山西大同鎮川井水位各類異常特征與成因分析

李惠玲，張登科，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臺，山西 定襄 035403；4.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西 太原 030025)

0 引言

隨著地下流體數字化觀測技術的日益完善，地下水動態觀測也逐步由數字化觀測替代模擬觀測。大量的觀測事實表明，鎮川井水位觀測經數字化改造后，觀測環境和儀器等各種干擾信息與地震前兆異常信息混雜在一起，已影響了水位前兆異常的識別。因此，如何從現有的觀測數據中提取與地震孕育有關的信息，是當前亟須解決的問題。文章對鎮川井數字化水位觀測資料中各類異常圖像的成因進行分析，探尋數字化水位觀測資料的主要干擾因素，以提高觀測資料的有效使用率。

1 井孔概況

鎮川井位于大同市新榮區鎮川堡鄉鎮川堡村西的萬泉河河漫灘上，所處的構造部位是對大同盆地地震活動反映較為敏感的口泉斷裂上，屬一單斜自流盆地(見第22頁圖1a)。該井井深160.26 m，觀測層為第三紀玄武巖，地下水類型為承壓裂隙水(見第22頁圖1b)。該井自觀測以來，一直處于受人為節流控制的自流狀態，地下水的補給主要來自東部采涼山和北面玄武巖出露區。

鎮川井水位觀測始于1988年，數字化改造以前所使用的觀測儀器為SW40-1型模擬水位記錄儀。2007年9月，“十五”數字化改造后，采用LN-3A型數字水位儀進行觀測，采樣率為1 sample/min，觀測精度為千分之一。水位儀器自安裝運行以來，儀器運轉基本穩定，產出數據連續可靠。

2 干擾異常特征分析與識別

在地下流體數字化觀測中，往往會由于觀測系統、觀測環境等影響因素作用，出現有別于正常變化規律的異常動態，易與地震前兆異常相混淆。如何從復雜的干擾背景下提取出地震前兆異常，是當前地震監測預報工作的首要問題。筆者根據車用太等人有關地下流體干擾異常識別的一些研究成果，對鎮川井水位各類干擾因素進行歸納與總結。

2.1 地下流體干擾異常識別原則

地下流體動態干擾異常識別原則是把握4個“相關性”，即成因上的相關性、空間上的相關性、時間上的相關性與強度上的相關性[1]。

(1) 成因上的相關性指出現的異常動態與其可能的影響因素之間存在成因上的關聯。

(2) 空間上的相關性指干擾源與觀測井之間的空間關系，一般是在一定范圍內出現的干擾源對觀測井產生干擾。鎮川井觀測層為第三紀玄武巖，地下水類型為承壓裂隙水。距鎮川井最近的同層地下水開采井，是1999年大同市自來水公司在距該井不足1 km處，打的3眼供城市用水的開采井，2003年曾做過幾次抽水試驗，井水位表現快速階降形態。這是由于鎮川井觀測層為基巖裂隙含水層，與開采井同屬一個水文地質單元，不符合地下流體觀測規范的要求。《地震臺站觀測環境技術要求》中地下流體觀測環境的要求，在基巖裂隙含水層或碳酸鹽巖巖溶含水層，水文地質條件簡單(構造為單斜或巖層平緩，巖性單一，裂隙或巖溶不發育)地區，最大干擾距離為1 km。因此， 3口井的開采勢必要影響鎮川井水位動態的變化。

圖1 鎮川井構造位置及井孔柱狀圖

(3) 時間上的相關性指干擾出現的時段與干擾源作用時段的關系，通常是二者時間段一致或干擾出現時段略有滯后。

(4) 強度上的相關性指干擾源的作用強度與干擾的幅( 強) 度間的關系。一般干擾作用越強，干擾幅度越大，特別是干擾的幅度隨干擾作用強度和時間的變化而變化。

地下流體動態的異常變化，若符合上述4方面的相關性，則判定為干擾異常，不能視為地震前兆異常。

2.2 鎮川井水位觀測干擾異常類型及典型實例

地下水位動態變化主要取決于井-含水層系統的特征參數及觀測環境，而儀器的穩定性、觀測精度對動態變化也有一定的影響。多年的觀測實踐表明，引起井水位干擾異常的因素較多，有來自觀測系統的，也有觀測環境的。根據前人提出的干擾異常類型[2]，結合觀測日志、異常的調查結果等，對各類干擾事件按照成因上、空間上、時間上、強度上的相關性研究思路進行分析、歸納與總結。

