山东区域流体数据跟踪分析及思考＊

2021-10-18王西宝程树岐

地震科学进展 2021年9期

王西宝程树岐

（山东省地震局沂水地震台，山东沂水 276400）

引言

自2010年起，原国家地震前兆台网中心组织各省地震局区域前兆台网中心、学科台网中心和地震台站，在方法探索（2011年，甘肃、新疆、山西省地震前兆台网）、扩大实验[2012年，河北、云南等17省（直辖市）地震前兆台网]、分布式网络化系统流程构建（2013年）3个研究阶段后①②关于组织开展地震前兆台网观测数据跟踪简报编写工作的通知. 中震测函〔2012〕165号，历经2014年和2015年的应用检验，形成了地球物理台网观测数据跟踪分析（以下简称数据跟踪分析）工作模式与组织机制常态化[1]。

目前，许多区域地球物理台网以及台站的工作人员从观测系统、自然环境、场地环境、人为干扰和地球物理事件等5个方面对数据跟踪分析工作中常见的问题进行了系统的分析与总结[2-7]。李慧等[8]对河北前兆形变数据跟踪分析中常见的典型干扰事件进行了分类整理并提出有效的消除方法；刘川琴等[9]对安徽前兆数据异常跟踪分析进行了深入分析研究并形成了异常特征库；李希亮等[10]和董晓娜等[11]对山东台网数据跟踪分析事件记录进行系统梳理并归纳了制约台网运行的一些因素。

山东省的数据跟踪分析工作于2014年8月1日正式在全网开展，此项工作自开展以来已积累了大量的事件记录，为地震分析预报人员提供了必要的资料。本文对近4年（2017—2020，以下所有数据及事件统计均在这个时间范围内）山东省地下流体台网数据跟踪分析产生的6大类事件记录中的典型事件进行梳理和汇总，未发现有关地震长、中、短、临前兆异常等地球物理事件①山东省地球物理台网观测数据跟踪分析年报（2017、2018、2019、2020年），故本文主要结合地球物理事件中的同震效应研究流体井监测地壳应力变化的能力，以期对山东地区进行数据跟踪分析质量提升有所帮助，对其他单位数据跟踪分析提供借鉴。

1 山东地下流体测网概况

目前，山东地区地下流体站点有22个台站57套仪器参与数据跟踪分析工作，其中有人值守台站8个，无人值守台站14个。从空间上来看，流体站点主要分布在断裂带及其附近地区，其中，沂沭断裂带和聊考断裂带上布设测点较多，分别占12个和8个；燕山—渤海地震活动构造带站点较少，只有2个。总体来看台站布局基本合理（图1）。

图1 山东地下流体站点分布Fig. 1 Distribution of underground fluid stations in Shandong Province

2 数据跟踪分析概况

2017年1月—2020年12月，山东区域台网地下流体观测站共产出事件827条（表1）。经统计，其中43套仪器由观测系统故障引起514条事件，占总事件记录62.15%；35套仪器由人为干扰引起205条事件，占总事件记录24.79%；11套仪器由自然环境干扰引起72条事件，占总事件记录8.71%；8套仪器由场地环境干扰引起15条事件，6套仪器由地球物理事件引起17条事件，2套仪器由数据变化原因不明引起4条事件。

表1 2017—2020年事件统计Table 1 Event statistics from 2017 to 2020

从图2可以看出，6类事件记录中，观测系统故障在2017年最多，达到191条；人为干扰事件2017年、2018年以及2019年相差无几；其他几类事件相对较少，基本在25条以下。山东区域地球物理台网流体学科的观测运行受到观测系统因素的严重制约，2017—2020年这类事件占比依次为72.90%、57.28%、54.21%和59.88%。人为干扰则主要是由于校测或标定引起[12]，自然环境干扰主要为降水。2019年省十三五仪器更新改造项目对部分流体仪器进行了更新升级，且在省局技术保障室的指导下，部分台站具备备机备件快速更换以及仪器维修能力，流体仪器的故障率或者故障时长相对有所降低，在图上体现出2019年观测系统事件数较往年有所下降。

图2 2017—2020年事件统计图Fig. 2 Statistical chart of abnormal events from 2017 to 2020

3 典型事件

2017—2020年数据跟踪分析产品流体学科库中，山东区域的22个流体台站57套仪器共记录到各类事件827条。在数据跟踪分析中，事件主要有6大类，分为观测系统故障事件、自然环境干扰事件、场地环境干扰事件、人为干扰事件、地球物理事件和不明原因事件①地震前兆数据跟踪分析描述事件要素标准（2版，2015年11月），本文筛选除不明原因外的5类事件做分析说明。

