邢臺(tái)地震臺(tái)數(shù)字化水位監(jiān)測(cè)效能分析

張明哲 王 靜 凌 燕 張 波 張朋杰

（中國(guó)河北 054000 河北省地震局紅山基準(zhǔn)臺(tái)）

0 引言

地震地下流體觀測(cè)一直是地震地球物理觀測(cè)的重要監(jiān)測(cè)手段，在地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中發(fā)揮了重要作用。我國(guó)地震地下流體的數(shù)字化觀測(cè)已有多年的歷史（車用太等，2002），許多研究者在井水位動(dòng)態(tài)變化、潮汐效應(yīng)、地殼應(yīng)力—應(yīng)變響應(yīng)靈敏度、干擾因素等方面開展了大量研究工作，得到一些研究結(jié)果（車用太等，2002；張昱等，2010；陳美梅等，2017）。邢臺(tái)地震臺(tái)共有3 口流體觀測(cè)井，隨著“十五”數(shù)字化地震觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目和2017 年京津冀儀器更新改造項(xiàng)目的完成，3 口流體井均配備“十五”的水位、水溫、氣象三要素觀測(cè)儀器，且正式運(yùn)行多年。本文選取2017—2019 年數(shù)字化水位觀測(cè)資料，從數(shù)據(jù)完整率、潮汐效應(yīng)、同震效應(yīng)、年月日動(dòng)態(tài)特征、干擾因素等方面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，在此基礎(chǔ)上對(duì)邢臺(tái)地震臺(tái)數(shù)字化水位監(jiān)測(cè)效能進(jìn)行初步分析。

1 邢臺(tái)地震臺(tái)數(shù)字化水位觀測(cè)概況

邢臺(tái)地震臺(tái)下轄的3 個(gè)流體井觀測(cè)站均為華北油田勘探深井，其分別為衡水冀16 井、辛集冀21 井、寧晉冀22 井觀測(cè)站（以下簡(jiǎn)稱衡水井、辛集井、寧晉井），共4 個(gè)水位測(cè)點(diǎn)，其中，衡水井、寧晉井各1 個(gè)測(cè)點(diǎn)；辛集井1 個(gè)數(shù)字化測(cè)點(diǎn)，1 個(gè)模擬測(cè)點(diǎn)。數(shù)字化水位觀測(cè)點(diǎn)基本情況見表1。地質(zhì)構(gòu)造上衡水井位于華北平原沉降帶冀中凹陷新河凸起高點(diǎn)上，井位在衡水?dāng)嗔涯蟼?cè)7 km 處；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；寧晉井位于華北平原沉降帶寧晉凸起東部斜坡帶，井位在束鹿斷裂帶上。流體井分布見圖1。

表1 邢臺(tái)地震臺(tái)水位測(cè)點(diǎn)基本情況Table 1 Statistics of water level measuring sites at Xingtai Seismic Station

圖1 邢臺(tái)地震臺(tái)地下流體觀測(cè)站點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of underground fluid observation sites at Xingtai Seismic Station

2 水位觀測(cè)資料分析

2.1 觀測(cè)數(shù)據(jù)完整率

車用太等（2002）指出觀測(cè)數(shù)據(jù)完整率是衡量臺(tái)站運(yùn)行狀況的綜合指標(biāo)，其高低取決于儀器設(shè)備的故障率、儀器設(shè)備運(yùn)行環(huán)境的優(yōu)劣及臺(tái)網(wǎng)管理水平。水位觀測(cè)易受各種干擾因素的影響，如儀器故障、水位校測(cè)、采集水樣等都容易造成數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。本文選取2017—2019 年水位觀測(cè)數(shù)據(jù)分鐘值統(tǒng)計(jì)完整率，結(jié)果顯示，3 口流體井水位數(shù)據(jù)年均完整率均＞99.9%，表明觀測(cè)儀器運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)有效率較高（表2）。

表2 水位觀測(cè)數(shù)據(jù)分鐘值完整率Table 2 Water level observation integrity

2.2 水位潮汐效應(yīng)

張昱等（2008）認(rèn)為井水位固體潮效應(yīng)是體應(yīng)變固體潮的次生效應(yīng)，是含水層體積的變形引起的井水位有規(guī)律的周期性變化。在判斷觀測(cè)資料應(yīng)用價(jià)值和內(nèi)在質(zhì)量時(shí)，通常通過對(duì)潮汐效應(yīng)的分析計(jì)算獲得潮汐響應(yīng)特征參數(shù)，即采用井水位中的M2波潮汐因子、觀測(cè)資料精度來分析井潮汐響應(yīng)能力及資料內(nèi)在質(zhì)量，其中，水位數(shù)據(jù)的觀測(cè)精度為中誤差與潮汐因子之比，固體潮相對(duì)誤差越小，表明數(shù)字化水位觀測(cè)越穩(wěn)定（王靜等，2016；陳美梅等，2017）。

