我國地震地下流體監測現狀分析及展望*

劉春國，晏 銳，樊春燕，陳 志，陶志剛

(1.中國地震臺網中心，北京 100045；2.中國地震局地震預測研究所，北京 100036)

0 引言

地下流體直接參與地殼中的各種動力作用過程，被認為是最有效的中短臨地震預測手段之一(劉耀煒等，2006)。我國自1966年邢臺地震后，以服務于地震預測預報及科學研究為目標，開展了以水文地質學、地球化學和地熱學為基礎學科的地震地下流體監測研究與實踐。經過五十多年的不懈努力，我國建成了覆蓋中國大陸主要地震構造帶的地下水動態、地熱和地球化學參量觀測的地下流體站網，獲得了揭示地球物理和地球化學動態過程形成與演化的地下流體長期觀測資料，取得了一些新的科學認識，在我國地震監測預報中發揮了重要作用。根據1966年以來中強地震震例統計，地下流體異常的數量約占整個地震前兆異常的一半，顯示出監測能力強、取得震例多、預報作用大的特點(岳明生，2005；車用太，金魚子，2006)。

我國地下流體監測工作雖然取得長足進步，在地震預測預報實踐和科學研究中發揮著重要作用，但與我國自然災害防治需求相比，還有諸多差距，現有的監測水平遠不能滿足地震孕育過程的中短臨階段地下流體動態異常監測的需求。為此，本文對現有的監測現狀進行系統分析與問題梳理，提出未來我國地震地下流體監測發展方向，進一步提升地震地下流體監測站網對強震的中短期前兆的監測能力。

1 監測現狀

1.1 監測發展歷程

我國地震地下流體監測始于1966年邢臺地震，歷經創建階段、發展階段和提高階段，我國地震地下流體監測網由局部性、臨時觀測網逐步發展為全國性、專業化、固定觀測網；觀測井由淺井為主逐步過渡到以中深井為主；觀測技術由人工觀測向模擬觀測、數字化觀測轉變。目前正處于現代化新階段。

創建階段(1966—1978年)是地下流體監測的起步階段。1966年邢臺地震后，為了監測余震，首先開展了地下水動態觀測，并建立余震區臨時觀測網。隨著京津冀震情形勢的嚴峻，1969年在京津冀地區建立地下水動態觀測網和水文地球化學觀測網。此后，隨著一系列強震的發生，地下流體監測在全國范圍內廣泛開展，為1975年海城7.3、1976年龍陵7.3及松潘7.2地震的成功預測作出了貢獻，正式被認為是重要的地震監測預報手段之一(王廣才等，2003)。此階段地下流體觀測井淺井多，且以民用井及機井為主；觀測方式以人工定期觀測為主。

發展階段(1979—1989年)，地下流體正式作為三大前兆觀測的重點之一得到大力發展，地下流體監測開始向臺網化、專業化和規范化發展。明確提出布局思路與建網方案，在全面清理評估與調整、優化已有觀測點的基礎上，建立了專業化的全國地震地下水動態觀測網(255個觀測點)、全國地震水文地球化學觀測網(330個觀測點)和全國地震水溫觀測網(114個觀測點)。觀測井以中、深井為主。觀測技術上，水位觀測全部實現自動化模擬觀測，水溫觀測采用高精度溫度自動化觀測技術，汞觀測作為新技術新方法開始應用；各測項的觀測技術規范相繼編寫與發布(王廣才等，2003)。

提高階段(1991—2000年)，我國地震地下流體觀測技術取得了突破性的進展。隨著水溫、水位、氡、汞、氦等數字化觀測技術相繼研制成功，1996—2000年，全國114個臺站開展了數字化技術改造，104個臺站的水位與水溫觀測、61個臺站的氡觀測和21個臺站的汞觀測改造為數字化觀測，4個臺站新增了數字化氦氣觀測(中國地震局監測預報司，2007)。

2000年以后，我國地震地下流體監測進入現代化新階段，全面推廣應用數字化觀測技術和信息技術。

“十五”期間(2001—2007年)數字化觀測技術進一步升級為網絡化觀測技術，支持觀測設備的遠程監控與自動采集，實現了觀測數據向中心節點臺站、區域臺網中心和國家級中心的自動匯集。據國家前兆臺網中心前兆數據庫統計，到“十一五”末期，我國地下流體觀測網中實現數字化觀測的臺站總數已達到400個左右。實現數字化觀測的臺站數量占地下流體臺站總數的85%；實現數字化觀測測項總數為960個左右，約占地下流體測項總數的86%。全部的國家臺與大部分區域臺完成數字化改造，此外還有相當多的市、縣級臺也進行了數字化改造。

