河北赤城地震臺水溫觀測對比分析

張秀萍,王曰風,王志敏,鄭 毅,李 峰,張廣莉

(1.河北省地震局張家口中心地震臺， 河北 張家口 075000；2.河北省地震局赤城地震臺，河北 赤城 075500；3.河北省地震局陽原地震臺，河北 陽原 075800)

·觀測分析·

河北赤城地震臺水溫觀測對比分析

張秀萍1,王曰風1,王志敏2,鄭 毅1,李 峰1,張廣莉3

(1.河北省地震局張家口中心地震臺， 河北 張家口 075000；2.河北省地震局赤城地震臺，河北 赤城 075500；3.河北省地震局陽原地震臺，河北 陽原 075800)

對赤城地震臺同一觀測深度上兩套數字式溫度計的觀測資料運用曲線擬合、離散等方法進行分析得出，兩套儀器產出的觀測數據真實可靠，溫度變化趨勢特征一致，能反映井下溫度的變化；兩套水溫觀測儀進行同層溫度的對比觀測，可實現數據異常時影響因素的排查，有益于震前異常的準確判定。

水溫觀測；對比分析；前兆異常

0 引言

地熱前兆方法是通過研究地球熱狀態，特別是地表層的熱狀態及其隨時間的變化進行地震預報[1]。用于地震監測預報和科學研究的地熱前兆觀測，主要技術途徑是精密的溫度測量。溫度是一個獨立的物理量，在深井中較容易實現精密測量。目前,地熱前兆觀測主要通過深井水溫和泉水溫觀測，測量水平地熱場隨時間的變化，深井溫度變化非常微小，地熱觀測儀器必須具備高靈敏度、高穩定性，地熱前兆觀測儀器的溫度分辨率應在0.000 1 ℃，短期穩定性要達到0.000 1 ℃，年穩定性應達到0.01 ℃。20世紀80年代，隨著我國高精度石英溫度計的研制成功與推廣應用，利用觀測深井水溫來研究地下水微溫度場變化的工作獲得明顯進展，深井水溫觀測已成為我國地震監測中的一個重要測項。

對于每個臺站的水溫測點，只有了解其正常動態特征，才能準確提取地震前兆異常信息。付子忠認為[2]，地熱異常產生的主要原因有以下幾方面：第一是觀測系統受到外界干擾，如儀器故障、臺站供電故障、儀器相互間的干擾等；第二是觀測環境受到干擾，如抽水等；第三為深部因素，主要分為附加地熱場因素和其他地球物理因素，其中附加地熱場也就是地熱前兆異常。由此可見，若想從地熱數據異常中提取地震前兆信息，必先排除第一、二方面的干擾。相對而言，通過對比觀測，可排除觀測系統的干擾；對于觀測環境影響因素，可通過現場調查、結合水位觀測或臨時架設輔助觀測來排除。因此，為準確識別赤城臺水溫觀測異常，對臺站的兩套溫度觀測系統多年的觀測資料進行對比分析。

1 臺站觀測條件概況

赤城地震臺(以下簡稱赤城臺)水溫測點位于臺站附近地質構造，屬于陰山—燕山東西向構造帶的中部與新華系構造體系懷來盆地東北邊緣的構造復合部位。測點附近的主要斷裂有集寧—凌源斷裂帶(尚義—平泉段)、大興安嶺—太行山斷裂帶(上黃旗—烏龍溝段)和豐寧—隆化斷裂，距離稍遠的主要有南側的懷涿盆地北緣斷裂、延慶礬山盆地北緣斷裂、西側的張家口斷裂等(見圖1)。井深約70 m。赤城井水溫觀測有水溫(地熱—傳感器A)、水溫1(地熱1—傳感器B)兩套儀器，分別置于井下53 m、57 m處，兩套儀器并行觀測，型號均為SZW—1A數字溫度計，分辨率為0.000 1 ℃。多年的觀測數據較為穩定，曲線形態相似，呈逐年緩慢下降的態勢。在正常時段，地溫觀測背景值較平穩，日變幅一般在0.001 ℃以內。

圖1 赤城地震臺水溫測點地質構造圖Fig.1 The geological structure of water temperature observation point at Chicheng seismic station

2 觀測數據對比分析[3]

赤城臺兩套水溫觀測儀器，在“十五”數據庫中以測點5、測點9區分，儀器探頭深度分別為53 m、57 m，儀器工作頻率、采樣率均一致。

由圖2看出，該井兩套儀器的年動態曲線呈線性下降變化，對2014—2015年的觀測數據進行差值計算，兩個傳感器間接近恒定相差0.565 04 ℃。

由于研究重點是對兩個傳感器資料進行對比，所以必須考慮兩者的趨勢變化是否一致及兩者差值離散度的大小。若趨勢一致，且均值在允許誤差內，即可；不一致，采取平移曲線后，再分析其差值的離散度。