2.2.1 觀測技術系統干擾

在地下流體數字化水位連續觀測中，觀測系統對井水位的影響非常明顯，也很普遍。常見的干擾因素有：傳感器、數據采集器、線路及其接口故障，時間服務系統故障，電源電壓不穩或交直流電源切換影響，通訊線路故障或雷擊等。

1) 儀器設備故障引起的干擾

鎮川井數字水位儀2007年12月14日03:16因TC通訊單元故障，導致水位數據時斷時續，造成數據嚴重缺失(見圖2)。

圖2 鎮川井水位2007年12月10日至16日分鐘值記錄曲線

2) 儀器運行環境引起的干擾

(1) 鎮川井數字水位儀2010年7月16日20:03因雷擊導致傳感器故障，致使水位觀測數據出現大幅“凹型”階變，嚴重影響正常曲線形態(見圖3)。

圖3 鎮川井水位2010年7月1日至20日分鐘值記錄曲線

(2) 因雷電干擾造成鎮川井水位觀測數據曲線異常變化，表現為水位斷記、突跳等異常圖像(見圖4)。

圖4 鎮川井水位2010年9月3日分鐘值記錄曲線

(3) 鎮川井數字水位儀2010年11月10日至15日因當地農電不穩，受交直流電源切換影響，導致水位數據產生多處臺階、突跳，嚴重影響水位曲線形態(見圖5)。

圖5 鎮川井水位2010年11月10日至20日分鐘值記錄曲線

(4) 鎮川井數字水位儀2012年3月9日06:00～12:21由于電源電壓不穩，導致水位觀測數據頻繁突跳(見圖6)。

圖6 鎮川井水位2012年3月8日至9日分鐘值記錄曲線

(5) 鎮川井數字水位儀2012年12月19日11:03因檢查線路，重啟儀器導致水位數據突降0.006 m(見圖7)。

圖7 鎮川井水位2012年12月17日至22日分鐘值記錄曲線

2.2.2 觀測條件改變造成的干擾

影響井水位觀測條件的主要因素有：井孔塌陷與井管變形，井管腐蝕、開裂、漏水，自流井泄流口堵塞，觀測井井口改造，觀測儀器更換、維修等。鎮川井水位因觀測條件改變引起干擾異常的典型實例，是泄流口堵塞引起水位數據大幅度變化。

1) 鎮川井泄流口堵塞引起的變化

鎮川井水位為動水位觀測，當泄流口出現堵塞時，均會對水位觀測曲線造成嚴重影響。第24頁圖8為泄流口結冰堵塞，造成水位數據突變現象。第24頁圖9是人為堵塞泄流口造成的數據突變。

2) 維修水溫儀對水位數據造成突變干擾

由于鎮川井水溫與水位是同井觀測的2個測項，因此，水溫儀器的故障維修也會對水位觀測造成一定的影響。第24頁圖10為維修水溫儀，造成鎮川井水位變化的典型圖像。

圖8 鎮川井水位2009年1月20日至2月28日分鐘值記錄曲線

圖9 鎮川井水位2010年8月13日至16日分鐘值記錄曲線

圖10 鎮川井水位2008年9月17日至18日分鐘值記錄曲線

3) 井口、管道改造引起的干擾

2010年11月7日更換排水管道，引起觀測數據變化。11月8日井房改造，造成數據突跳、階躍。11月9日更換出水口管道，引起觀測數據曲線臺階變化(見圖11)。

2.2.3 觀測環境變化引起的干擾

地下流體觀測環境，指影響地下流體動態正常變化規律的觀測點周圍自然與人文環境，其中既有地質-水文因素，也有氣象因素，更有人類的各種活動。據調查，多數臺站存在著不同程度的環境干擾。影響鎮川井水位觀測的主要干擾因素有：降雨的滲入補給、大風、雷電等氣象因素，地下水開采干擾等。

