0 引言

地下流体是地球物质的重要组成部分，广泛存在于地壳中并直接参与地壳中各种动力作用，地震地下流体监测是研究地震孕育、发生过程的有效手段之一（刘耀炜等，2006）。自1966年邢台地震后，我国便开展了以水文地质学、地球化学、地热学为基础的地震地下流体监测研究与实践，目前已建成覆盖中国大陆主要地震构造带的地下流体观测站网，该站网涉及地下水动态、地热、地球化学参量等观测，并获得了相关地下流体的长期观测资料，其中，水位、水温、汞浓度、氡浓度为主要的观测项目（刘春国等，2022）。地下水赋存于地壳岩体空隙中，具有分布广泛、易流动、不可压缩的特性。当井—含水层系统处于封闭性良好的承压体系中时，井水位系统则为一个天然体应变计（Hsieh et al，1987），从而可以观测到由构造应力、气压、潮汐引力等外力作用所引起的水位动态变化（孙小龙，2016；向阳等，2017）。因此，当外力作用导致含水层介质体应变微小变化时，井水位可以灵敏地出现响应（刘序俨等，2009）。

我国地震地下水位数字化观测已有20多年的历史，积累了一些观测资料和震例资料（车用太等，2006）。国内外研究者也曾用大量观测数据证实了水位动态变化不仅可以反映由受力状态变化而引起的孔隙压力变化，还可以反映含水层地下水径流的速度与流量等变化（张素欣等，2002）。因此，地下水位观测一直为地震前兆观测的重要测项。通过对水位观测数据进行分析，可以获得孕震过程中介质连续变化及各种变化阶段的特征信息。1971年9月昌平科学实验基地（以下简称昌平地震台）正式开始观测工作，至今已50余年。早期许多观测工作为模拟观测且得到的数据为手工记录，产出的大量资料当时并未得到系统保存，且观测过程中由于更换仪器或仪器部件等原因，数据资料也存在缺失情况。本文收集昌平地震台现有的正式观测资料，经过系统整理得到2002—2023年数字化水位观测资料，从观测数据连续率、完整率、内在质量等方面对资料进行初步评估，并总结分析井水位观测资料地球化学特征及其与地震活动间的关系，以期为井水位动态特征分析及观测资料效能评估等提供参考依据。

1 昌平地震台水位观测概况

昌平地震台位于北京昌平十三陵风景区边缘大宫门村北昌平卧虎山北麓（图 1），地理位置为40.24°N、116.22°E，海拔高程约100 m，在构造上位于阴山巨型纬向构造带南缘NE向南口—山前活动断裂和NW向南口—孙河活动断裂的交叉部位东侧约7.5 km处，台基系雾迷山组白云岩，黄土覆盖层厚度约5—15 m；台基岩层走向N45°E至N52°E，倾向SE41°至SE45°，岩层厚度约0.5—74.7 m（王勇等，1999；刘福生等，2005）。

昌平地震台地下流体观测主要为水位、水温观测（图 2），观测含水层隶属北京平原区温榆河冲洪积扇地下水子系统（张兆吉等，2009），170 mm孔径至14.3 m处，150 mm孔径从14.3—90.1 m，168 mm套管下至14.3 m处，50 m以上固结水泥，50 m以下为裸孔。井孔70—100 m节理裂隙发育，岩芯皆为碎块状，为主要观测含水层，厚度约30 m（孙小龙，2016），水位埋深约57 m（刘福生等，2018）。

昌平地震台静水位观测时所采用的2台水位测量仪器分别是LN-3型、SWY-Ⅱ型数字水位仪。其中，2002年1月1日至2013年9月8日观测数据由LN-3型数字化水位仪产出，该仪器由水位传感器与数字记录器2部分组成，数字记录器包括传感器电信号转换及数据传输等设备，分辨率1 mm，观测精度不小于2 cm，采集数据为分钟值（张素欣等，2002）。2013年9月9日以后的观测数据由SWY-Ⅱ型数字水位仪产出，该仪器由主机和差压式压力传感器组成，主机负责数据采集、存储、传输，分辨率优于1 mm，观测精度优于0.1 cm，具备数据实时秒采功能（管理系统采集数据为分钟值）（穆慧敏等，2018）。

