地下流体数据跟踪分析的事件判别方法及分析流程

全建军，郑永通，陈美梅，赖见深，陈珊桦，林慧卿

（1.永安地震台，福建 永安 36600；2.龙岩地震台，福建 龙岩 364000；3.东山地震台，福建 东山 363400；4.泉州地震台，福建 泉州 362000）

0 引言

为进一步推动地震前兆台站由观测向观测与应用并重转变，提高台站前兆观测数据质量和整体服务效能，实现地震“监测、预报、分析”三者的有机结合，中国地震局于2014 年组织开展地震前兆台站数据分析跟踪工作[1]。

数据跟踪分析工作在全国开展以来，各区域前兆台网进行了如何改善跟踪分析质量以及推进产出应用、台网观测背景噪声等方面的研究，部分前兆观测台站也就自身存在的问题提出解决方案，前兆数据异常排查与判断的方法也进一步拓展和深入[2]。但部分流体台站观测人员对数据跟踪分析工作中事件判别方法与分析流程还是感到经验不足[3]。本文从流体台站遇到的特殊情况、问题出发，通过正常动态、观测系统故障、自然环境干扰、场地环境干扰、人为干扰、地球物理事件、不明原因变化等多个方面，对地下流体数据跟踪分析的事件判别与分析流程进行探讨，提出相应判别方法和完整分析流程，分享数据跟踪分析工作经验，提高流体台站观测数据跟踪分析工作质量。

1 地下流体观测数据跟踪分析工作现状

国家流体台网中心数据跟踪分析工作于2014年7 月1 日开始施行，至今已积累大量以周、月和年为时间尺度的跟踪分析产品，为全面了解流体观测数据的变化趋势、台站观测数据背景噪声提供参考，流体台网整体运行质量和服务效能得到有效提升。目前全国已有31 家单位开展流体数据跟踪分析工作，参加分析工作的流体台站共计约466 个（图1），涉及分析仪器台套数1 080 余套，仅2018 年就有389 个台站757 套仪器记录各类事件（不含正常）共计4 028 条。

图1 国家流体台网观测台站分布图

流体台站观测人员使用“前兆台网数据跟踪分析软件”，每周一定期开展前兆数据的跟踪分析工作，系统研究上一周本台流体测项的前兆资料变化，产出数据分析报告，通过“前兆台网数据管理系统”实现统一汇总，保存至国家前兆台网中心数据库，并依托台网中心的网站提供数据共享服务。流体台站观测人员根据《数据跟踪分析技术指南》制定的分析步骤，对本台站流体数据动态进行判断。当流体数据出现显著变化时，需对台站观测系统运行状态开展分析，例如对站点仪器运行环境开展调查，排除人为因素以及保障设施等多方面干扰，综合台站观测与工作日志等有关信息，得出数据变化原因。流体台站人员还需每月5 号之前进行数据月分析工作，若找到新的或遗漏的流体数据变化，需补录到事件记录并进行复核。区域前兆台网中心在台站完成数据分析之后的第二天，对台站上周所有的事件记录进行审阅；每月10 号之前还需对台站上月的事件记录进行审阅，生成上月的数据跟踪分析月报与图集，并于10 号前传送至国家前兆台网中心。

在地下流体观测数据跟踪分析工作中，流体台站的分析工作起到了基础性作用。该工作的开展丰富了流体观测台站的工作内涵，由单纯的日常观测向资料的分析应用转变，更加强调观测资料的特征分析和异常信息的判别核实，将流体台站的观测工作推进到一个更深层次，促进流体台站人员利用第一手观测资料更好地开展数据分析研究与产出应用工作，为地震预测预报和相关科学研究提供数据服务。

2 数据跟踪分析事件的判别方法及分析流程

地下流体跟踪分析事件是指引起流体台站前兆观测数据变化的因素与过程。根据不同的影响因素与过程，将地下流体跟踪分析事件分为正常动态、观测系统、自然环境、场地环境、人为干扰、地球物理事件和不明原因7 大类。正常动态的分析为数据分析提供了背景参考，后6 类非正常动态中前5 类都是对数据变化原因进行干扰排查（表1）。因此，总结地下流体跟踪分析事件的判别方法和分析流程，可为提取地震异常提供较好的干扰因素排查参考。

