張明哲，王靜，凌燕，羅娜，田勤，解真，張波

(河北省地震局紅山基準(zhǔn)臺，河北 邢臺 054000)

0 引 言

河北地震前兆臺網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)跟蹤分析工作于2012 年開始試行，2014年底正式納入省級年度觀測資料質(zhì)量評比范圍[1]。邢臺地震臺地下流體觀測產(chǎn)出了多年連續(xù)、準(zhǔn)確、高質(zhì)量的觀測數(shù)據(jù)，但隨著環(huán)境的改變、儀器的老化、更新?lián)Q代等影響，干擾因素也逐漸增多。提供真實可靠的觀測資料是監(jiān)測工作的主要職能之一，提供更豐富的前兆數(shù)據(jù)產(chǎn)品為地震預(yù)測預(yù)報和相關(guān)科學(xué)研究提供數(shù)據(jù)服務(wù)[2-3]，是臺站的工作目標(biāo)。本文基于2015～2019年的數(shù)據(jù)跟蹤分析工作，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5個方面，總結(jié)和歸納各類干擾因素對觀測數(shù)據(jù)的影響，探究邢臺地震臺地下流體觀測典型干擾因素及形態(tài)特征，直觀了解影響邢臺地震臺地下流體觀測質(zhì)量的主要因素，為觀測資料應(yīng)用研究提供參考，也為其他臺站同類干擾事件提供參考和依據(jù)。

1 邢臺地震臺地下流體概況

邢臺地震臺有3口流體井觀測站，分別為衡水冀16井觀測站、辛集冀21井觀測站和寧晉冀22井觀測站(以下簡稱衡水井、辛集井和寧晉井)，涉及水位、水溫和氣象三要素測項，共10套儀器、16個測項分量(衡水井配備ZKGD3000地下水?dāng)?shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)、ZKGD3000-NT水溫儀和RTP-Ⅱ氣象三要素儀；辛集井配備ZKGD3000-NL水位儀、ZKGD3000-NT水溫儀、SW40-1 水位儀和WYY-1氣象三要素儀；寧晉井配備ZKGD3000-NL水位儀、ZKGD3000-NT水溫儀和WYY-1氣象三要素儀)。數(shù)字化水位觀測儀器共3套。水溫儀器共3套，人工模擬水位觀測儀器 1 套，氣象三要素儀器3套。觀測資料連續(xù)率和完整率較高。

圖1 邢臺地震臺地下流體觀測站點(diǎn)分布

其中，衡水井位于華北平原沉降帶冀中鋤陷新河凸起高點(diǎn)上，衡水?dāng)嗔褞У哪蟼?cè)，太行山前斷裂帶和百尺口斷裂帶東側(cè)；辛集井位于華北平原沉降帶，冀中拗陷寧晉凸起東側(cè)斜坡上，其東為束鹿凹陷；寧晉井位于華北沉降帶束鹿凹陷西斜坡南部，東西向構(gòu)造斷裂帶，臺站分布見圖1。

2 跟蹤分析記錄產(chǎn)出

基于2015～2019年衡水井、辛集井和寧晉井跟蹤分析記錄事件產(chǎn)出，共將前兆觀測數(shù)據(jù)形態(tài)分為7大類，分別為正常動態(tài)、觀測系統(tǒng)、自然環(huán)境、場地環(huán)境、人為干擾、地球物理事件和不明原因，共產(chǎn)出事件199條(不包含正常事件)。其中，正常動態(tài)的分析為數(shù)據(jù)分析提供了參考背景，非正常動態(tài)中前 5 類都是對數(shù)據(jù)變化原因進(jìn)行干擾排查，不明原因類數(shù)據(jù)變化則分為疑似地震異常和不明原因兩類[3]。邢臺地震臺3口井?dāng)?shù)據(jù)跟蹤分析事件分類統(tǒng)計見表 1、表2、表3。

