張秀萍,王曰風(fēng),王志敏,鄭 毅,李 峰,張廣莉

(1.河北省地震局張家口中心地震臺(tái)， 河北 張家口 075000；2.河北省地震局赤城地震臺(tái)，河北 赤城 075500；3.河北省地震局陽原地震臺(tái)，河北 陽原 075800)

·觀測(cè)分析·

河北赤城地震臺(tái)水溫觀測(cè)對(duì)比分析

張秀萍1,王曰風(fēng)1,王志敏2,鄭 毅1,李 峰1,張廣莉3

(1.河北省地震局張家口中心地震臺(tái)， 河北 張家口 075000；2.河北省地震局赤城地震臺(tái)，河北 赤城 075500；3.河北省地震局陽原地震臺(tái)，河北 陽原 075800)

對(duì)赤城地震臺(tái)同一觀測(cè)深度上兩套數(shù)字式溫度計(jì)的觀測(cè)資料運(yùn)用曲線擬合、離散等方法進(jìn)行分析得出，兩套儀器產(chǎn)出的觀測(cè)數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，溫度變化趨勢(shì)特征一致，能反映井下溫度的變化；兩套水溫觀測(cè)儀進(jìn)行同層溫度的對(duì)比觀測(cè)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常時(shí)影響因素的排查，有益于震前異常的準(zhǔn)確判定。

水溫觀測(cè)；對(duì)比分析；前兆異常

0 引言

地?zé)崆罢追椒ㄊ峭ㄟ^研究地球熱狀態(tài)，特別是地表層的熱狀態(tài)及其隨時(shí)間的變化進(jìn)行地震預(yù)報(bào)[1]。用于地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)和科學(xué)研究的地?zé)崆罢子^測(cè)，主要技術(shù)途徑是精密的溫度測(cè)量。溫度是一個(gè)獨(dú)立的物理量，在深井中較容易實(shí)現(xiàn)精密測(cè)量。目前,地?zé)崆罢子^測(cè)主要通過深井水溫和泉水溫觀測(cè)，測(cè)量水平地?zé)釄?chǎng)隨時(shí)間的變化，深井溫度變化非常微小，地?zé)嵊^測(cè)儀器必須具備高靈敏度、高穩(wěn)定性，地?zé)崆罢子^測(cè)儀器的溫度分辨率應(yīng)在0.000 1 ℃，短期穩(wěn)定性要達(dá)到0.000 1 ℃，年穩(wěn)定性應(yīng)達(dá)到0.01 ℃。20世紀(jì)80年代，隨著我國高精度石英溫度計(jì)的研制成功與推廣應(yīng)用，利用觀測(cè)深井水溫來研究地下水微溫度場(chǎng)變化的工作獲得明顯進(jìn)展，深井水溫觀測(cè)已成為我國地震監(jiān)測(cè)中的一個(gè)重要測(cè)項(xiàng)。

對(duì)于每個(gè)臺(tái)站的水溫測(cè)點(diǎn)，只有了解其正常動(dòng)態(tài)特征，才能準(zhǔn)確提取地震前兆異常信息。付子忠認(rèn)為[2]，地?zé)岙惓．a(chǎn)生的主要原因有以下幾方面：第一是觀測(cè)系統(tǒng)受到外界干擾，如儀器故障、臺(tái)站供電故障、儀器相互間的干擾等；第二是觀測(cè)環(huán)境受到干擾，如抽水等；第三為深部因素，主要分為附加地?zé)釄?chǎng)因素和其他地球物理因素，其中附加地?zé)釄?chǎng)也就是地?zé)崆罢桩惓?。由此可見，若想從地?zé)釘?shù)據(jù)異常中提取地震前兆信息，必先排除第一、二方面的干擾。相對(duì)而言，通過對(duì)比觀測(cè)，可排除觀測(cè)系統(tǒng)的干擾；對(duì)于觀測(cè)環(huán)境影響因素，可通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、結(jié)合水位觀測(cè)或臨時(shí)架設(shè)輔助觀測(cè)來排除。因此，為準(zhǔn)確識(shí)別赤城臺(tái)水溫觀測(cè)異常，對(duì)臺(tái)站的兩套溫度觀測(cè)系統(tǒng)多年的觀測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比分析。

