永清井水溫儀觀測數(shù)據(jù)異常核實的實例與分析＊

王 艷 呂文青 李 青 張 娜 齊玉妍 楊素卿

（保定地震監(jiān)測中心站，河北保定 071051）

引言

永清井位于縣城西南約10 km 羅家營村東北，隸屬廊坊市應急管理局永清地震臺，地理坐標為（39.22°N，116.44°E）（圖1a）；井深1274.11 m，直徑216 mm，套管深度1061 m；頂板埋深1065.3 m，裸孔過水段208.8 m。含水層巖性為震旦系白云巖，地下水類型為震旦亞界霧迷山組巖溶承壓水；井口標高67 m。成井時為自流熱水井，泄流口水溫72℃。1995年底受地熱開發(fā)影響斷流改為靜水位井。該井位于冀中拗陷北部的牛東斷裂帶北側(cè)（圖1b）[1]。

圖1 臺站位置和周邊構造（a）及永清井井孔柱狀圖（b）Fig.1 Station location and surrounding structure（a）and well hole histogram of Yongqing well（b）

永清井自2001 年1 月1 日正式開始水溫觀測，在2015 年進行了數(shù)字化改造。在日常的觀測中，水溫在2018 年之前一直表現(xiàn)出較好的年變趨勢，但是在2017 年12 月30 日開始出現(xiàn)加速下降，2019 年7 月和9 月也出現(xiàn)了不同的異常變化，并且在異常變化發(fā)生后周邊也發(fā)生了一些中等地震，其中最顯著的是2018 年2 月12 日河北永清M4.7 地震和2019年12 月5 日的唐山豐南M4.9 地震（圖2）。因此，中心站工作人員在日常值班過程中，特別關注永清井水溫突升突降的變化。

圖2 永清井水溫2017—2020 年異常變化5 日均值一階差分曲線圖Fig.2 5-day mean first-order difference curve of abnormal water temperature in Yongqing well from 2017 to 2020

1 臺站背景和基礎資料

1.1 永清地震臺概況

河北省永清縣永清地震臺隸屬河北省地震局，臺站位于河北省霸縣縣城北偏東約11 km，永清縣縣城西南約14 km 處，地處牛駝鎮(zhèn)凸起構造帶、河西務斷裂及牛東斷裂交匯部位，井深1274.11 m，觀測含水層地質(zhì)年代及巖性為震旦紀白云巖（圖3）。

圖3 永清地震臺地理位置圖Fig.3 Geographical location of Yongqing seismic station

1.2 臺站觀測系統(tǒng)概況

永清臺是流體綜合大臺，主要觀測儀器包括ZKGD3000-NL 水位儀，SZW-1A 水溫儀和ZKGD 3000-NT 水溫儀（備用），ZKGD3000-M 氣象三要素儀，EY-2 二氧化碳測試管（圖4）。永清井水位多年來在省地震局的領導下，多次在評比中取得優(yōu)異成績。以往研究表明，水溫對于臨震的異常有較高的可信度[1-2]。永清井水溫在2018 年2 月12 日永清M4.7 地震中出現(xiàn)過顯著異常，是少數(shù)井震距在30 km 以內(nèi)的異常信息，作為永清M4.7 地震異常的可信度較高[1]。

圖4 永清臺流體觀測系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of fluid observation system at Yongqing station

2 水溫儀觀測數(shù)據(jù)的異常分析

2.1 異常發(fā)現(xiàn)過程

2020 年4 月21 日在永清井水位、二氧化碳、以及同井同層備用水溫沒有出現(xiàn)異常變化的條件下，水溫出現(xiàn)了升高現(xiàn)象，最高點出現(xiàn)在4 月30 日，變化幅度為0.069℃，在隨后的30 日18:36 和5 月1 日7:28 又出現(xiàn)了兩次臺階式下降，之后曲線恢復正常（圖5）?；谝酝恼J知，這一 “突升—突降—恢復” 的數(shù)據(jù)異?，F(xiàn)象，引起了觀測人員的注意。排除干擾，提取可信的臺站變化是臺站觀測的重要內(nèi)容，新形勢下，具備異常核實能力也是對臺站觀測人員的一項新要求[2]，基于此，按照地震臺網(wǎng)觀測技術規(guī)范要求，隨即開展異常核實工作。