3.1 观测系统故障事件

观测系统故障事件主要是指由主机故障、传感器故障、数采故障、观测装置、观测设备、观测供电等发生的故障或损坏而引起的事件。通过梳理发现研究时段内观测系统故障事件主要是由仪器故障（占比73.62%）和供电故障（占比20.43%）产生，此二者引起的事件占比达94.05%。例如，2019年6月4日聊城地震监测中心站6时22分—23时20分由于市电故障长时间停电，发电机长时间满负荷运转，造成多次跳闸断电，水泵断流，导致静水位观测在多个时段出现数据突跳，造成缺数（图3）。

图3 观测系统事件事例Fig. 3 An example of observation system event

3.2 自然环境干扰事件

自然环境干扰事件主要是指由气压、降雨、降（融）雪、雷电、温度、湿度、风扰、气旋、台风等干扰影响而引起的事件。据统计，在自然环境事件中受降雨影响事件占比68.63%，此类事件主要集中在昌邑鲁02井、栖霞鲁07井、莒南鲁14井、枣庄鲁15井以及蒙阴鲁33井。

例如，2020年8月13日18时蒙阴鲁33井附近突降暴雨，由于蒙阴鲁33井无气象三要素测项，经蒙阴县地震监测中心工作人员询问县气象部门得知，蒙阴县城区此次暴雨降水量约260 mm，蒙阴鲁33井水位出现升高，此次降雨导致蒙阴鲁33井静水位升高约1.63 m（图4）。

图4 自然环境事件事例Fig. 4 An example of natural environmental event

3.3 场地环境干扰事件

场地环境干扰事件主要是指由载荷干扰、水（油）井泉抽水、水（油）井注水、爆破、塌方、工程等影响而引起的事件。在这类事件中，爆破影响占比33.3%，主要表现在枣庄鲁15井；抽水影响占比20%，如莒南鲁14井新井抽水、聊古一井受冬季地热供暖抽水影响[3]。

2019年7月以及2020年10月枣庄鲁15井共受到5次爆破干扰，如2020年10月28日枣庄鲁15井周边有爆破工程，井水位开始下降，至29日下降0.38 m，30日后水位逐渐恢复。经现场核实并与省地震局专家沟通，认为是周边爆破干扰所致（图5）。

图5 场地环境事件事例Fig. 5 An example of field environmental event

3.4 人为干扰事件

人为干扰事件主要是指由调零、标定（校测）、检修仪器、模拟换纸、安装仪器、装置系统改造、取水样、抽气、观测井抽水与放水、调节流量等影响而引起的事件。在统计时间段内，安装仪器引起的事件占比31.2%，检修仪器引起的占比23.9%，标定引起的占比35.6%，标定为主要影响因素。如聊城地震监测中心站多个测项需要进行年度标定，德州地震台水氡测项每年4次仪器标定等（图6）。

图6 人为干扰事件事例Fig. 6 An example of human-caused disturbance factors event

3.5 地球物理事件

地球物理事件主要是指由地球物理场、地球电磁场、太空引力变化等影响而引起的事件[11]，包括地震引起的地震长、中、短、临前兆异常等事件。2017—2020年山东省地下流体台网数据跟踪分析未发现有关地震长、中、短、临前兆异常等地球物理事件①山东省地球物理台网观测数据跟踪分析年报（2017、2018、2019、2020年），山东省地下流体台网数据的地球物理事件主要以水位和水温两个测项记录到的同震和震后效应为主，本研究时段内记录到的17条地球物理事件主要包括11条同震效应、5条震后效应以及1条疑似震前效应。如2018年1月23日商河鲁09井数字化水位水温综合观测仪（DRSW-Ⅱ）产出的水位数据因17时31分阿拉斯加湾8.0级地震出现波动，波动幅度近0.05 m，震后恢复正常（图7）。

图7 地球物理事件事例Fig. 7 An example of geophysical event

4 地球物理事件分析

2017—2020年山东省地下流体台网数据跟踪分析未发现有关地震长、中、短、临前兆异常等地球物理事件①，在此主要分析山东省地下流体台网数据的同震效应地球物理事件。地下流体同震效应能够有效直接的揭示地壳介质对应力、应变的响应，目前对于流体同震效应的研究多集中在水位、水温方面[13-17]。本研究以数据异常跟踪分析为基础，选取近4年产生的地球物理事件记录中有关井水位和水温在地震波的作用下所表现出来的异常升降，统计水位、水温对地震的响应及其幅度，确定响应形态、类型等特征。经过对近4年地球物理事件的梳理，山东区域流体井共记录到同震效应11次，涉及的井孔为鲁07井、鲁09井和鲁27井，均是水位对地震事件的响应，且同震效应均表现为振荡型（表2和图8），这也与刘凯等[18]的研究相一致。

图8 部分典型水位同震响应曲线Fig. 8 Co-seismic response curve of water level

表2 井水位同震响应特征Table 2 Co-seismic response characteristics of well water level

振荡型的同震效应，是指地震振动作用下，地下水位出现类似地震波的高频振荡，反映了地下含水层介质弹性模量较大，岩层透水性好，在地震波传播过程中含水介质的一种弹性变化结果。这种弹性变化会引起地下水潮汐参数的变化，如潮汐因子、相位差等。在地下流体效能评估中，井水位的M2潮汐因子及其观测精度是极其重要的一项评价指标[19]，鲁07井、鲁09井和鲁27井的这两项指标都是优秀级别，其2019年M2潮汐因子参数分别为1.907 0、1.632 6和1.065 0，观测精度分别为0.004 1、0.006 9和0.007 8。