1 臺(tái)站觀測(cè)條件概況

赤城地震臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱赤城臺(tái))水溫測(cè)點(diǎn)位于臺(tái)站附近地質(zhì)構(gòu)造，屬于陰山—燕山東西向構(gòu)造帶的中部與新華系構(gòu)造體系懷來盆地東北邊緣的構(gòu)造復(fù)合部位。測(cè)點(diǎn)附近的主要斷裂有集寧—凌源斷裂帶(尚義—平泉段)、大興安嶺—太行山斷裂帶(上黃旗—烏龍溝段)和豐寧—隆化斷裂，距離稍遠(yuǎn)的主要有南側(cè)的懷涿盆地北緣斷裂、延慶礬山盆地北緣斷裂、西側(cè)的張家口斷裂等(見圖1)。井深約70 m。赤城井水溫觀測(cè)有水溫(地?zé)帷獋鞲衅鰽)、水溫1(地?zé)?—傳感器B)兩套儀器，分別置于井下53 m、57 m處，兩套儀器并行觀測(cè)，型號(hào)均為SZW—1A數(shù)字溫度計(jì)，分辨率為0.000 1 ℃。多年的觀測(cè)數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定，曲線形態(tài)相似，呈逐年緩慢下降的態(tài)勢(shì)。在正常時(shí)段，地溫觀測(cè)背景值較平穩(wěn)，日變幅一般在0.001 ℃以內(nèi)。

圖1 赤城地震臺(tái)水溫測(cè)點(diǎn)地質(zhì)構(gòu)造圖Fig.1 The geological structure of water temperature observation point at Chicheng seismic station

2 觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析[3]

赤城臺(tái)兩套水溫觀測(cè)儀器，在“十五”數(shù)據(jù)庫中以測(cè)點(diǎn)5、測(cè)點(diǎn)9區(qū)分，儀器探頭深度分別為53 m、57 m，儀器工作頻率、采樣率均一致。

由圖2看出，該井兩套儀器的年動(dòng)態(tài)曲線呈線性下降變化，對(duì)2014—2015年的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行差值計(jì)算，兩個(gè)傳感器間接近恒定相差0.565 04 ℃。

由于研究重點(diǎn)是對(duì)兩個(gè)傳感器資料進(jìn)行對(duì)比，所以必須考慮兩者的趨勢(shì)變化是否一致及兩者差值離散度的大小。若趨勢(shì)一致，且均值在允許誤差內(nèi)，即可；不一致，采取平移曲線后，再分析其差值的離散度。

2.1 曲線擬合

由于儀器和測(cè)區(qū)環(huán)境的影響，測(cè)量數(shù)據(jù)存在系統(tǒng)誤差，因此尋求一個(gè)近似表達(dá)式y(tǒng)=f(x)來反映數(shù)據(jù)變化的規(guī)律。這種數(shù)據(jù)擬合方法需要解決兩個(gè)問題：一是選擇什么類型的函數(shù)；二是如何確定擬合函數(shù)中的參數(shù)。數(shù)學(xué)模型建立在合理假設(shè)的基礎(chǔ)上，假設(shè)的合理性首先體現(xiàn)在選擇某種類型的擬合函數(shù)，使之符合數(shù)據(jù)變化的趨勢(shì)(總體的變化規(guī)律)，擬合函數(shù)的選擇比較靈活，可選線性函數(shù)、多項(xiàng)式函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、三角函數(shù)或其他函數(shù)，由數(shù)據(jù)分布的趨勢(shì)作出選擇。根據(jù)赤城臺(tái)水溫觀測(cè)曲線的“直線型” 漂移特征，選擇線性函數(shù)進(jìn)行擬合計(jì)算。

圖2 赤城地震臺(tái)水溫觀測(cè)正常動(dòng)態(tài)曲線Fig.2 The normal dynamic curve of water temperature observation at Chicheng seismic station

曲線擬合是將兩個(gè)傳感器各自的數(shù)據(jù)擬合成曲線來確定一個(gè)一元函數(shù)y=f(x)，使傳感器產(chǎn)出值與曲線變化的趨勢(shì)盡量接近。圖3為兩個(gè)傳感器2014年9月1日至2015年12月31日的日均值，進(jìn)行計(jì)算及曲線擬合的結(jié)果。

圖3 赤城地震臺(tái)水溫觀測(cè)儀兩傳感器數(shù)據(jù)擬合曲線Fig.3 The observation data fitting curves of two sensors at Chicheng seismic station

兩個(gè)傳感器的擬合曲線公式為：

傳感器Ay=-0.000 02x+12.203 91，

(1)

傳感器By=-0.000 02x+11.638 87。

(2)

從式(1)和(2)看出，兩條曲線的斜率一致，截距相差0.565 04。由此得出，兩個(gè)傳感器的趨勢(shì)一致，均值相差0.565 04 ℃，通過曲線平移，可將兩條曲線完全重合。

2.2 相關(guān)性分析[4]