對(duì)水位觀測(cè)資料，利用Venedikov 調(diào)和分析方法逐月分析，取年均值。表3 為2017—2019 年衡水井、辛集井和寧晉井觀測(cè)資料潮汐因子、中誤差、觀測(cè)精度變化年均值對(duì)比，表4 為隨機(jī)選取2017 年3 口流體井?dāng)?shù)字化水位觀測(cè)資料潮汐因子、中誤差、觀測(cè)精度變化月均值對(duì)比。由表 3 可以看出，衡水井M2波潮汐因子年均值＞2.000 0×10-9mm，辛集井M2波潮汐因子年均值≥3.000 0×10-9mm，寧晉井M2波潮汐因子年均值＞1.000 0×10-9mm，變化均較穩(wěn)定，符合靜水位觀測(cè)潮汐因子≥1.000 0×10-9mm 的標(biāo)準(zhǔn)（王靜等，2016），表明3 口井潮汐響應(yīng)能力較強(qiáng)，其中，辛集井潮汐響應(yīng)能力最強(qiáng)，其次為衡水井，最后為寧晉井。井水位的觀測(cè)精度反映了井水位潮汐與體應(yīng)變理論固體潮的相對(duì)誤差（劉春國(guó)等，2015），由表3、表4 可見，衡水井、辛集井觀測(cè)資料精度≤0.01，觀測(cè)精度、水位內(nèi)在質(zhì)量均較高，寧晉井觀測(cè)精度＞0.01，內(nèi)在質(zhì)量相對(duì)衡水井和辛集井較差。綜合來看，寧晉井觀測(cè)資料在井潮汐響應(yīng)能力及內(nèi)在質(zhì)量方面均弱于其他2 口井。

表3 2017—2019 年衡水井、辛集井、寧晉井水位潮汐因子、中誤差、觀測(cè)精度變化年均值Table 3 Comparison of annual mean values of tidal factors and observation accuracy of water level in Hengshui,Xinji,and Ningjin wells in 2017—2019

表4 2017 年衡水井、辛集井、寧晉井水位潮汐因子、中誤差、觀測(cè)精度變化月均值Table 4 Comparison of monthly mean values of tidal factor and observation precision of water level in Hengshui well,Xinji well,and Ningjin well in 2017

2.3 同震響應(yīng)能力

地下水是地球全息系統(tǒng)的重要組成，其變化可以客觀靈敏地反映地殼應(yīng)力應(yīng)變變化。1 次大震所產(chǎn)生的能量能夠引起觀測(cè)井水位的變化（張明哲，2019）。據(jù)中國(guó)地震信息網(wǎng)統(tǒng)計(jì)，2017 年1 月1 日—2019 年12 月31 日全球MS≥7.0 地震34 次，其中，衡水井水位出現(xiàn)同震響應(yīng)23 次，響應(yīng)率67.65%，同震響應(yīng)類型均為振蕩型；辛集井水位出現(xiàn)同震響應(yīng)22 次，響應(yīng)率64.71%，同震響應(yīng)類型均為振蕩型；寧晉井水位未出現(xiàn)任何同震響應(yīng)，響應(yīng)率為0。統(tǒng)計(jì)表明，衡水井、辛集井水位對(duì)MS≥7.0 遠(yuǎn)震響應(yīng)能力較好，水位峰值與持續(xù)時(shí)間均受震中距及震級(jí)大小的直接影響；而寧晉井水位對(duì)全球大震無任何同震響應(yīng)，筆者認(rèn)為這可能與寧晉井自身井孔條件有關(guān)。

尹宏偉等（2015）指出，不同觀測(cè)井水位對(duì)同一地震同震響應(yīng)幅度、持續(xù)時(shí)間與井孔自身所處的構(gòu)造環(huán)境、水文地質(zhì)條件和震中距有關(guān)。圖2 為2018 年1 月23 日水位同震效應(yīng)。由圖2 可見，對(duì)于2018 年1 月23 日17:31 阿拉斯加灣MS8.0 遠(yuǎn)震，辛集井和衡水井水位同震變化顯著，均記錄到了水震波，類型為振蕩型；寧晉井沒有記錄到同震效應(yīng)。由圖2 還可見，震中距相差不大的情況下，衡水井水位振蕩幅度比辛集井更顯著，表明衡水井水位映震能力強(qiáng)于辛集井。