在2017—2020年几次远场大震中，山东区域流体14个水位测项，记录到同震响应的有3个，而对于水温测项则没有一个井孔记录到同震响应，说明该区水位观测的记震能力强于水温观测[18,20-22]。耿杰等[20]的研究认为，影响同震效应的主要因素是井孔含水层系统的水文地质条件、地质构造环境和观测仪器类型，目前山东水位观测仪器已基本全部更新为DRSW-Ⅱ型地热水位气象三要素综合观测仪。本研究考虑山东流体井水位对远场大震的同震效应，认为主要受井孔含水层系统的水文地质条件和地质构造环境的影响。水文地质条件方面，本文中观测到水位同震效应的三口井中鲁09井和鲁27井其含水层岩性为灰岩，而鲁07井含水层岩性为花岗岩。一般情况下，含水层岩性对水位同震效应的影响其程度从大到小依次为灰岩、变质岩、砂岩、第四系砂砾石层。根据已有研究，灰岩含水层具有良好的弹性力学性质，含水量丰富，径流条件好，井孔与含水层连通性好[23]。从表2可以看出，鲁09井和鲁27井水位的同震效应无论从次数还是水位变化幅度都要优于鲁07井。Elkhoury等[24]提出大地震引起浅层地壳渗透率增加模型，地震波能使含水层的渗透系数瞬时增加，从而引起井水位上升，这可能是鲁07井对远场大震偶尔会出现同震效应的原因。地质构造环境方面，鲁07井位于莱阳、栖霞、福山断裂交会处，鲁09井位于济阳坳陷带，鲁27井位于聊考断裂与菏泽断裂的交汇部位。根据行业标准①DB/T 20.1-2006地震台站建设规范. 地下流体台站. 第1部分：水位和水温台站，观测井位宜选在活动断裂带及其附近包括断裂带的端点、拐点及与其他断裂带交汇的部位。地下水位的变化与观测含水层所处断裂带的活动有直接的关系。由于一些发生过中强地震的断裂带，其裂隙发育，远场大震产生的地震波引起裂隙中的地下水快速流动，裂隙疏通，增加了含水层的渗透性，引起水位震荡，渗透系数越大，水位震荡的幅度就越大，同震效应就越明显。在地震波作用下一方面会引起地表介质的上下波动，另一方面也会引起含水层孔隙压力的波动，这两个方面的原因都会造成井水位的振荡，且井水位对应力应变有一定的放大作用[25]。

从近年来积累的地球物理事件及山东省地球物理台网观测数据跟踪分析年报来看，山东大部分观测井水位和所有的水温测项记录不到同震效应，亦未发现有关地震长、中、短、临前兆异常等事件①山东省地球物理台网观测数据跟踪分析年报（2017、2018、2019、2020年），当然由于地震前兆异常本身就很难识别，再加上水位、水温观测中部分井点存在观测环境干扰和观测系统的不稳定等因素，更增加了对地震前兆异常判断的难度。同时由于这些井基本都是非地震行业如地质、石油、冶金、煤炭、水利等部门的勘探井或废弃井经改造成为地震地下流体观测井，随着井孔条件的不断恶化，如井壁坍塌、井壁渗漏等，大部分井的响应灵敏性已大不如前。

5 措施与方法

提高跟踪分析质量，可通过采取一定的措施和方法逐步规范直至完全避免：①继续加大对各观测仪器设备的更换，逐步淘汰老化严重、运行多年的仪器；②做好各仪器备机备件的储备，以便仪器发生故障时能够及时维修和更换；③加大对无人值守台站的电源改造，在配备UPS电源的同时尝试开展光伏发电，从而保障电力供应；④建立健全技能培训机制，定期开展培训与交流，加强对台站人员的业务指导，组织业务水平较高的台站业务骨干对各台站进行技能培训，既培训工作人员对观测硬件的维护和维修能力，又培训工作人员对地球物理观测数据跟踪分析的技术技巧，切实提高台站工作人员的业务能力；⑤数据跟踪分析的一些技术标准和规则也在不断完善当中，省局流体学科组做好与国家学科组的交流沟通，针对学科中心的审核结果做好汇总总结，把最新的要求及时传达给分析人员；⑥建议跟踪分析人员实行专人负责或者是分学科专人负责；⑦加强区域中心审核人员与台站分析人员的沟通，区域中心人员发现问题能够及时指导台站人员修改；⑧加大投资新建一些符合地震观测规范的新井，逐步替换那些经过改造的非地震行业观测井以及井孔条件损坏的观测点。