上海地震綜合深井與地面臺站前兆資料的對比分析

龔 耀， 潘國勇，魏 薇，戴樂翔

(上海市地震局崇明地震臺，上海 202164)

0 引言

“十二五”期間，上海市地震局在浦東張江地震監測中心及崇明長江農場地震臺內分別打了一口綜合深井，并在深井中集成多項前兆觀測手段，安裝相應的觀測儀器，包括三分量地磁儀、四分量應變儀、二分量傾斜儀、水溫儀、水位儀[1-2]。這些前兆觀測手段在地面臺站也都有相應的觀測[3]，在積累一定數據量的基礎上，對深井觀測數據進行對比分析，以判斷其優劣。文章主要是對地磁、應變、傾斜、水溫、水位觀測數據進行分析。

1 觀測儀器概況

上海佘山地震觀測基準臺有CBZ-2A型鉆孔傾斜儀、VS型垂直擺傾斜儀、YRY-4型鉆孔應變儀，崇明地震臺安裝有GM4地磁記錄儀、SZW-1A型水溫儀和LN-3A型水位儀，張江和崇明長江農場綜合深井臺(以下簡稱長江深井臺)安裝有集成商集成的四分量應變儀、二分量傾斜儀、深圳泰德公司的TDT-35型水溫儀、HLM-15型水位儀。地面臺站和綜合深井臺安裝的儀器設備雖不同，但相應觀測到的物理量是一致的。

2 分析方法

通過對不同儀器的原始曲線、長期變化趨勢、內在質量等進行對比分析，綜合判斷深井臺站前兆觀測數據的質量。

2.1 地磁觀測

2.1.1 日變化曲線對比

圖1 2014年6月8日崇明與長江深井臺地磁D、H、Z分量分鐘值圖Fig.1 Minute values of geomagnetic D, H and Z components at Chongming and Changjiang Station on June 8,2014

從圖1看出，同下面基線值圖反映的特征基本一致，Z分量曲線圖日變形態基本一致，H分量和D分量的曲線雖然日變形態基本一致，但略有差異。分析其原因，認為是定向問題造成的。深井地磁探頭定向是靠內置的電子羅盤，如果定向過程中有干擾或誤差，會造成記錄結果的差別。

2.1.2 內在質量分析

評價地磁記錄儀記錄質量的好壞，通常用絕對觀測來對它進行基線值考察，如果月觀測精度符合學科組的規定(δDB<0.1；δHB<1.0；δZB<1.0)，就認為記錄儀正常，前提是參與絕對觀測的人員和儀器均可靠[4]。選取崇明臺周觀測的觀測值對崇明臺及長江農場深井臺的相對記錄值進行基線值計算(見表1)，評價相對記錄儀內在質量的好壞。選取2014年1月1日-6月30日的資料進行對比分析。從表中看出，崇明臺相對記錄儀基線值均在范圍之內，長江深井臺相對記錄儀的D分量超出精度規定范圍，H和Z分量在精度范圍內。

表1 崇明臺與長江深井臺基線值觀測月精度表Table 1 Monthly accuracy of baseline observation at Chongming Station and Changjiang deep well station

由以上分析可知，綜合深井與地面臺站地磁記錄的日變形態基本相同，幅度相當，D分量日變形態和基線值的差異初步認為是定向問題造成的，地鐵造成的干擾在綜合深井記錄中同樣存在。

2.2 水位觀測

崇明臺靜水位觀測始于“十五”期間，井深280多米，觀測的是第三承壓含水層，崇明長江農場綜合深井井深為463.6 m，觀測的是基巖裂隙水。

2.2.1 日變曲線對比

運用2013年5月1日至3日的數據進行日變曲線對比發現，崇明臺水位日變曲線潮汐現象明顯；長江臺綜合深井觀測也有日變現象，但并不明顯，與所觀測的層位有很大關系(見圖2)。

圖2 崇明臺和長江臺綜合深井水位日變曲線對比圖Fig.2 Comparison of diurnal variation of water level in comprehensive deep well at Chongming Station and Changjiang Station

2.2.2 年變曲線對比

從圖2、圖3看出，在一年尺度里，崇明臺靜水位觀測年變化達1米多，且一直上升；長江臺綜合深井觀測僅10多厘米，年終基本回到年初的水位位置。差別的原因在于，崇明長江農場臺綜合深井達400多米，穿透第四紀覆蓋層并下套管封閉，觀測基巖為裂隙水，水位動態穩定，呈夏高冬低型；崇明臺淺井靜水位受開采和回灌等干擾影響，變化幅度要比綜合深井水位大一個數量級。由此看出，深井作為地震地下流體觀測井要比淺水井更合理。

圖3 崇明臺和長江臺綜合深井水位年變曲線對比圖Fig.3 Comparison of annual variation of water level in comprehensive deep well at Chongming Stationand Changjiang Station

2.3 水溫觀測

上海地區的水溫觀測臺站有8個，一直以來崇明臺的井水溫記錄穩定，數據可靠連續，對比分析以崇明臺的數據為基礎。

2.3.1 日變曲線對比

從圖4的日變曲線來看，長江臺綜合深井水溫日變幅度小，數據比崇明臺的變化要穩定。

圖4 崇明臺和長江臺綜合深井水溫日變曲線對比圖Fig.4 Comparison of diurnal variation of water temperature in comprehensive deep well at Chongming Station and Changjiang Station

