地下流體數(shù)據(jù)跟蹤事件質(zhì)量分析

陶志剛 劉春國 樊俊屹

（中國北京 100045 中國地震臺網(wǎng)中心）

0 引言

觀測數(shù)據(jù)是地球物理臺網(wǎng)的核心產(chǎn)品，也是開展地震預(yù)測研究的重要基礎(chǔ)（劉春國等，2015）。為進(jìn)一步推進(jìn)地球物理臺網(wǎng)工作重心由觀測為主向觀測與應(yīng)用并重轉(zhuǎn)變（中國地震局，2013），強化觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制，規(guī)范數(shù)據(jù)處理分析工作。為促進(jìn)監(jiān)測預(yù)報緊密結(jié)合，發(fā)揮觀測數(shù)據(jù)在震情監(jiān)視、會商中的基礎(chǔ)性作用，提高臺網(wǎng)產(chǎn)出與服務(wù)能力，促進(jìn)地球物理觀測技術(shù)進(jìn)步，提升監(jiān)測人員能力，中國地震局于2014 年組織開展地震前兆臺站數(shù)據(jù)跟蹤分析工作（王建國，2015a，b）。

數(shù)據(jù)跟蹤分析是以跟蹤分析軟件平臺為依托，以觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)數(shù)據(jù)變化特征及所屬類型，以事件為單位，分析記錄各類事件并記入數(shù)據(jù)庫保存（王莉森等，2017）。目前，建立了臺站、區(qū)域中心、學(xué)科中心、國家中心四級審核機(jī)制，流體學(xué)科中心每月對事件進(jìn)行審核，并將數(shù)據(jù)跟蹤分析結(jié)果納入全國地下流體年度評比內(nèi)容。數(shù)據(jù)跟蹤分析工作在全國地球物理臺網(wǎng)已全面開展，大部分省地震局將數(shù)據(jù)跟蹤分析結(jié)果參與預(yù)報會商應(yīng)用，定期產(chǎn)出大量跟蹤分析事件，為地震預(yù)測研究提供了豐富資料，但同時存在一些問題，有必要對這些問題進(jìn)行歸類和總結(jié)，提出解決方案，為地震臺站監(jiān)測人員記錄跟蹤分析事件提供參考。

本文以全國地下流體臺網(wǎng)數(shù)據(jù)跟蹤分析工作為例，在總結(jié)2019 年流體數(shù)據(jù)跟蹤分析產(chǎn)出事件基礎(chǔ)上，從跟蹤分析審核工作中遇到的實際問題出發(fā)，對觀測系統(tǒng)故障、自然環(huán)境、場地環(huán)境、人為干擾、地球物理事件、不明原因6 個方面存在的問題進(jìn)行總結(jié)與分析，以便為地震臺站跟蹤分析事件記錄提供參考。

1 跟蹤分析工作概況

數(shù)據(jù)跟蹤分析的首要任務(wù)是，在海量觀測數(shù)據(jù)中挖掘顯著變化數(shù)據(jù)，核實變化原因，并根據(jù)規(guī)范進(jìn)行記錄。數(shù)據(jù)跟蹤分析產(chǎn)出的事件主要包括非正常動態(tài)事件和正常動態(tài)事件。非正常動態(tài)指某一物理或化學(xué)量觀測值改變了原有變化規(guī)律和特征，或改變了日、月、年變化形態(tài)，觀測值出現(xiàn)了振幅、相位、頻率和趨勢等方面的顯著變化。非正常動態(tài)事件包括觀測系統(tǒng)事件、自然環(huán)境事件、場地環(huán)境事件、人為干擾事件、地球物理事件和不明原因事件。正常動態(tài)指非地震活動時段、無干擾因素條件下表現(xiàn)出來的有規(guī)律的動態(tài)變化，和在各種干擾因素的作用下，多年形成相對穩(wěn)定的有規(guī)律的動態(tài)變化（國家地震前兆臺網(wǎng)中心，2014）。

地下流體各測項的正常動態(tài)復(fù)雜多樣，不同井的動態(tài)類型不同，同一口井不同測項、同一測項不同時段的動態(tài)類型不同，動態(tài)特征千差萬別，研究和了解每一口井、每一個測項、每個時段的正常動態(tài)，是科學(xué)、正確地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、異常識別的前提和必要條件。

