李惠玲，張登科，高云峰，穆慧敏，高文玉

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.山西大同市地震局，山西 大同 037008；

3.山西省地震局定襄地震臺，山西 定襄 035403；4.太原大陸裂谷動力學(xué)國家野外科學(xué)觀測研究站，山西 太原 030025)

0 引言

隨著地下流體數(shù)字化觀測技術(shù)的日益完善，地下水動態(tài)觀測也逐步由數(shù)字化觀測替代模擬觀測。大量的觀測事實(shí)表明，鎮(zhèn)川井水位觀測經(jīng)數(shù)字化改造后，觀測環(huán)境和儀器等各種干擾信息與地震前兆異常信息混雜在一起，已影響了水位前兆異常的識別。因此，如何從現(xiàn)有的觀測數(shù)據(jù)中提取與地震孕育有關(guān)的信息，是當(dāng)前亟須解決的問題。文章對鎮(zhèn)川井?dāng)?shù)字化水位觀測資料中各類異常圖像的成因進(jìn)行分析，探尋數(shù)字化水位觀測資料的主要干擾因素，以提高觀測資料的有效使用率。

1 井孔概況

鎮(zhèn)川井位于大同市新榮區(qū)鎮(zhèn)川堡鄉(xiāng)鎮(zhèn)川堡村西的萬泉河河漫灘上，所處的構(gòu)造部位是對大同盆地地震活動反映較為敏感的口泉斷裂上，屬一單斜自流盆地(見第22頁圖1a)。該井井深160.26 m，觀測層為第三紀(jì)玄武巖，地下水類型為承壓裂隙水(見第22頁圖1b)。該井自觀測以來，一直處于受人為節(jié)流控制的自流狀態(tài)，地下水的補(bǔ)給主要來自東部采涼山和北面玄武巖出露區(qū)。

鎮(zhèn)川井水位觀測始于1988年，數(shù)字化改造以前所使用的觀測儀器為SW40-1型模擬水位記錄儀。2007年9月，“十五”數(shù)字化改造后，采用LN-3A型數(shù)字水位儀進(jìn)行觀測，采樣率為1 sample/min，觀測精度為千分之一。水位儀器自安裝運(yùn)行以來，儀器運(yùn)轉(zhuǎn)基本穩(wěn)定，產(chǎn)出數(shù)據(jù)連續(xù)可靠。

2 干擾異常特征分析與識別

在地下流體數(shù)字化觀測中，往往會由于觀測系統(tǒng)、觀測環(huán)境等影響因素作用，出現(xiàn)有別于正常變化規(guī)律的異常動態(tài)，易與地震前兆異常相混淆。如何從復(fù)雜的干擾背景下提取出地震前兆異常，是當(dāng)前地震監(jiān)測預(yù)報(bào)工作的首要問題。筆者根據(jù)車用太等人有關(guān)地下流體干擾異常識別的一些研究成果，對鎮(zhèn)川井水位各類干擾因素進(jìn)行歸納與總結(jié)。

2.1 地下流體干擾異常識別原則

地下流體動態(tài)干擾異常識別原則是把握4個(gè)“相關(guān)性”，即成因上的相關(guān)性、空間上的相關(guān)性、時(shí)間上的相關(guān)性與強(qiáng)度上的相關(guān)性[1]。

(1) 成因上的相關(guān)性指出現(xiàn)的異常動態(tài)與其可能的影響因素之間存在成因上的關(guān)聯(lián)。

(2) 空間上的相關(guān)性指干擾源與觀測井之間的空間關(guān)系，一般是在一定范圍內(nèi)出現(xiàn)的干擾源對觀測井產(chǎn)生干擾。鎮(zhèn)川井觀測層為第三紀(jì)玄武巖，地下水類型為承壓裂隙水。距鎮(zhèn)川井最近的同層地下水開采井，是1999年大同市自來水公司在距該井不足1 km處，打的3眼供城市用水的開采井，2003年曾做過幾次抽水試驗(yàn)，井水位表現(xiàn)快速階降形態(tài)。這是由于鎮(zhèn)川井觀測層為基巖裂隙含水層，與開采井同屬一個(gè)水文地質(zhì)單元，不符合地下流體觀測規(guī)范的要求?！兜卣鹋_站觀測環(huán)境技術(shù)要求》中地下流體觀測環(huán)境的要求，在基巖裂隙含水層或碳酸鹽巖巖溶含水層，水文地質(zhì)條件簡單(構(gòu)造為單斜或巖層平緩，巖性單一，裂隙或巖溶不發(fā)育)地區(qū)，最大干擾距離為1 km。因此， 3口井的開采勢必要影響鎮(zhèn)川井水位動態(tài)的變化。