2.1 正常动态分析

正常背景动态可分为两大类，一类是非地震活动时段，无影响因素条件下，表现出有规律的动态变化；另一类是各种影响因素作用下，多年形成的相对稳定、有规律的动态变化。而地下流体各测项的正常动态呈现复杂多样性，不同井的动态类型不同，同一口井不同测项、同一测项不同时段的动态类型不同，动态特征千差万别。研究和了解每一口井、每一个测项、每个时段的正常动态是科学、正确进行数据处理、异常识别的前提和必要条件。地下流体的水位、水温的多年趋势动态、年动态、月动态及日动态如表2 所示。气（水）氡的年动态类型有夏高冬低、夏低冬高、平稳型等，而气（水）汞的年动态类型大都无年变或年变不清晰，少数为平稳、夏高冬低、夏低冬高。

表1 典型干扰事件的数据曲线特征及解决措施

2.2 观测系统事件

地下流体观测系统事件主要是指观测技术系统（仪器、供电、通讯、避雷等）、观测井结构（坍塌、老化破裂或腐蚀渗透、洗井、变径等）、井口装置（类型、形状、尺寸、材料等）、井水自流状态（自流井的变化、断流等）出现问题或异常引起的变化。例如传感器故障、主机故障、数采故障、通信故障、避雷故障、供电故障、UPS 故障、时钟误差、线路故障、脱气-集气装置故障、井口装置故障、井孔渗漏、井孔坍塌、井管破裂、井孔淤塞、井（泉）泄流口堵塞与疏通、井水断流、闪烁室故障、抽气泵故障、抽水泵故障、人工与模拟设备故障、交直流切换干扰等。

需注意的是：①观测技术系统中，明确原因引起的、小于4 h 的观测系统事件无需分析；②因自然环境、场地环境、人为干扰、地球物理场事件等，导致观测系统故障产出无效数据或无数据，也应归类到观测系统。

2.2.1 观测仪器故障

判断流体观测仪器是否发生故障，首先应对仪器进行全面检查：包括检查传感器、数采是否出现故障，线路接口有无故障，仪器接地是否良好、打印机有无故障，打印结果有无错误，时间服务装置有无故障，仪器各个参数设置是否正确，仪器操作有无不当等。如果未发现异常，可采取对比观测、检测、测试等方法来检查仪器系统是否工作正常。

其次，如果流体观测仪器出现故障，无论是物理观测还是化学观测，从数据变化形态和变化幅度上均容易判断，例如数据出现大幅阶变、突跳，并伴有无效数据出现时（图2），在排除人为干扰后，基本能判断是传感器出现故障。

表2 水位、水温的正常动态类型

图2 流体仪器传感器出现故障时的数据曲线图

2.2.2 供电系统故障

判断供电系统是否发生故障，首先应对供电系统进行全面检查，包括交流供电是否正常、直流供电是否正常、交直流转换装置有无故障、UPS 不间断电源有无故障等。其次从数据动态上也较容易判断，物理观测和化学观测类流体仪器都会出现类似变化，例如宁河台水位因停电交直流切换出现阶变（图3a），这主要是两个切换瞬间的电压脉冲造成的，此类问题比较普遍；新丰江中心台水位因仪器供电电源故障导致数据出现异常振荡现象（图3b）；永安台水位因市电停电，UPS 不间断电源出现故障，断电期间数据缺失，供电恢复时水位曲线产生瞬时的大幅尖峰，幅度高达210 mm，这是供电恢复伴随的叠加电压脉冲导致[4]。

图3 流体仪器受供电系统故障影响的数据曲线图

2.2.3 避雷系统故障

当流体观测数据曲线在雷雨天气出现突跳或毛刺现象时，需检查流体观测房避雷是否正常、供电线路避雷是否正常。福建局永安台数字水位仪在安装之初，每逢雷雨天气就频繁出现突跳或毛刺现象。为减少仪器受雷电影响，数字化观测仪器均要求有良好接地[5]，永安井水位仪接地是将主机后面板上的黄色地线接线柱直接焊在地网上，工作人员对永安井的接地情况进行仔细检查，发现主机地线接线柱导线到地网的连接处出现焊点脱落情况，根据笔者以往经验这有可能是助焊剂含量偏小，焊接材料氧化严重造成。台站人员将地线接线柱导线重新焊接到地网上，此后再遇雷雨天气时，水位观测数据曲线均保持正常形态。为彻底排除雷击瞬间仪器对地的电位差影响，台站人员在数字水位仪已有接地方式基础上添加用导线连接仪器外壳和井壁的接地方式。