2.1 曲線擬合

由于儀器和測區環境的影響，測量數據存在系統誤差，因此尋求一個近似表達式y=f(x)來反映數據變化的規律。這種數據擬合方法需要解決兩個問題：一是選擇什么類型的函數；二是如何確定擬合函數中的參數。數學模型建立在合理假設的基礎上，假設的合理性首先體現在選擇某種類型的擬合函數，使之符合數據變化的趨勢(總體的變化規律)，擬合函數的選擇比較靈活，可選線性函數、多項式函數、指數函數、三角函數或其他函數，由數據分布的趨勢作出選擇。根據赤城臺水溫觀測曲線的“直線型” 漂移特征，選擇線性函數進行擬合計算。

圖2 赤城地震臺水溫觀測正常動態曲線Fig.2 The normal dynamic curve of water temperature observation at Chicheng seismic station

曲線擬合是將兩個傳感器各自的數據擬合成曲線來確定一個一元函數y=f(x)，使傳感器產出值與曲線變化的趨勢盡量接近。圖3為兩個傳感器2014年9月1日至2015年12月31日的日均值，進行計算及曲線擬合的結果。

圖3 赤城地震臺水溫觀測儀兩傳感器數據擬合曲線Fig.3 The observation data fitting curves of two sensors at Chicheng seismic station

兩個傳感器的擬合曲線公式為：

傳感器Ay=-0.000 02x+12.203 91，

(1)

傳感器By=-0.000 02x+11.638 87。

(2)

從式(1)和(2)看出，兩條曲線的斜率一致，截距相差0.565 04。由此得出，兩個傳感器的趨勢一致，均值相差0.565 04 ℃，通過曲線平移，可將兩條曲線完全重合。

2.2 相關性分析[4]

相關性分析是指對兩個或多個具備相關性的變量元素進行分析，從而衡量兩個變量因素的相關密切程度。假設兩個序列：

X：x1，x2，…，xn

(3)

Y：y1,y2,…,yn

(4)

根據統計學原理，兩個序列之間的相關系數為：

(5)

。

(6)

相關系數r的取值范圍為-1≤r≤1，r各種取值的意義為：r=1，序列X和Y是線性正相關;r=-1，序列X和Y是線性負相關；r=0，序列X和Y不相關；0

計算得出，傳感器A的自相關系數為0.971，傳感器B的為0.969，兩個傳感器間的相關系數為0.989。相關系數都接近1，說明兩個傳感器的產出資料具有很好的一致性。

2.3 離散分析

離散程度是評價觀測變量各個取值之間的差異程度的指標，其中最常用的主要有極差、標準差等幾種。標準差是反映一組數據離散程度最常用的一種量化形式，離散度分析主要應用于傳感器之間的差值，即兩個傳感器的產出分鐘值相減(大值減小值，結果為正)，然后對其結果分析極差和標準差等(見圖4)。

圖4 兩傳感器觀測數據差值曲線Fig.4 The observation data difference of two sensors at Chicheng seismic station

從圖4看出，兩個傳感器間的觀測數據序列差值的最大與最小值分別是-0.561 50和-0.567 10，極差為0.005 6，該時段數據的標準方差為0.002 6。

上述可知，無論從兩條曲線的斜率與相關性，還是兩條曲線差的離散度來分析，采取同一井孔、同一觀測深度、同一觀測時間，相同的兩套地熱儀的對比觀測，可以保證地熱前兆觀測系統的可靠性，可依據兩者的資料確定地熱異常是否為觀測系統所引起。

3 水溫觀測映震能力與特征分析[5]

對赤城臺水溫測點周圍2007年1月至2017年3月發生的地震按震級、震中距進行梳理(數據來源：河北省地震局地震編目系統網站)，總結分析水溫觀測異常與地震的對應關系。

震例一：2014年4月23日兩套儀器觀測曲線開始出現同步快速上升變化，27日傳感器A、B分別升至最大值12.204 80和11.640 6，之后開始下降，出現2次波動型的上升—下降變化特征(見圖5)，最大波動幅度分別達0.003 78 ℃、0.004 92 ℃，7月5日恢復正常的“降溫”型年變規律，該異常持續約70天，2個月后發生9月6日的河北張家口涿鹿縣ML4.8地震，震中距70 km。

