甘肃地区“十五”数字化水温观测及其地震前兆监测效能评估

张 昱，刘小凤， 邵辉成，常千军，陈 瑶

（1.甘肃省地震局，甘肃 兰州 730000； 2.陕西省地震局，陕西 西安 710068）

甘肃地区“十五”数字化水温观测及其地震前兆监测效能评估

张 昱1，刘小凤1， 邵辉成2，常千军1，陈 瑶1

（1.甘肃省地震局，甘肃 兰州 730000； 2.陕西省地震局，陕西 西安 710068）

对甘肃地区已建成的 “十五”数字化水温观测点的年、月、日动态特征以及主要影响数字化学温资料的干扰因素进行了分析，结果发现，多数井点的资料比较连续可靠，多数井水温观测年动态正常稳定。数字化水温观测中目前较为突出的问题是，个别井点水温动态中存在较大幅度的脉冲、突变，个别井点还有断记。根据以往的震例总结，多数井点有可能识别出破年变为标志的中期前兆异常，月动态规律清楚的井点，有可能在短期前兆监测中发挥效能。部分井点有可能在阶变和脉冲为特征的短临异常识别中发挥作用。并提出了进一步发挥井水温度观测监测效能的若干建议。

井水温度；动态特征；监测效能；甘肃地区

引言

地热方法是研究地球热状态，特别是地壳浅部表层热状态及其随时间变化与地震活动关系的一种地震预报方法。主要是测量深井水温微动态变化，是标志地下水物理状态的重要参数之一。

根据震源热力学理论和对地震热前兆的研究，地震与水温关系密切。地震的孕育与发生伴随着不同方式的热效应，从而引起地热场的重新分布和变化[1]。而这些变化会导致温度的变化，这种由孕震过程中应力增强或减弱引起的温度异常变化是可以通过观测得到的。这就是我们目前所观测的水温异常。可见水温观测不仅对于探索地震前兆，而且对于深入研究地震成因都具有十分重要的意义。目前，水温观测作为传统地球物理学的一个重要分支，在理论上已日益成熟和完善，水温观测与研究取得了丰富的资料和可喜的预报效果。但观测结果与观测环境、条件有相当大的关系，观测对象、观测深度不同，其结果也存在明显差异[1]。

地震水温前兆观测和研究在我国起步较晚，早期的观测主要集中在云南地区和首都圈，观测数据主要是整点值[2]。数字化水温观测自1987年11月澜沧-耿马7.6级地震之前取得一批短临异常以来，在我国地震监测与预测中已成为重要的测项，而且取得了一批有科学价值的资料[3]。

1 “十五”甘肃数字化水温观测概况

甘肃地区的水温观测最早始于1996年8月平凉C11井[4]，采用SZW-1A型数字温度计观测水温。“十五”期间中国地震局对水温观测台网进行了改造，甘肃地区也新增了很多测点，正式运行已有三年的时间。本文对甘肃地区 “十五”数字化水温观测资料进行了系统的清理分析，特别是对数字化水温观测的现状及其地震前兆监测效能做了初步的探讨和评估，并对目前影响数字化水温观测资料动态特征的干扰因素进行了分析。

“十五”期间甘肃地区数字化水温观测由两个项目承建，分别为甘肃前兆台网和天祝前兆台阵，共有9个井点，13个测项。前兆台网分别是武都樊坝、成县、清水温泉、清水李沟、临夏 （1号井）；天祝前兆台阵分别为永登莺鸽、临夏 （2号井），景泰芦阳和古浪横梁（分别在190 m、110 m、50 m深度有3个水温探头）等测点。其中武都樊坝、清水温泉、清水李沟、临夏 （1号井）、永登莺鸽、景泰芦阳、古浪横梁、临夏 （1号井）均为流体综合观测井。图1为部分测点观测曲线。

图1 临夏(1)、清水、成县井水温观测曲线Fig.1 The observation curve of water temperature in Linxia,Qingshui and Chengxian