“十一五”結束后，地下流體觀測網進入平穩運行期。為確保平穩運行，“十二五”期間，開展了儀器維修與保障體系的建設。建立了儀器定期更新機制，建成8個片區維修中心并投入運行，地下流體觀測網的觀測設備初步實現了快速修復和定期更新(劉高川等，2016，2021)。為了控制入網儀器質量，“十三五”期間，開展計量檢測系統建設。相繼在江西省地震局、中國地震局地殼應力研究所(現應急管理部國家自然災害防治研究院)和中國地震第一監測中心建立了測氡儀、測汞儀、壓力式水位儀和測溫儀的計量檢測實驗室，在江西九江地震臺、安徽廬江地震臺分別建立了測氡儀、測汞儀的比測場地。到2019年，地下流體主要觀測項目的計量檢測系統已初步建立，改變了我國地震地下流體觀測儀器計量檢測長期依賴社會計量機構的歷史。此外，為了保障地下流體監測可持續性發展，繼續推動新技術新方法研究，其中氫觀測技術在“十二五”期間取得突破，新型數字痕量氫儀器研制成功，并作為新技術新方法應用于溫泉逸出氫氣和斷層土壤氫氣的自動化連續觀測(車用太等，2015；范雪芳等，2016)。

1.2 監測網概況

根據場地條件和觀測周期的不同，我國地震地下流體站網可分為固定站網和流動觀測網。

地下流體監測固定站網以井、泉及斷層帶中地下水、地熱和地下氣作為觀測對象，觀測項目主要包括水位、地熱(水溫)、流量、氡、汞、水質和氣體組分(H、He、CO、N、CH、Ar、O等)，其中水位、水溫、氡和汞為主要觀測項目。據最新統計，地下流體監測網中有548個觀測點(觀測井439個、觀測泉78個和斷層氣觀測孔31個)已接入國家臺網管理，其中水位觀測站370個，水溫394個、氡171個、汞54個、水質23個、氣體組分51個。

與其它行業的地下水監測網相比，地震地下流體監測網采用的儀器具有觀測精度和分辨力較高、采樣頻率較快等特點(Liu，2016)，用于觀測的井以承壓井為主，觀測泉以上升泉為主，觀測井、泉和土壤氣觀測孔大都布設在活動構造帶上，避開地下水開采等干擾影響區域，空間分布上主要位于華北、東北、東南沿海、南北地震帶和天山地震帶中段，總體呈現東密西疏的特點。

流動觀測網作為固定站網的補充，主要對地震多發區域和地震潛在危險區溫泉水質、氣體及同位素組成和斷層帶土壤氣體進行定期或不定期觀測，為判定斷層的活動狀態、捕捉地殼深部信息提供基礎觀測資料。據最新統計，用于震情會商的溫泉點約為615個，斷層土壤氣剖面有200多條。溫泉點主要分布在川滇、新疆、華北及東南沿海地區。斷層土壤氣剖面觀測主要在華北、西北和天山地區的潛在地震危險區開展，剖面測線的間距為50～100 m，每條測線點間距為5～20 m。一般觀測周期為1次/季度、1次/半年或1次/年。

鑒于流動觀測長期以任務和項目的形式來開展，流動觀測網運行未能常態化、業務化，下面的分析討論只針對固定站網展開。

1.3 觀測技術

觀測技術以數字化觀測技術為主，數字化觀測站點在全國地下流體站網中所占比例約86%。但仍有部分臺站部分觀測項目采用了人工觀測技術。

(1)數字化觀測技術

水位、水溫、氡、汞數字化觀測技術已在全國廣泛應用，氫、氦和流量數字化觀測技術亦在少數臺站推廣應用。據最新統計，納入國家臺網的觀測站，水位和水溫觀測站已全部實現數字化、自動化觀測；氡、汞觀測站的數字化占比分別44%、72%；數字化氫觀測站7個，數字化氦觀測站8個，數字化流量觀測站14個。采用的主要數字化觀測儀器基本信息(中國地震監測預報司，2002；劉春國等，2015a，b；張彬等，2015；郭麗爽等，2016)見表1。