2 水位观测资料分析 2.1 观测数据连续率、完整率

观测数据的连续率与完整率是衡量台站运行情况的综合指标，其高低取决于仪器设备的故障率、仪器设备运行环境的优劣及台网管理水平（刘春国等，2015）。另外，水位观测容易受到仪器故障、水位校测、采集水样等多种干扰因素的影响（张明哲等，2021）。2013年观测仪器损坏造成部分数据缺失，因此分别选取2002—2012年水位观测数据整点值和2014—2023年水位观测数据分钟值统计连续率及完整率（表 1）。由表 1可见，昌平地震台井水位观测资料连续率均大于98.39%，完整率均大于98.03%，除2013年发生仪器故障而更换仪器以外，观测资料始终具有很高的连续率及完整率，表明仪器运行稳定，数据有效可靠。

2.2 观测数据内在质量

地下水位随潮汐引力的变化而发生变化，能够明显地体现地球固体潮效应。井孔水位固体潮效应是地壳岩体体应变固体潮的次生效应，是由含水层体积变形引起的井水位有规律的周期性变化（张素欣等，2002；张昱等，2008）。井水位固体潮记录能力是衡量观测井对地壳应力应变响应能力的重要指标（刘春国等，2015），不同井点的潮汐可能受井的封闭性、井孔观测层岩性、所处观测位置等多重因素的影响（尤宇星等，2014）。昌平地震台井观测仪器工作稳定，观测数据日变形态正常，存在规律性，多呈“两峰两谷”形态，具有清晰的固体潮效应。

依据陈华静（2002）及其他研究者的研究，目前我国主要采用M2波潮汐因子及其观测精度指标来评价水位观测数据的内在质量。M2波潮汐因子是水位M2波振幅与体应变理论固体潮M2波振幅的比值，反映了水位固体潮响应幅度，通常一口井的水位M2年潮汐因子相对较稳定；水位数据的观测精度为中误差与潮汐因子之比。

对2014—2022年井水位观测资料利用Venedikov调和分析方法逐月分析，取年均值，M2波潮汐因子、中误差、观测精度如表 2所示。昌平地震台井M2波潮汐因子整体较小且稳定，年均值大于0.05×10^-9 mm，相对误差小，说明数字化水位观测稳定。此外，依据实际观测条件分析，其可能存在的影响因素是地下水开采、井孔观测层岩性、所处观测位置等。

2.3 气压效应

前人研究结果表明，气压对井水位的影响具有显著性和普遍性（张昱等，2008；刘国俊等，2009）。张昱等（2010）研究发现，针对承压水井，气压改变导致井孔水位发生变化的现象是通过井孔与含水层间的渗流而实现的。大气压力通过井孔直接作用于井水面上，也通过上覆地层给含水层施加一附加应力，当气压改变时，含水层与井孔间存在压力差，这导致地下水在含水层与井孔之间产生流动，从而导致井水位发生上升或下降变化。一般井水位变化与气压之间呈负相关关系，当相关系数为正时，说明除了受到气压作用外，井水位动态变化还存在受到其他附加应力作用的可能，并且以此外力为主（刘国俊等，2009）。

随机抽取2015—2016年昌平地震台井水位、气压整点值数据作相关性分析（表 3）。由表 3可见，在大部分时间内，昌平地震台井水位与气压间的相关性较高，且大多呈负相关关系，其中，夏季（7—9月）水位与气压间的相关性最高，其次是10—12月。不同时段的相关系数存在一定差异，2年中1—3月相关性均为正相关，但数值偏小且数值相近，说明该段时间的井水位还存在受到其他附加应力的可能。整体表现为上半年相关系数较低，下半年相关系数较高，其原因可能是气压年变形态为冬高夏低。

