劉芳彤，李文君，趙庭旭，尤權(quán)民

（1. 丹東地震監(jiān)測中心站，遼寧 丹東 118000；2. 寧夏回族自治區(qū)地震局，寧夏 銀川 750001）

0 引言

為了推進地球物理臺網(wǎng)（原名地震前兆臺網(wǎng)，2019 年更名為地球物理臺網(wǎng)） 日常工作重心從觀測為主向觀測、應(yīng)用并重轉(zhuǎn)變，提高地球物理臺網(wǎng)整體運行質(zhì)量與服務(wù)效能，根據(jù)《中國地震局關(guān)于加強地震監(jiān)測預(yù)報工作的意見》（中震測發(fā)〔2010〕94 號），寧夏地球物理臺網(wǎng)于2014 年1 月起正式開展數(shù)據(jù)跟蹤分析工作。寧夏地球物理臺網(wǎng)歷經(jīng)“模擬”和人工觀測、“九五”數(shù)字化和“十五”網(wǎng)絡(luò)化三個發(fā)展階段，產(chǎn)出了大量地球物理觀測數(shù)據(jù)資料。隨著寧夏臺網(wǎng)制度和規(guī)范的日益完善，切實提升了地球物理數(shù)據(jù)的產(chǎn)出能力，為地球物理現(xiàn)象探索、地球物理機理研究、地震預(yù)測預(yù)報方法研究以及地球科學(xué)研究積累了豐富的觀測資料，提供了更直接有效的產(chǎn)品，也為后續(xù)開展地震異常的發(fā)現(xiàn)與挖掘提供了參考。

地震前兆臺網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)跟蹤分析工作應(yīng)用數(shù)據(jù)挖掘、大數(shù)據(jù)分析等信息技術(shù)，基于中國數(shù)字化地震前兆臺網(wǎng)探索創(chuàng)建由數(shù)據(jù)分析模型、軟件硬件設(shè)備、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)通訊等構(gòu)成的挖掘處理系統(tǒng)[1]。已有不少研究表明，開展跟蹤分析工作對于地震預(yù)測預(yù)報的必要性[2，3，5]。例如，潘潔[2]對五河女山井水溫數(shù)據(jù)跟蹤分析中的常見案例進行過初步分析。董曉娜[3]、李希亮[4]等人對山東地球物理臺網(wǎng)數(shù)據(jù)跟蹤分析工作進行過總結(jié)。楊振鵬[5]深刻剖析了遼寧地球物理臺網(wǎng)數(shù)據(jù)跟蹤分析工作并給出了合理化的建議。鄭世祿[6]研究了薊縣臺形變學(xué)科數(shù)據(jù)的典型干擾因素及其規(guī)律。斐紅云[7]對安徽地球物理臺網(wǎng)數(shù)據(jù)跟蹤分析工作中的典型事件進行了梳理。池國明等[8]對安丘地震臺地球物理數(shù)據(jù)跟蹤分析工作開展了較為系統(tǒng)的研究等。上述研究在研究區(qū)域和研究思路上尚有一定局限性。本文擬利用寧夏地球物理臺網(wǎng)（站） 觀測數(shù)據(jù)跟蹤分析平臺V2.2.5 軟件產(chǎn)出地球物理數(shù)據(jù)事件記錄，對典型事件進行深入剖析，以期更好的服務(wù)于地震預(yù)測與研究。

1 觀測背景資料及工作質(zhì)量

寧夏臺網(wǎng)共4 個臺站開展形變觀測，其手段主要有地傾斜和地應(yīng)變，觀測環(huán)境良好。重力測點2 個，分別位于賀蘭山東麓斷裂西側(cè)下小口子山和固原炭山，其中小口子儀器測項為重力潮汐觀測，儀器靈敏度較高，對全球6.0級左右地震均有較明顯的同震反應(yīng)。地磁臺網(wǎng)3 個共5 套儀器，分別位于銀川北塔、中衛(wèi)黑山嘴、固原海子峽，3 個觀測站由北向南呈不等間距分布，經(jīng)過“九五”、“十五”數(shù)字化改造，現(xiàn)已全部實現(xiàn)數(shù)字化。地電臺網(wǎng)自北向南布設(shè)，地電阻率觀測站5 個，各站點站間距基本不超過100km，地電場觀測點共4 個，其中3 個與地電阻率同臺觀測。寧夏流體臺網(wǎng)共13個臺站29 套儀器，觀測手段包括水位（現(xiàn)有儀器型號LN-3A、SWY-2、SW40-1）、水溫（SZW-2、SZW-1A）、水化（FD-125、SD-3A、PXJ-IC、SP-2304A），其中西吉蘇堡水位儀SW40-1 為模擬觀測，銀川小口子、固原地震臺以及涇源水氡為人工觀測，其余皆為數(shù)字化觀測。由于一些偏遠地區(qū)臺站無人值守，數(shù)字化觀測不僅可以解放人力，更能夠為提升監(jiān)測效能提供有力的支撐，因此，數(shù)字化觀測手段對于寧夏地區(qū)震情監(jiān)視跟蹤的意義不言而喻。但是，個別模擬觀測點數(shù)據(jù)信度較高、干擾少，因此保留觀測。

