山西大同镇川井水位各类异常特征与成因分析

李惠玲，张登科，高云峰，穆慧敏，高文玉

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.山西大同市地震局，山西 大同 037008；

3.山西省地震局定襄地震台，山西 定襄 035403；4.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西 太原 030025)

0 引言

随着地下流体数字化观测技术的日益完善，地下水动态观测也逐步由数字化观测替代模拟观测。大量的观测事实表明，镇川井水位观测经数字化改造后，观测环境和仪器等各种干扰信息与地震前兆异常信息混杂在一起，已影响了水位前兆异常的识别。因此，如何从现有的观测数据中提取与地震孕育有关的信息，是当前亟须解决的问题。文章对镇川井数字化水位观测资料中各类异常图像的成因进行分析，探寻数字化水位观测资料的主要干扰因素，以提高观测资料的有效使用率。

1 井孔概况

镇川井位于大同市新荣区镇川堡乡镇川堡村西的万泉河河漫滩上，所处的构造部位是对大同盆地地震活动反映较为敏感的口泉断裂上，属一单斜自流盆地(见第22页图1a)。该井井深160.26 m，观测层为第三纪玄武岩，地下水类型为承压裂隙水(见第22页图1b)。该井自观测以来，一直处于受人为节流控制的自流状态，地下水的补给主要来自东部采凉山和北面玄武岩出露区。

镇川井水位观测始于1988年，数字化改造以前所使用的观测仪器为SW40-1型模拟水位记录仪。2007年9月，“十五”数字化改造后，采用LN-3A型数字水位仪进行观测，采样率为1 sample/min，观测精度为千分之一。水位仪器自安装运行以来，仪器运转基本稳定，产出数据连续可靠。

2 干扰异常特征分析与识别

在地下流体数字化观测中，往往会由于观测系统、观测环境等影响因素作用，出现有别于正常变化规律的异常动态，易与地震前兆异常相混淆。如何从复杂的干扰背景下提取出地震前兆异常，是当前地震监测预报工作的首要问题。笔者根据车用太等人有关地下流体干扰异常识别的一些研究成果，对镇川井水位各类干扰因素进行归纳与总结。

2.1 地下流体干扰异常识别原则

地下流体动态干扰异常识别原则是把握4个“相关性”，即成因上的相关性、空间上的相关性、时间上的相关性与强度上的相关性[1]。

(1) 成因上的相关性指出现的异常动态与其可能的影响因素之间存在成因上的关联。

(2) 空间上的相关性指干扰源与观测井之间的空间关系，一般是在一定范围内出现的干扰源对观测井产生干扰。镇川井观测层为第三纪玄武岩，地下水类型为承压裂隙水。距镇川井最近的同层地下水开采井，是1999年大同市自来水公司在距该井不足1 km处，打的3眼供城市用水的开采井，2003年曾做过几次抽水试验，井水位表现快速阶降形态。这是由于镇川井观测层为基岩裂隙含水层，与开采井同属一个水文地质单元，不符合地下流体观测规范的要求。《地震台站观测环境技术要求》中地下流体观测环境的要求，在基岩裂隙含水层或碳酸盐岩岩溶含水层，水文地质条件简单(构造为单斜或岩层平缓，岩性单一，裂隙或岩溶不发育)地区，最大干扰距离为1 km。因此， 3口井的开采势必要影响镇川井水位动态的变化。

图1 镇川井构造位置及井孔柱状图

(3) 时间上的相关性指干扰出现的时段与干扰源作用时段的关系，通常是二者时间段一致或干扰出现时段略有滞后。

(4) 强度上的相关性指干扰源的作用强度与干扰的幅( 强) 度间的关系。一般干扰作用越强，干扰幅度越大，特别是干扰的幅度随干扰作用强度和时间的变化而变化。

地下流体动态的异常变化，若符合上述4方面的相关性，则判定为干扰异常，不能视为地震前兆异常。

2.2 镇川井水位观测干扰异常类型及典型实例

地下水位动态变化主要取决于井-含水层系统的特征参数及观测环境，而仪器的稳定性、观测精度对动态变化也有一定的影响。多年的观测实践表明，引起井水位干扰异常的因素较多，有来自观测系统的，也有观测环境的。根据前人提出的干扰异常类型[2]，结合观测日志、异常的调查结果等，对各类干扰事件按照成因上、空间上、时间上、强度上的相关性研究思路进行分析、归纳与总结。

2.2.1 观测技术系统干扰

在地下流体数字化水位连续观测中，观测系统对井水位的影响非常明显，也很普遍。常见的干扰因素有：传感器、数据采集器、线路及其接口故障，时间服务系统故障，电源电压不稳或交直流电源切换影响，通讯线路故障或雷击等。