水位和水溫數字化觀測均采用投放傳感器至水面以下來觀測的方法。水位傳感器的投放深度一般為水面以下3～5 m；水溫傳感器的投放深度一般通過溫度梯度測量來確定，選擇水溫梯度較大、背景噪聲較小的區段(地震地下流體觀測方法 井水和泉水溫度觀測，DB/T 49—2012)，大都放置在水面以下100～500 m。多年的觀測實踐結果表明不同置深的水溫傳感器記錄到的水溫動態特征存在差異，水溫動態形成機理非常復雜，水溫傳感器最佳置深這一科學問題還存在爭議(汪成國等，2012；張慧等，2013；車用太等，2013，2014)。為了滿足異常核實與動態形成機理分析研究的需要，初步統計至少有52個觀測站采取了多層觀測，即同井在不同深度分別放置水溫傳感器的方法。流量主要采用在泄流管路上安裝數字化電磁流量計來觀測，電磁流量計是一種無阻式流量計，與渦輪流量計相比，更適合地震行業高礦化度等水質的流量觀測(許秋龍，2016)。

與水位、水溫、流量等物理量觀測方法不同，氡、汞、氫和氦氣化學量數字化觀測除了需要有數字化觀測儀器外，還需要有自動獲取氣體的裝置，即脫氣-集氣裝置，如圖1a所示。我國地震系統在“九五”和“十五”期間自主研制了鼓泡式脫氣裝置、濺落式脫氣裝置、臥式脫氣裝置和浮動罩式集氣裝置4大基本類型，其中以濺落式脫氣裝置應用最廣。以濺落式脫氣裝置為例，脫氣裝置包括水氣分離裝置、水路(引水管、出水管)和氣路(含引氣管、冷凝裝置等)，如圖1b所示。為了客觀測量地下水中氣體的瞬時含量，要求脫氣裝置具有較高且穩定的脫氣率和換氣率，但由于大多數觀測井泉流量變化大、水質條件較差，水路流量難以控制，水路與氣路容易堵塞以及水氣分離裝置結構缺陷等問題較為突出，脫氣裝置技術尚不能滿足地下水中氣體連續穩定觀測的需要。

(a)地下流體觀測系統構成 (b)脫氣裝置示意圖(據地震臺站建設規范 地下流體臺站第2部分，氣氡和氣汞臺站，DB/T 20.2—2006改繪)

表1 地下流體監測網主要數字化觀測儀器基本信息

(2)人工觀測技術

部分氡、汞、氫及氦觀測站和大部分流量觀測站采用人工觀測技術進行觀測。受觀測技術所限，水質和其它大部分氣體觀測沒有數字化觀測技術，亦均采用人工觀測技術觀測。目前，采用的主要人工觀測儀器基本信息見表2。

井或泉流量觀測：目前普遍采用的是現場容積式或稱重式人工觀測方法觀測。

氡觀測：觀測點取水樣或氣樣，觀測室測試。水樣在測量前還需要鼓泡、脫氣。觀測儀器主要包括FD-125、SD-3B、BG2015D、DDL-2測氡儀。

汞觀測：觀測點取水樣，現場加保護劑，觀測室脫汞、富集、測試；或直接在觀測點通過大氣采樣器將土壤氣中的汞(零價汞)富集到捕汞管帶回到觀測室測試。觀測儀器有XG-4、RG-BS、ATL-2000和XGY-1011a測汞儀。

水質觀測：觀測地下水中電導率、pH值、Eh值、常量離子濃度和微量元素含量的變化。觀測方式為觀測點取水樣，觀測室采用滴定管法或離子色譜儀(主要為CIC-200型離子色譜儀)進行分析測試。

氣體觀測：觀測地下水中H、He、CO、N、CH、Ar、O含量變化。觀測方式為觀測點取水樣，在觀測室脫氣后，利用氣相色譜儀分析測試氣體含量，常用儀器有SP-2304、SP-2305和SP-3400型氣相色譜儀。