流体观测房避雷系统出现故障大部分是接地出现问题，物理观测和化学观测的流体数据形态在分钟值曲线上均表现为大量高频干扰的叠加，持续时间都不长，是正常仪器噪声的多倍，但固体潮曲线的基本形态保持较好，只是变化幅度加大，数据曲线总体给人一种不光滑的感觉（图4）。

图4 永安井数字水位受避雷系统故障影响的数据曲线图

2.2.4 观测装置故障

当化学观测类流体仪器出现装置故障时，需检查脱气装置进水管是否堵塞、输气管是否不畅或漏气。如阜新台气氡2012 年3 月6 日16—21 时因脱气装置进水管被污物堵塞，测值从35 L 下降至21 L（图5a），22 时将进水管疏通后，测值回升至正常。

图5 流体仪器受观测装置故障影响的数据曲线图

当物理观测类流体仪器出现装置故障时，首先应检查其泄流口流量是否发生变化。如巴南安澜台2012 年1 月26 日因泄流口堵塞，水位出现快速上升从测压管溢出，29 日调整泄流量，水位从1.448 m下降至0.787 m（图5b）；31 日18 时54 分至20 时因泄流口再次堵塞，水位快速上升后再次溢出测压管。将泄流水龙头拆下检查，发现水龙头被污物堵塞，更换泄流装置后正常。

2.2.5 分析流程

通过分析事件时段观测数据的变化形态、变化幅度确定其变化类型。若为观测系统故障，继续对仪器故障进行排查，进而确定影响因素（主机故障、传感器故障、线路故障、时钟紊乱等），并在分析记录数据变化时详细描述仪器故障的排除方法，说明解决故障拟采取的措施，这是分析观测系统故障比较完整的流程。

2.3 自然环境事件

自然环境事件是指气压、降雨、降雪、融雪、雷电、雷雨、温度、湿度、气旋、台风、风扰等自然环境因素，引起物理观测和化学观测的流体数据曲线，出现短时波动、高频扰动、上升或下降的变化。需注意的是：

1）水位与气压的关系：一般对于具有明显气压效应的水位随气压的变化，视为正常变化，无需做分析，若水位的气压效应出现异常可做分析；

2）水位与降雨的关系：若降雨引起水位动态变化符合多年的背景动态变化特征，视为正常变化，否则视为非正常变化，应做分析。

3）水（气）氡、水（气）汞与气温的关系：若气温引起氡、汞动态变化符合多年的背景动态变化特征，视为正常变化，否则视为非正常变化，应做分析。

做流体数据跟踪分析时，若发现观测数据出现异常变化，同时自然环境因素也出现异常如大风、暴雨等，首先应怀疑两者的相关性，然后通过绘制对比曲线来判断，也可以采用相关分析等数据处理方法来辅助判定。

2.3.1 降雨影响

多数水温观测及化学观测的流体数据易受降雨影响，水温会呈明显趋势性下降，气氡、气汞会呈明显趋势性上升，水氡水汞则表现为低值突跳。而降雨对观测井水位的影响也是普遍存在的，这里的降雨影响主要是指降雨量比往年同期增加或减少对水位造成的影响。处于补给区或离补给区较近或上层隔水较差，造成地下水位对降雨的快速响应变化的情形，多数水位观测受降雨影响呈现明显趋势性上升。如永安台SWY-II 数字水位仪2019 年5 月16 日10 时16 分 至5 月17 日16 时53 分 受 降雨88.9 mm 的影响，导致水位大幅度突升495 mm，滞后约6 h。随着降雨停止，曲线逐步恢复正常趋势（图6）。

图6 永安井5 月15—19 日数字水位受降雨影响的数据曲线图

对于常规降雨引起的常规变化可不分析，如过度分析事件：忻州鸦儿坑数字水位仪2015 年9 月4 日00 时至2015 年9 月6 日23 时水位上升，上升幅度约0.044 m，为9 月4 日和9 月6 日降雨干扰所致。具体降雨量数据分别为9 月4 日14.5 mm，9 月5 日0.1 mm，9 月6 日7.8 mm。

2.3.2 雷电、大风、气压影响

雷电容易使物理观测和化学观测的流体数据曲线出现阶变、突跳；大风主要是对水位造成影响，导致观测曲线噪声变大、畸变等，如：2012 年06 月26 日，锦州沈家台水位因大风造成动态曲线出现畸变（图7）。气压变化容易使水位、水温、水（气）氡、水（气）汞观测曲线出现同步波动变化，如出现鼓包、锯齿变化等，气压稳定后，数据恢复正常。