圖1 鎮(zhèn)川井構(gòu)造位置及井孔柱狀圖

(3) 時(shí)間上的相關(guān)性指干擾出現(xiàn)的時(shí)段與干擾源作用時(shí)段的關(guān)系，通常是二者時(shí)間段一致或干擾出現(xiàn)時(shí)段略有滯后。

(4) 強(qiáng)度上的相關(guān)性指干擾源的作用強(qiáng)度與干擾的幅( 強(qiáng)) 度間的關(guān)系。一般干擾作用越強(qiáng)，干擾幅度越大，特別是干擾的幅度隨干擾作用強(qiáng)度和時(shí)間的變化而變化。

地下流體動態(tài)的異常變化，若符合上述4方面的相關(guān)性，則判定為干擾異常，不能視為地震前兆異常。

2.2 鎮(zhèn)川井水位觀測干擾異常類型及典型實(shí)例

地下水位動態(tài)變化主要取決于井-含水層系統(tǒng)的特征參數(shù)及觀測環(huán)境，而儀器的穩(wěn)定性、觀測精度對動態(tài)變化也有一定的影響。多年的觀測實(shí)踐表明，引起井水位干擾異常的因素較多，有來自觀測系統(tǒng)的，也有觀測環(huán)境的。根據(jù)前人提出的干擾異常類型[2]，結(jié)合觀測日志、異常的調(diào)查結(jié)果等，對各類干擾事件按照成因上、空間上、時(shí)間上、強(qiáng)度上的相關(guān)性研究思路進(jìn)行分析、歸納與總結(jié)。

2.2.1 觀測技術(shù)系統(tǒng)干擾

在地下流體數(shù)字化水位連續(xù)觀測中，觀測系統(tǒng)對井水位的影響非常明顯，也很普遍。常見的干擾因素有：傳感器、數(shù)據(jù)采集器、線路及其接口故障，時(shí)間服務(wù)系統(tǒng)故障，電源電壓不穩(wěn)或交直流電源切換影響，通訊線路故障或雷擊等。

1) 儀器設(shè)備故障引起的干擾

鎮(zhèn)川井?dāng)?shù)字水位儀2007年12月14日03:16因TC通訊單元故障，導(dǎo)致水位數(shù)據(jù)時(shí)斷時(shí)續(xù)，造成數(shù)據(jù)嚴(yán)重缺失(見圖2)。

圖2 鎮(zhèn)川井水位2007年12月10日至16日分鐘值記錄曲線

2) 儀器運(yùn)行環(huán)境引起的干擾

(1) 鎮(zhèn)川井?dāng)?shù)字水位儀2010年7月16日20:03因雷擊導(dǎo)致傳感器故障，致使水位觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)大幅“凹型”階變，嚴(yán)重影響正常曲線形態(tài)(見圖3)。

圖3 鎮(zhèn)川井水位2010年7月1日至20日分鐘值記錄曲線

(2) 因雷電干擾造成鎮(zhèn)川井水位觀測數(shù)據(jù)曲線異常變化，表現(xiàn)為水位斷記、突跳等異常圖像(見圖4)。

圖4 鎮(zhèn)川井水位2010年9月3日分鐘值記錄曲線

(3) 鎮(zhèn)川井?dāng)?shù)字水位儀2010年11月10日至15日因當(dāng)?shù)剞r(nóng)電不穩(wěn)，受交直流電源切換影響，導(dǎo)致水位數(shù)據(jù)產(chǎn)生多處臺階、突跳，嚴(yán)重影響水位曲線形態(tài)(見圖5)。

圖5 鎮(zhèn)川井水位2010年11月10日至20日分鐘值記錄曲線

(4) 鎮(zhèn)川井?dāng)?shù)字水位儀2012年3月9日06:00～12:21由于電源電壓不穩(wěn)，導(dǎo)致水位觀測數(shù)據(jù)頻繁突跳(見圖6)。