表2 地下流體監測網主要人工觀測儀器基本信息

1.4 儀器檢測技術

定期對地下流體觀測儀器進行檢測，是保障入網觀測儀器的質量與運行儀器產出數據的可靠性、準確性和一致性的主要手段。儀器檢測技術包括現場檢測技術和實驗室計量檢測技術。

(1)現場檢測技術

地下流體主要觀測項目的觀測儀器基本上都有現場檢測方法，只有水溫儀一直缺乏有效的現場檢測技術。水溫儀難以現場檢測的主要原因有兩個：一是用于地震監測的水溫儀器本身具有很高的分辨力和較高的觀測精度，是觀測點“點溫”的測試，難以找到參考標準儀器。另外一個重要原因是水溫傳感器大都放置在一個溫度梯度較大而噪聲較小的區段，再投放一個參考傳感器將破壞現有的水溫平衡狀態，很難根據短時間的測量偏差來判斷儀器是否正常。

水位儀現場檢測主要采用校測的方式。早期采用帶測量尺的測鐘，現在測鐘大部分被便攜式電子水位計代替。以電子水位計作為參考，通過對比電子水位計與水位觀測儀器的測量偏差來判斷儀器是否工作正常。

測氡儀主要采用固體氡氣源法來進行檢測與校準。近年來，考慮到固體氡氣源作為放射性源存在安全隱患，科研人員開始尋找替代方法，其中采用氡標準計量參考儀器(AlphaGUARD P2000測氡儀)的校準方法經大量實驗研究已基本成熟，目前正在推廣應用(任宏微等，2017；姚玉霞，2017)。研制移動的微型氡室用于臺站測氡儀的校準亦取得了一定的進展(黃仁桂等，2020)。

測汞儀的校準方法為飽和汞蒸氣法，利用汞在不同溫度下具有固定的蒸汽壓的特性來獲取已知濃度的汞氣作為標準物質。早期臺站需要制作飽和汞蒸氣瓶用于校準，存在汞泄露、溫度波動、標準汞氣量體積難以控制等問題。近年來，科研人員以飽和汞蒸氣瓶為原型，研制成功標準汞發生與控制裝置并推廣應用，校準工作較為簡便和準確。

(2)實驗室計量檢測技術

地下流體觀測儀器的計量檢測長期存在檢測方法不成熟、不完備，缺少計量檢定與檢測平臺等問題。盡管計量科學研究院、測試技術研究院等具有計量資質的社會計量機構可以為測氡儀、測汞儀、水溫儀、水位等主流流體儀器提供量值溯源服務，但檢測項目、指標要求與地震監測業務的需求還有一定的差異，不能滿足地震監測儀器設備的檢定與入網檢測要求。

為了改變這種現狀，自“十一五”開始，科研人員開展了地下流體計量檢測技術研究。經過多年的試驗與檢測實踐研究，提出了利用模擬井孔法和壓力輸入法相結合來檢測水位儀的觀測誤差，利用微自流模擬井孔裝置測試水位儀長期穩定性(劉春國等，2018；地震觀測儀器進網技術要求 地下流體觀測儀第1部分：壓力式水位儀，DB/T 32.1—2020)，利用相對溫度變化可控的恒溫箱來測試水溫儀器的分辨力與穩定性等新的測試方法(張光順等，2018)。針對壓力式水位儀、測溫儀、測氡儀(含人工和數字)、測汞儀(含人工和數字)，建立了一套相對完備和成熟的包含觀測儀器的分辨力或靈敏度、準確度、穩定性等性能指標，供電、溫濕度等環境適應性指標和儀器控制、數據產出、通信等功能性指標在內的檢定與檢測方法。

基于以上的檢定與檢測方法，購置壓力控制器、恒溫槽、固體氡發生器、汞標準物質發生裝置及其標準儀器等國內外先進的計量檢測設備，研究建設適合于地震系統水位儀、測溫儀、測氡儀和測汞儀檢測的計量檢測實驗室與比測平臺，2019年完成建設并投入運行。自此，我國地震系統已經具備壓力式水位儀、測溫儀、測氡儀和測汞儀計量檢定與入網檢測能力。

1.5 臺網管理

在“十五”以前，臺網管理主要依靠臺站定期報送觀測資料、學科組年度資料評比來管理。隨著數字化觀測技術的發展、數字化觀測站的不斷增加，這種傳統的管理模式不再適用。

自“十五”開始，中國地震局啟動適應數字化臺網的臺網技術系統建設。升級數字化觀測儀器為網絡化觀測儀器，建立地震行業專網，改造臺站為行業網絡信息節點，實現“網絡到臺站，IP到儀器”。建設區域前兆臺網中心技術系統和國家前兆臺網中心技術系統。研究數據匯集、數據處理、質量評估和產品加工處理模型(周克昌等，2011；李正媛等，2018)，基于模型，研制開發了數據匯集管理、數據處理與分析、質量監控與評估、產品產出與服務等相關業務的專業軟件，分別部署在臺站、區域前兆臺網中心、國家前兆臺網中心和學科臺網中心(表3)。

