地震地下流體井水位、水溫觀測數(shù)據(jù)集

陶志剛

（中國北京 100045 中國地震臺網(wǎng)中心）

0 引言

地下流體是地球物質(zhì)的重要組成部分，普遍存在于地殼介質(zhì)中，直接參與地殼中的各種動力作用，是研究地震孕育與發(fā)生過程的有效手段之一（劉耀煒等，2006）。我國自1966年邢臺地震以來，以為地震預測預報及科學研究服務為目標，以水文地質(zhì)學、地球化學和地熱學為基礎(chǔ)學科，開展了地震地下流體的監(jiān)測與研究，經(jīng)過五十多年的不懈努力，建成了覆蓋中國大陸地區(qū)主要地震構(gòu)造帶的地下流體站網(wǎng)，以井、泉及斷層帶中地下水、地熱和地下氣作為觀測對象，含水位、水溫、流量、氡、汞、水質(zhì)和氣體組分等測項，其中水位、水溫、氡和汞為主要觀測項目（劉春國等，2022）。

井水位和水溫觀測已發(fā)展成為地下流體兩大主要測項，多年監(jiān)測結(jié)果表明，在觀測數(shù)據(jù)的時間序列曲線中，可以識別出地震前兆異常、同震響應、震后效應、構(gòu)造運動、固體潮變化等地球物理信息，表現(xiàn)出對地震前兆異常的高靈敏性，在地震預報中發(fā)揮著重要作用，特別是在短臨預報中起到了決定性作用（車用太，2005）。我國地下流體井水位和水溫測項多為同井觀測，水溫動態(tài)變化同時受到水位動態(tài)變化的影響，因此，將井水位、水溫測項數(shù)據(jù)歸為一個數(shù)據(jù)集，有利于對地球深部地下流體的動態(tài)變化進行更加全面的監(jiān)測、分析和了解，豐富地球地下流體物理量的研究資料，為地震預測預報提供重要的數(shù)據(jù)支撐。

1 數(shù)據(jù)集組成

地下流體觀測井有自流井和非自流井2 種，井水位觀測是監(jiān)測井孔內(nèi)水柱高度隨時間的變化，井水溫觀測是監(jiān)測井孔內(nèi)水溫傳感器處的溫度隨時間的變化，均為時間序列的觀測數(shù)據(jù)。目前納入國家地下流體臺網(wǎng)管理的觀測站點約490 個，觀測儀器約1 200 套，其中：水位觀測點約383 個，觀測儀器主要為SWY 系列、ZKGD3000 系列、LN-3A 等數(shù)字化壓力式水位儀，采樣率為1 次/min，分辨力優(yōu)于1 mm，觀測精度為0.2% F.S；水溫觀測點約453 個，觀測儀器主要為SZW-1、SZW-2、ZKGD3000NT、TDT-56 等測溫儀，均為數(shù)字化觀測，采樣率為1 次/min，觀測精度優(yōu)于0.05 ℃，分辨力為0.000 1 ℃，短期漂移穩(wěn)定性小于0.001 ℃/mon，與流體其他測項的觀測儀器相比，產(chǎn)出數(shù)據(jù)具有高分辨力、高采樣率、高穩(wěn)定性等特點。

井水位測項產(chǎn)出動水位和靜水位2 類觀測數(shù)據(jù)，由于水溫觀測深度不同，井水溫數(shù)據(jù)集由淺層水溫、中層水溫和深層水溫3 個測項分量數(shù)據(jù)組成。每項觀測數(shù)據(jù)均由原始數(shù)據(jù)、預處理數(shù)據(jù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)（整點值數(shù)據(jù)）和均值類數(shù)據(jù)組成。原始觀測數(shù)據(jù)為儀器數(shù)據(jù)采集器直接采集的數(shù)據(jù)，不做任何處理，數(shù)據(jù)為分鐘值。預處理數(shù)據(jù)是在原始數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上經(jīng)各項處理所得，即對觀測數(shù)據(jù)中的無效、故障、干擾、突跳等數(shù)據(jù)進行刪除等處理，該類數(shù)據(jù)有對應的觀測日志記錄，觀測日志主要記錄與數(shù)據(jù)變化密切相關(guān)的觀測事件及相應的預處理情況。原始數(shù)據(jù)和預處理數(shù)據(jù)是高頻數(shù)據(jù)，主要用于提取一些高頻信息。產(chǎn)品數(shù)據(jù)是將預處理數(shù)據(jù)降采樣率處理后得到的小時值數(shù)據(jù)。均值類數(shù)據(jù)是在產(chǎn)品數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上計算得到的，相當于對數(shù)據(jù)進行低通濾波，將高頻的背景噪聲去除后得到一些低頻信息。每類數(shù)據(jù)相互關(guān)聯(lián)，層層遞進。井水位、水溫測項的原始數(shù)據(jù)、預處理數(shù)據(jù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)集示意圖見圖1、圖2。