據(jù)跟蹤分析數(shù)據(jù)可知，2018 年寧夏臺網(wǎng)共產(chǎn)出記錄3117 條，總體分析完整率達100%。24 個臺站56 套儀器記錄各類事件（不含正常）共計1518 條，其中22 個臺站48 套儀器記錄觀測系統(tǒng)事件183 條，15 個臺站27 套儀器記錄自然環(huán)境事件111 條，15 個臺站25 套儀器記錄場地環(huán)境事件204 條，21 個臺站38 套儀器記錄人為干擾事件209 條，9 個臺站24 套儀器記錄地球物理事件798 條，1 個臺站1 套儀器記錄不明原因事件13 條。區(qū)域中心審核率為100%。寧夏地球物理臺網(wǎng)2018 年產(chǎn)出事件統(tǒng)計如表1 所示。

表1 寧夏地球物理臺網(wǎng)2018 年產(chǎn)出事件統(tǒng)計

2 典型事件分析

2.1 觀測系統(tǒng)故障

2018 年，寧夏臺網(wǎng)22 個臺站48 套儀器記錄觀測系統(tǒng)事件183 條，其中較為突出的事件有鄭旗數(shù)字式溫度計時鐘誤差故障，鄭旗測氡儀脫氣-集氣裝置故障，固原炭山相對重力儀交直流切換干擾，靈武大泉測氡儀井水?dāng)嗔鳎淘肀さ仉妰x外線路故障等。

鄭旗SZW-1A 數(shù)字式溫度計全年累計故障11 次，其中3 次主機故障，8 次時鐘誤差，累計天數(shù)4.53 天。1 月17 日、2 月14 日、2 月26 日，因臺站人員發(fā)現(xiàn)當(dāng)日未采集到觀測數(shù)據(jù)，于是立即奔赴現(xiàn)場檢查，經(jīng)排查得知儀器死機，采用恢復(fù)出廠設(shè)置的辦法修復(fù)儀器，由于主機故障導(dǎo)致當(dāng)天部分時段缺數(shù)。隨后，在3 月29 日、4 月2 日、6 月25 日、7 月3 日、8月15 日、10 月2 日和12 月14 日，該儀器均因為儀器時鐘故障導(dǎo)致儀器缺數(shù)，臺站人員到達現(xiàn)場修改時間使儀器恢復(fù)正常。鑒于此，認為前3 次儀器死機事件很大可能是儀器時鐘誤差故障導(dǎo)致數(shù)據(jù)收取失敗，但是在故障鑒定時，錯誤歸因為儀器死機。鄭旗SZW-1A 數(shù)字式溫度計因儀器死機、時鐘誤差導(dǎo)致儀器缺數(shù)的典型圖如圖1 所示。

圖1 鄭旗深層水溫觀測系統(tǒng)故障Fig.1 Fault of deep water temperature observation system in Zhengqi

2.2 自然環(huán)境干擾

2018 年，寧夏臺網(wǎng)15 個臺站27 套儀器記錄到自然環(huán)境事件111 條。其中固原彭堡地電儀、海原小山分量式鉆孔應(yīng)變儀、固原東山坡數(shù)字水位儀均受降雨影響累計干擾分別為62.76天、49.71 天、30.06 天。經(jīng)統(tǒng)計分析得知，降雨影響占所有自然環(huán)境干擾的65.36%，因此，降雨是自然環(huán)境干擾中一個重要的干擾因素。