表3 地下流體臺網各級節點部署業務軟件一覽表

伴隨著技術系統建設，規制標準體系的建設也逐步完善。中國地震局陸續組織制定了包括臺網設計、環境技術要求、臺站建設、儀器入網技術要求、臺網運行管理規定、觀測技術與方法等一系列運行管理技術規范。臺站、省級前兆臺網中心和國家級前兆臺網中心(學科中心)依托運行管理技術系統和技術規范對監測網實施分級管理。臺站承擔觀測系統運維、數據采集和預處理，省級前兆臺網中心主要承擔所轄臺網的數據匯集與運行監控，國家級前兆臺網中心承擔全國臺網數據的匯集與分發、運行監控與產品產出工作。

到“十一五”末，現代化的地下流體監測業務運行管理體系已初步形成，臺網運行管理水平進入到一個全新階段。地下流體臺網數據實現了統一規范化的管理與存儲，制定了地震前兆數據庫規范行業標準，對觀測數據、場地信息、觀測儀器信息、日志信息的數據庫存儲結構進行了規范(周克昌等，2010)，在節點臺站、省級中心、國家級中心建立了數據庫結構相同的地下流體數據庫，通過部署的管理系統軟件實現了儀器觀測數據的自動采集入庫，數據從臺站、省級中心、國家級中心的自動匯集與分發。

地下流體臺網實現了日、月、年3個時間尺度的全網、主要測項的質量監控。臺網質量監控工作以國家地下流體學科臺網中心為主，省級臺網中心協同、臺站響應來完成。質量監控內容主要包括數據匯集、數據預處理、數據質量、觀測運維、產品產出等，依據監控內容的時效性開展不同尺度的監控。

地下流體臺網產出實現了單一的觀測數據產品向多元化、信息化產品的發展。目前，臺網定期產出觀測背景信息、觀測日志、事件分析記錄等基礎性信息產品，觀測數據內涵更加豐富，一定程度上提升了觀測數據的應用價值；定期產出觀測報告、圖像專業產品、地震分析研究報告等專業化產品，從監測視角給出觀測分析結果與說明，對于分析預報與科研具有一定的參考價值(劉春國等，2015b)。

1.6 存在的主要問題

經過幾十年的發展，我國地震地下流體監測取得了長足進步，在地震預測預報實踐和科學研究中發揮了重要的作用，但與我國防震減災需求相比，還有諸多差距。主要問題有：

(1)站網布局有待完善。理論基礎薄弱，缺乏科學布局的指導思想；站點分布明顯東密西疏，在地震多發的西部地區數量嚴重不足；現有觀測項目的區域針對性不強；有21%的觀測站只有單一觀測項目，缺少相互印證的多參量綜合觀測。缺少基于物理模型布設的密集地下流體觀測臺陣。

(2)觀測場地基礎條件有待改善。部分觀測站的觀測條件、場址和井孔不完全符合地震地下流體觀測的技術要求，抗干擾能力較差，降雨和開采干擾較為普遍。初步統計，大約43.3%的觀測點受到降雨的影響，有39.8%受到地下水開采的影響。

(3)觀測技術仍不成熟。水氡、水汞、水質和氣體組分等是具有較高地震預測效能的觀測項目，目前仍主要延續三十年前的人工觀測方式。數字化觀測系統的長期穩定性較差，特別是化學量的數字化觀測技術，受不成熟的氣體獲取技術的限制，數字化氡和汞的觀測效能明顯偏低。此外，部分觀測儀器的現場檢測技術尚未取得突破性進展。

(4)運行管理面臨挑戰。自2018年起，地震系統啟動了業務體系改革，建立了以中心站、省級臺、國家級業務中心為站網管理運行主體的新業務體系架構，各業務主體的職責與職能發生變化，業務鏈條更加細分與完整，現有運行管理體系已經不能滿足新業務改革的需求，運行規范與技術要求亟待更新、完善與補充。此外，在“十五”期間建立的運行管理技術系統，其技術水平明顯落后于當今信息技術的發展水平。