圖1 井水位觀測原始數(shù)據(jù)、預處理數(shù)據(jù)和產(chǎn)品數(shù)據(jù)曲線Fig.1 Diagram of curves of raw data,pretreatment data and product data of well water level observation

圖2 井水溫觀測原始數(shù)據(jù)、預處理數(shù)據(jù)和產(chǎn)品數(shù)據(jù)曲線Fig.2 Diagram of curves of raw data,pretreatment data and product data well water temperature observation

2 數(shù)據(jù)集獲取

訪問國家地震科學數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站（https://data.earthquake.cn），可以申請地震地下流體井水位、水溫觀測數(shù)據(jù)集相關(guān)數(shù)據(jù)。另外，地震系統(tǒng)的用戶可以登錄“地下流體站網(wǎng)運行管理與產(chǎn)品服務平臺”，在線繪制原始數(shù)據(jù)、預處理數(shù)據(jù)、整點值數(shù)據(jù)、日均值、5 日均值、10日均值和月均值觀測曲線。觀測曲線與觀測日志、數(shù)據(jù)跟蹤分析事件配套使用，可以使數(shù)據(jù)應用更合理，觀測日志和數(shù)據(jù)跟蹤分析事件是對數(shù)據(jù)異常變化原因的說明，是數(shù)據(jù)的使用說明書，見圖3。

圖3 井水位觀測曲線與觀測日志、數(shù)據(jù)跟蹤分析事件產(chǎn)出Fig.3 Schematic diagram of well water level observation curve,observation log and data tracking analysis events

該平臺還具有一鍵繪制5 年對比觀測曲線的功能，觀測數(shù)據(jù)與臺站基礎(chǔ)信息結(jié)合使用，如天津高村井水位2018—2022 年對比觀測曲線，見圖4。

圖4 近5 年井水位對比觀測曲線Fig.4 Diagram of well water temperature comparison observation curves in recent 5 years

3 數(shù)據(jù)集評價

觀測數(shù)據(jù)集是地震監(jiān)測業(yè)務產(chǎn)出的重要的基礎(chǔ)產(chǎn)品，其真實性尤其關(guān)鍵，數(shù)據(jù)質(zhì)量評價體系也同樣重要。體現(xiàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量優(yōu)秀的基本標準是：觀測數(shù)據(jù)能真實反映地下動態(tài)變化，且動態(tài)變化背景清晰，并具有記錄地震、構(gòu)造活動或其他地球物理事件的能力。因此，要求數(shù)據(jù)質(zhì)量評價指標應在觀測數(shù)據(jù)的真實性、可靠性、連續(xù)性或完整性、動態(tài)穩(wěn)定與噪聲水平、觀測精度等方面作出規(guī)定（劉春國，2017）。目前井水位、水溫觀測數(shù)據(jù)集的評價指標主要有數(shù)據(jù)完整率、動態(tài)穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)內(nèi)在質(zhì)量和日常工作檢查4 項。

（1）數(shù)據(jù)完整率：在整點值基礎(chǔ)上進行計算，是有效數(shù)據(jù)個數(shù)與儀器應產(chǎn)出數(shù)據(jù)個數(shù)的比值。數(shù)據(jù)完整率是質(zhì)量評價中的重要指標，完整率越高，說明儀器產(chǎn)出的有效數(shù)據(jù)越多。

（2）動態(tài)穩(wěn)定性：以觀測數(shù)據(jù)的一階差分值標準差（σ）作為衡量標準。基本思路是用一階差分或移動平均方法對數(shù)據(jù)進行去趨勢化處理，用標準差數(shù)值作為評價數(shù)據(jù)背景噪聲的水平。標準差數(shù)值越大，說明數(shù)據(jù)的離散程度越大，穩(wěn)定性越差。

