Huicheng2,CHANG Qianjun1,CHEN Yao1
(1.Earthquake Administration of Gansu Province,Lanzhou 730000,China; 2.Earthquake Administration of Shanxi Province,Xi'an 710068,China)

P315.723

A

1001-8662（2010）04-0001-09

2010-02-20

中國地震局震情跟蹤合同制定向工作任務 “南北地震帶北段大震危險性強化跟蹤研究”.甘東南-陜甘寧地震重點危險區(qū)及鄰區(qū)強震危險性分析及跟蹤研究 （2010010110）

張昱，女， 1963年生，高級工程師.主要從事地下流體地震分析預報等研究. E-mail:zhangy@gssb.gov.cn