相關(guān)性分析是指對(duì)兩個(gè)或多個(gè)具備相關(guān)性的變量元素進(jìn)行分析，從而衡量?jī)蓚€(gè)變量因素的相關(guān)密切程度。假設(shè)兩個(gè)序列：

X：x1，x2，…，xn

(3)

Y：y1,y2,…,yn

(4)

根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，兩個(gè)序列之間的相關(guān)系數(shù)為：

(5)

。

(6)

相關(guān)系數(shù)r的取值范圍為-1≤r≤1，r各種取值的意義為：r=1，序列X和Y是線性正相關(guān);r=-1，序列X和Y是線性負(fù)相關(guān)；r=0，序列X和Y不相關(guān)；0

計(jì)算得出，傳感器A的自相關(guān)系數(shù)為0.971，傳感器B的為0.969，兩個(gè)傳感器間的相關(guān)系數(shù)為0.989。相關(guān)系數(shù)都接近1，說明兩個(gè)傳感器的產(chǎn)出資料具有很好的一致性。

2.3 離散分析

離散程度是評(píng)價(jià)觀測(cè)變量各個(gè)取值之間的差異程度的指標(biāo)，其中最常用的主要有極差、標(biāo)準(zhǔn)差等幾種。標(biāo)準(zhǔn)差是反映一組數(shù)據(jù)離散程度最常用的一種量化形式，離散度分析主要應(yīng)用于傳感器之間的差值，即兩個(gè)傳感器的產(chǎn)出分鐘值相減(大值減小值，結(jié)果為正)，然后對(duì)其結(jié)果分析極差和標(biāo)準(zhǔn)差等(見圖4)。

圖4 兩傳感器觀測(cè)數(shù)據(jù)差值曲線Fig.4 The observation data difference of two sensors at Chicheng seismic station

從圖4看出，兩個(gè)傳感器間的觀測(cè)數(shù)據(jù)序列差值的最大與最小值分別是-0.561 50和-0.567 10，極差為0.005 6，該時(shí)段數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)方差為0.002 6。

上述可知，無論從兩條曲線的斜率與相關(guān)性，還是兩條曲線差的離散度來分析，采取同一井孔、同一觀測(cè)深度、同一觀測(cè)時(shí)間，相同的兩套地?zé)醿x的對(duì)比觀測(cè)，可以保證地?zé)崆罢子^測(cè)系統(tǒng)的可靠性，可依據(jù)兩者的資料確定地?zé)岙惓Ｊ欠駷橛^測(cè)系統(tǒng)所引起。

3 水溫觀測(cè)映震能力與特征分析[5]

對(duì)赤城臺(tái)水溫測(cè)點(diǎn)周圍2007年1月至2017年3月發(fā)生的地震按震級(jí)、震中距進(jìn)行梳理(數(shù)據(jù)來源：河北省地震局地震編目系統(tǒng)網(wǎng)站)，總結(jié)分析水溫觀測(cè)異常與地震的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

震例一：2014年4月23日兩套儀器觀測(cè)曲線開始出現(xiàn)同步快速上升變化，27日傳感器A、B分別升至最大值12.204 80和11.640 6，之后開始下降，出現(xiàn)2次波動(dòng)型的上升—下降變化特征(見圖5)，最大波動(dòng)幅度分別達(dá)0.003 78 ℃、0.004 92 ℃，7月5日恢復(fù)正常的“降溫”型年變規(guī)律，該異常持續(xù)約70天，2個(gè)月后發(fā)生9月6日的河北張家口涿鹿縣ML4.8地震，震中距70 km。

圖5 河北張家口涿鹿縣ML4.8地震前赤城臺(tái)水溫曲線Fig.5 The water temperature at Chicheng seismic station before Zhuolu ML4.8 earthquake in Zhangjiakou, Hebei province

震例二：2013年5月10日兩套儀器觀測(cè)曲線出現(xiàn)同步下降，30日下降至最低點(diǎn)恢復(fù)，傳感器A、B下降幅度分別達(dá)0.002 56 ℃、0.005 62 ℃，6月18日恢復(fù)至正常水平，異常變化特征為“快速下降—轉(zhuǎn)平—快速上升—轉(zhuǎn)平”(見圖6)，該異常持續(xù)約40天，之后65天發(fā)生8月23日河北張家口蔚縣ML3.2地震，震中距116 km。

圖6 河北張家口蔚縣ML3.2地震前赤城臺(tái)水溫曲線Fig.6 The water temperature at Chicheng seismic station before Yuxian ML3.2 earthquake in Zhangjiakou, Hebei province

