甘肅“十五”數字化水位觀測資料分析及地震前兆監測效能評估＊

張 昱,劉小鳳,邵輝成,常千軍,康慶強

(1.甘肅省地震局,蘭州 730000;2.陜西省地震局,西安 710068)

甘肅“十五”數字化水位觀測資料分析及地震前兆監測效能評估＊

張 昱1,劉小鳳1,邵輝成2,常千軍1,康慶強1

(1.甘肅省地震局,蘭州 730000;2.陜西省地震局,西安 710068)

通過對甘肅地區的“十五”數字化觀測臺網水位資料的年、月、日動態特征以及主要影響數字化水位資料的干擾因素等進行分析,發現大多數井點的資料連續可靠,特大地震的震后效應明顯。目前數字化水位觀測中存在的問題是個別井點的水位動態存在一些明顯的突變和缺數。根據以往的震例總結,年變規律明顯的井點,有可能在地震中期或中短期前兆異常監測中發揮一定的效能;觀測資料日均值月動態和時均值日動態規律明顯的井點,在地震短期或短臨前兆監測中有可能發揮一定的效能。潮汐理論用于模擬觀測資料的處理方法,也可以在數字化觀測資料中應用。總體來說,甘肅地區“十五”數字化水位觀測質量明顯要高于“九五”臺網的質量。

數字化;水位;動態特征;甘肅地區;監測效能

0 引言

賦存于地殼巖體空隙中的地下水具有分布的廣泛性、易流動性和不可壓縮性等特征。當井和含水層系統處于封閉性良好的承壓體系時,地下水能起到靈敏測壓計的作用。地下水動態是在自然、人為等多種因素的影響下,隨時間變化的復雜的物理過程。

我國地震地下水位的數字化觀測已有十多年的歷史(車用太等,2002;張立等,2009),并且取得了許多寶貴的觀測資料和一些震例資料。國內外地震學者曾以大量的觀測事實論證了水位動態不僅可以直接反映含水層受力狀態變化引起的孔隙壓力的變化,而且還可以反映出含水層地下水徑流的速度與流量等滲流場的變化(張素欣等,2002;耿杰等,2008),因此地下水位觀測一直是地震前兆觀測的重要測項(汪成民等,1988;王吉易等,1997)。隨著地下流體數字化觀測技術的發展,地震地下水動態技術也逐漸由模擬觀測向數字化觀測發展。

“九五”期間中國地震局對水位觀測臺網進行了數字化改造,“十五”期間中國地震局又對水位觀測臺網進行了改造。“十五”改造期間,甘肅地區新增了很多井點,這些井點已經正式運行兩年多。盡管這些井點的觀測資料在我們的日常預報中已經使用,但是,對這些資料的連續性、可靠性以及在地震預報中能發揮的前兆監測效能等沒有一個整體的評估。本文對甘肅地區 “十五”數字化水位觀測資料做了簡單的分析,討論了模擬觀測資料的分析處理方法在數字化觀測資料中的應用,并對目前影響數字化水位觀測資料動態特征的干擾因素進行了簡單的分析,對數字化水位觀測的現狀及其效能做了初步探討。

1 數字化水位觀測概況

“十五”期間甘肅地區地下水位數字化觀測由兩個項目承建,分別為甘肅前兆臺網和天祝前兆臺陣,共 7個井點、8個測項。前兆臺網分別是武都樊壩、清水溫泉、臨夏(1號井有兩套不同的觀測儀器);天祝前兆臺陣分別為永登鶯鴿、景泰蘆陽、古浪橫梁、臨夏(2號井)等測點。臨夏 3個測項、清水溫泉、景泰蘆陽資料連續性和可靠性均很好,永登鶯鴿資料可靠性很好,略有缺數;武都樊壩觀測資料稍有突變;古浪橫梁斷記較多。總體上多數井點資料的連續性和可靠性好,可利用率較高。

水位數字化觀測采用兩種儀器,分別為LN-3A型數字化水位儀和 ZKGD型水位儀,儀器由兩部分組成,一部分是水位傳感器,另一部分是數字記錄器。LN-3A型和 ZKGD型數字化水位儀采樣率高、信息量大,人為觀測誤差小,不受水位埋深、井管傾斜、彎曲等觀測條件限制,自動化程度高,資料傳遞快速,觀測精度高于 S W 40-1型水位儀。表 1給出了甘肅地區 “十五”地下水位數字化觀測點(井)的基本概況。