圖5 2020 年4 月1 日—5 月11 日永清井水溫與同井其他測項異常時段對比曲線圖Fig.5 Comparison curve of water temperature in Yongqing well from April 1 to May 11，2020 with other abnormal periods measured in the same well

2.2 現(xiàn)場工作前對異常產(chǎn)生原因的初步判定

永清井水溫自觀測以來，一直呈穩(wěn)定下降趨勢，但從2018 年至今已經(jīng)出現(xiàn)了5 次突升突降的情況：2017 年12 月—2018 年1 月快速下降，幅度為0.078℃；2019 年7 月21 日快速下降，幅度為0.033℃；7 月26 日快速上升，幅度為0.016℃；9 月24 日水溫呈現(xiàn)轉(zhuǎn)折上升趨勢；10 月21 日、26 日再次出現(xiàn)快速上升、下降變化。2 次同層位的備用水溫數(shù)據(jù)缺失，無法對比，3 次可以進行對比觀測但備用水溫無變化，5 次水溫異常變化有加速下降的，也有先上升后下降的，先下降后上升的，沒有找到規(guī)律。有2 次異常變化后周邊發(fā)生了中等地震，這次唯一不同的是在異常發(fā)生前曲線記錄到一個交直流轉(zhuǎn)換的突跳干擾，原因是永清臺站供電系統(tǒng)總閘由于年久失修，突然掉閘，出現(xiàn)了一個遠超于3 倍均方差的突跳（圖6）?；诖丝紤]，懷疑本次水溫異常情況可能是供電干擾所致，但不能完全排除其他因素的可能性，所以除了進行斷電實驗，還進行了同層水溫對比分析及注冷水實驗。

圖6 同層位水溫異常4 月1 日—5 月13 日對比觀測曲線圖Fig.6 Comparison observation curves of water temperature anomalies at the same horizon from April 1 to May 13

2.3 數(shù)字化水溫與備用水溫觀測數(shù)據(jù)對比分析及注水實驗

永清井在井下173 m 處有兩套水溫儀器并行，一套為出現(xiàn)異常的SZW-1A 水溫儀，另一套為ZKGD3000-NT 備用水溫儀（數(shù)據(jù)在實驗庫中）。異常出現(xiàn)后，工作人員馬上對兩套儀器進行了對比分析，發(fā)現(xiàn)在SZW-1A 水溫儀出現(xiàn)異常的時間段內(nèi)，備用儀器數(shù)據(jù)穩(wěn)定，并且在合閘的過程中，并未對備用水溫的數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，符合正常的年變趨勢，同井其他手段變化趨勢均正常?；趦商變x器在異常發(fā)生時變化不一致，在異常核實的當天，又進行了注冷水實驗，檢驗兩套儀器的一致性。5 月11 日16:10 開始進2022-09-05 行注冷水實驗，注水量為1.1 L，水溫為2℃，發(fā)現(xiàn)兩套水溫儀基本同步下降，變化形態(tài)一致，其中SZW-1A 變化量為0.017℃，ZKGD3000-NT 變化量為0.033℃（圖7）。注水實驗結(jié)果證明，正式入庫水溫背景噪聲很好，除了注水實驗那一段，基本沒有超過3 倍均方差的突跳，而備用水溫的整體噪聲水平較差，但兩套水溫儀的下降趨勢是一致的，說明儀器的工作狀態(tài)是正常的，水溫下降的同時，同井水位有一個反向的升高，說明注水實驗的水溫下降是由涌入井孔內(nèi)的水量變化引起的。

圖7 2020 年5 月11 日注水實驗示意圖Fig.7 Schematic diagram of water injection experiment on May 11，2020