圖11 鎮川井水位2010年11月6日至9日分鐘值記錄曲線

1) 井區自然環境變化引起的干擾

(1) 大量的觀測事實表明，在鎮川井井區短時間的降雨量大于1.5 mm，一般都會引起井水位的短時間波動、突升突降等變化(見圖12)。

圖12 鎮川井水位2009年7月19日至31日分鐘值記錄曲線

(2) 受大風影響，鎮川井水位主要表現為2種形態，一種為曲線變粗伴有突跳，另一種為單純的突跳。如，2010年3月20日受大風干擾，鎮川井水位觀測曲線出現突跳、變粗現象(見圖13)。

圖13 鎮川井水位2010年3月10日至30日分鐘值記錄曲線

2) 井區構造活動引起的變化

由于鎮川井地處口泉斷裂帶附近，毗鄰御河，因此，斷裂活動與河水流量的變化均會對井水位動態造成一定的影響。汪成民等人認為，鎮川井水位階變集中分布時段與口泉斷裂帶上的形變測量有一定的關系，故推測該井水位變化多反映了口泉斷裂的蠕動[3]。

2012年，鎮川井水位出現2次突變異常，一次是3月11日07:16，水位觀測數據緩慢上升，12日水位全天變化幅度達到5 cm，13日水位數據緩降，19日12:20水位數據又轉為突升；另一次是11月20日08:50，水位觀測數據再次出現急劇上升，幅度達到1.5 cm。經核實，2次變化之后的測區環境正常，儀器工作狀態正常，供電正常，也無人為干擾。初步判定出現的變化可能與構造活動引起區域應力場改變有關(見圖14、圖15)。

圖14 鎮川井水位2012年3月11日至20日分鐘值記錄曲線

圖15 鎮川井水位2012年11月18日至23日分鐘值記錄曲線

2.2.4 不明原因的干擾

鎮川井水位除上述可查明原因的主要影響因素外，還有一些不明原因的異常變化(見圖16)。2008年以來，鎮川井水位觀測數據不明原因的突跳現象時有發生，經過幾次硬件更新后，突跳現象一直沒有很好的改觀。之后，對該井的觀測環境進行了改造，經過更換水位儀器、外線路、避雷，更新改造電源后，突跳現象明顯減少。

圖16 鎮川井水位2008年2月1日至20日分鐘值記錄曲線

3 地震前兆異常的判據及特征分析

地震發生前，地下水前兆異常的確認非常困難，即使在地震發生后，也很難給出科學的確認結果。

3.1 地下水位前兆性異常的判據

相關研究表明，作為地下流體地震前兆的異常，首先是必須經過干擾的識別與排除，確認不是干擾的異常，才可視為地震前兆異常；其次，要有國內外震例的普遍支持，特別是經過地震預測實踐檢驗過的典型震例的支持。其中有些地下水異常是震前被確認為地震前兆異常的，而且跟蹤其發展過程并用于震情判定上，這種異常作為地震前兆異常的信度較高；第三，視為地震前兆的地下水異常，最好有其他測項或相關學科的異常相匹配，甚至有中小地震活動性異常配套；第四，視為前兆異常的地下水異常，最好有一定的前兆理論或模式的支持。如果滿足上述4個判據中的第一及其他1條以上的判據，即可判定為地震前兆異常。按照此標準，對鎮川井數字化改造后具有震兆性質的異常進行篩選。

3.2 鎮川井水位觀測前兆性異常典型實例

多年的觀測實踐表明，鎮川井水位除受已知干擾因素的影響外，一些大于30 mm階變與井區外圍幾十公里的中強震有較好的對應關系，幅度大于70 mm的突變異常之后6個月之內，在中國大陸或周邊地區可能有6級以上地震發生。下面對2008年、2010年水位大幅度變化與地震的對應情況進行分析。