1) 仪器设备故障引起的干扰

镇川井数字水位仪2007年12月14日03:16因TC通讯单元故障，导致水位数据时断时续，造成数据严重缺失(见图2)。

图2 镇川井水位2007年12月10日至16日分钟值记录曲线

2) 仪器运行环境引起的干扰

(1) 镇川井数字水位仪2010年7月16日20:03因雷击导致传感器故障，致使水位观测数据出现大幅“凹型”阶变，严重影响正常曲线形态(见图3)。

图3 镇川井水位2010年7月1日至20日分钟值记录曲线

(2) 因雷电干扰造成镇川井水位观测数据曲线异常变化，表现为水位断记、突跳等异常图像(见图4)。

图4 镇川井水位2010年9月3日分钟值记录曲线

(3) 镇川井数字水位仪2010年11月10日至15日因当地农电不稳，受交直流电源切换影响，导致水位数据产生多处台阶、突跳，严重影响水位曲线形态(见图5)。

图5 镇川井水位2010年11月10日至20日分钟值记录曲线

(4) 镇川井数字水位仪2012年3月9日06:00～12:21由于电源电压不稳，导致水位观测数据频繁突跳(见图6)。

图6 镇川井水位2012年3月8日至9日分钟值记录曲线

(5) 镇川井数字水位仪2012年12月19日11:03因检查线路，重启仪器导致水位数据突降0.006 m(见图7)。

图7 镇川井水位2012年12月17日至22日分钟值记录曲线

2.2.2 观测条件改变造成的干扰

影响井水位观测条件的主要因素有：井孔塌陷与井管变形，井管腐蚀、开裂、漏水，自流井泄流口堵塞，观测井井口改造，观测仪器更换、维修等。镇川井水位因观测条件改变引起干扰异常的典型实例，是泄流口堵塞引起水位数据大幅度变化。

1) 镇川井泄流口堵塞引起的变化

镇川井水位为动水位观测，当泄流口出现堵塞时，均会对水位观测曲线造成严重影响。第24页图8为泄流口结冰堵塞，造成水位数据突变现象。第24页图9是人为堵塞泄流口造成的数据突变。

2) 维修水温仪对水位数据造成突变干扰

由于镇川井水温与水位是同井观测的2个测项，因此，水温仪器的故障维修也会对水位观测造成一定的影响。第24页图10为维修水温仪，造成镇川井水位变化的典型图像。

图8 镇川井水位2009年1月20日至2月28日分钟值记录曲线

图9 镇川井水位2010年8月13日至16日分钟值记录曲线

图10 镇川井水位2008年9月17日至18日分钟值记录曲线

3) 井口、管道改造引起的干扰

2010年11月7日更换排水管道，引起观测数据变化。11月8日井房改造，造成数据突跳、阶跃。11月9日更换出水口管道，引起观测数据曲线台阶变化(见图11)。

2.2.3 观测环境变化引起的干扰

地下流体观测环境，指影响地下流体动态正常变化规律的观测点周围自然与人文环境，其中既有地质-水文因素，也有气象因素，更有人类的各种活动。据调查，多数台站存在着不同程度的环境干扰。影响镇川井水位观测的主要干扰因素有：降雨的渗入补给、大风、雷电等气象因素，地下水开采干扰等。

图11 镇川井水位2010年11月6日至9日分钟值记录曲线

1) 井区自然环境变化引起的干扰

(1) 大量的观测事实表明，在镇川井井区短时间的降雨量大于1.5 mm，一般都会引起井水位的短时间波动、突升突降等变化(见图12)。

图12 镇川井水位2009年7月19日至31日分钟值记录曲线

(2) 受大风影响，镇川井水位主要表现为2种形态，一种为曲线变粗伴有突跳，另一种为单纯的突跳。如，2010年3月20日受大风干扰，镇川井水位观测曲线出现突跳、变粗现象(见图13)。

图13 镇川井水位2010年3月10日至30日分钟值记录曲线

2) 井区构造活动引起的变化

由于镇川井地处口泉断裂带附近，毗邻御河，因此，断裂活动与河水流量的变化均会对井水位动态造成一定的影响。汪成民等人认为，镇川井水位阶变集中分布时段与口泉断裂带上的形变测量有一定的关系，故推测该井水位变化多反映了口泉断裂的蠕动[3]。

2012年，镇川井水位出现2次突变异常，一次是3月11日07:16，水位观测数据缓慢上升，12日水位全天变化幅度达到5 cm，13日水位数据缓降，19日12:20水位数据又转为突升；另一次是11月20日08:50，水位观测数据再次出现急剧上升，幅度达到1.5 cm。经核实，2次变化之后的测区环境正常，仪器工作状态正常，供电正常，也无人为干扰。初步判定出现的变化可能与构造活动引起区域应力场改变有关(见图14、图15)。

图14 镇川井水位2012年3月11日至20日分钟值记录曲线

图15 镇川井水位2012年11月18日至23日分钟值记录曲线

2.2.4 不明原因的干扰

镇川井水位除上述可查明原因的主要影响因素外，还有一些不明原因的异常变化(见图16)。2008年以来，镇川井水位观测数据不明原因的突跳现象时有发生，经过几次硬件更新后，突跳现象一直没有很好的改观。之后，对该井的观测环境进行了改造，经过更换水位仪器、外线路、避雷，更新改造电源后，突跳现象明显减少。