2.3.3 分析流程

图7 沈家台水位因大风干扰造成数据曲线出现畸变

首先，分析事件时段观测数据的变化形态和幅度，然后确定变化类型，若为自然环境干扰，对比同台、同时段的辅助观测资料，进而确定影响因素（气压、降雨、雷电、温度等），在分析记录的图件中给出辅助观测资料，数据变化描述说明理论依据，最后给出解决方法，这是分析自然环境干扰比较完整的流程。

2.4 场地环境事件

地下流体观测台站的场地环境干扰因素很多，如地表水体（江、河、湖泊）的涨落、人工湖和水库注水或蓄水、地下水开采与注水、灌溉、地表渗水、载荷干扰、振动干扰（爆破、矿震等）、基建工程影响、井泉口改造施工、滑坡与泥石流（开始活动与加剧活动等）、采矿活动、油田生产（开采井与开采层的变化、注水井与注水层的变化等）、矿井疏干（疏干与疏干量变化，矿井淹没与停疏等）、矿山爆破与矿井坍塌（爆破与坍塌的部位与规模等）、机械振动（火车与载重车通过等）、井（泉）水断流等，其中较为典型的干扰是抽水和地表水体变化。对场地环境事件的判别，主要通过收集资料、野外调查与试验、室内资料分析等方法进行。场地环境事件对观测曲线的影响形态主要有两类：一类是突跳、阶变、噪声大等形态，影响因素多为振动干扰、基建工程等；另一类是上升或下降等形态，影响因素多为抽水、排水和蓄水等。

2.4.1 抽水影响

抽水会对水氡、水汞以及物理观测类流体数据造成影响，而对气氡、气汞观测影响很小。当观测井中的水位突然出现大幅度下降，且持续一段时间后才开始回升，在确认观测系统正常后，需调查周边是否存在打井、或抽水井的抽水量变化情况。如：2012 年11 月19 日，宁河台流体井北面的大北中学院内（400 m 处）新打一口300 m 左右深的生活用水井，11 月26 日成井随后进行洗井，当日13 时宁河台流体井水位、水温大幅度下降，28 日基本恢复（图8）。

2.4.2 人工湖、水库水位变化

人工湖、水库水位变化会对水氡、水汞以及物理观测类流体数据造成影响，而对气氡、气汞观测影响很小。观测井周边存在人工湖或水库等地表水体，且它们直接存在一定的水力联系，当观测井水位出现较大幅度上升或下降变化时，应调查周边水体的水位变化情况，并进行对比分析。如2012年9 月10 日三峡水库开始第三次试验性蓄水，水库起始水位为150～155 m，到10 月8 日坝前水位已经达到173.23 m，10 月底蓄水至175 m。受三峡水库蓄水影响，万州溪口水位也出现同步上升变化，二者表现出良好的正相关性（图9）。

图8 宁河台流体井水位、水温受抽水故障影响的数据曲线图

图9 万州溪口台水位与三峡水库坝前水位的对比曲线图

2.4.3 分析流程

首先分析事件时段观测数据的变化形态和幅度，然后确定变化类型，若为场地环境干扰，就需考察台站周边环境，找到干扰源，进而确定影响因素（爆破干扰、车辆干扰、灌溉、水（油）井泉抽水等），确定干扰源的方位、距离及强度相关特征，最好能有手持GPS 定位仪，测量出干扰源和观测点的经、纬度，量化干扰源的位置和距离。在分析记录的数据变化描述中详细叙述，最后给出处理意见。

2.5 人为干扰事件

地下流体观测人为干扰主要包括调试仪器（老化、故障、更新等）、校测与标定仪器（是否按规定进行、是否在规定时间内进行、标定结果是否在误差范围内、有无按规定校准等）、探头扰动、取水化学样品（采集位置、采集方式、取样容器等）、观测井抽水、放水、出水口人为堵塞、人为调节泄流口等。这种人为干扰持续时间通常较短，引起的变化一般较为明显，反映在数据动态曲线的影响主要有缺数、突跳、阶变等，可以通过各种日志和台站人员调查判断。如2013 年9 月26 日大足拾万台进行水位校测时，台站技术员用测钟测量水位埋深，触碰到同井观测的水温传感器信号线，导致探头有轻微扰动，致使观测数据出现起伏变化（图10）。

分析流程：首先分析事件时段观测数据的变化形态和幅度，由于是人为干扰，变化类型容易确定，在分析记录的数据变化描述中详细叙述人为干扰出现原因、时间、地点，最后给出处理意见。