另外，銀川小口子DSQ 水管傾斜儀全年累計干擾達到10 次，其風(fēng)擾時間主要集中在本年度1—7 月份和12 月份，該時段也是寧夏地區(qū)的多風(fēng)季節(jié)，具體干擾日期為：1 月20—21日、2 月8—9 日、2 月10—11 日、3 月6—7日、4 月4—6 日、5 月21—22 日、5 月25—26日、12 月2 日、12 月5—6 日。通常，銀川地區(qū)最大風(fēng)力約為6～7 級，數(shù)據(jù)受刮風(fēng)干擾后其形態(tài)呈毛刺跳動狀；另外銦瓦棒伸縮儀、石英水平擺傾斜儀等也受到大風(fēng)干擾，但相比于水管傾斜儀，干擾次數(shù)明顯要少，這可能與觀測儀器自身狀態(tài)有關(guān)。銀川小口子水管傾斜儀受風(fēng)擾影響、海原小山分量鉆孔應(yīng)變儀受降雨影響典型干擾圖如圖2 所示。

圖2 銀川小口子水管儀風(fēng)擾圖（左） 和海原小山鉆孔應(yīng)變東西分量降雨干擾（右）Fig.2 Wind disturbance diagram of Yinchuan small mouth water pipe instrument（left） and rainfall interference of east-west component of borehole strain in Haiyuan Xiaoshan（right）

2.3 場地環(huán)境干擾

2018 年，寧夏臺網(wǎng)15 個臺站25 套儀器記錄場地環(huán)境事件204 條。其中干擾頻次達5 次以上的儀器有12 套，從學(xué)科角度統(tǒng)計，地下流體學(xué)科5 套、形變學(xué)科3 套、地電學(xué)科4 套。根據(jù)“地震前兆臺網(wǎng)（站） 觀測數(shù)據(jù)跟蹤分析軟件”記錄的典型場地環(huán)境干擾事件可以得出，連續(xù)受場地環(huán)境干擾累計時間達到15 天及以上的有19 套儀器，其中地下流體學(xué)科9 套、形變學(xué)科5 套、地電學(xué)科7 套、地磁學(xué)科3 套、重力學(xué)科1 套。場地環(huán)境干擾中抽水干擾最為顯著，占比51.66%。其次是工程影響，占比30.38%。由數(shù)據(jù)分析可知，隨著經(jīng)濟水平的提高，生產(chǎn)、生活對觀測環(huán)境的干擾尤其是場地環(huán)境方面的干擾日益嚴(yán)重。

銀川小口子銦瓦棒伸縮儀數(shù)據(jù)由于受到距離觀測山洞約150m 泉點機井抽水的干擾，北南向持續(xù)下降，而東西向持續(xù)上升。據(jù)分析，抽水時段最大變化幅度北南向為947.2（10-10），東西向為7995.6（10-10）。根據(jù)調(diào)查得知，該抽水機井為當(dāng)?shù)厣?、灌溉生產(chǎn)用水井，屬于長期存在的場地環(huán)境干擾源，臺站人員多次與用水方溝通無果，全年累計干擾32 次，時間累計達116.10 天。

靈武大泉數(shù)字水位儀由于受到距觀測點1公里左右的12 口機井抽水影響，該機井以大巡回輪班的方式運作，每周開3 口井抽水，其余的井保養(yǎng)歇息，周而復(fù)始運作。因而導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)大幅變化。據(jù)資料分析，10 月27 日至30日該測點靜水位曲線變化幅度達0.188m。水位長期受抽水影響，與抽水方溝通后仍無法停止干擾。靈武大泉靜水位抽水干擾和銀川小口子洞體應(yīng)變儀北南分量抽水干擾如圖3 所示。

圖3 靈武大泉靜水位抽水干擾圖（左） 和銀川小口子洞體應(yīng)變儀北南分量抽水干擾圖（右）Fig.3 Static water level pumping interference diagram of Lingwu Daquan（left） and the north-south component pumping interference diagram of the body strain gauge in Xiaokouzi，Yinchuan（right）

