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  地震地磁观测与研究  2021, Vol. 42 Issue (1): 113-120  DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2021.01.016
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引用本文  

张明哲, 王静, 凌燕, 等. 邢台地震台数字化水位监测效能分析[J]. 地震地磁观测与研究, 2021, 42(1): 113-120. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2021.01.016.
ZHANG Mingzhe, WANG Jing, LING Yan, et al. Analysis of underground water level observation data and monitoring efficiency evaluation of earthquake at Xingtai Seismic Station[J]. Seismological and Geomagnetic Observation and Research, 2021, 42(1): 113-120. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2021.01.016.

基金项目

河北省地震局星火计划青年基金项目(项目编号:DZ20190422043)

作者简介

张明哲(1988-), 男, 助理工程师, 主要从事地震监测及相关工作。E-mail: 425393749@qq.com

文章历史

本文收到日期:2020-06-19
邢台地震台数字化水位监测效能分析
张明哲 , 王静 , 凌燕 , 张波 , 张朋杰     
中国河北 054000 河北省地震局红山基准台
摘要:对邢台地震台地下流体数字化水位观测资料的内在质量及年、月、日动态特征等进行分析。结果表明:所辖流体观测井水位资料连续、可靠,内在质量较高,4个测点均是较理想的井水位观测点,其中,衡水井、辛集井水位对远场大震的同震效应明显;宁晋井因受井孔条件所限,同震效应不明显。井水位年变均为趋势性下降变化,但下降幅度均大于5 m,不利于地震中期或中短期地球物理异常信息的识别。在大部分月份月、日动态变化呈规律性,固体潮效应明显,这可在地震中短期地球物理异常监测中发挥一定的效能。
关键词井水位    内在质量    动态特征    监测效能    
Analysis of underground water level observation data and monitoring efficiency evaluation of earthquake at Xingtai Seismic Station
ZHANG Mingzhe , WANG Jing , LING Yan , ZHANG Bo , ZHANG Pengjie     
Hongshan Standard Seismic Station, Hebei Earthquake Agency, Hebei Province 054000, China
Abstract: This paper analyzed annual, monthly, and daily dynamic features of underground fluid observation data and its intrinsic quality of the Xingtai Seismic Station. The results show that the water level data of the fluid observation wells are continuous, reliable, and of high quality. Among them, the co-seismic response of Hengshui well water level and Xinji well water level to far-field large earthquakes is obvious, and Ningjin well is not obvious due to its well hole conditions. The annual variation of well water level shows a decreasing trend with a range >5 m, which is not conducive to the identification of precursor anomaly information in the middle or short period of earthquakes. The monthly and daily dynamic variations are clear in most months and the effect of the solid tide is obvious.
Key words: water level    intrinsic quality    dynamic characteristics    monitoring efficiency    
0 引言

地震地下流体观测一直是地震地球物理观测的重要监测手段,在地震监测预报中发挥了重要作用。我国地震地下流体的数字化观测已有多年的历史(车用太等,2002),许多研究者在井水位动态变化、潮汐效应、地壳应力-应变响应灵敏度、干扰因素等方面开展了大量研究工作,得到一些研究结果(车用太等,2002张昱等,2010陈美梅等,2017)。邢台地震台共有3口流体观测井,随着“十五”数字化地震观测网络项目和2017年京津冀仪器更新改造项目的完成,3口流体井均配备“十五”的水位、水温、气象三要素观测仪器,且正式运行多年。本文选取2017-2019年数字化水位观测资料,从数据完整率、潮汐效应、同震效应、年月日动态特征、干扰因素等方面进行统计与分析,在此基础上对邢台地震台数字化水位监测效能进行初步分析。

1 邢台地震台数字化水位观测概况

邢台地震台下辖的3个流体井观测站均为华北油田勘探深井,其分别为衡水冀16井、辛集冀21井、宁晋冀22井观测站(以下简称衡水井、辛集井、宁晋井),共4个水位测点,其中,衡水井、宁晋井各1个测点;辛集井1个数字化测点,1个模拟测点。数字化水位观测点基本情况见表 1。地质构造上衡水井位于华北平原沉降带冀中凹陷新河凸起高点上,井位在衡水断裂南侧7 km处;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;宁晋井位于华北平原沉降带宁晋凸起东部斜坡带,井位在束鹿断裂带上。流体井分布见图 1

