山東區域流體數據跟蹤分析及思考＊

王西寶 程樹岐

（山東省地震局沂水地震臺，山東沂水 276400）

引言

自2010年起，原國家地震前兆臺網中心組織各省地震局區域前兆臺網中心、學科臺網中心和地震臺站，在方法探索（2011年，甘肅、新疆、山西省地震前兆臺網）、擴大實驗[2012年，河北、云南等17省（直轄市）地震前兆臺網]、分布式網絡化系統流程構建（2013年）3個研究階段后①②關于組織開展地震前兆臺網觀測數據跟蹤簡報編寫工作的通知. 中震測函〔2012〕165號，歷經2014年和2015年的應用檢驗，形成了地球物理臺網觀測數據跟蹤分析（以下簡稱數據跟蹤分析）工作模式與組織機制常態化[1]。

目前，許多區域地球物理臺網以及臺站的工作人員從觀測系統、自然環境、場地環境、人為干擾和地球物理事件等5個方面對數據跟蹤分析工作中常見的問題進行了系統的分析與總結[2-7]。李慧等[8]對河北前兆形變數據跟蹤分析中常見的典型干擾事件進行了分類整理并提出有效的消除方法；劉川琴等[9]對安徽前兆數據異常跟蹤分析進行了深入分析研究并形成了異常特征庫；李希亮等[10]和董曉娜等[11]對山東臺網數據跟蹤分析事件記錄進行系統梳理并歸納了制約臺網運行的一些因素。

山東省的數據跟蹤分析工作于2014年8月1日正式在全網開展，此項工作自開展以來已積累了大量的事件記錄，為地震分析預報人員提供了必要的資料。本文對近4年（2017—2020，以下所有數據及事件統計均在這個時間范圍內）山東省地下流體臺網數據跟蹤分析產生的6大類事件記錄中的典型事件進行梳理和匯總，未發現有關地震長、中、短、臨前兆異常等地球物理事件①山東省地球物理臺網觀測數據跟蹤分析年報（2017、2018、2019、2020年），故本文主要結合地球物理事件中的同震效應研究流體井監測地殼應力變化的能力，以期對山東地區進行數據跟蹤分析質量提升有所幫助，對其他單位數據跟蹤分析提供借鑒。

1 山東地下流體測網概況

目前，山東地區地下流體站點有22個臺站57套儀器參與數據跟蹤分析工作，其中有人值守臺站8個，無人值守臺站14個。從空間上來看，流體站點主要分布在斷裂帶及其附近地區，其中，沂沭斷裂帶和聊考斷裂帶上布設測點較多，分別占12個和8個；燕山—渤海地震活動構造帶站點較少，只有2個。總體來看臺站布局基本合理（圖1）。

圖1 山東地下流體站點分布Fig. 1 Distribution of underground fluid stations in Shandong Province

2 數據跟蹤分析概況

2017年1月—2020年12月，山東區域臺網地下流體觀測站共產出事件827條（表1）。經統計，其中43套儀器由觀測系統故障引起514條事件，占總事件記錄62.15%；35套儀器由人為干擾引起205條事件，占總事件記錄24.79%；11套儀器由自然環境干擾引起72條事件，占總事件記錄8.71%；8套儀器由場地環境干擾引起15條事件，6套儀器由地球物理事件引起17條事件，2套儀器由數據變化原因不明引起4條事件。

表1 2017—2020年事件統計Table 1 Event statistics from 2017 to 2020

從圖2可以看出，6類事件記錄中，觀測系統故障在2017年最多，達到191條；人為干擾事件2017年、2018年以及2019年相差無幾；其他幾類事件相對較少，基本在25條以下。山東區域地球物理臺網流體學科的觀測運行受到觀測系統因素的嚴重制約，2017—2020年這類事件占比依次為72.90%、57.28%、54.21%和59.88%。人為干擾則主要是由于校測或標定引起[12]，自然環境干擾主要為降水。2019年省十三五儀器更新改造項目對部分流體儀器進行了更新升級，且在省局技術保障室的指導下，部分臺站具備備機備件快速更換以及儀器維修能力，流體儀器的故障率或者故障時長相對有所降低，在圖上體現出2019年觀測系統事件數較往年有所下降。