圖2 2018 年1 月23 日水位同震效應(yīng)（a）衡水井；（b）寧晉井；（c）辛集井Fig.2 The co-seismic response of water level observation on January 23,2018

2.4 氣壓效應(yīng)

氣壓變化對(duì)地下水位的影響具有普遍性。關(guān)于水位對(duì)氣壓響應(yīng)機(jī)理已有成熟的理論（張昱等，2008；劉國(guó)俊等，2009），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(shí)現(xiàn)的，當(dāng)大氣壓變化時(shí)，井孔中的水流向含水層或含水層中的水流向井孔，從而引起井水位的上升或下降變化，造成水位固體潮不同幅度的畸變，此類在邢臺(tái)地震臺(tái)地下流體水位觀測(cè)中較常見。筆者隨機(jī)抽取2018 年衡水井水位、氣壓分鐘值數(shù)據(jù)作相關(guān)性分析（表5），從表5 可以看出，井水位與氣壓間的相關(guān)性較高，整體呈負(fù)相關(guān)，其中，夏季水位與氣壓相關(guān)性最高。圖3 為2018 年6 月衡水井水位氣壓效應(yīng)。從圖 3 也可看出，當(dāng)氣壓增大時(shí)衡水井水位下降；氣壓減小時(shí)井水位上升，二者間負(fù)相關(guān)明顯。

表5 水位與氣壓分鐘值相關(guān)系數(shù)Table 5 Correlation coefficients between water level and pressure minute observations

圖3 2018 年6 月衡水井水位氣壓效應(yīng)Fig.3 Pressure effect of water level observation in Hengshui well in June,2018

3 水位動(dòng)態(tài)及地震地球物理效能分析

3.1 水位年動(dòng)態(tài)分析

水位觀測(cè)資料的年動(dòng)態(tài)變化類型較復(fù)雜，基本可以分為趨勢(shì)性上升型、趨勢(shì)性下降型、平穩(wěn)型和起伏型（蘇小蕓等，2017）。圖4 為井水位觀測(cè)資料日均值。從圖4 中可以看出，辛集井、寧晉井和衡水井?dāng)?shù)字化水位資料年動(dòng)態(tài)有一定規(guī)律性，整體表現(xiàn)為趨勢(shì)性下降變化形態(tài)。由于地下水長(zhǎng)年過量開采，辛集井水位年變幅達(dá)12 m 左右，寧晉井水位年變幅 10 m 左右，衡水井水位年變幅 5 m 左右。井水位的大幅度逐年下降，不僅影響了水位的觀測(cè)精度，且在中短期地球物理監(jiān)測(cè)中不利于地球物理異常信息的識(shí)別。

圖4 井水位觀測(cè)資料日均值（a）辛集井；（b）寧晉井；（c）衡水井Fig.4 The daily mean of water level observation

3.2 水位月動(dòng)態(tài)分析

水位月動(dòng)態(tài)分析主要分析月動(dòng)態(tài)的變化是否表現(xiàn)出一定的規(guī)律，一般把趨勢(shì)性上升、下降與平穩(wěn)的波動(dòng)變化作為有規(guī)律變化的標(biāo)志，明顯的脈沖、階躍和無規(guī)律起伏作為無規(guī)律變化的標(biāo)志（車用太等，2006；蘇小蕓等，2017）。表6 為3 口流體井2017—2019 年水位整點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)。由表6 可見，水位數(shù)據(jù)月動(dòng)態(tài)規(guī)律清楚，只有少數(shù)月份動(dòng)態(tài)規(guī)律不清晰，因此，對(duì)于3 口流體井水位均有望識(shí)別出轉(zhuǎn)折、階變、脈沖等具有短期預(yù)測(cè)意義的地球物理異常信號(hào)，這可在地震地球物理監(jiān)測(cè)中發(fā)揮一定的效能。隨機(jī)選取2018 年3 月水位數(shù)據(jù)整點(diǎn)值繪制曲線（圖5），由圖5 可見，水位數(shù)據(jù)均為規(guī)律性的趨勢(shì)性下降型，月變化規(guī)律清楚。

表6 2017—2019 年水位月動(dòng)態(tài)規(guī)律性統(tǒng)計(jì)Table 6 Statistics of monthly water level variation regularity from 2017 to 2019

圖5 2018 年 3 月水位觀測(cè)資料整點(diǎn)值（a）辛集井；（b）寧晉井；（c）衡水井Fig.5 Hour values of water level observation in March,2018