表 1 邢台地震台水位测点基本情况 Table 1 Statistics of water level measuring sites at Xingtai Seismic Station
图 1 邢台地震台地下流体观测站点分布 Fig.1 Distribution of underground fluid observation sites at Xingtai Seismic Station
2 水位观测资料分析 2.1 观测数据完整率

车用太等(2002)指出观测数据完整率是衡量台站运行状况的综合指标,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。水位观测易受各种干扰因素的影响,如仪器故障、水位校测、采集水样等都容易造成数据错误。本文选取2017-2019年水位观测数据分钟值统计完整率,结果显示,3口流体井水位数据年均完整率均>99.9%,表明观测仪器运行稳定,数据有效率较高(表 2)。

表 2 水位观测数据分钟值完整率 Table 2 Water level observation integrity
2.2 水位潮汐效应

张昱等(2008)认为井水位固体潮效应是体应变固体潮的次生效应,是含水层体积的变形引起的井水位有规律的周期性变化。在判断观测资料应用价值和内在质量时,通常通过对潮汐效应的分析计算获得潮汐响应特征参数,即采用井水位中的M2波潮汐因子、观测资料精度来分析井潮汐响应能力及资料内在质量,其中,水位数据的观测精度为中误差与潮汐因子之比,固体潮相对误差越小,表明数字化水位观测越稳定(王静等,2016陈美梅等,2017)。

对水位观测资料,利用Venedikov调和分析方法逐月分析,取年均值。表 3为2017-2019年衡水井、辛集井和宁晋井观测资料潮汐因子、中误差、观测精度变化年均值对比,表 4为随机选取2017年3口流体井数字化水位观测资料潮汐因子、中误差、观测精度变化月均值对比。由表 3可以看出,衡水井M2波潮汐因子年均值>2.000 0×10-9 mm,辛集井M2波潮汐因子年均值≥3.000 0×10-9 mm,宁晋井M2波潮汐因子年均值>1.000 0×10-9 mm,变化均较稳定,符合静水位观测潮汐因子≥1.000 0×10-9 mm的标准(王静等,2016),表明3口井潮汐响应能力较强,其中,辛集井潮汐响应能力最强,其次为衡水井,最后为宁晋井。井水位的观测精度反映了井水位潮汐与体应变理论固体潮的相对误差(刘春国等,2015),由表 3表 4可见,衡水井、辛集井观测资料精度≤0.01,观测精度、水位内在质量均较高,宁晋井观测精度>0.01,内在质量相对衡水井和辛集井较差。综合来看,宁晋井观测资料在井潮汐响应能力及内在质量方面均弱于其他2口井。

表 3 2017-2019年衡水井、辛集井、宁晋井水位潮汐因子、中误差、观测精度变化年均值 Table 3 Comparison of annual mean values of tidal factors and observation accuracy of water level in Hengshui, Xinji, and Ningjin wells in 2017-2019
表 4 2017年衡水井、辛集井、宁晋井水位潮汐因子、中误差、观测精度变化月均值 Table 4 Comparison of monthly mean values of tidal factor and observation precision of water level in Hengshui well, Xinji well, and Ningjin well in 2017
2.3 同震响应能力

地下水是地球全息系统的重要组成,其变化可以客观灵敏地反映地壳应力应变变化。1次大震所产生的能量能够引起观测井水位的变化(张明哲,2019)。据中国地震信息网统计,2017年1月1日-2019年12月31日全球MS≥7.0地震34次,其中,衡水井水位出现同震响应23次,响应率67.65%,同震响应类型均为振荡型;辛集井水位出现同震响应22次,响应率64.71%,同震响应类型均为振荡型;宁晋井水位未出现任何同震响应,响应率为0。统计表明,衡水井、辛集井水位对MS≥7.0远震响应能力较好,水位峰值与持续时间均受震中距及震级大小的直接影响;而宁晋井水位对全球大震无任何同震响应,笔者认为这可能与宁晋井自身井孔条件有关。

尹宏伟等(2015)指出,不同观测井水位对同一地震同震响应幅度、持续时间与井孔自身所处的构造环境、水文地质条件和震中距有关。图 2为2018年1月23日水位同震效应。由图 2可见,对于2018年1月23日17:31阿拉斯加湾MS 8.0远震,辛集井和衡水井水位同震变化显著,均记录到了水震波,类型为振荡型;宁晋井没有记录到同震效应。由图 2还可见,震中距相差不大的情况下,衡水井水位振荡幅度比辛集井更显著,表明衡水井水位映震能力强于辛集井。