圖2 2017—2020年事件統計圖Fig. 2 Statistical chart of abnormal events from 2017 to 2020

3 典型事件

2017—2020年數據跟蹤分析產品流體學科庫中，山東區域的22個流體臺站57套儀器共記錄到各類事件827條。在數據跟蹤分析中，事件主要有6大類，分為觀測系統故障事件、自然環境干擾事件、場地環境干擾事件、人為干擾事件、地球物理事件和不明原因事件①地震前兆數據跟蹤分析描述事件要素標準（2版，2015年11月），本文篩選除不明原因外的5類事件做分析說明。

3.1 觀測系統故障事件

觀測系統故障事件主要是指由主機故障、傳感器故障、數采故障、觀測裝置、觀測設備、觀測供電等發生的故障或損壞而引起的事件。通過梳理發現研究時段內觀測系統故障事件主要是由儀器故障（占比73.62%）和供電故障（占比20.43%）產生，此二者引起的事件占比達94.05%。例如，2019年6月4日聊城地震監測中心站6時22分—23時20分由于市電故障長時間停電，發電機長時間滿負荷運轉，造成多次跳閘斷電，水泵斷流，導致靜水位觀測在多個時段出現數據突跳，造成缺數（圖3）。

圖3 觀測系統事件事例Fig. 3 An example of observation system event

3.2 自然環境干擾事件

自然環境干擾事件主要是指由氣壓、降雨、降（融）雪、雷電、溫度、濕度、風擾、氣旋、臺風等干擾影響而引起的事件。據統計，在自然環境事件中受降雨影響事件占比68.63%，此類事件主要集中在昌邑魯02井、棲霞魯07井、莒南魯14井、棗莊魯15井以及蒙陰魯33井。

例如，2020年8月13日18時蒙陰魯33井附近突降暴雨，由于蒙陰魯33井無氣象三要素測項，經蒙陰縣地震監測中心工作人員詢問縣氣象部門得知，蒙陰縣城區此次暴雨降水量約260 mm，蒙陰魯33井水位出現升高，此次降雨導致蒙陰魯33井靜水位升高約1.63 m（圖4）。

圖4 自然環境事件事例Fig. 4 An example of natural environmental event

3.3 場地環境干擾事件

場地環境干擾事件主要是指由載荷干擾、水（油）井泉抽水、水（油）井注水、爆破、塌方、工程等影響而引起的事件。在這類事件中，爆破影響占比33.3%，主要表現在棗莊魯15井；抽水影響占比20%，如莒南魯14井新井抽水、聊古一井受冬季地熱供暖抽水影響[3]。

2019年7月以及2020年10月棗莊魯15井共受到5次爆破干擾，如2020年10月28日棗莊魯15井周邊有爆破工程，井水位開始下降，至29日下降0.38 m，30日后水位逐漸恢復。經現場核實并與省地震局專家溝通，認為是周邊爆破干擾所致（圖5）。

圖5 場地環境事件事例Fig. 5 An example of field environmental event

3.4 人為干擾事件

人為干擾事件主要是指由調零、標定（校測）、檢修儀器、模擬換紙、安裝儀器、裝置系統改造、取水樣、抽氣、觀測井抽水與放水、調節流量等影響而引起的事件。在統計時間段內，安裝儀器引起的事件占比31.2%，檢修儀器引起的占比23.9%，標定引起的占比35.6%，標定為主要影響因素。如聊城地震監測中心站多個測項需要進行年度標定，德州地震臺水氡測項每年4次儀器標定等（圖6）。