圖6 鎮(zhèn)川井水位2012年3月8日至9日分鐘值記錄曲線

(5) 鎮(zhèn)川井?dāng)?shù)字水位儀2012年12月19日11:03因檢查線路，重啟儀器導(dǎo)致水位數(shù)據(jù)突降0.006 m(見圖7)。

圖7 鎮(zhèn)川井水位2012年12月17日至22日分鐘值記錄曲線

2.2.2 觀測條件改變造成的干擾

影響井水位觀測條件的主要因素有：井孔塌陷與井管變形，井管腐蝕、開裂、漏水，自流井泄流口堵塞，觀測井井口改造，觀測儀器更換、維修等。鎮(zhèn)川井水位因觀測條件改變引起干擾異常的典型實(shí)例，是泄流口堵塞引起水位數(shù)據(jù)大幅度變化。

1) 鎮(zhèn)川井泄流口堵塞引起的變化

鎮(zhèn)川井水位為動水位觀測，當(dāng)泄流口出現(xiàn)堵塞時(shí)，均會對水位觀測曲線造成嚴(yán)重影響。第24頁圖8為泄流口結(jié)冰堵塞，造成水位數(shù)據(jù)突變現(xiàn)象。第24頁圖9是人為堵塞泄流口造成的數(shù)據(jù)突變。

2) 維修水溫儀對水位數(shù)據(jù)造成突變干擾

由于鎮(zhèn)川井水溫與水位是同井觀測的2個(gè)測項(xiàng)，因此，水溫儀器的故障維修也會對水位觀測造成一定的影響。第24頁圖10為維修水溫儀，造成鎮(zhèn)川井水位變化的典型圖像。

圖8 鎮(zhèn)川井水位2009年1月20日至2月28日分鐘值記錄曲線

圖9 鎮(zhèn)川井水位2010年8月13日至16日分鐘值記錄曲線

圖10 鎮(zhèn)川井水位2008年9月17日至18日分鐘值記錄曲線

3) 井口、管道改造引起的干擾

2010年11月7日更換排水管道，引起觀測數(shù)據(jù)變化。11月8日井房改造，造成數(shù)據(jù)突跳、階躍。11月9日更換出水口管道，引起觀測數(shù)據(jù)曲線臺階變化(見圖11)。

2.2.3 觀測環(huán)境變化引起的干擾

地下流體觀測環(huán)境，指影響地下流體動態(tài)正常變化規(guī)律的觀測點(diǎn)周圍自然與人文環(huán)境，其中既有地質(zhì)-水文因素，也有氣象因素，更有人類的各種活動。據(jù)調(diào)查，多數(shù)臺站存在著不同程度的環(huán)境干擾。影響鎮(zhèn)川井水位觀測的主要干擾因素有：降雨的滲入補(bǔ)給、大風(fēng)、雷電等氣象因素，地下水開采干擾等。

圖11 鎮(zhèn)川井水位2010年11月6日至9日分鐘值記錄曲線

1) 井區(qū)自然環(huán)境變化引起的干擾

(1) 大量的觀測事實(shí)表明，在鎮(zhèn)川井井區(qū)短時(shí)間的降雨量大于1.5 mm，一般都會引起井水位的短時(shí)間波動、突升突降等變化(見圖12)。

圖12 鎮(zhèn)川井水位2009年7月19日至31日分鐘值記錄曲線

(2) 受大風(fēng)影響，鎮(zhèn)川井水位主要表現(xiàn)為2種形態(tài)，一種為曲線變粗伴有突跳，另一種為單純的突跳。如，2010年3月20日受大風(fēng)干擾，鎮(zhèn)川井水位觀測曲線出現(xiàn)突跳、變粗現(xiàn)象(見圖13)。

圖13 鎮(zhèn)川井水位2010年3月10日至30日分鐘值記錄曲線

2) 井區(qū)構(gòu)造活動引起的變化

由于鎮(zhèn)川井地處口泉斷裂帶附近，毗鄰御河，因此，斷裂活動與河水流量的變化均會對井水位動態(tài)造成一定的影響。汪成民等人認(rèn)為，鎮(zhèn)川井水位階變集中分布時(shí)段與口泉斷裂帶上的形變測量有一定的關(guān)系，故推測該井水位變化多反映了口泉斷裂的蠕動[3]。