图 2 2018年1月23日水位同震效应 (a)衡水井;(b)宁晋井;(c)辛集井 Fig.2 The co-seismic response of water level observation on January 23, 2018
2.4 气压效应

气压变化对地下水位的影响具有普遍性。关于水位对气压响应机理已有成熟的理论(张昱等,2008刘国俊等,2009),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,从而引起井水位的上升或下降变化,造成水位固体潮不同幅度的畸变,此类在邢台地震台地下流体水位观测中较常见。笔者随机抽取2018年衡水井水位、气压分钟值数据作相关性分析(表 5),从表 5可以看出,井水位与气压间的相关性较高,整体呈负相关,其中,夏季水位与气压相关性最高。图 3为2018年6月衡水井水位气压效应。从图 3也可看出,当气压增大时衡水井水位下降;气压减小时井水位上升,二者间负相关明显。

表 5 水位与气压分钟值相关系数 Table 5 Correlation coefficients between water level and pressure minute observations
图 3 2018年6月衡水井水位气压效应 Fig.3 Pressure effect of water level observation in Hengshui well in June, 2018
3 水位动态及地震地球物理效能分析 3.1 水位年动态分析

水位观测资料的年动态变化类型较复杂,基本可以分为趋势性上升型、趋势性下降型、平稳型和起伏型(苏小芸等,2017)。图 4为井水位观测资料日均值。从图 4中可以看出,辛集井、宁晋井和衡水井数字化水位资料年动态有一定规律性,整体表现为趋势性下降变化形态。由于地下水长年过量开采,辛集井水位年变幅达12 m左右,宁晋井水位年变幅10 m左右,衡水井水位年变幅5 m左右。井水位的大幅度逐年下降,不仅影响了水位的观测精度,且在中短期地球物理监测中不利于地球物理异常信息的识别。

图 4 井水位观测资料日均值 (a)辛集井;(b)宁晋井;(c)衡水井 Fig.4 The daily mean of water level observation
3.2 水位月动态分析

水位月动态分析主要分析月动态的变化是否表现出一定的规律,一般把趋势性上升、下降与平稳的波动变化作为有规律变化的标志,明显的脉冲、阶跃和无规律起伏作为无规律变化的标志(车用太等,2006苏小芸等,2017)。表 6为3口流体井2017-2019年水位整点观测数据。由表 6可见,水位数据月动态规律清楚,只有少数月份动态规律不清晰,因此,对于3口流体井水位均有望识别出转折、阶变、脉冲等具有短期预测意义的地球物理异常信号,这可在地震地球物理监测中发挥一定的效能。随机选取2018年3月水位数据整点值绘制曲线(图 5),由图 5可见,水位数据均为规律性的趋势性下降型,月变化规律清楚。

表 6 2017-2019年水位月动态规律性统计 Table 6 Statistics of monthly water level variation regularity from 2017 to 2019
图 5 2018年3月水位观测资料整点值 (a)辛集井;(b)宁晋井;(c)衡水井 Fig.5 Hour values of water level observation in March, 2018
3.3 水位日动态分析

井水位日动态特征最显著的是固体潮效应,即井水位随着潮汐引力的变化而出现升降变化,并在观测曲线上表现出波峰波谷形态(车用太等,2006苏小芸等,2017)。对衡水井、辛集井和宁晋井水位观测数据进行分析发现,3口流体井水位观测资料都可以看到明显潮汐效应,只是潮汐效应幅度有所差别。分析显示,辛集井日变幅度>衡水井日变幅度>宁晋井日变幅度,日变均较清晰,大小波清楚。但3口井仍存在个别天数曲线粗糙、毛刺增多、波动变大造成日变不太清晰的现象。图 6为随机抽取的2019年7月20日数据。由图 6可见,水位随潮汐引力的升降,波峰波谷动态变化较显著,表明井水位对地壳应力-应变的响应具有较高的灵敏度,这为识别短期、短临地球物理异常提供了可靠的动态背景(车用太等,2006苏小芸等,2017)。

图 6 2019年7月20日水位日动态 (a)辛集井;(b)宁晋井;(c)衡水井 Fig.6 The daily dynamic curve of water level on July 20, 2019
3.4 主要干扰因素分析