数字化水温观测采用两种仪器，分别为SZW-2A型数字化水温仪和ZKGD型数字化水温仪，仪器由两部分组成，一部分是水温传感器，另一部分是数字记录器。SZW-2A型和ZKGD型数字化水温仪采样率高，信息量大，人为观测误差小，自动化程度高，资料传递快速。表1给出了甘肃地区十五地下水温数字化观测点 （井）的基本概况。

表1 数字化水温测点基本概况Table 1 The basic situation of digital water temperature measurement points

2 水温动态分析

表2 数字化水温年变幅度统计表Table 2 The statistical table of digital water temperature amplitude

2.1 水温年动态分析

井水温的年动态曲线是以月均值为基础绘制的。对所有井点资料的分析结果表明，成县、清水温泉、清水李沟、临夏 （1号井）、临夏 （2号井）、景泰等多数井点的数字化水温资料可以看出年变规律，即使是有干扰或缺数的武都、永登、古浪井点也能看出年变规律。这些井点的井水温度年动态曲线类型多种多样，形态特征复杂，有平稳型、渐升型、缓降型、波动型、年变型、或在波动和缓降的基础上表现出年变形态。图2所示为不同类型的年变曲线。

图2 甘肃地区井水温的月均值动态类型Fig.2 The dynamic type of monthly mean value of well temperature in Gansu region

表2为各井点2007～2009年井水温度年变幅统计。从表2中可以看出，各个井点井水温的年变幅度不同，即使是同一井点或者是同一井点不同深度年变幅度也有差别，年变幅小者约为0.0 009℃，年变幅大者约为0.1 718℃。另外，从表2中还可以知道，年变幅最大的是古浪井点，刚开始观测仪器不稳定，导致2007年年变幅度较大。

根据以往的震例[5]，井水温度中期前兆异常的基本特征是年动态规律发生变化，如年变形态变化、转折时间变化、升或降的速度变化等。因此，有年动态规律的井点在未来中强以上地震监测中有可能捕捉到以井水温动态的不正常转折与年动态类型变化为标志的中期前兆异常[3]。此外，有缺数或干扰的几个井点也有可能在中期监测中发挥一定的作用。

2.2 水温月动态分析

水温月动态分析是在以日均值为基础绘制的曲线上进行的，分析的基本内容是月动态规律性及其变化幅度。主要分析其1个月的时间尺度上是否有规律可循，把渐升、渐降、平稳的变化作为有规律的变化标志，把无规律起伏、阶变、明显的脉冲作为无规律变化的标志。这样做使有规律变化的动态曲线上有可能识别出转折、阶变、脉冲等地震短期前兆异常[6]。

对所有井点的资料，我们选取2008年以来数据连续的月份进行分析，其结果表明，多数井点的水温资料月动态规律清楚，古浪、武都的资料个别时段由于突变而引起月动态规律不清楚，其余时间月动态规律还是比较清楚。月动态曲线形态主要有平稳上升型、波动上升型、平稳波动型和缓慢下降等类型，因此，甘肃地区多数井点的 “十五”数字化井水温观测有可能在地震中短期或短期前兆监测中发挥作用[3]。

2.3 水温日动态分析

水温日动态分析是在以时均值或分钟值为基础绘制的曲线上进行的。分析的内容是日动态规律及其变化幅度。所有资料的分析结果表明，成县、清水温泉、清水李沟、临夏 （1号井）、临夏 （2号井）井点日变幅度较小；景泰50 m个别时段、古浪110 m个别时段、永登部分时段的日变幅较大；武都水温资料干扰大、突变多，日变幅度太大，多数时段日动态不明显。根据以往的震例，井水温短临阶变前兆异常的表现有下列三种形式：一是出现较大阶变与脉冲；二是日变幅度发生显著变化；三是日变规律发生明显改变[6]。按照这样的思路，甘肃地区 “十五”数字化水温观测资料，在地震短临前兆监测中有可能发挥效能的井点是成县、清水温泉、清水李沟、临夏 （1号井）、临夏 （2号井）；在地震短临前兆监测中有可能发挥一定效能的井点是永登、景泰、古浪；武都井点在地震短临前兆监测中很难发挥其效能[3]。