2.4 人為干擾

2018 年，寧夏臺網(wǎng)21 個臺站38 套儀器記錄人為干擾事件209 條。人為干擾因素主要包括標(biāo)定、調(diào)零、校測、進洞、檢修儀器、模擬換紙、安裝儀器、裝置系統(tǒng)改造、取水樣、觀測井抽水與放水、調(diào)節(jié)流量等。其中固原炭山VP 寬頻帶傾斜儀、銀川小口子DSQ 水管傾斜儀、石嘴山正誼關(guān)DSQ 水管傾斜儀均受調(diào)零干擾，累計故障頻次分別為15 次、14 次、10 次。經(jīng)統(tǒng)計，2018 年度人為干擾中標(biāo)定因素影響最為顯著，占比42.13%。

固原炭山寬頻帶傾斜儀于2 月12 日、2 月16 日、3 月9 日、3 月14 日、3 月31 日、4 月12 日、4 月26 日、6 月6 日、6 月15 日、6 月24 日、7 月15 日、7 月21 日、8 月24 日、8 月25 日、12 月23 日因遠程自動調(diào)零，各測項受人為干擾，因而該測項北南分量正向超量程，剔除調(diào)零干擾數(shù)據(jù)，垂直擺傾斜觀測北南分量變化幅度為3.498ms，東西分量變化幅度為28.249ms。固原炭山垂直擺傾斜儀受標(biāo)定、調(diào)零干擾如圖5 所示。

2.5 地球物理事件

2018 年，寧夏臺網(wǎng)9 個臺站24 套儀器記錄地球物理事件798 條。該年度主要影響因素有地震、急始磁暴、地電暴、泥石流、礦震等。

該事件中記錄到的東部5 級以上地震，西部6 級以上地震，中國及其周邊區(qū)域7.0 級以上地震，世界范圍內(nèi)8.0 級以上地震主要有：1月23 日17 時31 分阿拉斯加灣8.0 級地震；2月4—7 日臺灣蓮花縣附近海域8 次5 級以上地震；3 月20 日17 時22 分臺灣臺南市5.1 級地震；5 月2 日7 時47 分臺灣花蓮海域5.2 級地震；9 月12 日12 時19 分陜西漢中寧強縣5.3級地震；10 月23 日10 時10 分臺灣花蓮縣海域6.0 級地震；10 月24 日0 時4 分臺灣花蓮縣海域5.7 級地震。銀川小口子石英擺的記錄情況如圖5 所示。

圖4 固原炭山垂直擺傾斜儀受標(biāo)定（左）、調(diào)零（右） 干擾圖Fig.4 Interference diagram of calibration（left） and zero adjustment（right） of guyuan Tanshan vertical pendulum tiltmeter

圖5 銀川小口子重力潮汐觀測值同震記錄Fig.5 Coseismic records of gravity tide observations in Xiaokouzi，Yinchuan

2.6 不明原因

2018 年，寧夏臺網(wǎng)1 個臺站1 套儀器記錄到不明原因事件13 條，主要是固原東山坡水位儀。典型干擾曲線如圖6 所示。

圖6 固原東山坡深層水溫不明原因干擾圖Fig.6 Interference of unknown cause of deep water temperature in Dongshanpo, Guyuan

東山坡水位自2018 年2 月28 日開始快速下降，截至目前共下降12cm 左右。自2016 年4 月以來井下162m 處的觀測水溫大部分時段（2017 年6 月中旬至7 月初期間除外） 出現(xiàn)周期不等形態(tài)和幅度較一致的緩慢上升—突降（階降幅度0.048℃左右） 現(xiàn)象。井下142m 處的對比觀測水溫也出現(xiàn)類似緩慢上升—突降現(xiàn)象，階降幅度為0.052℃左右。

經(jīng)過丁風(fēng)和等[9]調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)：觀測井東北方向100m 左右的地下飲用水管道，因2018 年2 月中旬老鄉(xiāng)拆除牛棚被損壞，至今有細流從管道檢查井口緩緩流出，這與井水位2018 年2月中旬出現(xiàn)的快速下降在時間上具有一致性。另外，現(xiàn)場有村民進行不同程度的農(nóng)事活動（修房，林木苗圃灌溉等）。162m 處主觀測水溫儀的探頭信號指示燈不亮，可能與探頭信號不正常、儀器溫度測值不穩(wěn)或不對有關(guān)。另外，經(jīng)分析得知與不同時段的智能直流電源實時監(jiān)控數(shù)據(jù)對比，162m 處主觀測水溫變化形態(tài)和幅度較一致的緩慢上升—突降現(xiàn)象與供電系統(tǒng)的電壓和電流沒有明顯關(guān)系。

