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)

地震地下流體觀測是以捕捉地震異常為主要目標的地下流體觀測量的動態(tài)觀測。而地下流體觀測不僅僅觀測到想獲得的地震異常信息，同時還會觀測到一些與地震無關(guān)的信息[1-3]。因此，排除非地震因素引起的觀測量異常變化很必要。車用太等提出評估流體觀測環(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]；孫小龍等運用有限差分法計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，儀器運行過程中會受到多種因素的影響，不可避免的致使部分非構(gòu)造因素摻雜于觀測數(shù)據(jù)中。2014年8月數(shù)據(jù)跟蹤分析工作正式進入常態(tài)化分析和完善階段，一線觀測人員可以通過數(shù)據(jù)跟蹤分析工作平臺及時發(fā)現(xiàn)和分析前兆異常，并為科研預(yù)報人員提供準確及時的服務(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象，將這些影響觀測質(zhì)量的環(huán)境干擾因素進行分類分析，并給出典型的干擾圖像，研究流體觀測資料干擾的識別和排除方法，以期提高地下流體臺網(wǎng)對地震的監(jiān)測效能。

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項密度較大，占全疆流體測項的44%(圖1)。區(qū)域內(nèi)地下流體測項涵蓋水位、水溫、流量、氡、汞、斷層氣和多種水化學氣體、離子組分。

圖1 研究區(qū)地下流體臺網(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24個臺站57套地下流體儀器進行數(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)境干擾事件和場地環(huán)境干擾事件兩類。經(jīng)統(tǒng)計發(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(風擾)、氣溫、雷電干擾，共計214條記錄；場地環(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)計表

下面將針對這8類不同環(huán)境干擾進行典型事件例舉，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，以便為后期對各類事件進行快速識別歸類提供參考。在氣候交替和社會工農(nóng)業(yè)的發(fā)展影響下，自然環(huán)境干擾和場地環(huán)境干擾始終伴隨在地下流體觀測中。在所有環(huán)境干擾因素中氣壓(風擾)對地下流體觀測造成的干擾記錄最多，占比為46.1%，總計146條事件記錄；而在所有地下流體觀測中受干擾最多的測項為水位，占比為70.7%，總計224條事件記錄，這與水位在新疆地下流體臺網(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，冬春交季之時融雪影響尤為顯著[8]，每年2月下旬隨著氣溫的回升，融雪量逐漸增多，水位、動水位和流量等測項受干擾最為明顯，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日達到峰值，上升0.612 m；同時期，新10泉流量(圖2b)和動水位(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。對比當?shù)氐臍鉁刈兓闆r，結(jié)合現(xiàn)場異常核實，此次三測項同步快速上升變化主要由于春季氣溫快速回升，導致融雪量劇增，融化的雪水補給到泉點從而造成干擾，當融雪量達到極大值后，各測項也開始同步緩慢波動下降。

圖2 融雪干擾觀測數(shù)據(jù)曲線圖

2.2 氣溫干擾

氣溫干擾是由觀測環(huán)境溫度變化引起觀測系統(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)到觀測數(shù)據(jù)中，常見于水溫觀測中，淺層水溫由于傳感器埋深較淺，受氣溫干擾一般較明顯。氣溫干擾也會偶見于動水位和痕量氫[9-10]，由于此類干擾較為少見，將這兩個觀測項目的干擾事件做為典型事件進行例舉。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泉動水位(圖3a)觀測室溫度過低導致其泄流口結(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，觀測系統(tǒng)才恢復(fù)正常工作。② 2017年8月12日23時～13日7時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)與氣溫曲線對比發(fā)現(xiàn)，觀測室溫度快速下降，痕量氫濃度上升，觀測室溫度上升，則痕量氫濃度下降。