表1 數字化水位測點基本概況Tab.1 The basic situation of digitalwater levelmeasurement points

2 數字化水位觀測資料的分析

井孔水位可以直接反映水壓(靜水壓力、動水壓力、滲透壓力)、流速、流量、滲透介質的性質、孔隙度及滲透率等地下水動力學特征,它對巖體的任何壓力(如波動、振蕩、振動、潮汐)的改變都有靈敏的反映。同時井孔水位還能清楚地記錄到地震波和震時應變引起的水位變化。通過觀測高質量的水位數據,可以求得孕震過程中介質連續變化和各種變化階段的特征信息。

2.1 不同觀測儀器產出資料的對比

臨夏 1號井中安裝了LN-3A和 ZKGD兩套不同型號的儀器,2號井中安裝 ZKGD型水位儀。筆者對同一口井中兩套不同儀器產出的觀測資料從動態特征方面進行了對比分析,結果發現,觀測資料長時間的變化趨勢相似,形態完全相同。短期的變化形態也基本相同,對某一天而言,同一口井中兩套儀器的變化時間(分鐘值或整點值)不完全同步(圖 1)。筆者就這個問題請教過一些專家和儀器管理部門的人員,他們也發現了這個問題,但真正的原因還不清楚。

另外,筆者對同井不同觀測儀器的觀測資料分別用日均值和整點值進行了相關分析計算,計算結果表明,日均值相關性非常好,相關系數很高;整點值個別時段相關系數較低。這與我們從觀測曲線中看到的實際情況相符。

2.2 數字化水位觀測資料的固體潮汐效應

模擬觀測深井水位具有固體潮顯示已是無可爭議的事實(唐九安等,1993,1995),筆者對2008年以來部分井點的數字化水位觀測資料進行了調和分析計算。表 2為臨夏(1號井,LN-3)、永登、清水和景泰等測點的部分計算結果。

從表 2中可看出,臨夏井點數字化水位資料潮汐因子較大且穩定,在 0.60以上,相對誤差較小;景泰井點潮汐因子在 0.30～0.40之間,相對誤差較小;清水和永登井點潮汐因子較小,但相對誤差都比較小,盡管有些井點潮汐因子較小,但均比較穩定。這也說明不同井點的潮汐可能受多種因素的影響,如井的封閉性、井深等等。其余井點也均有潮汐效應,只是顯現程度不同,景泰、永登、古浪 3個井點某些時段的波形不完整。

2.3 數字化水位觀測資料的震時和震后效應

地震發生對地下流體動態的影響十分顯著,孫小龍等(2008)、劉成龍等(2009)對地震地下流體效應,尤其是對地下水的效應進行過深入的研究。地震地下流體效應有兩種成因機制,一是由于地震波的傳播引起;另一種是地震破裂傳播及震后應力調整引起。地下水位的震時和震后變化,形態上主要有兩種類型,一類是急速的階躍變化,這主要是近震的井水位效應;另一類是水位的震蕩變化,又稱為水震波效應。

圖1 同井不同儀器不同時間尺度對比觀測曲線(a)2009年;(b)2009年1月;(c)2009年1月 1日(a-1)、 (b-1)、 (c-1)LN-3;(a-2)、 (b-2)、 (c-2)ZKGDFig.1 The comparison curve of different implements instruments on different time scales at the same well point

表2 臨夏、景泰、清水、永登井點水位M2潮汐因子和相對誤差計算結果Tab.2 The relative errors and tidal factors ofM2Linxia,Jingtai,Qingshui and Yongdengwell points

2008年以來全球發生多次 MS7.0以上地震,筆者對水位井點的資料做了分析,結果發現所有井點(7口井、8個測項)在 2008年汶川 8.0級地震時震后效應非常明顯,變化形態有突變型、脈沖型和緩變型。其中武都為突升型,上升幅度較大,為 3.46 m;清水為突升型,上升幅度為 0.012 m,永登和景泰為脈沖型,變化幅度分別為 0.000 6 m和 0.005 3 m,臨夏兩口井 3測項為緩降或突降,下降幅度分別為 0.15 m、0.16 m、0.18 m;古浪為緩降或突降,下降幅度為 0.414 m。而這些井點在其它大地震時震后效應并不明顯。這也說明了地下水位地震波效應主要受發震地點、震級等因素的影響。因為對同一口井而言,觀測層的巖性、水位埋深、含水層的封閉性等不會發生變化。圖 2為不同井點記錄到的汶川地震的震時與震后效應曲線。