2 新技術新方法探索

為了進一步提升地下流體站網的監測效能，充分發揮地下流體監測在地震預測中的作用，近十多年來，圍繞地下流體的觀測技術和觀測方法，科技工作者開展了大量的研究和探索工作，其中以地熱觀測和數字化地下氣體觀測的新技術新方法探索較為突出，并取得了一定的進展。

2.1 地熱觀測

地震地下流體通過深井水溫、泉水溫和地溫觀測來監測地熱動態變化，其中深井水溫觀測已經發展成為地震地下流體臺網的主要觀測項目之一，實現了成網觀測。而泉溫觀測點只占地熱觀測網的5%，地溫觀測自建點更少，基本上采用的是為氣象觀測服務的地溫觀測點，觀測孔深不超過320 cm，易受氣象因素和淺層地下水活動的影響。

溫泉作為地下深部熱流的天然通道，具有良好的映震效能，而地溫觀測具有反映短臨地震前兆的潛力，長期的地溫觀測對于地球科學研究具有重要意義(黃少鵬，安芷生，2010)。近年來，在國家工程項目與科研項目的支持下，開展了溫泉水溫觀測網與地溫觀測網建設實踐與研究，所采取的觀測思路、觀測技術與觀測方法及其實踐經驗對未來溫泉觀測網和地溫觀測網的建設具有一定的借鑒意義。

(1)溫泉水溫觀測

“十一五”期間，在云南的龍陵地區和四川的甘孜理塘地區建立了自動化溫泉水溫臺陣，選擇在同一個構造活動單元和相同水文地質條件的地區建立溫泉觀測臺陣對于地下流體臺網來說尚屬首次。

龍陵溫泉臺陣地處邦臘掌溫泉景區，由20個出露泉點組成，這些泉點大都沿香柏河(推測存在一條張性的香柏河斷裂)一側呈條帶狀展布，為深循環溫泉，泉溫大都在50 ℃以上，最高在90 ℃以上，富含腐蝕性氣體。水溫觀測設備采用低精度的溫度采集器(觀測精度為±0.5 ℃、分辨力為 0.1 ℃)，將水溫探頭直接固定于泉點出水眼底部，雙探頭設計。理塘溫泉臺陣位于理塘斷裂帶的主斷裂 NE 側的分支小斷裂上，由毛埡溫泉群中密集分布的10口泉點組成，泉點為中-深循壞溫泉，泉溫大都在30 ℃～60 ℃。觀測儀器為高精 度 測 溫儀(觀測精度為±0.05 ℃、分辨力為 0.000 1 ℃)。溫度探頭放置在溫泉自然出露處，對于流量較小或溫泉出露口較淺的泉鉆孔10 m，將探頭放置在鉆孔底部。

溫泉臺陣在盈江5.6及6.1地震、景谷6.6和九寨溝7.0地震前監測到較為明顯的水溫異常變化(衛青等，2017；國家地下流體臺網中心，2017)。密集的測點與較高的時間分辨率為泉點溫度的時空演化規律研究提供了豐富的觀測數據。但也存在觀測儀器故障率偏高、運維困難等問題，采用的觀測儀器尚不能滿足高溫、富含腐蝕性氣體的溫泉水溫長期穩定觀測需求，亟待升級改造。

(2)地溫觀測

2009—2020年，中國地震局地質研究所研究團隊在川滇和新疆等地區建立了多個基巖地溫觀測網，通過基巖地溫觀測來獲取地殼應力的動態變化(陳順云等，2009；Chen，2016)。觀測方法是：沿斷裂帶及附近基巖區鉆20～50 m不等的孔，每個孔多個深度安裝有傳感器，儀器安裝完成后用水泥灌封整個鉆孔。為了探測地震前或地震時的0.01 MPa到幾MPa量級的應力變化(相當于0.000 01 ℃～0.001 °C量級的溫度變化)，該團隊研發了分辨力達到0.000 01℃～0.000 003℃的高精度溫度測量系統用于觀測(張智河等，2018，2021)。陳順云等(2020)將康定6.3地震鮮水河斷裂帶觀測網地溫同震獲得的應力變化量級及空間分布特征與測震學方法的結果對比，結果一致，證實了基巖地溫探測地殼應力變化的有效性。而通過基巖觀測網獲得的地震前兆異常卻很少，基巖地溫觀測機理模型尚需繼續研究與完善，儀器的性能與長期穩定性有待提升(陳順云等，2021)。