3 水位动态变化与地震活动分析 3.1 水位动态变化分析

通常水位观测资料年变动态类型较复杂。图 3为2002—2023年昌平地震台井水位观测日均值。由图 3可见，该井水位年动态变化波动较大。整体上来看，2002—2008年井水位下降，整体表现为趋势性下降，2008—2009年水位明显恢复并抬升；2009—2015年井水位逐年下降，整体依旧表现为趋势性下降；自2016年起直至2020年，井水位开始恢复和抬升，表现为趋势性上升；2020—2021年井水位明显下降，但自2021年6月起至2022年9月井水位迅速抬升，上升幅度较大，约17.5 m，几乎恢复至2002年井水位水平。2002—2023年整体水位动态变化趋势与张国华等（2021）对昌平区山区地下水埋深2009—2019年整体水位动态变化的研究结果基本一致，地下水位与降水量、人工开采间具有紧密的联系，井水位的大幅抬升可能与水库生态补水工程有关。

昌平地震台井水位年动态变化具有一定的规律性[图 4（a）]，主要表现为“两峰两谷”形态，符合杨会年（1991）关于昌平地震台井水位动态变化特征的描述，即11月下旬至次年3月中旬，井水位呈上升趋势性变化；4—6月，呈下降趋势性变化；7—9月，呈缓慢上升趋势性变化；10—11月下旬，呈缓慢下降变化。这种井水位年周期性变化形态特征与人工开采、季节性补水有关，冬春季开采性用水减少，停止农业灌溉，因此地下水位上升至最高值；春旱季大量开采农业灌溉用水，地下水位随之降低；雨季降水量增加，地下水得到相应补给，地下水位随之上升达到次高峰；雨季结束后，秋季灌溉量增加，地下水位随之明显下降。

3.2 地震活动分析

车用太等（2007）提出，在通常情况下地震前兆异常指地震孕育与发生阶段所表现出的与无地震活动时段的正常动态存在显著差异的异常变化，常见的水位前兆异常有2类：①震前1、2年出现的中长期异常，表现为变化速率与变化方向的转折；②震前几个月至几天的短临时间尺度上所出现的阶变、脉冲等剧变类异常形态。因此，水位的地震前兆监测中，在无地震活动的时间内，当水位的动态变化基本特征具有清晰的年变化规律或稳定的变化速率时，才可能识别出上述特征中的地震前兆异常。

对2017—2020年昌平地震台井水位观测资料进行一阶差分处理后获得其速率曲线[图 4（b）]，由图 4（b）可见，2020年7月12日唐山5.1级地震（震中距196 km）震前1年时间内发现曲线存在明显异常现象。因此，昌平地震台井水位观测或许可以作为判断地震前兆异常的一种辅助观测手段。

此外，还存在一些不属于地震前兆异常的井水位曲线异常形态，如脉冲型、阶变型，因此在井水位观测中还存在其他影响因素。根据以往研究结果，干扰因素主要有观测仪器故障、人为干扰（探头埋深等）、观测环境（井孔、电源等）等，还可能存在含水层岩性、岩石压缩系数、含水层渗透性、岩石导水系数、观测方式等其他干扰因素（降雨量、地震等）（张淑亮等，2005；刘国俊等，2009）。

4 结论

通过对2002—2023年昌平地震台井水位数字化观测资料质量进行评估并对其地球化学特征进行分析，得到以下认识。

（1）昌平地震台井水位观测仪器运行稳定，数据有效可靠，水位数据具有较高的连续率及完整率。固体潮调和分析计算得出：昌平地震台井M2波潮汐因子稳定，年均值大于0.05×10^-9 mm，相对误差小，数字化水位观测稳定。昌平地震台井水位与气压间的相关性较高，且呈负相关关系，其中，夏季水位与气压间的相关性最高。

（2）井水位日动态变化具有清晰的固体潮效应，年动态变化具有一定的规律性、周期性，表现为“两峰两谷”形态，年动态变化趋势与昌平区地下水水位变化特征一致，这类动态变化趋势与年周期性变化反映了地下水补给与排泄规律，井水位的年动态变化与降雨量、农业灌溉开采紧密相关。

（3）井水位一阶差分后变化速率曲线的异常与震中距200 km内5级以上地震间存在对应关系，但相关震例较少，昌平地震台井水位观测或许可以作为判断地震前兆异常的一种辅助观测手段。其他干扰因素主要有观测仪器故障、人为干扰、观测环境等，还可能存在含水层岩性、岩石压缩系数、含水层渗透性、岩石导水系数、观测方式等其他干扰因素。