基于数据跟踪的新疆地下流体观测环境干扰特征分析①

颜 龙, 郭春生, 斯 琴, 关冬晓, 王 斌

(新疆维吾尔自治区地震局，新疆 乌鲁木齐 830011)

地震地下流体观测是以捕捉地震异常为主要目标的地下流体观测量的动态观测。而地下流体观测不仅仅观测到想获得的地震异常信息，同时还会观测到一些与地震无关的信息[1-3]。因此，排除非地震因素引起的观测量异常变化很必要。车用太等提出评估流体观测环境的允许干扰度，可以更好地判断地震前兆异常量的大小[4]；孙小龙等运用有限差分法计算地下水开采所引起的区域水位下降漏斗，分析水位下降异常的时空演化特征[5]。数字化资料提高了采样率，信息量也大幅提高，仪器运行过程中会受到多种因素的影响，不可避免的致使部分非构造因素掺杂于观测数据中。2014年8月数据跟踪分析工作正式进入常态化分析和完善阶段，一线观测人员可以通过数据跟踪分析工作平台及时发现和分析前兆异常，并为科研预报人员提供准确及时的服务产品[6-7]。本文中以2015～2019年地下流体数据跟踪分析产品库中的环境干扰事件为研究对象，将这些影响观测质量的环境干扰因素进行分类分析，并给出典型的干扰图像，研究流体观测资料干扰的识别和排除方法，以期提高地下流体台网对地震的监测效能。

1 新疆区域地下流体数据跟踪分析概况

新疆区域地下流体台网主要分布在北天山、乌鲁木齐和南天山东段，其中乌鲁木齐及其周边的流体测项密度较大，占全疆流体测项的44%(图1)。区域内地下流体测项涵盖水位、水温、流量、氡、汞、断层气和多种水化学气体、离子组分。

图1 研究区地下流体台网空间分布图

2015年1月1日～2019年12月31日新疆区域内共对24个台站57套地下流体仪器进行数据跟踪分析，已产出了大量数据产品，其中环境干扰事件主要分为自然环境干扰事件和场地环境干扰事件两类。经统计发现，自然环境干扰主要包括5类干扰因素，分别为融雪、降水、气压(风扰)、气温、雷电干扰，共计214条记录；场地环境干扰主要包括3类干扰因素，分别为抽水(蓄水、灌溉)、施工、地表水混入干扰，共计103条记录(表1)。

表1 2015～2019年新疆区域环境干扰事件统计表

下面将针对这8类不同环境干扰进行典型事件例举，通过数据形态的变化，分析事件成因和可采取的防范规避干扰手段，以便为后期对各类事件进行快速识别归类提供参考。在气候交替和社会工农业的发展影响下，自然环境干扰和场地环境干扰始终伴随在地下流体观测中。在所有环境干扰因素中气压(风扰)对地下流体观测造成的干扰记录最多，占比为46.1%，总计146条事件记录；而在所有地下流体观测中受干扰最多的测项为水位，占比为70.7%，总计224条事件记录，这与水位在新疆地下流体台网的布设比例较高有一定关系。

2 环境影响典型事件分析

2.1 融雪干扰

新疆区域地下流体观测受融雪干扰主要发生在每年2～3月冬春交季和10～11月秋冬交季之时，冬春交季之时融雪影响尤为显著[8]，每年2月下旬随着气温的回升，融雪量逐渐增多，水位、动水位和流量等测项受干扰最为明显，受影响的程度则主要受控于每年降雪量和气温上升速度。典型事件：2018年2月26日新10井静水位(图2a)开始快速上升，3月14日达到峰值，上升0.612 m；同时期，新10泉流量(图2b)和动水位(图2c)也同步出现快速上升变化，分别上涨1.375 L/min和0.017 m。对比当地的气温变化情况，结合现场异常核实，此次三测项同步快速上升变化主要由于春季气温快速回升，导致融雪量剧增，融化的雪水补给到泉点从而造成干扰，当融雪量达到极大值后，各测项也开始同步缓慢波动下降。

