地下流體數據跟蹤事件質量分析

陶志剛 劉春國 樊俊屹

（中國北京 100045 中國地震臺網中心）

0 引言

觀測數據是地球物理臺網的核心產品，也是開展地震預測研究的重要基礎（劉春國等，2015）。為進一步推進地球物理臺網工作重心由觀測為主向觀測與應用并重轉變（中國地震局，2013），強化觀測數據的質量控制，規范數據處理分析工作。為促進監測預報緊密結合，發揮觀測數據在震情監視、會商中的基礎性作用，提高臺網產出與服務能力，促進地球物理觀測技術進步，提升監測人員能力，中國地震局于2014 年組織開展地震前兆臺站數據跟蹤分析工作（王建國，2015a，b）。

數據跟蹤分析是以跟蹤分析軟件平臺為依托，以觀測數據為基礎，根據數據變化特征及所屬類型，以事件為單位，分析記錄各類事件并記入數據庫保存（王莉森等，2017）。目前，建立了臺站、區域中心、學科中心、國家中心四級審核機制，流體學科中心每月對事件進行審核，并將數據跟蹤分析結果納入全國地下流體年度評比內容。數據跟蹤分析工作在全國地球物理臺網已全面開展，大部分省地震局將數據跟蹤分析結果參與預報會商應用，定期產出大量跟蹤分析事件，為地震預測研究提供了豐富資料，但同時存在一些問題，有必要對這些問題進行歸類和總結，提出解決方案，為地震臺站監測人員記錄跟蹤分析事件提供參考。

本文以全國地下流體臺網數據跟蹤分析工作為例，在總結2019 年流體數據跟蹤分析產出事件基礎上，從跟蹤分析審核工作中遇到的實際問題出發，對觀測系統故障、自然環境、場地環境、人為干擾、地球物理事件、不明原因6 個方面存在的問題進行總結與分析，以便為地震臺站跟蹤分析事件記錄提供參考。

1 跟蹤分析工作概況

數據跟蹤分析的首要任務是，在海量觀測數據中挖掘顯著變化數據，核實變化原因，并根據規范進行記錄。數據跟蹤分析產出的事件主要包括非正常動態事件和正常動態事件。非正常動態指某一物理或化學量觀測值改變了原有變化規律和特征，或改變了日、月、年變化形態，觀測值出現了振幅、相位、頻率和趨勢等方面的顯著變化。非正常動態事件包括觀測系統事件、自然環境事件、場地環境事件、人為干擾事件、地球物理事件和不明原因事件。正常動態指非地震活動時段、無干擾因素條件下表現出來的有規律的動態變化，和在各種干擾因素的作用下，多年形成相對穩定的有規律的動態變化（國家地震前兆臺網中心，2014）。

地下流體各測項的正常動態復雜多樣，不同井的動態類型不同，同一口井不同測項、同一測項不同時段的動態類型不同，動態特征千差萬別，研究和了解每一口井、每一個測項、每個時段的正常動態，是科學、正確地進行數據處理、異常識別的前提和必要條件。

2019 年，全國流體觀測臺網分析儀器943 套，產出地球物理事件累計350 條，觀測數據不同程度地受到觀測系統、自然因素、場地環境、人為因素等干擾出現異常變化，此類事件記錄共計4 134 條，其中觀測系統事件1 729 條，自然環境事件831 條，場地環境事件558 條，人為干擾事件1 016 條。此外，無法解釋的非正常變化數據即為不明原因事件，共計153 條。不明原因可能與地震的孕育或構造活動有關，受現今認知水平所限，目前尚無法給出清晰解釋，值得持續關注和研究。

數據跟蹤分析各類事件的產出比例，可以直觀反映地下流體臺網的運行質量及制約因素。據統計，2019 年影響臺網運行的主要因素是觀測系統事件，占比41.82%，而人為干擾事件占比24.58%，自然環境事件占比20.1%，場地環境事件占比13.5%。自然環境和場地環境干擾又統稱為環境干擾。環境干擾對觀測數據的動態影響無法避免，如果充分了解干擾源信息，建立干擾強度與動態數據變化的干擾公式，對數據進行修正，可以定量消除干擾，不會影響觀測數據的使用。但是，觀測系統事件和人為干擾對觀測數據造成的影響是不可逆的，無法進行修正。因此，當前地下流體臺網運行面臨的主要挑戰是，如何盡量降低和減少觀測系統、人為干擾對觀測數據的影響程度及頻次。