表1 事件統(tǒng)計

表2 測項事件統(tǒng)計

由表1可以看出，邢臺地震臺地下流體觀測主要受自然環(huán)境、場地環(huán)境和人為干擾影響，受影響比例分別為45.73%、28.64%和18.09%。但受影響天數(shù)較長的是場地環(huán)境、人為干擾和自然環(huán)境干擾。由表2可以看出，在邢臺地震臺地下流體觀測中，水位測項比水溫測項更容易受到干擾。由表3得出，衡水井受干擾最多，占比達(dá)51.76%；其次是辛集井，占比30.15%；寧晉井受干擾程度最小，占比為18.09%。

3 典型干擾特征分析

3.1 觀測系統(tǒng)故障事件

2015～2019年邢臺地震臺地下流體觀測共記錄到觀測系統(tǒng)事件5條，故障類型以主機(jī)裝置故障、供電故障及井口裝置故障為主。觀測曲線的表現(xiàn)形態(tài)為錯誤數(shù)據(jù)和曲線臺階變化。例如2019年5月10日辛集井SW40-1 水位儀觀測中，因模擬儀器滾筒故障造成數(shù)據(jù)大幅度階變。

圖2 辛集井SW40-1 水位儀觀測值受干擾曲線(2019年5月)

3.2 自然環(huán)境干擾事件

自然環(huán)境因素包括大風(fēng)、雷電、降雨、氣壓和溫濕度等[4]。由表1可知，自然環(huán)境干擾是影響邢臺地震臺地下流體觀測的最主要因素，其中以氣壓和風(fēng)擾為主，而降雨對3個流體井均沒有影響。氣壓和風(fēng)擾觀測曲線變化通常與該時段氣壓波動變化同步，表現(xiàn)形態(tài)主要有固體潮畸變和噪聲變大等，氣壓穩(wěn)定后數(shù)據(jù)恢復(fù)正常形態(tài)。水位對氣壓響應(yīng)機(jī)理前人已有成熟的理論，劉國俊等指出氣壓變化引起井孔水位變化是通過井孔和含水層間滲流來實現(xiàn)的。當(dāng)大氣壓變化時，井孔中的水流向含水層或含水層中的水流向井孔，從而在曲線上表現(xiàn)出上下波動和畸變等形態(tài)[5]。例如2019年8月15日，辛集井所在地均出現(xiàn)氣壓的大幅波動，造成水位觀測數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)畸變，時間與氣壓波動時間基本一致(圖3)。

圖3 氣壓干擾曲線(2019年8月)

圖4 衡水井水位儀抽水干擾(2016年8月)

圖5 水位儀、水溫儀人為干擾曲線

3.3 場地環(huán)境干擾事件

場地環(huán)境干擾雖然占比不大，但影響總天數(shù)是最長的，嚴(yán)重影響觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量。從2015～2019年跟蹤分析記錄及表3中可以看出，受場地環(huán)境干擾的是衡水井水位測項。衡水井水位經(jīng)常出現(xiàn)大幅波動現(xiàn)象，呈現(xiàn)急速下降后上升的“漏斗”狀固體潮階變形態(tài)，羅娜等通過對比觀測、環(huán)境調(diào)查及抽水試驗發(fā)現(xiàn)此干擾是由觀測井周邊養(yǎng)魚場一口冷水井抽水所致[6]。此干擾主要影響時間在2016年，自2017年后衡水井水位便不再受抽水干擾，但仍需密切關(guān)注。2016年8月衡水井連續(xù)受到抽水影響，出現(xiàn)多次階升階降變化形態(tài)，最大變化幅度達(dá)0.677 4 m(圖5)。

3.4 人為干擾事件

邢臺地震臺地下流體人為干擾主要以校測、下放(提升)傳感器、采集水樣和水溫梯度實驗等為主，干擾持續(xù)的時間通常較短，對觀測曲線造成的影響主要有突跳、錯誤數(shù)據(jù)以及固體潮畸變等。人為干擾有些是無法避免的，如下放(提升)傳感器、采集水樣及水溫梯度實驗必然會造成觀測數(shù)據(jù)的波動、產(chǎn)生錯誤數(shù)據(jù)等。