震例三：2007年9月15日兩套儀器觀測(cè)曲線開始出現(xiàn)同步下降，11月10日下降至最低點(diǎn)開始恢復(fù)，下降幅度達(dá)0.001 52 ℃，12月初恢復(fù)至正常水平，異常變化特征為“快速下降—轉(zhuǎn)平—快速上升—轉(zhuǎn)平”(見圖7)，該異常持續(xù)約60天，之后120天發(fā)生2008年8月23日河北張家口懷來縣ML3.6地震，震中距52 km。

圖7 河北張家口懷來縣ML3.6地震前赤城臺(tái)水溫曲線Fig.7 The water temperature at Chicheng seismic station before Huailai ML3.6 earthquake in Zhangjiakou, Hebei province

通過對(duì)典型震例的分析，初步得出該測(cè)點(diǎn)的地溫地震異常指標(biāo)：

(1) 地溫測(cè)值上升或下降的幅度一般要超過0.003 ℃。

(2) 發(fā)震時(shí)間一般在異常出現(xiàn)后的3～6個(gè)月內(nèi)。

(3) 水溫觀測(cè)曲線的異常形態(tài)有“震蕩型上下波動(dòng)”“快速上升—轉(zhuǎn)平—快速下降”“快速下降—轉(zhuǎn)平—快速上升”“快速上升—轉(zhuǎn)平”，異常幅度一般為0.003～0.012 ℃。

4 結(jié)論

(1) 赤城臺(tái)兩套水溫儀觀測(cè)的溫度總變化趨勢(shì)、變化形態(tài)甚至在細(xì)節(jié)方面均一致，通過平移兩條曲線基本重合，同層觀測(cè)的相關(guān)系數(shù)接近于1，在同一井孔同一深度用兩套觀測(cè)設(shè)備能得到更可靠的溫度觀測(cè)資料。

(2) 當(dāng)臺(tái)站的水溫觀測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)，有必要進(jìn)行兩套儀器的對(duì)比分析，查找引起異常的原因。

(3) 赤城臺(tái)水溫測(cè)點(diǎn)的地溫異常與周圍地震有一定的對(duì)應(yīng)，初步認(rèn)為該測(cè)點(diǎn)地震異常表現(xiàn)為快速上升或下降，幅度超過0.003 ℃，異常時(shí)間一般為3～6個(gè)月,映震范圍一般在測(cè)點(diǎn)周圍100 km范圍內(nèi)。

[1] 中國地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司.地震地下流體理論基礎(chǔ)與觀測(cè)技術(shù)(試用本)[M].北京:地震出版社，2007:10-112.

[2] 付子忠.地?zé)釀?dòng)態(tài)觀測(cè)與地震前兆[G]//地殼構(gòu)造與地殼應(yīng)力文集.北京:地震出版社,1988:85-92.

[3] 李國佑,白占孝,張 敏.德令哈地震臺(tái)水溫對(duì)比觀測(cè)分析[J].地震研究，2014，37(S1)：68-71.

[4] 邱永平.寧波地震臺(tái)ZK03井水溫平行觀測(cè)資料的對(duì)比分析[J].中國地震，2011，27(4)：431-437.

[5] 陳沅俊.地溫測(cè)點(diǎn)的映震能力及特征分析[G]//地殼構(gòu)造與地殼應(yīng)力文集，1999：85-91.

TheComparativeAnalysisofWaterTemperatureObservationDataatChichengSeismicStationinHebei

ZHANGXiu-ping1,WANGYue-feng1,WANGZhi-min2,ZHENGYi1,LIFeng1,ZHANGGuang-li3

(1.ZhangjiakouCentralSeismologicalStationofHebeiEarthquakeAgency,Zhangjiakou,Hebei075000,China;2.ChichengSeismicStationofHebeiEarthquakeAgency,Chicheng,Hebei075500,China;3.YangyuanSeismicStationofHebeiEarthquakeAgency,Yangyuan,Hebei075800,China)

The observation data of two sets of digital thermometers at the same depth at Chicheng seismic station are analyzed by curve-fitting and discretization. The observation data of two sets of instruments are reliable, and the temperature variation trend is consistent, and both of them can show the change of the temperature underground. The comparison of two sets of thermometers' data at the same depth can troubleshoot factors, and it is benefit to the anomaly judgment before earthquake.

Water temperature observation; Comparative analysis; Precursory anomaly

1000-6265(2017)03-0009-04

2017-03-27

河北省地震局2016年星火計(jì)劃項(xiàng)目(DZ2016030012)。

張秀萍(1974— )，女，甘肅省民勤縣人。2000年畢業(yè)于河北地質(zhì)學(xué)院，高級(jí)工程師。

P315.72

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