2 典型事件分析

2.1 觀測系統事件

從記錄典型事件的臺站和儀器數量看，觀測系統對監測數據的影響最嚴重。觀測系統事件主要是由儀器、供電、通訊、避雷裝置、觀測井、井口裝置等因素引起的數據異常變化（國家地震前兆臺網中心，2015）。2019 年，在全國流體臺網290 個臺站500 套儀器記錄中觀測系統事件1 729 條，其中各類影響因素事件分布見圖1。由圖1 可見，2019 年影響流體臺網正常運行的主要因素是供電故障，占比21.57%，其次為儀器主機故障，占比16.71%，而數采故障占比10.35%，脫氣—集氣裝置故障占比5.78%，井（泉）泄流口堵塞與疏通占比5.32%，上述幾類事件嚴重影響了流體臺網的正常運行。針對2019 年觀測系統事件，篩選3 個典型事件進行分析。

圖1 觀測系統類影響因素的事件柱狀圖Fig.1 Histogram of various influencing factors of the observation system

典型事件1：襄樊萬山地震臺數字水位儀交直流切換干擾。2019 年5 月19 日13:30—18:32，襄樊萬山地震臺數字水位儀2 測點受電源不穩影響，出現交直流切換干擾，數據曲線形成向下臺階，臺階最大幅度為0.014 m，18:32 后恢復正常（圖2）。

圖2 交直流切換干擾實例Fig.2 Example of AC-DC switching interference

典型事件2：八一地震臺脫氣—集氣裝置故障。2019 年2 月6 日—14 日4 時，八一地震臺（15073）測點7 測氡儀，由于氣泵裝置故障，氣氡數據出現往復升降現象，變化范圍為：1.118—44.3 Bq/L，變化幅度為43.128 Bq/L。為此，于2 月10 日關停氣泵，對抽氣管路進行排查，發現氣路存在一定程度的堵塞，且接口有松動現象，疏通管路并更換接口后，恢復正常觀測（圖3）。

圖3 脫氣—集氣裝置故障實例Fig.3 Example of degassing gas collection device failure

典型事件3：桑梓井數字水位儀主機故障導致缺數。2019 年5 月23 日02:55—11:51，桑梓井ZKGD3000-NL 數字水位儀A 測點因主機故障，造成數據缺測8.95 小時，更換為備機后，于11:52 恢復正常記錄（圖4）。

圖4 主機故障導致缺數實例Fig.4 Example of instrument host failure

針對2019 年觀測系統事件中占比較大的影響因素，提出以下解決方案：①供電故障：臺站應配備UPS 直流電源和斷電報警裝置，若出現斷電情況，立即啟動UPS 電源，盡量做到交流—直流電源無縫切換，保障供電連續性。另外，臺站應盡快配置抗交直流干擾較強的儀器，例如SWY-2、SZW-2 等；②主機故障、數采故障：臺站應配備相應的備機、備件，定期更換老舊儀器，減少儀器故障頻次；③泄流口堵塞與疏通：此類問題常見于自流井中，井水礦化度較高，溢出井口后，由于溫度、壓力的改變，晶體析出沉淀在泄流口，長期積累導致出現堵塞現象，井水流量被改變。建議在泄流口安裝摩擦阻力較小的PVC 材質的泄流管，泄流口閥門盡量安裝直通式節流閥；④脫氣—集氣裝置故障：此類故障發生在數字化氣氡、氣汞測項中，應采用脫氣、集氣效率和換氣效率高的裝置，盡量保持觀測室溫度恒定，輸氣管路應豎直、簡短、內壁光滑、內徑較大，避免氣水冷凝倒流而堵塞氣路。

2.2 自然環境

自然環境類事件是指與自然環境相關的，引起觀測數據出現短時波動、高頻擾動、趨勢性上升或下降的變化（國家地震前兆臺網中心，2015）。2019 年，在全國流體觀測臺網148 個臺站182 套儀器記錄中，自然環境事件831 條，其中降雨占比58.48%，氣壓干擾占比17.56%，風擾占比9.15%。降雨干擾主要有2 種方式：降雨入滲補給含水層，引起井水位升高；強降雨引起的降雨載荷干擾，主要發生在地勢平坦地區，與降雨量、降雨強度、降雨面積有關。氣壓干擾主要與井水位呈負相關變化，而風擾也是一種氣壓干擾，觀測數據主要表現為背景噪聲變大。

典型事件1：降雨對盧龍崔莊井靜水位的干擾。2019 年9 月13 日00:00—16 日11:44，受降雨影響，盧龍崔莊井（13093）靜水位觀測1 測點ZKGD2000 觀測儀靜水位呈明顯偏高態勢，最大上升幅度0.226 6 m，13 日全天降雨量達28 mm，當日該井水位迅速上升，14 日后逐漸恢復，至16 日，數據基本恢復正常（圖5）。