圖6 人為干擾事件事例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場、地球電磁場、太空引力變化等影響而引起的事件[11]，包括地震引起的地震長、中、短、臨前兆異常等事件。2017—2020年山東省地下流體臺網數據跟蹤分析未發現有關地震長、中、短、臨前兆異常等地球物理事件①山東省地球物理臺網觀測數據跟蹤分析年報（2017、2018、2019、2020年），山東省地下流體臺網數據的地球物理事件主要以水位和水溫兩個測項記錄到的同震和震后效應為主，本研究時段內記錄到的17條地球物理事件主要包括11條同震效應、5條震后效應以及1條疑似震前效應。如2018年1月23日商河魯09井數字化水位水溫綜合觀測儀（DRSW-Ⅱ）產出的水位數據因17時31分阿拉斯加灣8.0級地震出現波動，波動幅度近0.05 m，震后恢復正常（圖7）。

圖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年山東省地下流體臺網數據跟蹤分析未發現有關地震長、中、短、臨前兆異常等地球物理事件①，在此主要分析山東省地下流體臺網數據的同震效應地球物理事件。地下流體同震效應能夠有效直接的揭示地殼介質對應力、應變的響應，目前對于流體同震效應的研究多集中在水位、水溫方面[13-17]。本研究以數據異常跟蹤分析為基礎，選取近4年產生的地球物理事件記錄中有關井水位和水溫在地震波的作用下所表現出來的異常升降，統計水位、水溫對地震的響應及其幅度，確定響應形態、類型等特征。經過對近4年地球物理事件的梳理，山東區域流體井共記錄到同震效應11次，涉及的井孔為魯07井、魯09井和魯27井，均是水位對地震事件的響應，且同震效應均表現為振蕩型（表2和圖8），這也與劉凱等[18]的研究相一致。

圖8 部分典型水位同震響應曲線Fig. 8 Co-seismic response curve of water level

表2 井水位同震響應特征Table 2 Co-seismic response characteristics of well water level

振蕩型的同震效應，是指地震振動作用下，地下水位出現類似地震波的高頻振蕩，反映了地下含水層介質彈性模量較大，巖層透水性好，在地震波傳播過程中含水介質的一種彈性變化結果。這種彈性變化會引起地下水潮汐參數的變化，如潮汐因子、相位差等。在地下流體效能評估中，井水位的M2潮汐因子及其觀測精度是極其重要的一項評價指標[19]，魯07井、魯09井和魯27井的這兩項指標都是優秀級別，其2019年M2潮汐因子參數分別為1.907 0、1.632 6和1.065 0，觀測精度分別為0.004 1、0.006 9和0.007 8。

在2017—2020年幾次遠場大震中，山東區域流體14個水位測項，記錄到同震響應的有3個，而對于水溫測項則沒有一個井孔記錄到同震響應，說明該區水位觀測的記震能力強于水溫觀測[18,20-22]。耿杰等[20]的研究認為，影響同震效應的主要因素是井孔含水層系統的水文地質條件、地質構造環境和觀測儀器類型，目前山東水位觀測儀器已基本全部更新為DRSW-Ⅱ型地熱水位氣象三要素綜合觀測儀。本研究考慮山東流體井水位對遠場大震的同震效應，認為主要受井孔含水層系統的水文地質條件和地質構造環境的影響。水文地質條件方面，本文中觀測到水位同震效應的三口井中魯09井和魯27井其含水層巖性為灰巖，而魯07井含水層巖性為花崗巖。一般情況下，含水層巖性對水位同震效應的影響其程度從大到小依次為灰巖、變質巖、砂巖、第四系砂礫石層。根據已有研究，灰巖含水層具有良好的彈性力學性質，含水量豐富，徑流條件好，井孔與含水層連通性好[23]。從表2可以看出，魯09井和魯27井水位的同震效應無論從次數還是水位變化幅度都要優于魯07井。Elkhoury等[24]提出大地震引起淺層地殼滲透率增加模型，地震波能使含水層的滲透系數瞬時增加，從而引起井水位上升，這可能是魯07井對遠場大震偶爾會出現同震效應的原因。地質構造環境方面，魯07井位于萊陽、棲霞、福山斷裂交會處，魯09井位于濟陽坳陷帶，魯27井位于聊考斷裂與菏澤斷裂的交匯部位。根據行業標準①DB/T 20.1-2006地震臺站建設規范. 地下流體臺站. 第1部分：水位和水溫臺站，觀測井位宜選在活動斷裂帶及其附近包括斷裂帶的端點、拐點及與其他斷裂帶交匯的部位。地下水位的變化與觀測含水層所處斷裂帶的活動有直接的關系。由于一些發生過中強地震的斷裂帶，其裂隙發育，遠場大震產生的地震波引起裂隙中的地下水快速流動，裂隙疏通，增加了含水層的滲透性，引起水位震蕩，滲透系數越大，水位震蕩的幅度就越大，同震效應就越明顯。在地震波作用下一方面會引起地表介質的上下波動，另一方面也會引起含水層孔隙壓力的波動，這兩個方面的原因都會造成井水位的振蕩，且井水位對應力應變有一定的放大作用[25]。

