維尼迪科夫調和分析對大甸子井水位潮汐因子和相位的氣象影響研究

維尼迪科夫調和分析對大甸子井水位潮汐因子和相位的氣象影響研究

王玥琪， 楊立明

(中國地震局蘭州地震研究所，甘肅 蘭州73000)

摘要：利用維尼迪柯夫潮汐調和分析方法計算內蒙古大甸子井水位原始資料和剔除氣壓、降雨資料后的潮汐因子和相位。結果顯示，兩種情況下得到的潮汐因子和相位具有較好的一致性，說明采用維尼迪柯夫潮汐調和分析方法得到的結果基本不受降水、氣壓等因素的影響。這對于缺少氣壓和降水等輔助觀測的水位觀測資料，使用原始資料進行維尼迪科夫潮汐調和分析，可獲取比較可靠的潮汐因子和相位參數。

關鍵詞：大甸子井； 水位； 潮汐因子； 相位； 氣壓； 降水

收稿日期：*2014-10-21

基金項目：中國地震局“十二五”國家科技支撐計劃項目(2012BAK19B02-01)

作者簡介：王玥琪(1990-)，女(蒙古族)，內蒙古呼和浩特人，在讀碩士研究生，主要從事地震預報研究工作.E-mail：yyqqking@sohu.com

中圖分類號:P315.72+3文獻標志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.01.0255

Meteorological Influence of Venedikov Harmonic Analysis Method

on Tidal Factor and Phase of the Dadianzi Well Water Level

WANG Yue-qi， YANG Li-ming

(LanzhouInstituteofSeismology，CEA，Lanzhou，Gansu730000，China)

Abstract：The water level response sensitivity to crustal dynamic process has been proved by the tide water level effect，air pressure effect, and seismic wave records.A series of observation and experiments is conducted to provide the physical basis of reliability for earthquake prediction according to groundwater dynamics.When the mechanical state and external observation environment medium remained constant，changes in the physical properties of the crust medium reveal change in the tidal waves.Therefore，accurate determination of the variation characteristics of tidal water wells may eliminate the importance of tidal factors in the work of earthquake prediction to improve measurement efficiency and also eliminate the utilization of measurement data.Tidal harmonic analysis is an effective method for evaluating the intrinsic quality of well data，which is vital for improving the quality of monitoring data analysis.In this method，digital filtering is used to analyze changes in water level observation data to objectively evaluate the well observation data.Groundwater level in wells is affected by the solid Earth tide，barometric pressure，fault creep，and seismic waves and is thus sensitive to crustal dynamic process.In this study，hourly data was obtained in Dadianzi well，Chifeng，Inner Mongolia，for 156 months from May 2001 to April 2014.The Venedikov tidal harmonic analysis method was used to calculate the tide factor and phase of water level raw data.After eliminating air pressure，rainfall data recorded by the well in Dadianzi were analyzed.The results indicate that tensile stress increased well porosity before the medium-strong earthquakes，which led to this seismic activity.In addition，two cases of wave phase in strong earthquakes are mainly related to phase lag，and the phase of wave interference is eliminated after obvious lag.The M2 wave tide factor and phase in the two cases are very close，which indicated that by using Venedikov tidal harmonic analysis method can reduce the influence of precipitation and the pressure of non-body strain factors on well water level tidal observations to a great extent，which can ensure the reliability and stability of this observation.We obtained good consistency and determined the relevance between tidal factors and phase lag by adopting the Venedikov tidal harmonic analysis method.For well points lacking supplementary observation of barometric pressure and precipitation，we can obtain more reliable parameters such as tidal factor and phase lag by adopting this method to analyze the original data directly.

Key words： Dadianzi well； water level； tidal factor； phase； air pressure； rainfall

0引言

井水位對地殼動力過程響應的敏感性已被井水位固體潮效應、氣壓效應、地震波記錄、斷層蠕動效應等一系列觀測及實驗所證實，為地下水動態預報地震奠定了可靠的物理基礎[1]。固體潮汐波的變化是反映地殼介質的物性變化，當介質的力學狀態及外部觀測環境保持不變時，固體潮汐應是一個不變的量。但地殼內應變積累到一定程度，力學狀態明顯改變時，介質物性發生變化，潮汐波就會發生明顯的變化[2-3]。采用數字頻率濾波器對水位觀測數據進行濾波以取得日波或半日波中的波群觀測振幅與理論振幅之比(振幅比或潮汐因子)以及觀測相位與理論相位之差(相位滯后)的維尼迪柯夫潮汐調和分析方法，是一種既簡便易行，又可掌握水位動態變化過程信息的重要手段。水位觀測值的影響因素包含降雨、氣壓、固體潮、地質構造作用等[4]。固體潮調和分析是評價觀測井資料內在質量的一項有效方法，是提高監測數據分析質量的重要依據。準確把握各水井固體潮變化特征，可在地震分析預報工作中排除固體潮因素影響，進一步提高井水位資料的分析價值[5]。