通过对水位观测资料进行分析,确定影响水位动态变化的因素主要有尖峰式干扰(大幅突跳)、人为干扰等。经调查落实发现,尖峰式干扰主要由观测电压不稳引起,并不属于地震地球物理异常,此类干扰往往会压制动态曲线,一般将其作为错误数据进行删除处理(图 7);人为干扰一般为每季度固定的水位校测及井孔水样的采集,这会造成错误数据,此类干扰很难避免。

图 7 2017年2月22日井水位的干扰变化 Fig.7 Variation of well water level on Feb.22, 2017
4 结论

通过对邢台地震台下辖衡水井、辛集井和宁晋井数字化水位监测效能进行评估,得到以下结论。

(1) 邢台地震台衡水井、辛集井和宁晋井等3口流体观测井全部仪器运行正常,稳定连续,水位数据完整率高,有效率高。

(2) 固体潮调和分析计算得出:衡水井M2波潮汐因子年均值>2.000 0×10-9 mm,辛集井年均值≥3.000 0×10-9 mm,宁晋井年均值>1.000 0×10-9 mm,均符合静水位观测潮汐因子≥1.000 0×10-9 mm的标准,潮汐效应明显,潮汐响应能力较强。

(3) 综合同震响应情况分析发现,辛集井和衡水井对远场大震记震能力较好,同震效应显著,同震类型均为振荡型;宁晋井由于井口自身条件所限,同震效应不明显。

(4) 从井水位年动态分析来看,存在一定规律,整体为趋势性下降变化,但年变幅度均大于5 m,尤其是辛集井年变幅达12 m左右。水位大幅度下降,不仅影响水位的观测精度,且在中短期监测中不利于地球物理异常信息的识别。

(5) 从井水位月、日动态分析来看,固体潮效应较显著,相位清晰,月变、日变规律明显,这可在地震中短期地球物理监测中发挥一定的效能。

(6) 干扰因素中存在井水位观测数据尖峰式干扰,这类干扰压制了正常日变的动态曲线,不利于地球物理异常信息的识别,因此在日常数据处理分析时要加强对观测资料的深入研究,排除各类干扰,使观测资料在地震短临地球物理监测中充分发挥效能。

参考文献
车用太, 孔令昌, 陈华静, 等. 地下流体数字化观测技术[M]. 北京: 地震出版社, 2002.
车用太, 赵文忠, 鱼金子, 等. 京津冀地区井水位的数字化观测及其地震前兆监测效能评估[J]. 地震, 2006, 26(4): 103-112. DOI:10.3969/j.issn.1000-3274.2006.04.014
陈美梅, 刘水莲, 全建军, 等. 数字化改造后的永安井水位观测资料分析及地震前兆监测效能评估[J]. 华南地震, 2017, 37(Z1): 75-82.
刘春国, 孔令昌, 杨竹转, 等. 我国地震井水位观测网监测效能评估[J]. 中国地震, 2015, 31(2): 329-337. DOI:10.3969/j.issn.1001-4683.2015.02.017
刘国俊, 杨海祥, 黄春玲, 等. 山西流体观测井水位与气压相关性分析[J]. 山西地震, 2009(2): 7-10. DOI:10.3969/j.issn.1000-6265.2009.02.002
苏小芸, 陈丽君, 周卫东, 等. 甘肃天祝台阵地下流体观测资料及地震前兆监测效能分析[J]. 内陆地震, 2017, 31(1): 45-54.
王静, 王利兵, 宋昭, 等. 辛集冀21井数字化水位观测内在质量分析[J]. 山西地震, 2016(3): 18-20. DOI:10.3969/j.issn.1000-6265.2016.03.005
尹宏伟, 梁丽环, 韩文英, 等. 河北省地下流体水位对远场大震的响应特征研究[J]. 防灾科技学院学报, 2015, 17(3): 37-44. DOI:10.3969/j.issn.1673-8047.2015.03.006
张明哲. 河北冀21井数字化水位同震效应特征[J]. 华北地震科学, 2019, 37(2): 75-81.
张昱, 李春森, 赵小茂, 等. 甘肃及邻区数字化水位观测资料的应用与地震监测效能评估[J]. 地震, 2008, 28(3): 103-109. DOI:10.3969/j.issn.1000-3274.2008.03.014
张昱, 刘小凤, 邵辉成, 等. 甘肃"十五"数字化水位观测资料分析及地震前兆监测效能评估[J]. 地震研究, 2010, 33(4): 281-287. DOI:10.3969/j.issn.1000-0666.2010.04.005