圖5 降雨干擾實例Fig.5 Example of rainfall interference

典型事件2：無極冀20 井靜水位氣壓干擾。2019 年8 月15 日19:08—16 日03:18，無極冀20 井觀測站1 測點ZKGD3000 綜合水位儀靜水位數據出現多次突跳變化，最大幅度0.072 5 m，同時段氣壓數據出現同步突跳變化，最大幅度為7.8 hPa，16 日03:19 數據恢復正常（圖6）。分析認為，無極冀20 井靜水位突跳由氣壓變化所致。

圖6 氣壓干擾實例Fig.6 Example of atmospheric pressure interference

自然環境對現運行觀測系統的干擾無法避免，受自然環境干擾嚴重的臺站應配備氣象三要素測項，通過輔助觀測數據，建立降雨、氣壓對觀測數據的線性關系，定量消除干擾，提高觀測數據質量。

2.3 場地環境

場地環境類事件指在正常數據上疊加的場地環境干擾信號，此類干擾包括：載荷變化（湖泊、河流、采礦區、基建工程等）、振動（爆破、礦震、塌方等）、水文地質環境變化（采油、抽水、注水、井水斷流等）等（國家地震前兆臺網中心，2015）。2019 年，全國流體臺網78個臺站112 套儀器記錄場地環境事件558 條。

場地環境干擾中井泉抽水干擾占比33.33%，農業灌溉干擾占比16.3%。此類干擾目前無法避免，臺站應收集附近井泉抽水及農業灌溉信息，定量分析干擾對觀測數據的影響，建立相應的變化關系，消除干擾。

典型事件：抽水對瓦房店樓房測點數字水位儀靜水位的干擾。2019 年8 月20 日07:57—10:39，瓦房店樓房（21039）測點1數字水位儀SWY-Ⅱ靜水位（4112）受周邊居民生活用水井抽注水影響，水位快速下降，幅度約1.05 m，之后水位緩慢回升恢復正常（圖7）。此類居民生活用水干擾，無法避免，應持續跟蹤后續變化。

圖7 抽水干擾實例Fig.7 Example of pumping disturbances

2.4 人為干擾

人為干擾指人為活動引起觀測儀器或觀測裝置發生改變，觀測數據出現短時變化。人為干擾包括：人為調整觀測裝置（疏通泄流口，移動、更換或清洗脫氣—集氣裝置等）、人為操作儀器（如調零、標定、檢修、調試）、人為擾動傳感器（模擬換紙、校測、安裝儀器等）、取觀測井水樣導致觀測曲線出現變化等（國家地震前兆臺網中心，2015）。2019 年，全國流體臺網239 個臺站408 套儀器記錄人為干擾事件1 016 條。

人為干擾影響因素占比相對較平均，主要包括儀器檢修、標定、校測裝置系統改造、水樣提取、儀器安裝等，通常是臺站運維的日常工作內容，周期相對固定，持續時間較短，對觀測數據的影響時段較小，一般直接做預處理刪除即可，對觀測數據的使用影響較小。

典型事件：河間冀17 井觀測站水位儀動水位干擾變化。河間冀17 井觀測站測點1 的ZKGD3000-NL 水位儀動水位觀測曲線，于2019 年6 月30 日15:26—17:06 出現錯誤數據及臺階，臺階變化幅度為0.080 9 m，經查為滄州市地震局工作人員調節泄流口流量所致，人工刪除錯誤數據后，于當日17:07 恢復正常（圖8）。

圖8 調節泄流口流量實例Fig.8 Example of adjusting the flow of the discharge port

2.5 地球物理事件

地球物理類事件指地球物理場變化引起的數據變化。此類事件主要包括地震、震后效應（弛豫等）、火山、核爆、滑坡、泥石流、礦震、爆炸、震前擾動、地脈動、地球自由振蕩等（國家地震前兆臺網中心，2015）。2019 年，全國流體臺網61 個臺站72 套儀器記錄地球物理事件350 條，各測項統計結果見表1。此類事件主要為同震效應事件，其中水位記錄的同震效應最多，其次為水溫同震效應。地球物理事件記錄數量越多，越能反映監測井的地震監測效能。2019 年我國地下流體觀測井同震效應監測統計結果見圖9，可見峰峰24 井監測的同震效應事件最多，其次為鐘祥馬玲井。

圖9 臺站同震效應監測數量柱狀圖Fig.9 Histogram of monitoring quantity of co-seismic effect

表1 各測項地球物理事件統計Table1 Statistics of geophysical events

典型事件：邯鄲峰峰冀24 井水位儀靜水位同震效應。2019 年7 月6 日11:20:00，美國加利福尼亞州發生MW6.9 地震（35.75°N，117.58°W），震源深度10 km，震中距10 384 km。邯鄲峰峰冀24 井觀測站測點1 的ZKGD3000-NL 型水位儀靜水位（4112）數據于7 月6 日11:52—13:04 記錄到此次地震的水震波，變化形態為震蕩，變化幅度為0.044 2 m（圖10）。