圖5 河北張家口涿鹿縣ML4.8地震前赤城臺水溫曲線Fig.5 The water temperature at Chicheng seismic station before Zhuolu ML4.8 earthquake in Zhangjiakou, Hebei province

震例二：2013年5月10日兩套儀器觀測曲線出現同步下降，30日下降至最低點恢復，傳感器A、B下降幅度分別達0.002 56 ℃、0.005 62 ℃，6月18日恢復至正常水平，異常變化特征為“快速下降—轉平—快速上升—轉平”(見圖6)，該異常持續約40天，之后65天發生8月23日河北張家口蔚縣ML3.2地震，震中距116 km。

圖6 河北張家口蔚縣ML3.2地震前赤城臺水溫曲線Fig.6 The water temperature at Chicheng seismic station before Yuxian ML3.2 earthquake in Zhangjiakou, Hebei province

震例三：2007年9月15日兩套儀器觀測曲線開始出現同步下降，11月10日下降至最低點開始恢復，下降幅度達0.001 52 ℃，12月初恢復至正常水平，異常變化特征為“快速下降—轉平—快速上升—轉平”(見圖7)，該異常持續約60天，之后120天發生2008年8月23日河北張家口懷來縣ML3.6地震，震中距52 km。

圖7 河北張家口懷來縣ML3.6地震前赤城臺水溫曲線Fig.7 The water temperature at Chicheng seismic station before Huailai ML3.6 earthquake in Zhangjiakou, Hebei province

通過對典型震例的分析，初步得出該測點的地溫地震異常指標：

(1) 地溫測值上升或下降的幅度一般要超過0.003 ℃。

(2) 發震時間一般在異常出現后的3～6個月內。

(3) 水溫觀測曲線的異常形態有“震蕩型上下波動”“快速上升—轉平—快速下降”“快速下降—轉平—快速上升”“快速上升—轉平”，異常幅度一般為0.003～0.012 ℃。

4 結論

(1) 赤城臺兩套水溫儀觀測的溫度總變化趨勢、變化形態甚至在細節方面均一致，通過平移兩條曲線基本重合，同層觀測的相關系數接近于1，在同一井孔同一深度用兩套觀測設備能得到更可靠的溫度觀測資料。

(2) 當臺站的水溫觀測數據出現異常時，有必要進行兩套儀器的對比分析，查找引起異常的原因。

(3) 赤城臺水溫測點的地溫異常與周圍地震有一定的對應，初步認為該測點地震異常表現為快速上升或下降，幅度超過0.003 ℃，異常時間一般為3～6個月,映震范圍一般在測點周圍100 km范圍內。

[1] 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(試用本)[M].北京:地震出版社，2007:10-112.

[2] 付子忠.地熱動態觀測與地震前兆[G]//地殼構造與地殼應力文集.北京:地震出版社,1988:85-92.

[3] 李國佑,白占孝,張 敏.德令哈地震臺水溫對比觀測分析[J].地震研究，2014，37(S1)：68-71.

[4] 邱永平.寧波地震臺ZK03井水溫平行觀測資料的對比分析[J].中國地震，2011，27(4)：431-437.

[5] 陳沅俊.地溫測點的映震能力及特征分析[G]//地殼構造與地殼應力文集，1999：85-91.

TheComparativeAnalysisofWaterTemperatureObservationDataatChichengSeismicStationinHebei

ZHANGXiu-ping1,WANGYue-feng1,WANGZhi-min2,ZHENGYi1,LIFeng1,ZHANGGuang-li3

(1.ZhangjiakouCentralSeismologicalStationofHebeiEarthquakeAgency,Zhangjiakou,Hebei075000,China;2.ChichengSeismicStationofHebeiEarthquakeAgency,Chicheng,Hebei075500,China;3.YangyuanSeismicStationofHebeiEarthquakeAgency,Yangyuan,Hebei075800,China)

The observation data of two sets of digital thermometers at the same depth at Chicheng seismic station are analyzed by curve-fitting and discretization. The observation data of two sets of instruments are reliable, and the temperature variation trend is consistent, and both of them can show the change of the temperature underground. The comparison of two sets of thermometers' data at the same depth can troubleshoot factors, and it is benefit to the anomaly judgment before earthquake.

Water temperature observation; Comparative analysis; Precursory anomaly

1000-6265(2017)03-0009-04

2017-03-27

河北省地震局2016年星火計劃項目(DZ2016030012)。

張秀萍(1974— )，女，甘肅省民勤縣人。2000年畢業于河北地質學院，高級工程師。

P315.72

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