图2 融雪干扰观测数据曲线图

2.2 气温干扰

气温干扰是由观测环境温度变化引起观测系统改变或者电路元器件参数发生变化，从而直接反应到观测数据中，常见于水温观测中，浅层水温由于传感器埋深较浅，受气温干扰一般较明显。气温干扰也会偶见于动水位和痕量氢[9-10]，由于此类干扰较为少见，将这两个观测项目的干扰事件做为典型事件进行例举。典型事件：① 2018年1月6日～2月13日受极寒天气影响，沙湾新26泉动水位(图3a)观测室温度过低导致其泄流口结冰，溢出泉水无法正常泄流，受此影响1月6～15日水位出现大量突跳现象，1月16日后泄流口已完全冰封无法排水，致使观测系统无法正常工作。直至气温回升，人工疏通泄流口后，观测系统才恢复正常工作。② 2017年8月12日23时～13日7时库尔勒霍拉山痕量氢数据出现快速上升变化(图3b)，变化幅度为0.271 5×10-6,同期气温则出现快速下降变化，下降幅度为8.47 ℃，随后7～16时气温又快速上升，上升幅度为13.873 ℃，数据曲线则出现快速下降变化，变化幅度为0.273 51×10-6。经与气温曲线对比发现，观测室温度快速下降，痕量氢浓度上升，观测室温度上升，则痕量氢浓度下降。

图3 气温干扰观测数据曲线图

气温干扰往往在气温恢复平稳变化后，观测数据也会较快恢复到正常变化，当外界气温剧烈变化时，间接影响到观测室的温度变化，并由此导致传感器的传导系数发生变化甚至影响到观测系统的正常运行。因此，加强观测室的密闭保温工作可以尽量减少外界气温带来的影响。

2.3 降水干扰

降水干扰在水位观测中最为常见，其在自然环境干扰事件中占比仅次于风扰，由于水位变化受多重因素控制，不仅与降水的分布、大小、速率等因素有关，还与降雨渗入补给区的地形地貌、透水性、补给路径有关[11]，因此降水量往往和造成地下流体观测中的干扰不成比例。此外，降水也可能对同一观测点的水温、流量、水氡观测数据造成干扰。典型事件：库尔勒501泉动水位2016年7月9日09时00分～12时59分受强降雨影响(图4a)，数据快速上升，上升幅度约0.02 m，13时转为下降，较快恢复平稳变化。同时期，库尔勒501泉深层水温受2016年7月7日和9日强降雨影响(图4b)，数据出现快速上升变化，上升0.12 ℃，7月10日9时～14日23时，数据转为缓慢下降变化，下降约0.11 ℃。

图4 降水干扰观测数据曲线图

通常，井水位对于降水干扰的响应更为直接快速，降雨结束水位即可短期内恢复到背景值，而深层水温由于水温探头埋深较深，降水需要流经漫长的岩石裂隙，经过一系列的水岩热交换才能反应到探头所处含水层。因而，降水干扰未直接响应到深层水温的变化上，表现出一定的滞后性。

2.4 气压干扰

气压变化对地下流体观测的影响具有一定的线性关系，同时还具有明显的时间滞后性和记忆性特征。典型事件：2019年1月4日07时00分～23时59分新10井静水位受到大风干扰(图5a)，数据变化形态出现较大噪声干扰，最大变化幅度0.03 m。而距离新10井仅3 km处的新11井水位，同时期也出现较大噪声(图5b)，最大变化幅度0.01 m。两口井虽然距离相近，水位变化形态也较相似，受到同一时期气压剧烈变化时，新10井水位中高频干扰的频率和幅度都大于新11井，两井呈现出不同的响应特征。

虽然气压干扰在水位观测中最为常见，但影响的程度受到井孔系数、含水层参数、气压作用的滞后和延时常数等多重因素控制[12]。因此，每口井对气压的响应呈现出各自的特征，而观测井中的水位大幅扰动通常也会引起该井中浅层水温扰动。

2.5 雷电干扰

新疆区域地下流体台网在经历多次台站防雷改造后，雷电干扰在自然环境干扰中的比例已明显下降，雷电干扰主要出现在水位和水温观测项目中。典型事件：2018年7月25日、7月31 日博乐新32井深层水温两次受到雷电影响(图6)，造成数据曲线大幅快速下降，最大变化量为0.183 2 ℃。由于新32井观测点周围并未架设辅助观测手段，只能依据当地有限的气象资料和台站人员当日观察，推测新32井水温此次畸变是雷电干扰所致。