2017年5月3日～4日工作人員對衡水井進(jìn)行水溫梯度試驗，造成數(shù)據(jù)有規(guī)律的間隔突跳變化，持續(xù)時間較長，最大變化幅度0.019 8 m，但整體固體潮形態(tài)沒有被破壞，如圖5(a)。2018年3月20日采集辛集井內(nèi)水樣，產(chǎn)生錯誤數(shù)據(jù)，工作人員對錯誤數(shù)據(jù)做刪除處理，如圖5(b)。2019年9月20日和21日分別對辛集井、寧晉井進(jìn)行水位校測工作，造成辛集井水位產(chǎn)生錯誤數(shù)據(jù)，寧晉井水溫數(shù)據(jù)出現(xiàn)短時下降變化，后逐漸恢復(fù)正常，如圖5(c)和(d)。

3.5 地球物理事件

地球物理事件記錄主要反映前兆臺網(wǎng)響應(yīng)的短期地球運(yùn)動與變化過程[7]。邢臺地震臺地下流體觀測記錄的地球物理事件均為地震同震事件，曲線動態(tài)形態(tài)為震蕩型。邢臺地震臺地下流體水位測項比水溫測項記錄同震能力靈敏，由表2可知水位記錄同震占比達(dá)78.95%。衡水井是3口流體井中最靈敏的觀測井，由表3可知記錄同震占比61.41%。其次為辛集井，占比38.6%，而寧晉井幾乎記錄不到同震效應(yīng)。地震波引起水位震蕩的機(jī)理前人已有諸多成熟明確的研究結(jié)論，地震波作用于含水層時，出現(xiàn)孔隙壓力的改變，孔隙在一定范圍內(nèi)壓縮與拉張，導(dǎo)致井與含水層之間水流的流動，出現(xiàn)了水位震蕩現(xiàn)象[8-9]。井水位的同震效應(yīng)能力也反映出含水層所在斷裂帶滲透性的強(qiáng)弱，因此衡水井、辛集井和寧晉井所在地斷裂帶的滲透性研究也可作為今后一個研究探討的方向。同震效應(yīng)圖見圖6。

圖6 衡水井水位儀同震曲線(2017年9月8日)

4 結(jié) 論

(1)邢臺地震臺地下流體觀測干擾影響較大的觀測井為衡水井，占比51.76%。其次為辛集井，占比30.15%。寧晉井受影響最小，也從側(cè)面反映出寧晉井對同震、氣壓等因素反應(yīng)不靈敏。

(2)邢臺地震臺地下流體主要受自然環(huán)境、場地環(huán)境和人為干擾影響，受影響比例分別為45.73%、28.64%和18.09%，但受影響天數(shù)較長的是由場地環(huán)境、人為和自然環(huán)境引起的干擾。

(3)在邢臺地震臺地下流體觀測中，水位觀測比水溫觀測更容易受到干擾。

(4)通過對2015～2019年跟蹤分析事件的梳理，歸納出觀測系統(tǒng)故障主要是辛集井SW40-1 人工模擬水位儀器老化造成的；自然環(huán)境事件中主要影響因素是氣壓；場地環(huán)境事件中主要影響因素是衡水井的抽水影響，此影響因素仍需密切關(guān)注；人為干擾事件中主要影響因素是水位校測以及采集水樣；地球物理事件中主要影響因素是地震。

(5)數(shù)據(jù)跟蹤分析產(chǎn)品可以準(zhǔn)確判定觀測數(shù)據(jù)變化的影響因素，可對臺站改造、儀器升級以及地球物理異常判斷及觀測資料應(yīng)用研究等提供參考依據(jù)。