大甸子井地處遼蒙交界地區，是一口靜水位觀測井，已有的研究發現該井水位在多次區域中強地震前出現了水位固體潮畸變異常[6-7]。從多年觀測資料來看，氣壓和降雨對該井水位觀測有一定的影響。然而氣壓和降雨是否對該井固體潮的結果有影響尚未有相關研究。為此，本文采用維尼迪柯夫潮汐調和分析方法對內蒙古大甸子井水位原始資料和剔除氣壓和降雨后資料的潮汐因子和相位變化進行了對比分析研究。

1觀測井基本情況

大甸子井位于赤峰市敖漢旗大甸子鄉，距敖漢旗新惠鎮90 km。所處區域位于努魯爾虎山脈東南緣北端，屬低山丘地形，西北高、東南低,位于敖漢復向斜與新華夏系的老虎山-道爾登斷裂的交叉復合部位，寶國吐掩斜盆地的西部邊緣，周圍斷裂、褶皺密集，EW向赤峰—開原深大斷裂從該區域穿過。所在區的水系多為季節性沖溝，以佛爺山為界，東南坡有大凌河水系的上游黑城子河，北西坡發育著教來河水系(圖1)。研究區域可依地形特點分兩個水文地質單元，即努魯爾虎山東南緣山地水文地質單元和寶國吐掩斜盆地水文地質單元。大甸子井即位于兩個單元的過渡帶寶國吐掩斜盆地一側，努魯爾虎山地的側向補給，地表降水補給，還有教來河的遠源補給等，另外觀測井房附近的季節性沖溝對水位的變化也有一定的影響。由于受盆地沉積坡度較緩的影響，地下水徑流長，排泄條件差[6-7]。大甸子井深200.76 m，含水層巖性為石炭系砂巖，砂板巖等，且破碎強烈，性脆，水位觀測段在57.0～116.0 m之間，水位埋深18.8 m左右。1993年正式觀測，井況良好，觀測系統比較穩定，儀器工作正常，產出的觀測數據可信度較高，多年資料的連續性和穩定性很好，是開展潮汐因子和相位動態變化特征研究的理想觀測井[8-9]。2011年1月17日對大甸子井水位進行數字化改造，改造后水位年變仍繼續保持“夏高冬低”的形態。

2數據處理和分析

楊玲英等[8]通過對云南數字與模擬水位觀測資料的對比分析，認為其動態變化特征一致，與固體潮的相關系數也基本一致；楊興悅[9]、王燕等[10-11]對甘肅境內部分井同一測點不同時段的觀測資料或同一測點模擬與數字化資料進行校正后再研究。本文收集了大甸子井水位2001年5月—2014年4月間共156個月的模擬與數字化觀測的整點值資料進行分析。由于該井數字化觀測與之前模擬觀測存在2 m左右的系統誤差，故在分析過程中進行人為校正，并對數據進行了粗差檢查。目的是檢查整個數據段內的基線值是否統一，數據中是否有特別明顯的錯誤，甚至是非法的數據等。本文對照觀測記錄與基礎資料對該井水位資料進行校正，對明顯的因儀器以及周圍環境變化等比較清楚的因素引起水位呈臺階狀的變化進行了人為校正。

2.1維尼迪科夫潮汐調和分析

保加利亞學者維尼迪柯夫提出了一種采用數字頻率濾波器對觀測數據進行濾波的方法以取得日波或半日波中的波群觀測振幅與理論振幅之比(振幅比或潮汐因子)，式(1)以及觀測相位與理論相位之差(相位滯后)，這種方法稱為維尼迪柯夫調和分析法。其作用是：各固體潮汐因子與地殼介質的彈性有關，其變化反映了地殼介質的應力應變和物性變化；相位是實際觀測地球與理論地球模型比較的相位差異[12]。

其中，δ是井水位潮汐因子；Δh/c為水位觀測值；Δg為固體潮理論值。

在實際對地下流體固體潮的分析研究中，通常采用維尼迪科夫調和分析法求解出各井孔固體潮效應的各個參數值。固體潮觀測值可表示為

其中，y(tj)為時間觀測序列；hi是角頻率為ωi的潮汐波觀測振幅；φ(Tj)為同一潮汐波的初相位；Tj為觀測序列中央時刻的時間間隔；Φ(tj)為tj時的零點漂移。

利用維尼迪柯夫設計的偶數字濾波器和奇數字濾波器作用于連續48小時的固體潮觀測整點值，經過數學變換后，可按最小二乘法原理求得各波群的潮汐因子和相位、殘差矢量等參數，提取所需的全日波、半日波的固體潮信息。

圖1　 研究區域地質環境與主要斷裂分布示意圖 Fig.1　Geological environment and distribution of main faults in study area

2.2潮汐因子和相位的確定

(1) 利用維尼迪科夫潮汐調和分析方法對2001年5月—2014年4月間共156個月的大甸子井水位分別剔除氣壓與降雨后的原始整點值資料進行M2波調和分析。結果顯示，潮汐因子的均值在0.239mm/10-9左右，最大變化幅度在0.09mm/10-9左右；相位的均值為-11.5(圖2)。

