邢台地震台地下流体观测数据跟踪分析

张明哲，王静，凌燕，罗娜，田勤，解真，张波

(河北省地震局红山基准台，河北 邢台 054000)

0 引 言

河北地震前兆台网观测数据跟踪分析工作于2012 年开始试行，2014年底正式纳入省级年度观测资料质量评比范围[1]。邢台地震台地下流体观测产出了多年连续、准确、高质量的观测数据，但随着环境的改变、仪器的老化、更新换代等影响，干扰因素也逐渐增多。提供真实可靠的观测资料是监测工作的主要职能之一，提供更丰富的前兆数据产品为地震预测预报和相关科学研究提供数据服务[2-3]，是台站的工作目标。本文基于2015～2019年的数据跟踪分析工作，从观测系统、自然环境、场地环境、人为干扰和地球物理事件5个方面，总结和归纳各类干扰因素对观测数据的影响，探究邢台地震台地下流体观测典型干扰因素及形态特征，直观了解影响邢台地震台地下流体观测质量的主要因素，为观测资料应用研究提供参考，也为其他台站同类干扰事件提供参考和依据。

1 邢台地震台地下流体概况

邢台地震台有3口流体井观测站，分别为衡水冀16井观测站、辛集冀21井观测站和宁晋冀22井观测站(以下简称衡水井、辛集井和宁晋井)，涉及水位、水温和气象三要素测项，共10套仪器、16个测项分量(衡水井配备ZKGD3000地下水数据监测系统、ZKGD3000-NT水温仪和RTP-Ⅱ气象三要素仪；辛集井配备ZKGD3000-NL水位仪、ZKGD3000-NT水温仪、SW40-1 水位仪和WYY-1气象三要素仪；宁晋井配备ZKGD3000-NL水位仪、ZKGD3000-NT水温仪和WYY-1气象三要素仪)。数字化水位观测仪器共3套。水温仪器共3套，人工模拟水位观测仪器 1 套，气象三要素仪器3套。观测资料连续率和完整率较高。

图1 邢台地震台地下流体观测站点分布

其中，衡水井位于华北平原沉降带冀中锄陷新河凸起高点上，衡水断裂带的南侧，太行山前断裂带和百尺口断裂带东侧；辛集井位于华北平原沉降带，冀中拗陷宁晋凸起东侧斜坡上，其东为束鹿凹陷；宁晋井位于华北沉降带束鹿凹陷西斜坡南部，东西向构造断裂带，台站分布见图1。

2 跟踪分析记录产出

基于2015～2019年衡水井、辛集井和宁晋井跟踪分析记录事件产出，共将前兆观测数据形态分为7大类，分别为正常动态、观测系统、自然环境、场地环境、人为干扰、地球物理事件和不明原因，共产出事件199条(不包含正常事件)。其中，正常动态的分析为数据分析提供了参考背景，非正常动态中前 5 类都是对数据变化原因进行干扰排查，不明原因类数据变化则分为疑似地震异常和不明原因两类[3]。邢台地震台3口井数据跟踪分析事件分类统计见表 1、表2、表3。

表1 事件统计

表2 测项事件统计

由表1可以看出，邢台地震台地下流体观测主要受自然环境、场地环境和人为干扰影响，受影响比例分别为45.73%、28.64%和18.09%。但受影响天数较长的是场地环境、人为干扰和自然环境干扰。由表2可以看出，在邢台地震台地下流体观测中，水位测项比水温测项更容易受到干扰。由表3得出，衡水井受干扰最多，占比达51.76%；其次是辛集井，占比30.15%；宁晋井受干扰程度最小，占比为18.09%。

3 典型干扰特征分析

3.1 观测系统故障事件

2015～2019年邢台地震台地下流体观测共记录到观测系统事件5条，故障类型以主机装置故障、供电故障及井口装置故障为主。观测曲线的表现形态为错误数据和曲线台阶变化。例如2019年5月10日辛集井SW40-1 水位仪观测中，因模拟仪器滚筒故障造成数据大幅度阶变。

图2 辛集井SW40-1 水位仪观测值受干扰曲线(2019年5月)

3.2 自然环境干扰事件

自然环境因素包括大风、雷电、降雨、气压和温湿度等[4]。由表1可知，自然环境干扰是影响邢台地震台地下流体观测的最主要因素，其中以气压和风扰为主，而降雨对3个流体井均没有影响。气压和风扰观测曲线变化通常与该时段气压波动变化同步，表现形态主要有固体潮畸变和噪声变大等，气压稳定后数据恢复正常形态。水位对气压响应机理前人已有成熟的理论，刘国俊等指出气压变化引起井孔水位变化是通过井孔和含水层间渗流来实现的。当大气压变化时，井孔中的水流向含水层或含水层中的水流向井孔，从而在曲线上表现出上下波动和畸变等形态[5]。例如2019年8月15日，辛集井所在地均出现气压的大幅波动，造成水位观测数据曲线出现畸变，时间与气压波动时间基本一致(图3)。