2019 年，全國流體觀測臺網(wǎng)分析儀器943 套，產(chǎn)出地球物理事件累計350 條，觀測數(shù)據(jù)不同程度地受到觀測系統(tǒng)、自然因素、場地環(huán)境、人為因素等干擾出現(xiàn)異常變化，此類事件記錄共計4 134 條，其中觀測系統(tǒng)事件1 729 條，自然環(huán)境事件831 條，場地環(huán)境事件558 條，人為干擾事件1 016 條。此外，無法解釋的非正常變化數(shù)據(jù)即為不明原因事件，共計153 條。不明原因可能與地震的孕育或構(gòu)造活動有關(guān)，受現(xiàn)今認(rèn)知水平所限，目前尚無法給出清晰解釋，值得持續(xù)關(guān)注和研究。

數(shù)據(jù)跟蹤分析各類事件的產(chǎn)出比例，可以直觀反映地下流體臺網(wǎng)的運行質(zhì)量及制約因素。據(jù)統(tǒng)計，2019 年影響臺網(wǎng)運行的主要因素是觀測系統(tǒng)事件，占比41.82%，而人為干擾事件占比24.58%，自然環(huán)境事件占比20.1%，場地環(huán)境事件占比13.5%。自然環(huán)境和場地環(huán)境干擾又統(tǒng)稱為環(huán)境干擾。環(huán)境干擾對觀測數(shù)據(jù)的動態(tài)影響無法避免，如果充分了解干擾源信息，建立干擾強度與動態(tài)數(shù)據(jù)變化的干擾公式，對數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，可以定量消除干擾，不會影響觀測數(shù)據(jù)的使用。但是，觀測系統(tǒng)事件和人為干擾對觀測數(shù)據(jù)造成的影響是不可逆的，無法進(jìn)行修正。因此，當(dāng)前地下流體臺網(wǎng)運行面臨的主要挑戰(zhàn)是，如何盡量降低和減少觀測系統(tǒng)、人為干擾對觀測數(shù)據(jù)的影響程度及頻次。

2 典型事件分析

2.1 觀測系統(tǒng)事件

從記錄典型事件的臺站和儀器數(shù)量看，觀測系統(tǒng)對監(jiān)測數(shù)據(jù)的影響最嚴(yán)重。觀測系統(tǒng)事件主要是由儀器、供電、通訊、避雷裝置、觀測井、井口裝置等因素引起的數(shù)據(jù)異常變化（國家地震前兆臺網(wǎng)中心，2015）。2019 年，在全國流體臺網(wǎng)290 個臺站500 套儀器記錄中觀測系統(tǒng)事件1 729 條，其中各類影響因素事件分布見圖1。由圖1 可見，2019 年影響流體臺網(wǎng)正常運行的主要因素是供電故障，占比21.57%，其次為儀器主機(jī)故障，占比16.71%，而數(shù)采故障占比10.35%，脫氣—集氣裝置故障占比5.78%，井（泉）泄流口堵塞與疏通占比5.32%，上述幾類事件嚴(yán)重影響了流體臺網(wǎng)的正常運行。針對2019 年觀測系統(tǒng)事件，篩選3 個典型事件進(jìn)行分析。

圖1 觀測系統(tǒng)類影響因素的事件柱狀圖Fig.1 Histogram of various influencing factors of the observation system

典型事件1：襄樊萬山地震臺數(shù)字水位儀交直流切換干擾。2019 年5 月19 日13:30—18:32，襄樊萬山地震臺數(shù)字水位儀2 測點受電源不穩(wěn)影響，出現(xiàn)交直流切換干擾，數(shù)據(jù)曲線形成向下臺階，臺階最大幅度為0.014 m，18:32 后恢復(fù)正常（圖2）。