圖2 不同測點記錄到汶川地震的同震效應曲線(a)臨夏(1)LN-3;(b)臨夏 1號井(ZKGD);(c)臨夏 2號井;(d)清水溫泉;(e)武都樊壩;(f)永登;(g)景泰;(h)古浪Fig.2 The coseismic curve effect ofWenchuan Earthquake at differentmeasuring points

2.4 數字化水位觀測資料的氣壓效應

氣壓變化對地下水位的影響具有普遍性。氣壓每變化 1 hPa所引起的水位變化量,稱為井水位氣壓效率,單位為 mm/hPa。它是反映井孔水位的氣壓效應強弱的一個重要指標。井水位的氣壓效率與觀測層埋深、井的單位涌水量等有關。正常情況下井水位變化與氣壓變化之間呈負相關關系,這是由于氣壓增大時,井孔中的水向含水層方向流動,導致井孔水位下降;氣壓減小時,含水層中的水向井孔方向流動,導致水位上升,當相關關系為正時,說明水位動態在受氣壓作用的同時還受到其他附加應力作用的可能,并且以其他附加應力為主。水位井點中,只有臨夏和永登兩個井點有比較連續的氣壓資料,筆者選取這兩個井點的資料進行水位氣壓相關分析,結果見表 3。

表3 水位與氣壓觀測相關分析結果Tab.3 Correlation analysis ofwater level atmospheric pressure

從表 3可看出,這兩個井點水位與氣壓的相關性不是很好。張淑亮等(2005)和劉國俊等(2009)認為井水位的氣壓效率與下列因素有關:(1)含水層的巖性和巖石的壓縮系數;(2)含水層的滲透性能和巖石的導水系數;(3)觀測方式。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現的。當大氣壓變化時,井孔中的水流與含水層中的水流產生對流,由于這兩個流動過程中所受的阻力不同,其滲流量也必然不同,導致不同氣壓變化過程引起井水位變化量也不同,表現為不同觀測井水位與氣壓的相關系數各不相同。即使同一觀測井在不同時段也有差異。另外,由于資料時間較短,樣本較少,個別時段有缺數,可能也會引起相關性不穩定(張昱等,2008)。

3 水位動態分析及地震前兆效能評估

3.1 水位年動態分析

井水位的年動態曲線是以月均值為基礎繪制的。對所有井點的資料分析結果表明,多數井點的井水位表現出比較明顯的年變規律。年動態以年變型為主(有年變形態的井點其井水位可能受當地的氣候、水位開采以及用水量等因素的影響),也有平穩波動型。其中臨夏兩口井 3個測項、永登、景泰井有明顯的年變形態,清水、武都、古浪井為平穩波動型。圖 3所示為不同形態的兩種年變類型。

圖3 甘肅地區井水位的月均值動態類型(a)武都井;(b)景泰井Fig.3 The monthlymeans dynamic type ofwell level in Gansu region

3.2 水位月動態分析

水位月動態分析是在以日均值為基礎繪制的曲線上進行的,主要分析其 1個月的時間尺度上是否有規律可循:把漸升、漸降、平穩波動的變化作為有規律的變化標志,把無規律起伏、階變、明顯的脈沖作為無規律變化的標志。

對所有井點的資料,筆者隨機選取 2008～2009年底每年6個月(不同月份)的數據進行分析,結果表明,多數井點資料的月動態規律清楚,其變化形態有漸升、漸降和平穩波動 3種類型。盡管武都和古浪兩個井點有一些突變或缺數,但資料分段分析后月動態規律還是清晰的。圖 4為不同類型的月動態觀測曲線。