图3 气压干扰曲线(2019年8月)

图4 衡水井水位仪抽水干扰(2016年8月)

图5 水位仪、水温仪人为干扰曲线

3.3 场地环境干扰事件

场地环境干扰虽然占比不大，但影响总天数是最长的，严重影响观测数据的质量。从2015～2019年跟踪分析记录及表3中可以看出，受场地环境干扰的是衡水井水位测项。衡水井水位经常出现大幅波动现象，呈现急速下降后上升的“漏斗”状固体潮阶变形态，罗娜等通过对比观测、环境调查及抽水试验发现此干扰是由观测井周边养鱼场一口冷水井抽水所致[6]。此干扰主要影响时间在2016年，自2017年后衡水井水位便不再受抽水干扰，但仍需密切关注。2016年8月衡水井连续受到抽水影响，出现多次阶升阶降变化形态，最大变化幅度达0.677 4 m(图5)。

3.4 人为干扰事件

邢台地震台地下流体人为干扰主要以校测、下放(提升)传感器、采集水样和水温梯度实验等为主，干扰持续的时间通常较短，对观测曲线造成的影响主要有突跳、错误数据以及固体潮畸变等。人为干扰有些是无法避免的，如下放(提升)传感器、采集水样及水温梯度实验必然会造成观测数据的波动、产生错误数据等。

2017年5月3日～4日工作人员对衡水井进行水温梯度试验，造成数据有规律的间隔突跳变化，持续时间较长，最大变化幅度0.019 8 m，但整体固体潮形态没有被破坏，如图5(a)。2018年3月20日采集辛集井内水样，产生错误数据，工作人员对错误数据做删除处理，如图5(b)。2019年9月20日和21日分别对辛集井、宁晋井进行水位校测工作，造成辛集井水位产生错误数据，宁晋井水温数据出现短时下降变化，后逐渐恢复正常，如图5(c)和(d)。

3.5 地球物理事件

地球物理事件记录主要反映前兆台网响应的短期地球运动与变化过程[7]。邢台地震台地下流体观测记录的地球物理事件均为地震同震事件，曲线动态形态为震荡型。邢台地震台地下流体水位测项比水温测项记录同震能力灵敏，由表2可知水位记录同震占比达78.95%。衡水井是3口流体井中最灵敏的观测井，由表3可知记录同震占比61.41%。其次为辛集井，占比38.6%，而宁晋井几乎记录不到同震效应。地震波引起水位震荡的机理前人已有诸多成熟明确的研究结论，地震波作用于含水层时，出现孔隙压力的改变，孔隙在一定范围内压缩与拉张，导致井与含水层之间水流的流动，出现了水位震荡现象[8-9]。井水位的同震效应能力也反映出含水层所在断裂带渗透性的强弱，因此衡水井、辛集井和宁晋井所在地断裂带的渗透性研究也可作为今后一个研究探讨的方向。同震效应图见图6。

图6 衡水井水位仪同震曲线(2017年9月8日)

4 结 论

(1)邢台地震台地下流体观测干扰影响较大的观测井为衡水井，占比51.76%。其次为辛集井，占比30.15%。宁晋井受影响最小，也从侧面反映出宁晋井对同震、气压等因素反应不灵敏。

(2)邢台地震台地下流体主要受自然环境、场地环境和人为干扰影响，受影响比例分别为45.73%、28.64%和18.09%，但受影响天数较长的是由场地环境、人为和自然环境引起的干扰。

(3)在邢台地震台地下流体观测中，水位观测比水温观测更容易受到干扰。

(4)通过对2015～2019年跟踪分析事件的梳理，归纳出观测系统故障主要是辛集井SW40-1 人工模拟水位仪器老化造成的；自然环境事件中主要影响因素是气压；场地环境事件中主要影响因素是衡水井的抽水影响，此影响因素仍需密切关注；人为干扰事件中主要影响因素是水位校测以及采集水样；地球物理事件中主要影响因素是地震。

(5)数据跟踪分析产品可以准确判定观测数据变化的影响因素，可对台站改造、仪器升级以及地球物理异常判断及观测资料应用研究等提供参考依据。