2012年，鎮(zhèn)川井水位出現(xiàn)2次突變異常，一次是3月11日07:16，水位觀測數(shù)據(jù)緩慢上升，12日水位全天變化幅度達(dá)到5 cm，13日水位數(shù)據(jù)緩降，19日12:20水位數(shù)據(jù)又轉(zhuǎn)為突升；另一次是11月20日08:50，水位觀測數(shù)據(jù)再次出現(xiàn)急劇上升，幅度達(dá)到1.5 cm。經(jīng)核實(shí)，2次變化之后的測區(qū)環(huán)境正常，儀器工作狀態(tài)正常，供電正常，也無人為干擾。初步判定出現(xiàn)的變化可能與構(gòu)造活動引起區(qū)域應(yīng)力場改變有關(guān)(見圖14、圖15)。

圖14 鎮(zhèn)川井水位2012年3月11日至20日分鐘值記錄曲線

圖15 鎮(zhèn)川井水位2012年11月18日至23日分鐘值記錄曲線

2.2.4 不明原因的干擾

鎮(zhèn)川井水位除上述可查明原因的主要影響因素外，還有一些不明原因的異常變化(見圖16)。2008年以來，鎮(zhèn)川井水位觀測數(shù)據(jù)不明原因的突跳現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，經(jīng)過幾次硬件更新后，突跳現(xiàn)象一直沒有很好的改觀。之后，對該井的觀測環(huán)境進(jìn)行了改造，經(jīng)過更換水位儀器、外線路、避雷，更新改造電源后，突跳現(xiàn)象明顯減少。

圖16 鎮(zhèn)川井水位2008年2月1日至20日分鐘值記錄曲線

3 地震前兆異常的判據(jù)及特征分析

地震發(fā)生前，地下水前兆異常的確認(rèn)非常困難，即使在地震發(fā)生后，也很難給出科學(xué)的確認(rèn)結(jié)果。

3.1 地下水位前兆性異常的判據(jù)

相關(guān)研究表明，作為地下流體地震前兆的異常，首先是必須經(jīng)過干擾的識別與排除，確認(rèn)不是干擾的異常，才可視為地震前兆異常；其次，要有國內(nèi)外震例的普遍支持，特別是經(jīng)過地震預(yù)測實(shí)踐檢驗(yàn)過的典型震例的支持。其中有些地下水異常是震前被確認(rèn)為地震前兆異常的，而且跟蹤其發(fā)展過程并用于震情判定上，這種異常作為地震前兆異常的信度較高；第三，視為地震前兆的地下水異常，最好有其他測項(xiàng)或相關(guān)學(xué)科的異常相匹配，甚至有中小地震活動性異常配套；第四，視為前兆異常的地下水異常，最好有一定的前兆理論或模式的支持。如果滿足上述4個(gè)判據(jù)中的第一及其他1條以上的判據(jù)，即可判定為地震前兆異常。按照此標(biāo)準(zhǔn)，對鎮(zhèn)川井?dāng)?shù)字化改造后具有震兆性質(zhì)的異常進(jìn)行篩選。

3.2 鎮(zhèn)川井水位觀測前兆性異常典型實(shí)例

多年的觀測實(shí)踐表明，鎮(zhèn)川井水位除受已知干擾因素的影響外，一些大于30 mm階變與井區(qū)外圍幾十公里的中強(qiáng)震有較好的對應(yīng)關(guān)系，幅度大于70 mm的突變異常之后6個(gè)月之內(nèi)，在中國大陸或周邊地區(qū)可能有6級以上地震發(fā)生。下面對2008年、2010年水位大幅度變化與地震的對應(yīng)情況進(jìn)行分析。

1) 2008年水位大幅度階躍變化的成因分析

2008年鎮(zhèn)川井水位出現(xiàn)了2次較大幅度的變化。一是汶川地震之前，2008年1月的大幅上升；二是在汶川地震當(dāng)天開始的持續(xù)幾天的不穩(wěn)定變化(見第26頁圖17)。