2.6 地球物理事件

地下流体的地球物理事件包括地震、矿震、核爆引起的同震变化、震后效应，地震活动和火山活动引起的异常变化等，其中以地震的同震变化和震后效应最为普遍。地下流体测项出现同震、震后效应的测项主要为水位、水温，也有少数数字化气氡、气汞亦能观测到同震、震后效应。地下流体的同震、震后效应的判定，个别台站不是很清楚，首先可以看异常是否与地震同时或之后发生，其次根据历史地震引起的类似变化进行比对即可。

1）同震变化是指地震产生的面波在传播过程中引起的井水位震荡，水位对地震的响应以波动类形态显示，测值不打破原有的变化趋势和过程，仅仅围绕原水位线上下震动；其机理是地震波传播经过含水层时，含水层内会交替产生弹性压缩与拉张变形，致使空隙压力发生增加与减小的交替变化，导致井水位发生上升与下降相交替出现的震荡变化[6]。2018 年1 月23 日17 时31 分，阿拉斯加湾（55.96°N，149.13°E）发生8.0 级地震，震源深度10 km，震中距7 859 km，永安台SWY-II 数字水位仪记录到同震变化（图11）。

2）震后效应是指水位对地震的响应打破了原有的变化过程而引起井水位快速上升或下降，这种变化一旦出现将持续一定时间或产生永久性变化。北京时间2014 年10 月14 日17 时27 分，河北省唐山市滦县（39.7°N，118.7°E）发生3.3 级地震，震源深度8 km，震中距111 km，宝坻新台水位观测数据17 时53 分开始出现下降变化，变幅0.01 m 左右(图12)。

分析流程：首先分析事件时段观测数据的变化形态和幅度，不同学科的地球物理事件变化形态不同；再进一步确定变化类型，在分析记录的数据变化描述中详细叙述事件发生的时间、地点等信息，最后给出处理意见。

图10 大足拾万台水温观测受人为干扰影响的数据曲线图

图11 2018 年1 月23-24 日永安深井记录到阿拉斯加湾8.0 级地震的同震效应曲线

图12 2014 年10 月14 日宝坻新台水位受震后效应观测曲线图

2.7 不明原因事件

在地下流体观测中，每个台站的每个测项动态中都有可能出现异常动态。每当数据出现异常动态时，按照观测系统故障、观测环境变化（自然环境、场地变化、人为干扰）、地震异常等几大方面进行分析后，排除以上几种干扰因素，仍无法找到缘由的异常就是不明原因事件。不明原因事件判别时，首先应分析正常背景动态，排除背景动态的可能性，可以绘制多年的对比曲线，判断此变化是否为多年、或有规律的变化。如水位每到7—8 月出现峰值，本次变化亦是在7 月出现峰值，且峰值与往年相比没有明显降低或抬升，可以认为此变化为背景的动态变化，否则即为异常变化。该事件的判别基本方法：资料分析、调查、现场核实与观测环境调查、综合分析判断。

分析流程：首先分析事件时段观测数据的变化形态和幅度，当进行全面排查仍无法确定归入其他事件类别时，才能归入不明原因。若为不明原因事件，需要从仪器工作状况、调查周边环境、观测历史资料、气象因素分析等方面开展异常核实。在分析记录的数据变化描述中要简单叙述核实内容，并给出确定的影响因素，对于不明原因事件，要持续跟踪分析，直到查明原因。

3 建议与结论

经过6 年多的流体数据跟踪分析工作实践，得到两方面工作体会。

1）需对台站人员进行跟踪分析培训，提高业务能力。目前台站人员数据跟踪分析业务水平参差不齐，区域地震前兆中心定期开展培训并现场指导，规范分析流程，以便及时找出错误并解决。

2）注意相互交流沟通。地震前兆台站与区域前兆中心、学科台网中心之间可通过电话、QQ 等方式加强对数据跟踪分析工作的交流沟通，分享彼此的工作经验。实践证明，及时必要的交流沟通，有助于及时发现并解决问题，从而提高工作效率。

数据跟踪分析是一项探索性较强的工作，亦是台站工作人员面对的1 个全新课题。本文分类归纳了地下流体数据跟踪分析的事件判别方法与分析流程，为使用相同观测仪器的流体台站提供了一定的参考依据，也有助于今后在数据跟踪分析中快速排查数据异常原因，对正确判断数据、提取有用的地震前兆异常信息有一定的帮助。