從近年來積累的地球物理事件及山東省地球物理臺網觀測數據跟蹤分析年報來看，山東大部分觀測井水位和所有的水溫測項記錄不到同震效應，亦未發現有關地震長、中、短、臨前兆異常等事件①山東省地球物理臺網觀測數據跟蹤分析年報（2017、2018、2019、2020年），當然由于地震前兆異常本身就很難識別，再加上水位、水溫觀測中部分井點存在觀測環境干擾和觀測系統的不穩定等因素，更增加了對地震前兆異常判斷的難度。同時由于這些井基本都是非地震行業如地質、石油、冶金、煤炭、水利等部門的勘探井或廢棄井經改造成為地震地下流體觀測井，隨著井孔條件的不斷惡化，如井壁坍塌、井壁滲漏等，大部分井的響應靈敏性已大不如前。

5 措施與方法

提高跟蹤分析質量，可通過采取一定的措施和方法逐步規范直至完全避免：①繼續加大對各觀測儀器設備的更換，逐步淘汰老化嚴重、運行多年的儀器；②做好各儀器備機備件的儲備，以便儀器發生故障時能夠及時維修和更換；③加大對無人值守臺站的電源改造，在配備UPS電源的同時嘗試開展光伏發電，從而保障電力供應；④建立健全技能培訓機制，定期開展培訓與交流，加強對臺站人員的業務指導，組織業務水平較高的臺站業務骨干對各臺站進行技能培訓，既培訓工作人員對觀測硬件的維護和維修能力，又培訓工作人員對地球物理觀測數據跟蹤分析的技術技巧，切實提高臺站工作人員的業務能力；⑤數據跟蹤分析的一些技術標準和規則也在不斷完善當中，省局流體學科組做好與國家學科組的交流溝通，針對學科中心的審核結果做好匯總總結，把最新的要求及時傳達給分析人員；⑥建議跟蹤分析人員實行專人負責或者是分學科專人負責；⑦加強區域中心審核人員與臺站分析人員的溝通，區域中心人員發現問題能夠及時指導臺站人員修改；⑧加大投資新建一些符合地震觀測規范的新井，逐步替換那些經過改造的非地震行業觀測井以及井孔條件損壞的觀測點。

6 結論

通過對2017—2020年山東區域流體學科數據跟蹤分析的系統梳理和分析，得到如下幾點認識：

（1）進一步明確了影響和制約山東流體數據跟蹤分析質量的主要因素是觀測系統、人為干擾和自然環境。在觀測系統中尤以儀器故障和供電為主要的干擾因素，人為干擾則主要為儀器的標定和校測，而自然環境干擾則以降雨為主。

（2）在地球物理事件中同井水位變化的同時，水溫未見變化。說明在研究時段內，從同震效應來看，各觀測井水位測項的映震能力要優于水溫測項。

（3）從井水位的同震效應來看，能夠有效記錄到水震波的水井極少，只有魯07井、魯09井和魯27井，而魯27井表現較好，其次為魯09井。同時也說明多數觀測井監測地殼應力變化的能力不強。

致謝

本文在寫作過程中得到了山東地震臺張玲高工以及管貽亮的指導和幫助；評審專家提出了諸多有益建議，對稿件質量的提升幫助很大，作者在此一并表示誠摯感謝。