2017年，天津市地震局建立了一個服務于大震短臨跟蹤的地溫連續監測網，這也是地震系統建設的第一個專業化數字化地溫觀測網。地溫監測網由30個測點組成，測點均布設在主要斷裂帶附近，每個測點均鉆孔32.0 m，2個溫度傳感器捆綁在一起放置在鉆孔31 m處，灌注2 m石英砂，再灌注粘土球封孔。鉆孔所揭露地層巖性以粉質黏土、粉土和粉砂為主。與基巖地溫觀測不同，該觀測網采用了低精度測溫儀器(分辨力0.01 ℃、絕對精度0.05 ℃)。目前測網運行正常，觀測數據已經接入國家地下流體臺網投入運行。

從以上地溫觀測資料分析結果來看，采用深度不小于20 m的鉆孔及其鉆孔灌封技術可以減少氣象因素的影響，降低淺層地下水活動的干擾，而這兩類因素正是傳統地溫觀測的主要干擾源；雙探頭并行或同鉆孔多層多探頭觀測可以互相映證，觀測方法與觀測技術有所突破。

2.2 數字化地下氣體觀測

數字化地下氣體觀測技術近二十年來一直是地下流體學科新技術新方法的探索重點。

一些新型CO、CH、H、He、Rn數字化儀器陸續被研制與引入來開展地下流體相關測項的觀測試驗研究(朱旭等，2011；任佳等，2013；張曉剛等，2016)，主要包括河北省地震局研發的RZW-1A型數字化二氧化碳測量儀，杭州超距公司研制的ATG-C600二氧化碳在線分析儀、ATG-CH甲烷在線分析儀、ATG-H800氦氣在線分析儀，智能(廈門)傳感器有限公司研制的HDZA02測氫儀和賽睿環儀(北京)NRSM-D01型地埋式土壤氡在線監測儀等。這些設備目前主要安裝在省局及地方自籌建設和科學實驗場等科研項目建設的觀測點上運行，儀器性能與監測效能有待評估。

除了新型數字化儀器外，與數字化氣體連續觀測配套的氣體自動化收集技術(即脫氣-集氣裝置技術)是研究探索的另一個熱點(陳華靜等，2002；許秋龍，崔勇，2005；邱鵬成等，2007；孔令昌等，2011；邱永平，2014)。許秋龍(2019)在濺落式脫氣裝置的基礎上研制了自吸氣式脫氣裝置，這種裝置適用于大流量、低礦化度冷水井泉，已經應用在全國約30個觀測點改造中。高小其等(2021)對自吸氣式脫氣裝置、鼓泡式脫氣裝置和浮動罩式集氣裝置進行了進一步的優化改造，并新提出了引入高頻振動的適應高礦化度的脫氣-集氣裝置和適合觀測單次測量所需氣量較小的測項(如H、CO、CH、He等)的真空脫氣-集氣裝置，這些裝置一定程度上提升了脫氣效率和穩定性，但由于這些新的脫氣裝置大都需要配套電子控制裝置，增加了技術環節和系統的復雜性，帶來一些新的干擾因素，應用效果還有待實踐檢驗。

目前，脫氣-集氣裝置問題大都集中在復雜的水、氣管路上，一種新的研究思路是簡化或去除脫氣-集氣裝置的管路設計。針對氫、氦氣體質量輕、難溶于水的特點，基于排水法的簡易脫氣-集氣裝置(Zhou，2021)在井泉氦和氫自動化連續觀測中被采用，這種裝置去除了水管路，設計簡單，應用效果較好。此外，從儀器端進行改進，探頭與主機分離，將探頭直接放置在氣體收集腔內，去除氣路設計部分，達到簡化脫氣-集氣裝置的效果，新型HDZA02測氫儀和NRSM-D01型測氡儀的探頭設計就是采取這種思路(Wang，2021)。最新的研究方向是不用脫氣-集氣裝置，而是直接測量，目前，地下水中氡濃度直接自動連續測量技術已經取得一定進展。