圖2 交直流切換干擾實例Fig.2 Example of AC-DC switching interference

典型事件2：八一地震臺脫氣—集氣裝置故障。2019 年2 月6 日—14 日4 時，八一地震臺（15073）測點7 測氡儀，由于氣泵裝置故障，氣氡數(shù)據(jù)出現(xiàn)往復(fù)升降現(xiàn)象，變化范圍為：1.118—44.3 Bq/L，變化幅度為43.128 Bq/L。為此，于2 月10 日關(guān)停氣泵，對抽氣管路進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)氣路存在一定程度的堵塞，且接口有松動現(xiàn)象，疏通管路并更換接口后，恢復(fù)正常觀測（圖3）。

圖3 脫氣—集氣裝置故障實例Fig.3 Example of degassing gas collection device failure

典型事件3：桑梓井?dāng)?shù)字水位儀主機(jī)故障導(dǎo)致缺數(shù)。2019 年5 月23 日02:55—11:51，桑梓井ZKGD3000-NL 數(shù)字水位儀A 測點因主機(jī)故障，造成數(shù)據(jù)缺測8.95 小時，更換為備機(jī)后，于11:52 恢復(fù)正常記錄（圖4）。

圖4 主機(jī)故障導(dǎo)致缺數(shù)實例Fig.4 Example of instrument host failure

針對2019 年觀測系統(tǒng)事件中占比較大的影響因素，提出以下解決方案：①供電故障：臺站應(yīng)配備UPS 直流電源和斷電報警裝置，若出現(xiàn)斷電情況，立即啟動UPS 電源，盡量做到交流—直流電源無縫切換，保障供電連續(xù)性。另外，臺站應(yīng)盡快配置抗交直流干擾較強的儀器，例如SWY-2、SZW-2 等；②主機(jī)故障、數(shù)采故障：臺站應(yīng)配備相應(yīng)的備機(jī)、備件，定期更換老舊儀器，減少儀器故障頻次；③泄流口堵塞與疏通：此類問題常見于自流井中，井水礦化度較高，溢出井口后，由于溫度、壓力的改變，晶體析出沉淀在泄流口，長期積累導(dǎo)致出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，井水流量被改變。建議在泄流口安裝摩擦阻力較小的PVC 材質(zhì)的泄流管，泄流口閥門盡量安裝直通式節(jié)流閥；④脫氣—集氣裝置故障：此類故障發(fā)生在數(shù)字化氣氡、氣汞測項中，應(yīng)采用脫氣、集氣效率和換氣效率高的裝置，盡量保持觀測室溫度恒定，輸氣管路應(yīng)豎直、簡短、內(nèi)壁光滑、內(nèi)徑較大，避免氣水冷凝倒流而堵塞氣路。

2.2 自然環(huán)境

自然環(huán)境類事件是指與自然環(huán)境相關(guān)的，引起觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)短時波動、高頻擾動、趨勢性上升或下降的變化（國家地震前兆臺網(wǎng)中心，2015）。2019 年，在全國流體觀測臺網(wǎng)148 個臺站182 套儀器記錄中，自然環(huán)境事件831 條，其中降雨占比58.48%，氣壓干擾占比17.56%，風(fēng)擾占比9.15%。降雨干擾主要有2 種方式：降雨入滲補給含水層，引起井水位升高；強降雨引起的降雨載荷干擾，主要發(fā)生在地勢平坦地區(qū)，與降雨量、降雨強度、降雨面積有關(guān)。氣壓干擾主要與井水位呈負(fù)相關(guān)變化，而風(fēng)擾也是一種氣壓干擾，觀測數(shù)據(jù)主要表現(xiàn)為背景噪聲變大。

典型事件1：降雨對盧龍崔莊井靜水位的干擾。2019 年9 月13 日00:00—16 日11:44，受降雨影響，盧龍崔莊井（13093）靜水位觀測1 測點ZKGD2000 觀測儀靜水位呈明顯偏高態(tài)勢，最大上升幅度0.226 6 m，13 日全天降雨量達(dá)28 mm，當(dāng)日該井水位迅速上升，14 日后逐漸恢復(fù)，至16 日，數(shù)據(jù)基本恢復(fù)正常（圖5）。