第一次大幅變化后，在實(shí)地調(diào)查落實(shí)發(fā)現(xiàn)：觀測環(huán)境無明顯改變，井房外的出水管未出現(xiàn)大量泄水及冰凍現(xiàn)象，此期間沒有停電，周圍沒有新開發(fā)的井孔，周圍井孔沒有抽水現(xiàn)象，附近以前打的勘探封閉井沒有開口泄水外流現(xiàn)象。1月6日大幅變化前后，在井區(qū)附近也先后出現(xiàn)了內(nèi)蒙古3號井水位0.3 m的下降和河北黃驊井水位趨勢異常等，這次異常之后4個(gè)月，在四川汶川發(fā)生了8.0級地震。根據(jù)鎮(zhèn)川井井區(qū)異常具有準(zhǔn)同步性特征以及汶川地震破裂特征初步認(rèn)為，2008年鎮(zhèn)川井水位突變異?？赡芘c汶川地震有一定的關(guān)系。

圖17 鎮(zhèn)川井水位分鐘值記錄曲線

2008年5月12日14時(shí)30分汶川8.0級地震后，鎮(zhèn)川井水位出現(xiàn)第二次幅度為0.337 m的大幅下降變化，可看作是汶川8.0級地震的震后效應(yīng)。

2) 2010年水位大幅度階躍變化的成因分析

4月4日，大同4.5級地震前約1 h，鎮(zhèn)川井水位出現(xiàn)31 mm的突升異常，震后于4月5日10時(shí)開始下降，到15時(shí)，水位已恢復(fù)到原上升前的水平(見圖18)。在現(xiàn)場調(diào)查過程中，發(fā)現(xiàn)泄流口被石頭堵塞，取出石頭，并用細(xì)鐵絲捅開泄流管管壁的鐵銹，水位恢復(fù)到上升前的水平。為確認(rèn)此異常的性質(zhì)，4月6日13時(shí)40分，大同市地震局有關(guān)人員再次用同樣的石頭堵塞泄流管管口進(jìn)行測試，測試時(shí)間至17時(shí)40分，井水位并未出現(xiàn)相應(yīng)的變化(見圖18)。初步認(rèn)為，這次異?？赡芘c大同4.5級地震前構(gòu)造活動劇烈變化有一定的關(guān)系。

4 討論與結(jié)論

通過對鎮(zhèn)川井?dāng)?shù)字化水位觀測資料各類異常成因

圖18 鎮(zhèn)川井水位2010年4月1日至6日分鐘值記錄曲線

的分析與研究，得出如下結(jié)論：

(1) 鎮(zhèn)川井水位異常形態(tài)有兩類，一類是突變或脈沖型，另一類是階躍型。

(2) 造成鎮(zhèn)川井水位異常的主要因素有：儀器故障、通訊故障、電源干擾、檢修線路、維修儀器、泄流口排水管堵塞、大風(fēng)大雨雷電干擾、供電故障以及同震階躍等。

(3) 根據(jù)鎮(zhèn)川井水位以往震例，確定地震前兆異常的判別指標(biāo)，即，階變幅度大于30 mm，異常時(shí)間在震前幾十分鐘到40天左右，多反映本區(qū)域幾十公里范圍內(nèi)的4.5級以上地震；階變幅度大于70 mm，異常出現(xiàn)在震前2～6個(gè)多月，多反映震中距在100 km～350 km的6級以上地震，對個(gè)別的遠(yuǎn)場大震震前也有反映。

(4) 由于鎮(zhèn)川井水位的各類干擾因素多數(shù)與觀測儀器、觀測環(huán)境、氣象要素有關(guān)，因此，臺站人員對儀器運(yùn)行與維護(hù)的好壞是取得連續(xù)、可靠和高質(zhì)量觀測數(shù)據(jù)的一個(gè)重要因素。對干擾的認(rèn)識、落實(shí)、排查并進(jìn)行詳細(xì)記錄，是正確識別干擾與地震異常信息的重要環(huán)節(jié)。臺站觀測人員應(yīng)盡力做好對常見干擾因素的防范與排除，逐步提高識別地震前兆異常的水平。

該文在完成過程中，得到山西省地震局張淑亮研究員的大力指導(dǎo)，在此深表感謝！

參考文獻(xiàn)：

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