图16 镇川井水位2008年2月1日至20日分钟值记录曲线

3 地震前兆异常的判据及特征分析

地震发生前，地下水前兆异常的确认非常困难，即使在地震发生后，也很难给出科学的确认结果。

3.1 地下水位前兆性异常的判据

相关研究表明，作为地下流体地震前兆的异常，首先是必须经过干扰的识别与排除，确认不是干扰的异常，才可视为地震前兆异常；其次，要有国内外震例的普遍支持，特别是经过地震预测实践检验过的典型震例的支持。其中有些地下水异常是震前被确认为地震前兆异常的，而且跟踪其发展过程并用于震情判定上，这种异常作为地震前兆异常的信度较高；第三，视为地震前兆的地下水异常，最好有其他测项或相关学科的异常相匹配，甚至有中小地震活动性异常配套；第四，视为前兆异常的地下水异常，最好有一定的前兆理论或模式的支持。如果满足上述4个判据中的第一及其他1条以上的判据，即可判定为地震前兆异常。按照此标准，对镇川井数字化改造后具有震兆性质的异常进行筛选。

3.2 镇川井水位观测前兆性异常典型实例

多年的观测实践表明，镇川井水位除受已知干扰因素的影响外，一些大于30 mm阶变与井区外围几十公里的中强震有较好的对应关系，幅度大于70 mm的突变异常之后6个月之内，在中国大陆或周边地区可能有6级以上地震发生。下面对2008年、2010年水位大幅度变化与地震的对应情况进行分析。

1) 2008年水位大幅度阶跃变化的成因分析

2008年镇川井水位出现了2次较大幅度的变化。一是汶川地震之前，2008年1月的大幅上升；二是在汶川地震当天开始的持续几天的不稳定变化(见第26页图17)。

第一次大幅变化后，在实地调查落实发现：观测环境无明显改变，井房外的出水管未出现大量泄水及冰冻现象，此期间没有停电，周围没有新开发的井孔，周围井孔没有抽水现象，附近以前打的勘探封闭井没有开口泄水外流现象。1月6日大幅变化前后，在井区附近也先后出现了内蒙古3号井水位0.3 m的下降和河北黄骅井水位趋势异常等，这次异常之后4个月，在四川汶川发生了8.0级地震。根据镇川井井区异常具有准同步性特征以及汶川地震破裂特征初步认为，2008年镇川井水位突变异常可能与汶川地震有一定的关系。

图17 镇川井水位分钟值记录曲线

2008年5月12日14时30分汶川8.0级地震后，镇川井水位出现第二次幅度为0.337 m的大幅下降变化，可看作是汶川8.0级地震的震后效应。

2) 2010年水位大幅度阶跃变化的成因分析

4月4日，大同4.5级地震前约1 h，镇川井水位出现31 mm的突升异常，震后于4月5日10时开始下降，到15时，水位已恢复到原上升前的水平(见图18)。在现场调查过程中，发现泄流口被石头堵塞，取出石头，并用细铁丝捅开泄流管管壁的铁锈，水位恢复到上升前的水平。为确认此异常的性质，4月6日13时40分，大同市地震局有关人员再次用同样的石头堵塞泄流管管口进行测试，测试时间至17时40分，井水位并未出现相应的变化(见图18)。初步认为，这次异常可能与大同4.5级地震前构造活动剧烈变化有一定的关系。

4 讨论与结论

通过对镇川井数字化水位观测资料各类异常成因

图18 镇川井水位2010年4月1日至6日分钟值记录曲线

的分析与研究，得出如下结论：

(1) 镇川井水位异常形态有两类，一类是突变或脉冲型，另一类是阶跃型。

(2) 造成镇川井水位异常的主要因素有：仪器故障、通讯故障、电源干扰、检修线路、维修仪器、泄流口排水管堵塞、大风大雨雷电干扰、供电故障以及同震阶跃等。

(3) 根据镇川井水位以往震例，确定地震前兆异常的判别指标，即，阶变幅度大于30 mm，异常时间在震前几十分钟到40天左右，多反映本区域几十公里范围内的4.5级以上地震；阶变幅度大于70 mm，异常出现在震前2～6个多月，多反映震中距在100 km～350 km的6级以上地震，对个别的远场大震震前也有反映。

(4) 由于镇川井水位的各类干扰因素多数与观测仪器、观测环境、气象要素有关，因此，台站人员对仪器运行与维护的好坏是取得连续、可靠和高质量观测数据的一个重要因素。对干扰的认识、落实、排查并进行详细记录，是正确识别干扰与地震异常信息的重要环节。台站观测人员应尽力做好对常见干扰因素的防范与排除，逐步提高识别地震前兆异常的水平。

该文在完成过程中，得到山西省地震局张淑亮研究员的大力指导，在此深表感谢！

参考文献：

[1] 车用太，鱼金子，刘成龙，等.判别地下水异常的干扰性与前兆性的原则及其应用实例[J].地震学报，2011,33(6):800-808.

[2] 中国地震局监测预报司.地震地下流体理论基础与观测技术[M].北京：地震出版社，2009：55-57.

[3] 汪成民，孙振璈，车用太.大同一阳高6.1级地震的地下水异常初析[J].地震，1990(4):37-44.