綜合分析認為2018 年2 月中旬至今，東山坡水位出現(xiàn)的快速下降很可能與處于下游的飲用水管道破裂與季節(jié)性的地下水開采（灌溉）有關(guān)；2016 年4 月以來，162m 處主觀測水溫大部分時段出現(xiàn)的周期不等、形態(tài)和幅度較一致的緩慢上升—突降等現(xiàn)象，可能和探頭信號不正常、儀器溫度測值不穩(wěn)或不對有關(guān)，后續(xù)需密切跟蹤和做更深入的分析。

3 綜合分析

3.1 寧夏臺網(wǎng)歷年情況對比分析

圖7 對比分析了2016 至2018 年度寧夏臺網(wǎng)各影響要素的總體情況，從圖中可以看出各類干擾因素隨著時間推移整體呈現(xiàn)上升趨勢，從上升幅度來看，場地環(huán)境干擾整體上升幅度明顯高于其他，因此不難得出，近年來隨著經(jīng)濟水平提高，抽水、灌溉、高壓直流輸電、工程建設(shè)等影響因素對于觀測設(shè)備的影響不容樂觀。與此同時，隨著技術(shù)的不斷進步，我們的觀測設(shè)施也在進一步優(yōu)化，其記錄的地球物理事件寬度也隨著精度、最低震級范圍的提升越來越豐富。

圖7 2016—2017 年寧夏地球物理臺網(wǎng)產(chǎn)品要素折線圖Fig.7 Line chart of product elements of Geophysics Network from 2016 to 2017

3.2 固原炭山水管儀不同干擾情況綜合分析

以固原炭山水管儀為例，表2 統(tǒng)計了2018年全年固原炭山水管儀受干擾的類型及其數(shù)據(jù)變化幅度與形態(tài)，從表中可知，固原炭山水管儀同震響應(yīng)能力較好，全年記錄地震64 次，其形態(tài)多呈現(xiàn)高頻、低頻突跳狀，幅度在1.30～110.3（ms） 之間。人為干擾全年共記錄13 條，變化幅度在0.25～26.89 之間，多以缺數(shù)為主。觀測系統(tǒng)故障全年共記錄3 條，呈高頻突跳或缺數(shù)狀，幅度在4.21～41.17 之間。

表2 2018 年固原炭山水管儀受干擾類型及其數(shù)據(jù)形態(tài)

4 討論與結(jié)論

通過典型事件產(chǎn)出結(jié)果來看，基本得到以下幾點認識：

（1）由典型事件類型分析可知，近1 年數(shù)據(jù)跟蹤事件記錄中地球物理事件最多，占所有事件的52.57%，可見寧夏臺網(wǎng)監(jiān)測效能良好。其次，人為干擾事件和場地環(huán)境分別占13.77%和13.44%，說明寧夏臺網(wǎng)受人為干擾和場地環(huán)境制約較大，對數(shù)據(jù)的連續(xù)率和觀測質(zhì)量有較大影響。

（2）東山坡水位異常與處于下游的飲用水管道破裂和季節(jié)性的地下水開采（灌溉） 探頭信號不正常、儀器溫度測值不穩(wěn)等影響因素相關(guān)性較好；綜合來看2018 年寧夏臺網(wǎng)不明原因事件疑似系統(tǒng)故障的可能性較大，后續(xù)需密切跟蹤和做更深入的分析。

（3）典型事件記錄較直觀的反應(yīng)了監(jiān)測環(huán)境及觀測系統(tǒng)自身狀況，通過開展跟蹤分析工作，一方面有利于排除各種干擾對觀測數(shù)據(jù)的影響，另一方面有利于提升對監(jiān)測環(huán)境的認識和管理，為進一步準(zhǔn)確有效的識別和認識地震干擾事件、地震前兆信息、觀測數(shù)據(jù)變化規(guī)律和震例對應(yīng)情況等積累一定有價值的資料。

（4）隨著經(jīng)濟水平及觀測技術(shù)的提高，觀測儀器記錄寬度穩(wěn)步提升，同時由于經(jīng)濟發(fā)展所帶來的場地環(huán)境干擾也越來越多。如何平衡經(jīng)濟發(fā)展與良好的觀測環(huán)境是當(dāng)前棘手的問題之一。