圖5 降雨干擾實例Fig.5 Example of rainfall interference

典型事件2：無極冀20 井靜水位氣壓干擾。2019 年8 月15 日19:08—16 日03:18，無極冀20 井觀測站1 測點ZKGD3000 綜合水位儀靜水位數(shù)據(jù)出現(xiàn)多次突跳變化，最大幅度0.072 5 m，同時段氣壓數(shù)據(jù)出現(xiàn)同步突跳變化，最大幅度為7.8 hPa，16 日03:19 數(shù)據(jù)恢復(fù)正常（圖6）。分析認(rèn)為，無極冀20 井靜水位突跳由氣壓變化所致。

圖6 氣壓干擾實例Fig.6 Example of atmospheric pressure interference

自然環(huán)境對現(xiàn)運行觀測系統(tǒng)的干擾無法避免，受自然環(huán)境干擾嚴(yán)重的臺站應(yīng)配備氣象三要素測項，通過輔助觀測數(shù)據(jù)，建立降雨、氣壓對觀測數(shù)據(jù)的線性關(guān)系，定量消除干擾，提高觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量。

2.3 場地環(huán)境

場地環(huán)境類事件指在正常數(shù)據(jù)上疊加的場地環(huán)境干擾信號，此類干擾包括：載荷變化（湖泊、河流、采礦區(qū)、基建工程等）、振動（爆破、礦震、塌方等）、水文地質(zhì)環(huán)境變化（采油、抽水、注水、井水?dāng)嗔鞯龋┑龋▏业卣鹎罢着_網(wǎng)中心，2015）。2019 年，全國流體臺網(wǎng)78個臺站112 套儀器記錄場地環(huán)境事件558 條。

場地環(huán)境干擾中井泉抽水干擾占比33.33%，農(nóng)業(yè)灌溉干擾占比16.3%。此類干擾目前無法避免，臺站應(yīng)收集附近井泉抽水及農(nóng)業(yè)灌溉信息，定量分析干擾對觀測數(shù)據(jù)的影響，建立相應(yīng)的變化關(guān)系，消除干擾。

典型事件：抽水對瓦房店樓房測點數(shù)字水位儀靜水位的干擾。2019 年8 月20 日07:57—10:39，瓦房店樓房（21039）測點1數(shù)字水位儀SWY-Ⅱ靜水位（4112）受周邊居民生活用水井抽注水影響，水位快速下降，幅度約1.05 m，之后水位緩慢回升恢復(fù)正常（圖7）。此類居民生活用水干擾，無法避免，應(yīng)持續(xù)跟蹤后續(xù)變化。

圖7 抽水干擾實例Fig.7 Example of pumping disturbances

2.4 人為干擾

人為干擾指人為活動引起觀測儀器或觀測裝置發(fā)生改變，觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)短時變化。人為干擾包括：人為調(diào)整觀測裝置（疏通泄流口，移動、更換或清洗脫氣—集氣裝置等）、人為操作儀器（如調(diào)零、標(biāo)定、檢修、調(diào)試）、人為擾動傳感器（模擬換紙、校測、安裝儀器等）、取觀測井水樣導(dǎo)致觀測曲線出現(xiàn)變化等（國家地震前兆臺網(wǎng)中心，2015）。2019 年，全國流體臺網(wǎng)239 個臺站408 套儀器記錄人為干擾事件1 016 條。

人為干擾影響因素占比相對較平均，主要包括儀器檢修、標(biāo)定、校測裝置系統(tǒng)改造、水樣提取、儀器安裝等，通常是臺站運維的日常工作內(nèi)容，周期相對固定，持續(xù)時間較短，對觀測數(shù)據(jù)的影響時段較小，一般直接做預(yù)處理刪除即可，對觀測數(shù)據(jù)的使用影響較小。

典型事件：河間冀17 井觀測站水位儀動水位干擾變化。河間冀17 井觀測站測點1 的ZKGD3000-NL 水位儀動水位觀測曲線，于2019 年6 月30 日15:26—17:06 出現(xiàn)錯誤數(shù)據(jù)及臺階，臺階變化幅度為0.080 9 m，經(jīng)查為滄州市地震局工作人員調(diào)節(jié)泄流口流量所致，人工刪除錯誤數(shù)據(jù)后，于當(dāng)日17:07 恢復(fù)正常（圖8）。