3 發展趨勢與展望

3.1 國際發展趨勢

國際上多震國家對地下流體的觀測和研究極為重視，日本、美國、中亞各國、俄羅斯、意大利、土耳其等國家在地震多發區、火山區或地震預報實驗場建有地下流體觀測網。與我國相比，這些國家的觀測網在布局方式、觀測場地、觀測手段等方面具有自己的特點，呈現出新的發展趨勢。

觀測網主要以密集臺陣方式布設，并具有較高的科學性和目的性。美國在圣安德烈斯斷裂及其附近布設了密集的地下流體觀測手段，建立了具有潛在預報能力的動力學模型。為了研究地下流體前兆場與活動斷裂的關系，中亞各國觀測井(泉)總體上沿主要活動斷裂帶布設，并在若干地段布設多條與主要活動斷裂垂直的剖面(車用太等，2006)。

觀測場地方面，為盡可能避開環境干擾，注重對可能反映地殼深部物質活動的深井、溫泉和斷層土壤氣等的觀測。近年來，研究人員通過在日本野島斷層(Nojima)、圣安德列斯斷裂(SAFOD)、日本海溝(JFAST)和新西蘭深部斷層(DFDP)等區域鉆探深井開展采樣分析與溫度、地下水位、孔隙壓力和應變等監測，獲得斷層活動區域的地下介質熱動力條件、斷層活動熱效能轉換和物質活動特征的有效信息(劉耀煒，2005；李海兵等，2019)。美國、日本、土耳其和意大利等國家在主要活動斷裂帶及火山地區開展溫泉流體觀測和土壤氣體觀測用于地震監測與研究(Caracausi，2005；Kulongoski，2013；Italiano，2009；Kop，2014；Camarda，2019)。

觀測手段方面，注重深、淺流體的對比觀測和多手段的聯合觀測研究。如日本建設的部分流體臺站，深、淺井配套，水位及水溫與測震、鉆孔應變、GNSS等其他學科觀測手段聯合觀測；美國在帕克菲爾德臺網開展了地下流體中深井、泉與斷層帶氣體聯合觀測。地下水位、電導率、地熱、地下氣體觀測大都為自動化連續觀測，大部分水化學組分采用現場直接快速測量或取樣觀測(車用太等，2006；Matsumoto，Koizumi，2013)。

3.2 監測工作展望

我國地震地下流體監測的首要任務是為地震預測預報服務。為全面提升地震地下流體站網的監測能力，2021年中國地震局正式啟動《中國地球物理站網(地下流體)規劃》(2021—2030年)的編制工作。以滿足未來十年我國地震重點監視防御區震情監視跟蹤需求為目標，基于我國地震地下流體監測現狀和國際發展趨勢，本文提出地下流體監測發展方向與未來工作重點：

(1)開展現有觀測網的技術清理與站點效能評估，加強地下流體觀測機理與布局技術研究，科學規劃、分類標準化設計地下流體監測網；加強以前兆機理探索為目的的流體觀測臺陣建設與研究。

(2)廣泛應用國內外先進的觀測技術，提升地下流體觀測儀器的性能與長期穩定性；應用化學量觀測新技術，繼續發展氣體自動化連續觀測技術，加快提升現有化學量人工觀測的智能化、自動化水平；加強地下流體新技術新方法研究，提升地下流體觀測項目的監測能力與抗干擾能力。

(3)依托國家重大項目、地方投資項目、共建項目，優化改造現有觀測井泉條件，提升其觀測資料的信噪比。在我國大陸主要活動地塊邊界和首都圈、川滇、新疆等地震重點監視防御區加密布設，新建深井觀測站，因地制宜發展有可能獲得深部物質活動信息的溫泉流體觀測和斷層氣體觀測，滿足重點監視區近震源區應變及深部活動監視需求。

(4)清理、完善現有標準規制體系，建設協同、高效的一體化運行管理平臺，打造新型運行管理體系。加強數據融合處理技術，建立跨行業地下流體虛擬觀測網，推進地震地下流體觀測資料與外行業流體觀測資料互連互通、共享服務。

本文是在編制《中國地球物理站網(地下流體)規劃》(2021—2030年)的背景下撰寫的，編制工作得到了周曉成、孫小龍、張彬、趙剛、周志華、王博、何案華、張光順等工作組成員的大力支持和幫助，車用太、劉耀煒、孔令昌和高小其研究員為未來地下流體監測發展方向提出了寶貴的意見和建議，在此表示衷心感謝！