圖3 氣溫干擾觀測數(shù)據(jù)曲線圖

氣溫干擾往往在氣溫恢復(fù)平穩(wěn)變化后，觀測數(shù)據(jù)也會較快恢復(fù)到正常變化，當外界氣溫劇烈變化時，間接影響到觀測室的溫度變化，并由此導致傳感器的傳導系數(shù)發(fā)生變化甚至影響到觀測系統(tǒng)的正常運行。因此，加強觀測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中最為常見，其在自然環(huán)境干擾事件中占比僅次于風擾，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)，還與降雨滲入補給區(qū)的地形地貌、透水性、補給路徑有關(guān)[11]，因此降水量往往和造成地下流體觀測中的干擾不成比例。此外，降水也可能對同一觀測點的水溫、流量、水氡觀測數(shù)據(jù)造成干擾。典型事件：庫爾勒501泉動水位2016年7月9日09時00分～12時59分受強降雨影響(圖4a)，數(shù)據(jù)快速上升，上升幅度約0.02 m，13時轉(zhuǎn)為下降，較快恢復(fù)平穩(wěn)變化。同時期，庫爾勒501泉深層水溫受2016年7月7日和9日強降雨影響(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～14日23時，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為緩慢下降變化，下降約0.11 ℃。

圖4 降水干擾觀測數(shù)據(jù)曲線圖

通常，井水位對于降水干擾的響應(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

氣壓變化對地下流體觀測的影響具有一定的線性關(guān)系，同時還具有明顯的時間滯后性和記憶性特征。典型事件：2019年1月4日07時00分～23時59分新10井靜水位受到大風干擾(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，受到同一時期氣壓劇烈變化時，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常數(shù)等多重因素控制[12]。因此，每口井對氣壓的響應(yīng)呈現(xiàn)出各自的特征，而觀測井中的水位大幅擾動通常也會引起該井中淺層水溫擾動。

2.5 雷電干擾

新疆區(qū)域地下流體臺網(wǎng)在經(jīng)歷多次臺站防雷改造后，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)在水位和水溫觀測項目中。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井觀測點周圍并未架設(shè)輔助觀測手段，只能依據(jù)當?shù)赜邢薜臍庀筚Y料和臺站人員當日觀察，推測新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數(shù)據(jù)曲線圖

邱永平等研究發(fā)現(xiàn)，雷電越強，對水溫觀測資料的影響越大，影響的持續(xù)時間越長，反之越小，與雷電的持續(xù)時間無關(guān)，而引起的測值異常量可以是正常波動值的一倍到數(shù)百倍，持續(xù)時間與影響程度沒有明顯的對應(yīng)關(guān)系[13]。如果沒有及時發(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項定量觀測雷電的大小，用以分析雷電干擾和觀測數(shù)據(jù)之間相關(guān)性，但隨著區(qū)域防雷改造項目的實施，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

隨著流體觀測點周圍工業(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中呈逐漸上升態(tài)勢[14-15]，由于此類干擾能在短時間內(nèi)打破觀測水點周圍的水源補給平衡，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，受觀測點以西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，一直隨著水位波動變化(圖7c)。2015年5月該井的深層水溫也由趨勢性上升轉(zhuǎn)為下降(圖7b),進入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，下滲觀測井周邊，深層水溫又開始趨勢性轉(zhuǎn)折上升。.

圖7 抽蓄水干擾觀測數(shù)據(jù)曲線圖

由此可見，地下水資源的開采與利用，對處于開發(fā)區(qū)域內(nèi)的淺層觀測項目較容易造成干擾，特別是抽水井含水層與觀測井含水層為同一含水層時，水位觀測受干擾情況最為顯著。由于抽排水干擾較難避免，且受觀測井所處區(qū)域內(nèi)經(jīng)濟工業(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)場異常核實才能確定干擾源，觀測項目恢復(fù)背景值也較為緩慢。