（3）數(shù)據(jù)內(nèi)在質(zhì)量：對于水位觀測數(shù)據(jù)，內(nèi)在質(zhì)量評價主要是通過計算潮汐因子和觀測精度2 個指標來實現(xiàn)的，而水溫數(shù)據(jù)主要是用一階差分序列的標準差（σ）來衡量，根據(jù)超過3 倍σ的次數(shù)進行評定，超差個數(shù)越多，說明數(shù)據(jù)質(zhì)量越差。

（4）日常工作檢查：主要是對臺站觀測運維方面的評價，即查看觀測數(shù)據(jù)是否進行正確的預處理操作，數(shù)據(jù)發(fā)生明顯變化后有無對應的觀測日志記錄，數(shù)據(jù)跟蹤分析記錄是否準確，儀器是否定期進行檢查、校測和校時等。

地下流體臺網(wǎng)中心會定期對數(shù)據(jù)集從年、月、周3 個時間尺度進行監(jiān)控與評價，根據(jù)評價結(jié)果尋找影響觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的根源和問題所在，排除影響因素，減少“盲”數(shù)據(jù)的比例，提高觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量，更好地服務于地震監(jiān)測預報（陶志剛等，2022）。

4 數(shù)據(jù)集應用

作為地震地球物理臺網(wǎng)的主要觀測手段，地下流體井水位、水溫觀測在地震監(jiān)測預報中發(fā)揮了重要作用。應用地下流體井水位、水溫觀測數(shù)據(jù)集，可以進行如下研究：①前兆異常研究：我國地震預測預報實踐表明，在多次地震前捕捉到一定數(shù)量的地下流體異常信息，其中水位測項在中、短期預測中作用較為顯著，而水溫測項則在短、臨預測中優(yōu)勢明顯，可利用井水位、水溫觀測數(shù)據(jù)分析震前異常變化，總結(jié)前兆異常特征，為地震預測提供重要的依據(jù)（劉耀煒等，2015；孫小龍等，2016；付虹等，2021）；②同震響應研究：利用井水位、水溫數(shù)據(jù)研究地震同震響應特征，主要包括一震多井和一井多震的研究（楊竹轉(zhuǎn)等，2008；晏銳，2009；廖麗霞等，2009；周志華等，2013；張彬等，2015；李滔等，2020；Zhou et al,2020，2021）；③區(qū)域應力變化特征研究：利用井水位趨勢變化數(shù)據(jù)，反演井區(qū)附近多年構(gòu)造應力場變化特征（孫小龍等，2011）；利用水位潮汐效應、地表水體荷載效應與列車荷載效應，反演井水位對應力—應變的響應靈敏度（車用太等，2003）；④含水層參數(shù)反演：利用井水位對遠場地震的同震響應，可以推算含水層水文地質(zhì)參數(shù)（孫小龍等，2018）；⑤觀測機理研究：利用水位、水溫數(shù)據(jù)，研究井水溫變化機理（魚金子等，1997；陳大慶等，2007；車用太等，2014）。

地下流體井水位、水溫數(shù)據(jù)集不僅可為地震預測預報和科學研究提供服務，而且在國民經(jīng)濟建設(shè)領(lǐng)域具有重要的應用價值，如可直接為深層地下水資源、地熱資源開發(fā)提供科學依據(jù)，為地殼環(huán)境評價與保護提供科學服務，也可為重大工程（巨型電站、核電站、油田等）安全運行提供監(jiān)測服務。

5 結(jié)束語

自20 世紀60 年代開始觀測以來，地下流體井水位和水溫觀測已積累了大量觀測數(shù)據(jù)，在地震監(jiān)測、地震預報和地球科學研究中發(fā)揮了重要作用。對于地震前兆異常、同震響應、震后效應、固體潮效應等地球物理事件的研究，井水位、水溫觀測數(shù)據(jù)起到了較好的支撐作用。隨著觀測方法、觀測儀器、觀測裝置、數(shù)據(jù)處理等方面的不斷優(yōu)化，以及觀測機理的進一步理清，井水位、水溫觀測數(shù)據(jù)集將為地震監(jiān)測預報事業(yè)提供重要的數(shù)據(jù)支撐，其應用范圍將進一步擴大，應用價值將顯著提升。

地震臺站是地震監(jiān)測預報事業(yè)的窗口，工作人員默默堅守和辛勤付出，為地下流體井水位、水溫數(shù)據(jù)集的連續(xù)性、準確性和可靠性做出了貢獻，在此表示感謝。