3.3 水位日動(dòng)態(tài)分析

井水位日動(dòng)態(tài)特征最顯著的是固體潮效應(yīng)，即井水位隨著潮汐引力的變化而出現(xiàn)升降變化，并在觀測(cè)曲線上表現(xiàn)出波峰波谷形態(tài)（車用太等，2006；蘇小蕓等，2017）。對(duì)衡水井、辛集井和寧晉井水位觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，3 口流體井水位觀測(cè)資料都可以看到明顯潮汐效應(yīng)，只是潮汐效應(yīng)幅度有所差別。分析顯示，辛集井日變幅度＞衡水井日變幅度＞寧晉井日變幅度，日變均較清晰，大小波清楚。但3 口井仍存在個(gè)別天數(shù)曲線粗糙、毛刺增多、波動(dòng)變大造成日變不太清晰的現(xiàn)象。圖6 為隨機(jī)抽取的 2019 年7 月 20 日數(shù)據(jù)。由圖6 可見，水位隨潮汐引力的升降，波峰波谷動(dòng)態(tài)變化較顯著，表明井水位對(duì)地殼應(yīng)力—應(yīng)變的響應(yīng)具有較高的靈敏度，這為識(shí)別短期、短臨地球物理異常提供了可靠的動(dòng)態(tài)背景（車用太等，2006；蘇小蕓等，2017）。

圖6 2019 年7 月20 日水位日動(dòng)態(tài)（a）辛集井；（b）寧晉井；（c）衡水井Fig.6 The daily dynamic curve of water level on July 20,2019

3.4 主要干擾因素分析

通過對(duì)水位觀測(cè)資料進(jìn)行分析，確定影響水位動(dòng)態(tài)變化的因素主要有尖峰式干擾（大幅突跳）、人為干擾等。經(jīng)調(diào)查落實(shí)發(fā)現(xiàn)，尖峰式干擾主要由觀測(cè)電壓不穩(wěn)引起，并不屬于地震地球物理異常，此類干擾往往會(huì)壓制動(dòng)態(tài)曲線，一般將其作為錯(cuò)誤數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除處理（圖7）；人為干擾一般為每季度固定的水位校測(cè)及井孔水樣的采集，這會(huì)造成錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，此類干擾很難避免。

圖7 2017 年2 月22 日井水位的干擾變化Fig.7 Variation of well water level on Feb.22,2017

4 結(jié)論

通過對(duì)邢臺(tái)地震臺(tái)下轄衡水井、辛集井和寧晉井?dāng)?shù)字化水位監(jiān)測(cè)效能進(jìn)行評(píng)估，得到以下結(jié)論。

（1）邢臺(tái)地震臺(tái)衡水井、辛集井和寧晉井等3 口流體觀測(cè)井全部?jī)x器運(yùn)行正常，穩(wěn)定連續(xù)，水位數(shù)據(jù)完整率高，有效率高。

（2）固體潮調(diào)和分析計(jì)算得出：衡水井M2波潮汐因子年均值＞2.000 0×10-9mm，辛集井年均值≥3.000 0×10-9mm，寧晉井年均值＞1.000 0×10-9mm，均符合靜水位觀測(cè)潮汐因子≥1.000 0×10-9mm 的標(biāo)準(zhǔn)，潮汐效應(yīng)明顯，潮汐響應(yīng)能力較強(qiáng)。

（3）綜合同震響應(yīng)情況分析發(fā)現(xiàn)，辛集井和衡水井對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)大震記震能力較好，同震效應(yīng)顯著，同震類型均為振蕩型；寧晉井由于井口自身?xiàng)l件所限，同震效應(yīng)不明顯。

（4）從井水位年動(dòng)態(tài)分析來看，存在一定規(guī)律，整體為趨勢(shì)性下降變化，但年變幅度均大于5 m，尤其是辛集井年變幅達(dá)12 m 左右。水位大幅度下降，不僅影響水位的觀測(cè)精度，且在中短期監(jiān)測(cè)中不利于地球物理異常信息的識(shí)別。

（5）從井水位月、日動(dòng)態(tài)分析來看，固體潮效應(yīng)較顯著，相位清晰，月變、日變規(guī)律明顯，這可在地震中短期地球物理監(jiān)測(cè)中發(fā)揮一定的效能。

（6）干擾因素中存在井水位觀測(cè)數(shù)據(jù)尖峰式干擾，這類干擾壓制了正常日變的動(dòng)態(tài)曲線，不利于地球物理異常信息的識(shí)別，因此在日常數(shù)據(jù)處理分析時(shí)要加強(qiáng)對(duì)觀測(cè)資料的深入研究，排除各類干擾，使觀測(cè)資料在地震短臨地球物理監(jiān)測(cè)中充分發(fā)揮效能。