图3 甘肃地区井水温的日均值动态类型Fig.3 The dynamic type of daily mean value of well temperature in Gansu region

3 数字化水温观测资料的应用与分析

3.1 数字化水温资料的应用

根据水温数字化资料的变化特征，主要采用差分分析、数字滤波、去趋势等方法进行异常的分析与提取。

对数字化水温观测的原始值 （分钟值）分析的方法是，采用一般多项式拟合的方法对原始观测值进行滤波，分解为相对低频变化的部分与高频变化的部分。在滤波后得到的低频数值动态曲线上，分析日变规律的稳定性与日变幅度大小，然后查有无明显的阶变动态；在高频数值的动态曲线上分析数据的短期稳定性，分析有无明显的脉冲状动态，查超过二倍均方差 （＞2δ）和超过三倍均方差值 （＞3δ）的脉冲状异常。如前所述，井水温的短临阶变前兆异常表现有三种形式：一是出现较大阶变与脉冲；二是日变幅度发生显著变化；三是日变规律发生明显改变[6]，我们可以根据这几种异常形态来判断资料是否存在短临异常。

3.2 数字化水温观测资料的震时和震后效应

地下流体同震效应研究是揭示地壳介质对应力－应变过程响应最有效和直接的手段之一，前人对水位同震变化已有过不同程度的研究，水温的同震响应现象由于受到观测方法的限制，近20年来才引起地震学家的关注，其机理的研究目前也处于探讨阶段，而且比较复杂，提出的响应机制主要有冷水下渗说、热弥散说和气体溢出说[7～10]，各观点均具有合理性，但哪种机理更具普适性和合理性，有待更进一步的研究。另外，前人研究的水温同震响应特征，多数以水温阶变下降为主[7～9、11]，个别也有上升。

自2008年以来全球发生多次MS7.0以上地震，笔者对水温测点的资料做了分析，多数井点只有2008年四川汶川地震时有明显的同震效应，其余地震的同震效应不明显。这也说明水温的同震效应受多种因素的制约。该地震时，临夏两个井点、古浪井点50 m资料同震效应不明显，永登资料有干扰，其余资料均有比较明显的同震效应。其形态多数井点为快速下降－之后缓慢恢复，景泰50 m资料这段时间虽然有干扰，但还是有明显的同震效应（与其余两个深度时间同步），其形态为快上－快下－快上－缓慢恢复，成县井点为快速下降－快速上升－缓慢恢复，武都为快速上升－快速恢复，只有清水李沟在15日完全恢复，其余井点均在当天恢复，图4为部分井点记录的同震效应典型曲线。

图4 不同测点记录到汶川地震同震效应曲线Fig.4 The co－seismic effectcurve of Wenchuan earthquake recorded at the different positions

4 数字化水温资料主要影响因素分析

笔者对所有水温资料进行过分析，发现其观测资料主要有两种变化，即脉冲型和突变型 （台阶变化），直观分析这些变化基本不属地震前兆异常。这种变化大部分是仪器故障引起的，人为因素很少，主要有电压瞬间不稳、突然断电、数采器故障、传输等引起观测值的不正常变化，这些因素影响数值大幅度变化的机理有待进一步研究。对于这些不正常非客观的资料动态，因其形态特征各异，引起的原因有待进一步分析。另外，古浪井水温资料缺数主要是由于停电引起的 （测点采用的是农用电，容易停电），这样就会断记，引起缺数，希望在今后能解决该问题。

5 结论与讨论

（1）甘肃地区 “十五”数字化水温观测目前共有9个井点，13个测项 （景泰和古浪两口井分别在不同深度有3个温度探头）。这9个井点中成县、清水温泉、清水李沟、临夏（1号井）4个井点的资料比较连续、稳定、可靠，可以直接使用，占总数的44.4%。临夏（2号井）、景泰 （3个深度）2个井点的资料除个别时段仪器故障外，其余时段也比较连续稳定，也可以直接使用，共占66.7%。永登2008年6月之前缺数较多，之后资料比较连续，武都樊坝分钟值资料干扰较大，突变较多，古浪横梁 （3个深度）资料缺数较多，但经过处理后还是可以使用的。观测质量明显高于 “九五”数字化水温观测。