2.4 觀測系統(tǒng)工作狀態(tài)檢查及斷電實驗

2.4.1 觀測系統(tǒng)工作狀態(tài)的檢查

5 月11 日上午9 時，保定地震監(jiān)測中心站和廊坊市應急管理局相關工作人員到達臺站。首先根據(jù)水溫異常核實觀測系統(tǒng)規(guī)范要求對永清井水溫觀測儀器、供電情況、線路連接等進行檢查，檢查了SZW-1A 型數(shù)字式溫度計、傳感器等儀器的運行狀態(tài)，顯示工作正常；檢查了儀器面板、指示燈，顯示正常，交換機因為沒有接到電瓶上，在停市電期間不亮，但也不是異常；檢查了數(shù)據(jù)通訊，并對存儲命令進行測試，網(wǎng)頁及ftp 功能正常；檢查了儀器防雷接地，接地電阻為0.8 Ω，小于4 Ω，滿足觀測環(huán)境要求；檢查直流供電電瓶電壓分別為1 2.8 8 V、12.86 V 和12.90 V，電壓正常。觀測室內(nèi)無漏水現(xiàn)象，觀測設施正常，無人為破壞。儀器、探頭線路連接正常，沒有破損、漏電及虛接情況。

2.4.2 斷電實驗

考慮到這次異常區(qū)別于以往表現(xiàn)在合閘過程中曲線記錄到一個突跳，在與臺站工作人員電話溝通后發(fā)現(xiàn)，當天漏電跳閘并且停市電，合閘時間正好為突跳時間。為了模擬4 月21 日當天的情況，5 月11 日凌晨3:30 進行斷電實驗，臺站工作人員手動拉閘，并且在拉閘前對電瓶電壓進行測量，3 塊并聯(lián)電瓶的電壓分別為13.56 V、13.31 V 和13.38 V，之后每隔半小時對供電電瓶進行電壓測量，可以看到，斷電后剛開始電壓下降得特別快，之后趨于緩慢，按理說在電瓶要虧電時也會變化的特別快，但是斷電9 小時情況下電瓶仍未處于欠壓狀態(tài)（表1，圖8）。

表1 斷電實驗3 塊電瓶電壓值Table 1 Voltage values of the three batteries in the power failure experiment

永清井的直流供電由3 塊電瓶并聯(lián)完成，品牌為風帆，容量是100 Ah。其中一塊電瓶連接的是兩套水溫儀，一塊電瓶連接的是水位儀，一塊電瓶連接的是氣象三要素儀和九五儀器協(xié)議轉(zhuǎn)換器，并且接了一個充電機（此次已經(jīng)拆除），停電后并聯(lián)電壓并不完全相同，12:28 合閘后，3 塊電瓶的電壓也不相同，充電速率也不一樣，明顯U1大于U2和U3（圖8）?？紤]到出現(xiàn)這種情況的原因很可能是3 塊電瓶有一塊的性能不太好，異常發(fā)生時這塊電瓶正好處于較差的狀態(tài)，4 月20 日合閘前的電壓值沒有測量。對比寶坻地震臺2018 年6 月11 日10:13—13:43 井水溫觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)大幅波動，經(jīng)咨詢寶坻臺龔永儉老師發(fā)現(xiàn)，當日04 時許，交流電停電，儀器使用電瓶供電，當日10 時許交流電恢復。儀器交直流切換不久，數(shù)據(jù)出現(xiàn)不正常變化。直到電瓶充滿電，重新接入后，觀測數(shù)據(jù)才基本恢復（圖9a）。

寶坻臺的SWY-1 型水位儀出現(xiàn)過類似的情況，這種水位儀與SZW-1A 水溫儀（數(shù)字式溫度計）結(jié)構是一樣的，都是地殼所生產(chǎn)的。2020 年4 月3 日之前的幾天，值班人員發(fā)現(xiàn)，電瓶電壓突降，由14.2 V 變?yōu)?3.8 V，受到密切關注，監(jiān)控電瓶電壓，4 月3 日發(fā)現(xiàn)電瓶電壓在0.1 V、0.1 V 的上升，說明電瓶性能不好，在快速的充電，值班人員于08:12 更換提前充滿電的電瓶，發(fā)現(xiàn)在電瓶快速充電期間，06:58—08:11 數(shù)據(jù)錯誤，具體表現(xiàn)為06:58 出現(xiàn)下降尖峰，變幅0.007 m，07:04 開始觀測數(shù)據(jù)曲線有小幅畸變。更換電瓶后，觀測數(shù)據(jù)曲線08:12 出現(xiàn)上升臺階，變幅0.005 m（圖9b）。這次電瓶充滿電后才換上，所以換電瓶后沒有出現(xiàn)圖9a 曲線所示的畸變現(xiàn)象。