圖8 調(diào)節(jié)泄流口流量實例Fig.8 Example of adjusting the flow of the discharge port

2.5 地球物理事件

地球物理類事件指地球物理場變化引起的數(shù)據(jù)變化。此類事件主要包括地震、震后效應(yīng)（弛豫等）、火山、核爆、滑坡、泥石流、礦震、爆炸、震前擾動、地脈動、地球自由振蕩等（國家地震前兆臺網(wǎng)中心，2015）。2019 年，全國流體臺網(wǎng)61 個臺站72 套儀器記錄地球物理事件350 條，各測項統(tǒng)計結(jié)果見表1。此類事件主要為同震效應(yīng)事件，其中水位記錄的同震效應(yīng)最多，其次為水溫同震效應(yīng)。地球物理事件記錄數(shù)量越多，越能反映監(jiān)測井的地震監(jiān)測效能。2019 年我國地下流體觀測井同震效應(yīng)監(jiān)測統(tǒng)計結(jié)果見圖9，可見峰峰24 井監(jiān)測的同震效應(yīng)事件最多，其次為鐘祥馬玲井。

圖9 臺站同震效應(yīng)監(jiān)測數(shù)量柱狀圖Fig.9 Histogram of monitoring quantity of co-seismic effect

表1 各測項地球物理事件統(tǒng)計Table1 Statistics of geophysical events

典型事件：邯鄲峰峰冀24 井水位儀靜水位同震效應(yīng)。2019 年7 月6 日11:20:00，美國加利福尼亞州發(fā)生MW6.9 地震（35.75°N，117.58°W），震源深度10 km，震中距10 384 km。邯鄲峰峰冀24 井觀測站測點1 的ZKGD3000-NL 型水位儀靜水位（4112）數(shù)據(jù)于7 月6 日11:52—13:04 記錄到此次地震的水震波，變化形態(tài)為震蕩，變化幅度為0.044 2 m（圖10）。

圖10 水位同震效應(yīng)實例Fig.10 Example of the co-seismic effect of water level

2.6 不明原因事件

經(jīng)綜合分析排除以上5 類事件后仍無法確定或判定證據(jù)不足的數(shù)據(jù)變化，歸為不明原因類事件。2019 年，全國流體臺網(wǎng)51 個臺站70 套儀器記錄不明原因事件153 條，其中疑似故障或干擾占比50.66%，中短期不明原因占比26.97%，疑似前兆異常21.05%。后2項異常需密切關(guān)注，應(yīng)重點跟蹤數(shù)據(jù)變化，盡快進(jìn)行異常核實并編寫報告。

典型事件：懷來后郝窯地震臺測氡儀疑似故障或干擾。2019 年7 月18 日—8 月17 日，懷來后郝窯地震臺懷4 井SD-3 測氡儀氣氡測值連續(xù)出現(xiàn)高值小突跳，數(shù)據(jù)最大變化幅度180.0 Bq/L（圖11），超背景值約1 倍，同臺其他觀測儀器未出現(xiàn)此類異常等情況。異常核實發(fā)現(xiàn)：儀器工作正常、校測合格、無人為干擾、無場地環(huán)境干擾，且8 月17 日該項數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。通過對儀器、周圍環(huán)境等開展現(xiàn)場調(diào)查，并對各種可能引起異常的因素進(jìn)行分析論證，認(rèn)為懷4 井氣氡測項異常變化可能為儀器老化、運行不穩(wěn)定造成。

圖11 疑似故障或干擾實例Fig.11 Example of instrument failure or interference

3 常見問題

從數(shù)據(jù)使用角度來講，數(shù)據(jù)跟蹤分析的根本目的是，對非正常變化數(shù)據(jù)貼“標(biāo)簽”，并及時進(jìn)行跟蹤分析，以圖形方式展現(xiàn)，以文字方式進(jìn)行原因說明，并入庫保存。

2019 年地下流體數(shù)據(jù)跟蹤分析工作中共出現(xiàn)問題441 條，問題率達(dá)9.51%，其中：圖件問題321 條，占比72.79%；事件分析質(zhì)量問題85 條，占比19.27%；事件時間選擇錯誤79 條，占比17.91%；事件歸類錯誤27 條，占比6.12%；過度分析55 條，占比12.47%。

