上海地震综合深井与地面台站前兆资料的对比分析

龚 耀， 潘国勇，魏 薇，戴乐翔

(上海市地震局崇明地震台，上海 202164)

0 引言

“十二五”期间，上海市地震局在浦东张江地震监测中心及崇明长江农场地震台内分别打了一口综合深井，并在深井中集成多项前兆观测手段，安装相应的观测仪器，包括三分量地磁仪、四分量应变仪、二分量倾斜仪、水温仪、水位仪[1-2]。这些前兆观测手段在地面台站也都有相应的观测[3]，在积累一定数据量的基础上，对深井观测数据进行对比分析，以判断其优劣。文章主要是对地磁、应变、倾斜、水温、水位观测数据进行分析。

1 观测仪器概况

上海佘山地震观测基准台有CBZ-2A型钻孔倾斜仪、VS型垂直摆倾斜仪、YRY-4型钻孔应变仪，崇明地震台安装有GM4地磁记录仪、SZW-1A型水温仪和LN-3A型水位仪，张江和崇明长江农场综合深井台(以下简称长江深井台)安装有集成商集成的四分量应变仪、二分量倾斜仪、深圳泰德公司的TDT-35型水温仪、HLM-15型水位仪。地面台站和综合深井台安装的仪器设备虽不同，但相应观测到的物理量是一致的。

2 分析方法

通过对不同仪器的原始曲线、长期变化趋势、内在质量等进行对比分析，综合判断深井台站前兆观测数据的质量。

2.1 地磁观测

2.1.1 日变化曲线对比

图1 2014年6月8日崇明与长江深井台地磁D、H、Z分量分钟值图Fig.1 Minute values of geomagnetic D, H and Z components at Chongming and Changjiang Station on June 8,2014

从图1看出，同下面基线值图反映的特征基本一致，Z分量曲线图日变形态基本一致，H分量和D分量的曲线虽然日变形态基本一致，但略有差异。分析其原因，认为是定向问题造成的。深井地磁探头定向是靠内置的电子罗盘，如果定向过程中有干扰或误差，会造成记录结果的差别。

2.1.2 内在质量分析

评价地磁记录仪记录质量的好坏，通常用绝对观测来对它进行基线值考察，如果月观测精度符合学科组的规定(δDB<0.1；δHB<1.0；δZB<1.0)，就认为记录仪正常，前提是参与绝对观测的人员和仪器均可靠[4]。选取崇明台周观测的观测值对崇明台及长江农场深井台的相对记录值进行基线值计算(见表1)，评价相对记录仪内在质量的好坏。选取2014年1月1日-6月30日的资料进行对比分析。从表中看出，崇明台相对记录仪基线值均在范围之内，长江深井台相对记录仪的D分量超出精度规定范围，H和Z分量在精度范围内。

表1 崇明台与长江深井台基线值观测月精度表Table 1 Monthly accuracy of baseline observation at Chongming Station and Changjiang deep well station

由以上分析可知，综合深井与地面台站地磁记录的日变形态基本相同，幅度相当，D分量日变形态和基线值的差异初步认为是定向问题造成的，地铁造成的干扰在综合深井记录中同样存在。

2.2 水位观测

崇明台静水位观测始于“十五”期间，井深280多米，观测的是第三承压含水层，崇明长江农场综合深井井深为463.6 m，观测的是基岩裂隙水。

2.2.1 日变曲线对比

运用2013年5月1日至3日的数据进行日变曲线对比发现，崇明台水位日变曲线潮汐现象明显；长江台综合深井观测也有日变现象，但并不明显，与所观测的层位有很大关系(见图2)。

图2 崇明台和长江台综合深井水位日变曲线对比图Fig.2 Comparison of diurnal variation of water level in comprehensive deep well at Chongming Station and Changjiang Station

2.2.2 年变曲线对比

从图2、图3看出，在一年尺度里，崇明台静水位观测年变化达1米多，且一直上升；长江台综合深井观测仅10多厘米，年终基本回到年初的水位位置。差别的原因在于，崇明长江农场台综合深井达400多米，穿透第四纪覆盖层并下套管封闭，观测基岩为裂隙水，水位动态稳定，呈夏高冬低型；崇明台浅井静水位受开采和回灌等干扰影响，变化幅度要比综合深井水位大一个数量级。由此看出，深井作为地震地下流体观测井要比浅水井更合理。

图3 崇明台和长江台综合深井水位年变曲线对比图Fig.3 Comparison of annual variation of water level in comprehensive deep well at Chongming Stationand Changjiang Station

2.3 水温观测

上海地区的水温观测台站有8个，一直以来崇明台的井水温记录稳定，数据可靠连续，对比分析以崇明台的数据为基础。

2.3.1 日变曲线对比

从图4的日变曲线来看，长江台综合深井水温日变幅度小，数据比崇明台的变化要稳定。

图4 崇明台和长江台综合深井水温日变曲线对比图Fig.4 Comparison of diurnal variation of water temperature in comprehensive deep well at Chongming Station and Changjiang Station