圖9 寶坻臺交直流轉(zhuǎn)換故障曲線圖Fig.9 AC/DC conversion fault curve of Baodi station

綜上所述，地殼所生產(chǎn)的SZW-1A 型水溫儀直流供電時會受影響，主要表現(xiàn)在兩個方面：①電瓶在沒有欠壓的情況，自身性能不好時，會對觀測曲線造成影響；② 在自身欠壓的情況下也會對觀測曲線造成影響。此次斷電實驗沒有發(fā)現(xiàn)問題[3]，究其原因，可能有以下兩個方面：

（1）斷電時間尚短，電瓶沒有處于欠壓狀態(tài)，而異常發(fā)生期間，因為不確定停電的具體時間，推測電瓶處于欠壓狀態(tài)，表現(xiàn)出圖9a 的情況；

（2）通過表1、圖8 我們知道，3 塊原本應該電壓一樣的并聯(lián)電瓶，不管是停電前還是停電后電壓都是不一樣的，很可能是其中一塊電瓶的性能不太好，在異常發(fā)生期間，這個電瓶處在了不好的狀態(tài)，表現(xiàn)出圖9b 的情況，而實驗期間并沒有。

2.5 異常分析與性質(zhì)判定

經(jīng)現(xiàn)場核實走訪，2019 年新發(fā)現(xiàn)的干擾源溫泉井因為停用不可能導致永清井水溫產(chǎn)生這種異?；儯慌_站周邊環(huán)境雖然發(fā)生了改變，但是拆除房屋和平整土地對流體儀器產(chǎn)生影響的可能性不大；通過對異常時段水溫數(shù)據(jù)對比觀測，表明在異常發(fā)生時兩套水溫儀因為變化趨勢不一致，肯定有一套處于不正常狀態(tài)；所以在異常核實時，我們進行了注冷水實驗，兩套水溫儀變化趨勢一致，說明兩套水溫儀在異常時段的數(shù)據(jù)都是可靠的，之所以變化不一致，是因為有一套儀器自身出現(xiàn)了問題，通過同井水位和二氧化碳數(shù)據(jù)正常來看，更傾向于SZW-1A 型水溫儀自身出現(xiàn)的問題，依據(jù)在異常前一天出現(xiàn)跳閘和停電等情況，結(jié)合比較寶坻臺的數(shù)據(jù)曲線，得出永清井水溫這次的異常變化可能與直流電瓶欠壓有關。

3 結(jié)論

通過上述調(diào)查和分析得到如下基本認識：

（1）永清井出現(xiàn)異常水溫儀和備用水溫儀在異常核實時工作狀態(tài)正常；

（2）永清井周邊雖然有拆除建筑物和平地現(xiàn)象，但不存在大規(guī)模取水、注水、地熱開采等現(xiàn)象，基本上排除了環(huán)境變化的影響；

（3）通過與氣壓變化曲線對比分析，排除了氣壓干擾對水溫異常的影響（圖5）；

（4）數(shù)字化水溫與備用水溫觀測數(shù)據(jù)對比分析和注冷水實驗表明：在異常發(fā)生時兩套水溫儀有一套處于不正常狀態(tài)，因為變化趨勢不一致；通過同井水位和二氧化碳數(shù)據(jù)正常來看，更傾向于SZW-1A 型水溫儀自身出現(xiàn)了問題；

（5）異常分析判定：本次出現(xiàn)的井水溫抬升—下降變化雖然與之前幾次不同，但是同井水位以及備用水溫均未發(fā)生變化，與之前相同。斷電實驗曲線沒有變化可能跟電瓶沒有處于欠電狀態(tài)和在電壓正常的情況下，不好的電瓶沒有處在不好的狀態(tài)有關。結(jié)合寶坻臺同廠家儀器出現(xiàn)的問題，此次異常更傾向于交直流轉(zhuǎn)換之間的問題，在異常出現(xiàn)前，電瓶性能處于較差的狀態(tài)，合閘后，電瓶要快速的充電，導致數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)了變化，直到電瓶充滿電，數(shù)據(jù)恢復[4-5]。