3.3 水位日動態分析

井水位時均值日動態最顯著的特征是地球固體潮汐效應,即井水位隨潮汐引力的大小而升降變化。筆者對觀測資料做了分析,發現 8個測項的水位資料都能看到固體潮汐效應,只是不同井的水位潮汐顯現程度不同而已。有些井點水位潮汐現象比較顯著,日變幅度較大,有些較小。個別井點由于有干擾或缺數形態不是特別清晰,但資料分段使用后還是可以看出比較明顯的潮汐效應。臨夏井 3個測項日變完整,大小波清楚,清水和武都井點的日變也完整,但曲線不光滑,波動較大;景泰井點比較完整,部分時段比較清楚,某些時段不是很好;永登井點日變幅很小,古浪井點比較完整,部分時段變化幅度較小。

圖4 甘肅地區井水位的日均值動態類型(a)臨夏井;(b)清水井;(c)永登井Fig.4 The dailymeans dynamic type ofwell level in Gansu region

3.4 地震前兆效能評估

從前面的分析可以看出:(1)“十五”數字化水位年變規律比較清楚的井點有:臨夏 2口井、景泰、永登;清水、武都、古浪年變規律不清楚,為平穩波動型。 (2)月動態有漸升、漸降、平穩波動三種類型。其中臨夏兩口井、永登、景泰、清水井點月動態規律比較清楚,武都、古浪資料分段使用后基本清楚。 (3)日變規律清楚的井點為:臨夏 2口井、清水;武都、景泰、永登、古浪井點。

根據以上分析我們可以判斷:臨夏兩口井不僅能在地震的中期或中短期前兆監測中發揮一定的效能,也能識別出地震短期前兆異常,或者在短臨前兆監測中發揮一定的效能。景泰、永登兩個井點在地震的中期或中短期前兆監測中能發揮一定的效能,也能識別出地震短期前兆異常,有可能在短臨前兆監測中發揮一定的效能。清水井點有可能在地震的中期或中短期前兆監測中發揮一定的效能,也能在地震短期和短臨前兆監測中發揮一定的效能。武都、古浪兩個井點有可能在地震的中期或中短期前兆監測中發揮一定的效能,也可能在地震短期和短臨前兆監測中發揮一定的效能(車用太等,2006)。

4 觀測技術對數字化水位資料的影響

我們對所有水位資料進行分析,發現觀測資料主要存在兩個問題,一個是突變或脈沖變化,另一個就是缺數。直觀分析這些變化基本不屬于地震前兆異常。造成這種變化的影響因素大部分是由儀器故障引起的,主要有電壓瞬間不穩、突然斷電、數采器故障、傳輸等引起觀測值的不正常變化。數字水位觀測資料的脈沖、階變等不正常變化大部分是儀器方面的原因,由人為操作不當引起的不正常變化很少。對于這些不正常非客觀的資料動態,因其形態特征各異,引起的原因有待進一步分析。

5 結論與討論

(1)甘肅地區 “十五”數字化水位觀測目前共有 7個井點、8個測項(臨夏一個井點中有兩套不同型號的觀測儀器)。其中有 6個井點資料比較連續穩定,可以直接使用,占總數的 75%。2個井點的資料略有干擾或缺數,經過處理后基本可以使用。

(2)數字化水位固體潮調和分析計算結果表明,資料比較連續穩定的井點多數有記錄固體潮汐效應的能力。只是有些井點水位固體潮汐效應比較明顯,潮汐因子較大,相對誤差較小;有些井點潮汐因子較小,但均比較穩定。另外,所有井點都能觀測到特大地震的震后效應。

(3)對有氣壓資料的臨夏和永登兩個井點進行了水位氣壓相關分析,結果發現這兩個井點的水位氣壓效應不明顯。

(4)數字化水位觀測中,還需要解決以下一些問題:①找出水位觀測資料不正常井點的原因,確保所有觀測井能夠正常工作,得到連續可靠的觀測資料,在今后的地震監測預報中發揮更好的作用;②井水位觀測數據中,個別井點存在一些突變或脈沖,這是水位在地震短期和短臨前兆監測中與真正的地震前兆異常夾雜在一起時難區分的問題;③還有一個特別值得重視的問題,就是部分儀器的時鐘系統可能存在問題,因為這些儀器所記錄的 2008年汶川地震的震后效應時間超前,是在 14時 23分或 24分發生變化的,估計是時鐘系統長時間的誤差或者安裝儀器時時間校正不準引起的(我們與監測中心主管人員討論過)。④個別井點水位日動態規律不穩定的問題,可能是由多種因素引起。因此要發揮 “十五”數字化水位觀測在地震預報中采樣率高、信息量大的作用,必須對今后更多更長時間的資料做統計分析,加強對數字化資料的深入分析和研究,為捕捉地震異常信息提供有效信息,總結出更有價值,適合數字化資料的異常提取指標和異常識別方法,更好地為地震預報服務。

本文的計算程序由唐九安研究員提供,并在計算中得到指導,在此表示感謝。

車用太,孔令昌,陳華靜,等 .2002.地下流體數字化觀測技術 [M].北京:地震出版社 .