圖10 水位同震效應實例Fig.10 Example of the co-seismic effect of water level

2.6 不明原因事件

經綜合分析排除以上5 類事件后仍無法確定或判定證據不足的數據變化，歸為不明原因類事件。2019 年，全國流體臺網51 個臺站70 套儀器記錄不明原因事件153 條，其中疑似故障或干擾占比50.66%，中短期不明原因占比26.97%，疑似前兆異常21.05%。后2項異常需密切關注，應重點跟蹤數據變化，盡快進行異常核實并編寫報告。

典型事件：懷來后郝窯地震臺測氡儀疑似故障或干擾。2019 年7 月18 日—8 月17 日，懷來后郝窯地震臺懷4 井SD-3 測氡儀氣氡測值連續出現高值小突跳，數據最大變化幅度180.0 Bq/L（圖11），超背景值約1 倍，同臺其他觀測儀器未出現此類異常等情況。異常核實發現：儀器工作正常、校測合格、無人為干擾、無場地環境干擾，且8 月17 日該項數據恢復正常。通過對儀器、周圍環境等開展現場調查，并對各種可能引起異常的因素進行分析論證，認為懷4 井氣氡測項異常變化可能為儀器老化、運行不穩定造成。

圖11 疑似故障或干擾實例Fig.11 Example of instrument failure or interference

3 常見問題

從數據使用角度來講，數據跟蹤分析的根本目的是，對非正常變化數據貼“標簽”，并及時進行跟蹤分析，以圖形方式展現，以文字方式進行原因說明，并入庫保存。

2019 年地下流體數據跟蹤分析工作中共出現問題441 條，問題率達9.51%，其中：圖件問題321 條，占比72.79%；事件分析質量問題85 條，占比19.27%；事件時間選擇錯誤79 條，占比17.91%；事件歸類錯誤27 條，占比6.12%；過度分析55 條，占比12.47%。

3.1 圖件問題

圖件內容包括主測項分量的時序曲線圖、事件圖框、文字標注。圖件標注問題主要是文字標注不準確，學科規定標注影響因素即可；圖件繪制選擇時長及數據類型應以能夠凸顯非正常變化為基本原則，事件前后應增加一定正常觀測曲線（事件起止時間應小于繪圖起止時段）；對于受氣壓、降雨影響的事件，應該增加氣象三要素對比觀測曲線；做過預處理的事件，應同時繪制原始數據和預處理數據對比曲線。典型圖件問題見圖12。

圖12 數據跟蹤分析圖件繪制問題實例（a）文字標注冗長；（b）事件前后應保留一定正常背景值域；（c）缺少原始數據對比觀測曲線；（d）缺少降雨對比觀測曲線Fig.12 Examples of picture drawing problems

3.2 事件數據時間選擇

跟蹤分析記錄的時間應該為數據開始發生非正常變化的起止時間，而不是繪圖的時間段。填寫準確程度應視分析數據類型而定。例如，分鐘值應準確填到“分鐘”，時值應準確填到“小時”，日值應準確填到“日”。對于未結束事件，應將結束時間置空，對其進行持續跟蹤分析，隨時補充、修改，及時更新圖件和文字描述信息，一旦事件結束，應立即填寫結束日期。

3.3 數據描述

數據變化描述是對事件分析記錄的重要組成部分，是對事件過程的完整解釋，應包含數據變化時間、變化形態、變化幅度、數據處置情況及依據。對于干擾源情況，應說明過程、干擾強度、干擾周期、影響方式等信息。

3.4 其他問題

對于故障數據，應首先進行預處理操作，然后進行事件分析。個別臺站會存在一條事件拆分為2 條的情況，臺站以周尺度進行跟蹤分析，若周分析未結束，應與下一周事件合并為一條，月尺度同樣如此。故障數據未做預處理刪除實例見圖13（a）。

圖13 數據跟蹤分析其他問題實例（a）故障數據未做預處理刪除；（b）小于4 小時觀測系統故障不用分析Fig.13 Examples of other problems

數據跟蹤分析中還會出現一些過度分析事件，主要包括2 類：①對正常數據進行事件分析；②對非正常數據進行分析。技術規范中2.14 規定：“對于已經明確是由觀測系統故障或場地環境干擾引起的、孤立型且持續時間比較短暫（持續時間4 小時以內）的數據變化，無需創建分析記錄，但應詳細填寫觀測日志”。此類事件實例見圖13（b）。

4 結束語

通過對我國2019 年地下流體臺網數據跟蹤分析現狀的總結和統計分析，可知2019 年數據跟蹤事件錯誤率較高，希望在地下流體學科和監測人員的共同努力下，逐漸降低錯誤率，提高數據跟蹤分析成效，為地震研究、預測等提供可靠的基礎數據，更好地為防災減災救災服務。