2.3.2 年變曲線對比

圖5是2013年10月至2014年10月崇明臺和長江農場綜合深井臺的年變曲線。崇明臺水溫變化平緩，在0.02 ℃之間；綜合深井臺變化曲線幅度大，為0.14 ℃，變化趨勢在下降過程中，這種下降趨勢的原因值得探討。

圖5 崇明臺和長江臺綜合深井水溫年變曲線對比圖Fig.5 Comparison of annual variation of water temperature in comprehensive deep well at Chongming Station and Changjiang Station

2.4 鉆孔應變

佘山臺安裝了YRY-4鉆孔應變儀，綜合深井臺安裝集成的四分量應變儀，通過對佘山臺、浦東和長江農場綜合深井臺的鉆孔應變儀數據的日變曲線和最大最小主應變及最大主應變方向等幾個參數進行分析，明確儀器的運行狀況。

2.4.1 日變曲線

圖6是佘山臺和浦東綜合深井臺2013年10月1日至2日的鉆孔應變日變曲線，佘山臺四分量日變曲線形態好，浦東綜合深井臺的日變曲線變化明顯。

2.4.2 內在質量分析

主應變(ε1,ε2,φ)可以通過應變觀測值、套筒內外徑和圍巖、填充水泥及套筒材料的楊氏模量和泊松比等參數來計算。最大主應變方向可以不受材料的限制，因此這3個臺站即使觀測條件存在差異，但最大主應變方向的結果仍可以放在一個平臺進行比較。從計算結果第33頁圖7看出，浦東綜合深井臺及佘山臺的最大、最小主應變及最大剪應變趨勢一致，崇明長江農場綜合深井臺最大主應變基本走平，變化不大。3個臺計算的最大主應變方向基本一致，在北西-東南向，一方面表明這3個臺所在區域的應變狀態相對一致，認為3個臺點所構成的區域是一個整體，而且相對穩定，差異性不大。

圖6 佘山臺、浦東綜合深井臺鉆孔應變儀日變曲線對比圖Fig.6 Comparison of diurnal variation of borehole strain at Sheshan Station and Pudong comprehensive deep well station

圖7 佘山、浦東及崇明綜合深井最大最小主應變、最大剪應變及最大主應變方向圖Fig.7 Maximum and minimum principal strain, maximum shear strain and maximum principal strain direction in comprehensive deep well in Sheshan, Pudong and Chongming

2.5 傾斜

佘山地震觀測基準臺有VS垂直擺傾斜儀[5]，綜合深井安裝集成的傾斜儀。

2.5.1 日變曲線對比

圖8是佘山臺和長江農場綜合深井臺2014年2月2日至3日的日變曲線，可以看出長江農場綜合深井臺傾斜儀日變曲線形態明顯，佘山臺的形態平穩，但受干擾明顯。

圖8 佘山臺和長江農場綜合深井臺傾斜日變曲線對比圖Fig.8 Comparison of diurnal variation of borehole tilt at Sheshan Station and Changjiang comprehensive deep well station

2.5.2 內在質量分析

第34頁圖9是2013年10月至2014年9月南北向整點值及一階差分值圖。由圖可見，2013年11月開始受到人為干擾較嚴重，主要為山洞內裝修及隔壁的人防工程改造頻繁施工，造成數據波動較大，施工期間的固體潮也出現明顯畸變。2014年3月施工逐漸收尾至停工后，數據穩定性有明顯好轉。崇明長江農場綜合深井的鉆孔傾斜儀進行差分后的高頻部分非常穩定，顯示較高的信噪比，長周期則一直無年變。近一年，兩分量呈現持續向上的變化，變化速度一直保持穩定。

圖9 佘山臺傾斜南北向整點值及崇明長江農場綜合深井的鉆孔傾斜一階差分值圖Fig.9 Tilted north-south integer value at Sheshan Station and first order difference value of borehole tilt in Changjiang comprehensive deep well at Chongming Station

3 結論

(1) 通過以上分析，認為深井記錄的地磁資料日變形態與地面地磁記錄基本一致，幅度相當。崇明臺與長江臺H、D分量曲線不重合，認為主要原因是深井探頭的D分量定向不準造成，需要重新定向。地鐵造成的干擾在綜合深井記錄中同樣存在，幅度基本一致。

(2) 綜合深井水位觀測的基巖裂隙水比淺水井水位觀測更為可靠，受到的干擾少，觀測結果與地震前兆信息的關系更密切。

(3) 綜合深井水溫觀測日變化穩定，數據變化幅度小，更利于反應深部流體的信息。

(4) 通過內在質量分析，綜合深井鉆孔應變記錄的數據穩定、可靠，能反映本地區受應力的影響情況。

(5) 綜合深井鉆孔傾斜儀有較高的信噪比，日變形態明顯，長周期則一直無年變，近一年兩分量呈現持續的向上變化，變化速度一直保持穩定。

(6) 綜合深井前兆觀測作為一種新的觀測系統，集成了多種觀測方法，節約空間，利于實施。在當前地面干擾越來越嚴重的情況下，開展綜合深井觀測也是一種探索。缺點是集成在一口井內，導致維修不便，有的甚至只能報廢，成本較高。