(2) 將校正過的水位、氣壓以及區域降雨整點值資料分別進行回歸分析，剔除氣壓與降雨的影響，然后對剔除干擾后的水位資料進行調和分析。結果表明，剔除氣壓與降雨后的水位潮汐因子低值異常變化更加顯著。潮汐因子均值在0.235mm/10-9左右變化，最大變化幅度在0.14mm/10-9左右；相位均值為-12(圖3)。

從圖2和圖3可以看出，利用大甸子水位原始整點值和剔除干擾后的水位資料得到的潮汐因子均值前者略大于后者，而相位均值后者略大于前者，但相差不大，總體變化趨勢一致。

圖2　大甸子井水位原始整點值、M 2波潮汐因子和相位月值曲線(2001年5月—2014年4月) Fig.2　Curves of the water level original hour values，M 2 wave tidal factors and phase month values of Dadianzi well (from May，2001 to April，2014)

圖3　剔除氣壓與降雨后大甸子井的水位整點值、M 2波潮汐因子和相位月值曲線(2001年5月—2014年4月) Fig.3　Curves of the water level hour values，M 2 wave tidal factors and phase mouth values in Dadianzi well after removing air pressure and rainfall data (from May，2001 to April，2014)

2.3潮汐因子和相位數據與相關地震事件的關聯分析

在2002年10月20日西烏珠穆沁旗MS5.0、2003年8月16日巴林左旗MS5.9、2004年3月24日東烏珠穆沁MS5.9、2006年3月31日吉林乾安MS5.1、2013年1月23日燈塔MS5.1和2013年4月22日科左后旗MS5.3地震前，大甸子水位原始整點值M2潮汐因子出現不同程度的低值異常，其中在巴林左旗MS5.9地震前幅度最大(達0.072 5 mm/10-9左右)，且震后未恢復，共持續10個月。在燈塔MS5.1和科左后旗MS5.3地震前，這種低值異常不太明顯。剔除干擾后的水位M2潮汐因子在上述地震前也出現類似情況。相位變化在上述中強震前都以滯后為主。其中，在乾安MS5.1地震前，水位原始整點值M2波相位滯后明顯(達-48左右)，持續9個月。剔除干擾后的水位M2波相位在巴林左旗MS5.9地震前，滯后明顯(達-124左右)，且震后未恢復，共持續8個月。另外，在燈塔MS5.1和科左后旗MS5.3地震前，水位原始整點值M2波相位和剔除干擾后的水位M2波相位變化幅度都很小，甚至異常不明顯。

將直接利用原始水位資料與剔除氣壓和降雨后的水位資料進行潮汐調和分析得到的潮汐因子和相位進行統計分析發現，兩種情況下得到潮汐因子之間和相位之間滿足線性關系，且相關性較好(表1)。表明兩種情況下得到的潮汐因子和相位具有較好的一致性和相關性。

表 1利用原始水位和剔除氣壓與降雨后的水位進行潮汐調和分析相關性統計

Table1Correlationstatisticsofthetidalharmonicanalysesbyusingoriginalwaterlevelandthewaterlevelafterremovingairpressureandrainfalldata

序號類型分析結果及檢驗相關系數回歸殘差標準差回歸系數1潮汐因子0.7140.009a=0.14329b=0.402402相位0.8874.560a=-6.69687b=0.43718

3結果與討論

(1) 無論從原始水位獲取的M2波潮汐因子和相位還是剔除氣壓與降雨后獲取的M2波潮汐因子和相位，其變化形態都非常相似，而且在區域中強震前其異常變化特征也具有一致性。M2波潮汐因子在上述中強震前都以低值為主(且剔除干擾后的值更小)，有可能與上述中強震震前井孔隙度變大，應力以拉張等原因有關。M2波相位都以滯后為主(且剔除干擾后更明顯)，這可能與含水層受到應力作用時,巖塊內孔隙流對應力作用的響應與巖塊間裂隙流對應力作用的響應差異,導致孔隙流向裂隙流的釋水滯后有關。

(2) 大甸子井具有承壓水的埋藏條件且井水水位與區域氣壓具有較為明顯的年變特征，這是該井能記錄到微動態信息的基本條件，可作為開展固體潮特征研究的理想觀測井。從大甸子井水位原始整點值可以看出，該井固體潮效應非常明顯，且剔除氣壓與降雨后的水位整點值尤其突出。

(3)M2波潮汐因子和相位在兩種情況下的均值都非常接近，這說明采用維尼迪柯夫潮汐調和分析方法在很大程度上削弱和降低了降水、氣壓等非體應變因素對井水位潮汐觀測的影響，從而保證了潮汐觀測的可靠性和穩定性。本文只分析了大甸子井氣壓和降雨對井水位潮汐因子和相位的影響，因此對于在那些缺少氣壓和降水等輔助觀測的井點，可參考使用原始水位資料進行維尼迪科夫潮汐調和分析。

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監測報告