1) 2008年水位大幅度階躍變化的成因分析

2008年鎮川井水位出現了2次較大幅度的變化。一是汶川地震之前，2008年1月的大幅上升；二是在汶川地震當天開始的持續幾天的不穩定變化(見第26頁圖17)。

第一次大幅變化后，在實地調查落實發現：觀測環境無明顯改變，井房外的出水管未出現大量泄水及冰凍現象，此期間沒有停電，周圍沒有新開發的井孔，周圍井孔沒有抽水現象，附近以前打的勘探封閉井沒有開口泄水外流現象。1月6日大幅變化前后，在井區附近也先后出現了內蒙古3號井水位0.3 m的下降和河北黃驊井水位趨勢異常等，這次異常之后4個月，在四川汶川發生了8.0級地震。根據鎮川井井區異常具有準同步性特征以及汶川地震破裂特征初步認為，2008年鎮川井水位突變異常可能與汶川地震有一定的關系。

圖17 鎮川井水位分鐘值記錄曲線

2008年5月12日14時30分汶川8.0級地震后，鎮川井水位出現第二次幅度為0.337 m的大幅下降變化，可看作是汶川8.0級地震的震后效應。

2) 2010年水位大幅度階躍變化的成因分析

4月4日，大同4.5級地震前約1 h，鎮川井水位出現31 mm的突升異常，震后于4月5日10時開始下降，到15時，水位已恢復到原上升前的水平(見圖18)。在現場調查過程中，發現泄流口被石頭堵塞，取出石頭，并用細鐵絲捅開泄流管管壁的鐵銹，水位恢復到上升前的水平。為確認此異常的性質，4月6日13時40分，大同市地震局有關人員再次用同樣的石頭堵塞泄流管管口進行測試，測試時間至17時40分，井水位并未出現相應的變化(見圖18)。初步認為，這次異常可能與大同4.5級地震前構造活動劇烈變化有一定的關系。

4 討論與結論

通過對鎮川井數字化水位觀測資料各類異常成因

圖18 鎮川井水位2010年4月1日至6日分鐘值記錄曲線

的分析與研究，得出如下結論：

(1) 鎮川井水位異常形態有兩類，一類是突變或脈沖型，另一類是階躍型。

(2) 造成鎮川井水位異常的主要因素有：儀器故障、通訊故障、電源干擾、檢修線路、維修儀器、泄流口排水管堵塞、大風大雨雷電干擾、供電故障以及同震階躍等。

(3) 根據鎮川井水位以往震例，確定地震前兆異常的判別指標，即，階變幅度大于30 mm，異常時間在震前幾十分鐘到40天左右，多反映本區域幾十公里范圍內的4.5級以上地震；階變幅度大于70 mm，異常出現在震前2～6個多月，多反映震中距在100 km～350 km的6級以上地震，對個別的遠場大震震前也有反映。

(4) 由于鎮川井水位的各類干擾因素多數與觀測儀器、觀測環境、氣象要素有關，因此，臺站人員對儀器運行與維護的好壞是取得連續、可靠和高質量觀測數據的一個重要因素。對干擾的認識、落實、排查并進行詳細記錄，是正確識別干擾與地震異常信息的重要環節。臺站觀測人員應盡力做好對常見干擾因素的防范與排除，逐步提高識別地震前兆異常的水平。

該文在完成過程中，得到山西省地震局張淑亮研究員的大力指導，在此深表感謝！

參考文獻：

[1] 車用太，魚金子，劉成龍，等.判別地下水異常的干擾性與前兆性的原則及其應用實例[J].地震學報，2011,33(6):800-808.

[2] 中國地震局監測預報司.地震地下流體理論基礎與觀測技術[M].北京：地震出版社，2009：55-57.

[3] 汪成民，孫振璈，車用太.大同一陽高6.1級地震的地下水異常初析[J].地震，1990(4):37-44.