2.7 施工干擾

施工對地下流體觀測資料造成的干擾原因較為多樣，從統(tǒng)計的事件分析，主要有以下幾個原因：① 由于施工距離觀測水點較近，造成接入觀測系統(tǒng)的交直流電壓擾動，從而觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)擾動；② 由于重載設(shè)備進入觀測點周圍施工，水點附近載荷突變引起的數(shù)據(jù)受擾；③ 由于施工維修改變原有觀測系統(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井水位因觀測室內(nèi)鋪設(shè)地磚，施工結(jié)束后，新10井水位觀測系統(tǒng)整體抬升，影響井口高度，造成靜水位測值由1.02 m上升至1.12 m(圖8a)，后期數(shù)據(jù)觀測較快恢復(fù)平穩(wěn)。② 富蘊新37泉動水位2017年8月3日10：25～13：30，因觀測室改造項目有大型施工車輛駛?cè)胗^測室附近進行工程作業(yè)(圖8b)，主要有推土機和攪拌車進場施工，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，含水層受力而使其變形引起孔隙壓力的變化，造成動水位數(shù)據(jù)出現(xiàn)階變，由于施工載荷作用時間較短，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 施工干擾觀測數(shù)據(jù)曲線圖

施工造成的干擾一般較容易識別，當施工開始時或者施工車輛進入觀測點周圍時觀測數(shù)據(jù)會發(fā)生較為明顯的階變現(xiàn)象，施工結(jié)束后觀測數(shù)據(jù)一般可快速恢復(fù)正常，但這期間仍需要觀測人員及時發(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)廢水等滲入觀測水點造成的地下流體動態(tài)干擾，其干擾作用機制可分為兩大類，一種是地表水體直接滲入補給引起的干擾[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泉由于觀測室地處低洼并且密閉不嚴，2016年1月20日受到風吹雪影響(圖9a)，造成取水樣時觀測點周圍的雪水混入，水氡測值突然下降。2016年2月28日～3月7日新09泉觀測點周圍因春季融雪水大量匯聚(圖9b)，當?shù)乇矸e水高于泉點時，地表積水直接倒灌入泉點，致使新09泉電導率持續(xù)高值變化。地表水滲入的干擾較為明顯，干擾直接表現(xiàn)為測值大幅背離背景值，通過改造觀測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數(shù)據(jù)曲線圖

3 結(jié)論與討論

本研究通過統(tǒng)計近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)境干擾和場地環(huán)境干擾事件，總結(jié)歸納了地下流體觀測中常出現(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理和可采取的防范措施。

地下流體觀測中的自然環(huán)境干擾。自然環(huán)境影響因素對地下流體觀測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，可通過對比觀測資料歷年融雪影響的變化規(guī)律并結(jié)合當?shù)氐纳郎厝谘┣闆r進行剔除。降水、氣溫、氣壓的干擾對于淺層觀測項目干擾較為直接，干擾停止后觀測數(shù)據(jù)可較快恢復(fù)背景變化。經(jīng)統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，降水干擾偶爾會對深層水溫觀測造成影響，但由于深層水溫探頭埋深較深，降水補給需要流經(jīng)漫長的巖石裂隙，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網(wǎng)不斷進行的防雷改造項目，目前可有效避免。

地下流體觀測中的場地環(huán)境干擾。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和臺站自身升級改造的需要，場地環(huán)境干擾越來越多的出現(xiàn)在各類觀測資料中。抽水(灌溉)干擾在所有場地環(huán)境干擾中占比58.6%，工農(nóng)業(yè)的開發(fā)使得部分臺站的觀測環(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，針對長期受擾的臺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。地下流體觀測中施工干擾較容易識別，通常由觀測臺站所處環(huán)境的升級改造造成，施工結(jié)束后觀測資料大都可快速恢復(fù)。觀測室密閉性不佳是地表水滲入地下流體臺站的主要原因，后期可通過觀測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各類別事件進行規(guī)范化歸類，推動數(shù)字化地下流體海量數(shù)據(jù)的信息化處理進程，直接反映地下流體學科變化現(xiàn)象和演變規(guī)律中各種地球物理觀測事件記錄，可大幅提高科研人員挖掘有效前兆數(shù)據(jù)的效率?；诖耍ㄗh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，包含觀測環(huán)境、觀測條件(系統(tǒng))、人為干擾和不明原因等因素，有利于夯實數(shù)字化地震地下流體臺網(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。