（2）数字化水温资料以月均值为基础绘出年动态曲线，分析结果表明，资料较好的井点，数字化水温资料均能看出年动态规律，即使是个有干扰或缺数的井点也能看出年动态规律。

（3）数字化水温资料以日均值为基础绘出月动态曲线，分析结果表明，多数井点的水温资料月动态规律清楚，即使是有干扰和突变的武都和永登井点，只有个别月份月动态规律不清楚，其余时间月动态规律还是比较明显。

（4）以分钟值或时均值为基础绘出的日动态曲线分析结果表明，观测资料日变幅度小，基本无明显的干扰和突变的5个井点，在地震短临前兆监测中有可能发挥效能；资料有缺数、部分时段日变幅度较大的3个井点，在地震短临前兆监测中有可能发挥一定效能；观测资料干扰大、突变多的武都井点，在地震短临前兆监测中很难发挥其效能[3]。另外，多数井点能记录某些大震的同震效应。

（5）数字化水温观测中，还需要解决以下一些问题：①确保所有台站全部能够正常运行；②确保已运行的台站，都能全时程产出连续可靠的数据，在我们今后的地震监测预报中发挥更好的作用；③水温观测数据中，个别测点存在一些突变或脉冲，应及早对引起正常时段产出不正常和无规律动态的各类干扰及引起阶变、脉冲等 “异常”的原因进行调查与分析，这是水温在地震短期和短临前兆监测中与真正的异常夹杂在一起时难区分的问题；进一步改进观测技术，改善观测环境，提高台站维护管理的技术水平；④另外还有一个特别值得重视的问题，就是有部分水温观测仪器的时钟系统可能存在问题，因为所记录的2008年汶川地震的同震效应时间超前，是在14时23分或24分发生变化的，肯定是时钟系统长时间的误差或者安装仪器时时间校正不准引起的。这样才会使我们的数字化水温观测质量在各个方面能上一个台阶。对今后更多更长时间的资料做统计分析，加强对数字化资料的深入分析和研究，总结出更有价值适合数字化资料的异常提取指标和异常识别方法，更好地为地震预报服务。

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Abstract：This paper analyzed the digital observation data of water temperature from"The Tenth-Five-Year" stations,including the yearly,monthly and daily dynamic characteristics of the digital water temperature and some main influence factors to water temperature in the digital observation.The results showed that the data from most well points were reliable,and annual variation of digital water temperature observation were regular and stable.Currently,the main problem in digital water temperature observation was that there was a big pulse-amplitude,abrupt shifts and interrupt logging in dividual point.According to earthquake cases before,we can distinguish the mid-term precursor of earthquake in most well points with the symbol of broken annual variation and the short-term precursor of earthquake in some well points with clear monthly dynamic feature.Some well points with step variation and pulse may act on identification of short-impending.The paper also gave some suggestions on well water temperature monitoring in order to exert efficiency more in this paper.

Keywords：Well-water-temperature;Dynamic characteristics;Monitoring efficiency;Gansu region

“The Tenth-Five-Year”Digital Observation of Water Temperature and Monitoring Efficiency Evaluation of Earthquake Precursor in Gansu Region

ZHANG Yu1,LIU Xiaofeng1,SHAO Huicheng2,CHANG Qianjun1,CHEN Yao1
(1.Earthquake Administration of Gansu Province,Lanzhou 730000,China; 2.Earthquake Administration of Shanxi Province,Xi'an 710068,China)

P315.723

A

1001-8662（2010）04-0001-09

2010-02-20

中国地震局震情跟踪合同制定向工作任务 “南北地震带北段大震危险性强化跟踪研究”.甘东南-陕甘宁地震重点危险区及邻区强震危险性分析及跟踪研究 （2010010110）

张昱，女， 1963年生，高级工程师.主要从事地下流体地震分析预报等研究. E-mail:zhangy@gssb.gov.cn