2.3.2 年变曲线对比

图5是2013年10月至2014年10月崇明台和长江农场综合深井台的年变曲线。崇明台水温变化平缓，在0.02 ℃之间；综合深井台变化曲线幅度大，为0.14 ℃，变化趋势在下降过程中，这种下降趋势的原因值得探讨。

图5 崇明台和长江台综合深井水温年变曲线对比图Fig.5 Comparison of annual variation of water temperature in comprehensive deep well at Chongming Station and Changjiang Station

2.4 钻孔应变

佘山台安装了YRY-4钻孔应变仪，综合深井台安装集成的四分量应变仪，通过对佘山台、浦东和长江农场综合深井台的钻孔应变仪数据的日变曲线和最大最小主应变及最大主应变方向等几个参数进行分析，明确仪器的运行状况。

2.4.1 日变曲线

图6是佘山台和浦东综合深井台2013年10月1日至2日的钻孔应变日变曲线，佘山台四分量日变曲线形态好，浦东综合深井台的日变曲线变化明显。

2.4.2 内在质量分析

主应变(ε1,ε2,φ)可以通过应变观测值、套筒内外径和围岩、填充水泥及套筒材料的杨氏模量和泊松比等参数来计算。最大主应变方向可以不受材料的限制，因此这3个台站即使观测条件存在差异，但最大主应变方向的结果仍可以放在一个平台进行比较。从计算结果第33页图7看出，浦东综合深井台及佘山台的最大、最小主应变及最大剪应变趋势一致，崇明长江农场综合深井台最大主应变基本走平，变化不大。3个台计算的最大主应变方向基本一致，在北西-东南向，一方面表明这3个台所在区域的应变状态相对一致，认为3个台点所构成的区域是一个整体，而且相对稳定，差异性不大。

图6 佘山台、浦东综合深井台钻孔应变仪日变曲线对比图Fig.6 Comparison of diurnal variation of borehole strain at Sheshan Station and Pudong comprehensive deep well station

图7 佘山、浦东及崇明综合深井最大最小主应变、最大剪应变及最大主应变方向图Fig.7 Maximum and minimum principal strain, maximum shear strain and maximum principal strain direction in comprehensive deep well in Sheshan, Pudong and Chongming

2.5 倾斜

佘山地震观测基准台有VS垂直摆倾斜仪[5]，综合深井安装集成的倾斜仪。

2.5.1 日变曲线对比

图8是佘山台和长江农场综合深井台2014年2月2日至3日的日变曲线，可以看出长江农场综合深井台倾斜仪日变曲线形态明显，佘山台的形态平稳，但受干扰明显。

图8 佘山台和长江农场综合深井台倾斜日变曲线对比图Fig.8 Comparison of diurnal variation of borehole tilt at Sheshan Station and Changjiang comprehensive deep well station

2.5.2 内在质量分析

第34页图9是2013年10月至2014年9月南北向整点值及一阶差分值图。由图可见，2013年11月开始受到人为干扰较严重，主要为山洞内装修及隔壁的人防工程改造频繁施工，造成数据波动较大，施工期间的固体潮也出现明显畸变。2014年3月施工逐渐收尾至停工后，数据稳定性有明显好转。崇明长江农场综合深井的钻孔倾斜仪进行差分后的高频部分非常稳定，显示较高的信噪比，长周期则一直无年变。近一年，两分量呈现持续向上的变化，变化速度一直保持稳定。

图9 佘山台倾斜南北向整点值及崇明长江农场综合深井的钻孔倾斜一阶差分值图Fig.9 Tilted north-south integer value at Sheshan Station and first order difference value of borehole tilt in Changjiang comprehensive deep well at Chongming Station

3 结论

(1) 通过以上分析，认为深井记录的地磁资料日变形态与地面地磁记录基本一致，幅度相当。崇明台与长江台H、D分量曲线不重合，认为主要原因是深井探头的D分量定向不准造成，需要重新定向。地铁造成的干扰在综合深井记录中同样存在，幅度基本一致。

(2) 综合深井水位观测的基岩裂隙水比浅水井水位观测更为可靠，受到的干扰少，观测结果与地震前兆信息的关系更密切。

(3) 综合深井水温观测日变化稳定，数据变化幅度小，更利于反应深部流体的信息。

(4) 通过内在质量分析，综合深井钻孔应变记录的数据稳定、可靠，能反映本地区受应力的影响情况。

(5) 综合深井钻孔倾斜仪有较高的信噪比，日变形态明显，长周期则一直无年变，近一年两分量呈现持续的向上变化，变化速度一直保持稳定。

(6) 综合深井前兆观测作为一种新的观测系统，集成了多种观测方法，节约空间，利于实施。在当前地面干扰越来越严重的情况下，开展综合深井观测也是一种探索。缺点是集成在一口井内，导致维修不便，有的甚至只能报废，成本较高。