車用太,趙文忠,魚金子,等 .2006.京津冀地區井水位的數字化觀測及其地震前兆監測效能評估[J].地震,26(4):103-111.

耿杰,陳安方,潘雙進 .2008.無線地下流體數據監測系統水位觀測數據與模擬水位觀測數據一致性研究[J].地震研究,31(3):238-243.

劉成龍,王廣才,張衛華,等 .2009.三峽井網井水位對汶川 8.0級地震的同震響應特征研究[J].地震學報,31(2):188-194.

劉國俊,楊海祥,王向陽,等 .2009.山西流體觀測井水位與氣壓相關性分析[J].山西地震,138(2):7-10.

孫小龍,劉耀煒,王博 .2008.賓川井對印尼大震的同震響應特征及其機理研究[J].地震,28(3):69-78.

唐九安,白亞平,楊淑英,等 .1993.甘 06井水位潮汐參數的震前中期異常[J].地震,13(6):21-28.

唐九安,常千軍,白亞平,等 .1995.甘 18井水位觀測結果與景泰地震[J].地震地磁觀測與研究,16(3):56-61.

汪成民,車用太,萬迪坤,等 .1988.地下水微動態研究[M].北京:地震出版社 .

王吉易,董守玉,陳建民,等 .1997.地下流體地震預報方法 [M].北京:地震出版社 .

張立,趙洪聲,劉耀煒,等 .2009.云南會澤井水位與水溫相關關系及其變異的地震預測意義[J].地震研究,32(3):228-230.

張淑亮,李冬梅,范雪芳 .2005.井水位前驅波與氣壓、風、降雨及強震關系的分析[J].地震,25(3):69-77.

張素欣,張子廣,劉俊明,等 .2002.數字化水位觀測資料的應用與研究 [J].地震,22(4):89-98.

張昱,鐘美嬌,楊曉鵬,等 .2008.平涼 C11井地下流體數字化水位觀測資料的分析[J].地震,28(4):128-135.

Analysis of the Tenth Five D igita lObservation Data of Underground Water Level and Evaluation of Earthquake Prediction Efficacy in Gansu

ZHANG Yu1,L IU X iao-feng1,S HAO Hui-cheng2,CHANG Q ian-jun1,KANG Q ing-qiang1
(1.Earthquake Adm inistration of Gansu Province,Lanzhou730000,Gansu,China)
(2.Earthquake Adm inistration of Shaanxi Province,Xi'an710068,Shaanxi,China)

This paper analyzed the data of“The Tenth Five”digital w ater level m easurem ent system.W e discussed the characteristics of year,m onth and day digital w ater level and application of digital data,and som e m aininterference factors in the m easurem ent of digitalw ater level.Itw as found that the data of m ostw ell points are reliable,w here the post-seism ic effect is very obvious.A t present,the m ain problem in m easuring digital w ater level is som e significant abrupt shifts and om issions in dividual points.Judging from previous earthquake examples,w ell points w ith obvious annual variations m ay have som e efficiency in m onitoring short-term or shortimpending precursor of earthquake.The theory of tides is suitable to process the analog observation data,and to process the digital data as w ell.In the m ain the quality of digitalw ater level observation using“The Tenth Five”system has an advantage over“The N inth Five”system in Gansu region.

digital observation data,underground w ater level,dynam ic characteristics,gansu and its adjacent area,earthquake prediction efficacy

P315.72+3

A

1000-0666(2010)04-0281-07

2009-11-06.

中國地震局震情跟蹤合同制定向工作任務“南北地震帶北段大震危險性強化跟蹤研究”、甘東南—陜甘寧地震重點危險區及鄰區強震危險性分析(2010010110)項目聯合資助 .