3.1 圖件問題

圖件內(nèi)容包括主測項分量的時序曲線圖、事件圖框、文字標(biāo)注。圖件標(biāo)注問題主要是文字標(biāo)注不準(zhǔn)確，學(xué)科規(guī)定標(biāo)注影響因素即可；圖件繪制選擇時長及數(shù)據(jù)類型應(yīng)以能夠凸顯非正常變化為基本原則，事件前后應(yīng)增加一定正常觀測曲線（事件起止時間應(yīng)小于繪圖起止時段）；對于受氣壓、降雨影響的事件，應(yīng)該增加氣象三要素對比觀測曲線；做過預(yù)處理的事件，應(yīng)同時繪制原始數(shù)據(jù)和預(yù)處理數(shù)據(jù)對比曲線。典型圖件問題見圖12。

圖12 數(shù)據(jù)跟蹤分析圖件繪制問題實例（a）文字標(biāo)注冗長；（b）事件前后應(yīng)保留一定正常背景值域；（c）缺少原始數(shù)據(jù)對比觀測曲線；（d）缺少降雨對比觀測曲線Fig.12 Examples of picture drawing problems

3.2 事件數(shù)據(jù)時間選擇

跟蹤分析記錄的時間應(yīng)該為數(shù)據(jù)開始發(fā)生非正常變化的起止時間，而不是繪圖的時間段。填寫準(zhǔn)確程度應(yīng)視分析數(shù)據(jù)類型而定。例如，分鐘值應(yīng)準(zhǔn)確填到“分鐘”，時值應(yīng)準(zhǔn)確填到“小時”，日值應(yīng)準(zhǔn)確填到“日”。對于未結(jié)束事件，應(yīng)將結(jié)束時間置空，對其進(jìn)行持續(xù)跟蹤分析，隨時補充、修改，及時更新圖件和文字描述信息，一旦事件結(jié)束，應(yīng)立即填寫結(jié)束日期。

3.3 數(shù)據(jù)描述

數(shù)據(jù)變化描述是對事件分析記錄的重要組成部分，是對事件過程的完整解釋，應(yīng)包含數(shù)據(jù)變化時間、變化形態(tài)、變化幅度、數(shù)據(jù)處置情況及依據(jù)。對于干擾源情況，應(yīng)說明過程、干擾強度、干擾周期、影響方式等信息。

3.4 其他問題

對于故障數(shù)據(jù)，應(yīng)首先進(jìn)行預(yù)處理操作，然后進(jìn)行事件分析。個別臺站會存在一條事件拆分為2 條的情況，臺站以周尺度進(jìn)行跟蹤分析，若周分析未結(jié)束，應(yīng)與下一周事件合并為一條，月尺度同樣如此。故障數(shù)據(jù)未做預(yù)處理刪除實例見圖13（a）。

圖13 數(shù)據(jù)跟蹤分析其他問題實例（a）故障數(shù)據(jù)未做預(yù)處理刪除；（b）小于4 小時觀測系統(tǒng)故障不用分析Fig.13 Examples of other problems

數(shù)據(jù)跟蹤分析中還會出現(xiàn)一些過度分析事件，主要包括2 類：①對正常數(shù)據(jù)進(jìn)行事件分析；②對非正常數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。技術(shù)規(guī)范中2.14 規(guī)定：“對于已經(jīng)明確是由觀測系統(tǒng)故障或場地環(huán)境干擾引起的、孤立型且持續(xù)時間比較短暫（持續(xù)時間4 小時以內(nèi)）的數(shù)據(jù)變化，無需創(chuàng)建分析記錄，但應(yīng)詳細(xì)填寫觀測日志”。此類事件實例見圖13（b）。

4 結(jié)束語

通過對我國2019 年地下流體臺網(wǎng)數(shù)據(jù)跟蹤分析現(xiàn)狀的總結(jié)和統(tǒng)計分析，可知2019 年數(shù)據(jù)跟蹤事件錯誤率較高，希望在地下流體學(xué)科和監(jiān)測人員的共同努力下，逐漸降低錯誤率，提高數(shù)據(jù)跟蹤分析成效，為地震研究、預(yù)測等提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，更好地為防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)服務(wù)。