图6 博乐新32井深层水温雷电干扰观测数据曲线图

邱永平等研究发现，雷电越强，对水温观测资料的影响越大，影响的持续时间越长，反之越小，与雷电的持续时间无关，而引起的测值异常量可以是正常波动值的一倍到数百倍，持续时间与影响程度没有明显的对应关系[13]。如果没有及时发现雷电干扰，则较难与前兆异常区别。虽然目前无法通过辅助测项定量观测雷电的大小，用以分析雷电干扰和观测数据之间相关性，但随着区域防雷改造项目的实施，只要按照技术规范架设相应的防雷设施，就能最大程度避免此类干扰。

2.6 抽水干扰

随着流体观测点周围工业和农业的快速发展，抽水、灌溉、蓄水等影响在地下流体观测中呈逐渐上升态势[14-15]，由于此类干扰能在短时间内打破观测水点周围的水源补给平衡，造成水位短期大幅快速变化，从而间接打破同井水温探头所处含水层的交换平衡。典型事件：新30井水位从2015年5月开始，受观测点以西150 m森林公园人工湖不定期蓄水和排水影响(图7a)，水位出现多次大幅阶变，5月随着人工湖内水位的整体上涨，新30井水位也同步出现阶升并维持高水位波动变化，蓄水的干扰直到9月，人工湖内水被排完方才结束；新30井流量也随着水位的抬升逐渐增大，一直随着水位波动变化(图7c)。2015年5月该井的深层水温也由趋势性上升转为下降(图7b),进入7月中旬，新30井旁10 m处的黑山头连日灌溉，造成山体饱和，下渗观测井周边，深层水温又开始趋势性转折上升。.

图7 抽蓄水干扰观测数据曲线图

由此可见，地下水资源的开采与利用，对处于开发区域内的浅层观测项目较容易造成干扰，特别是抽水井含水层与观测井含水层为同一含水层时，水位观测受干扰情况最为显著。由于抽排水干扰较难避免，且受观测井所处区域内经济工业发展需要，往往并非只有单一干扰源存在，只能在干扰发生后，通过现场异常核实才能确定干扰源，观测项目恢复背景值也较为缓慢。

2.7 施工干扰

施工对地下流体观测资料造成的干扰原因较为多样，从统计的事件分析，主要有以下几个原因：① 由于施工距离观测水点较近，造成接入观测系统的交直流电压扰动，从而观测数据出现扰动；② 由于重载设备进入观测点周围施工，水点附近载荷突变引起的数据受扰；③ 由于施工维修改变原有观测系统的结构致使数据变化。典型事件：① 2016年10月14日08：35～10：50新10井水位因观测室内铺设地砖，施工结束后，新10井水位观测系统整体抬升，影响井口高度，造成静水位测值由1.02 m上升至1.12 m(图8a)，后期数据观测较快恢复平稳。② 富蕴新37泉动水位2017年8月3日10：25～13：30，因观测室改造项目有大型施工车辆驶入观测室附近进行工程作业(图8b)，主要有推土机和搅拌车进场施工，车辆施工产生的载荷通过路基传递到地下含水层顶面时，含水层受力而使其变形引起孔隙压力的变化，造成动水位数据出现阶变，由于施工载荷作用时间较短，仅仅十几分钟，工程作业结束后数据恢复正常。

图8 施工干扰观测数据曲线图

施工造成的干扰一般较容易识别，当施工开始时或者施工车辆进入观测点周围时观测数据会发生较为明显的阶变现象，施工结束后观测数据一般可快速恢复正常，但这期间仍需要观测人员及时发现并了解情况。

2.8 地表水渗入干扰

地表水主要指江、河、湖、渠、水库以及工业废水等渗入观测水点造成的地下流体动态干扰，其干扰作用机制可分为两大类，一种是地表水体直接渗入补给引起的干扰[16-17]，另一种是地表水体的载荷作用引起的干扰。典型事件：红雁池新09泉由于观测室地处低洼并且密闭不严，2016年1月20日受到风吹雪影响(图9a)，造成取水样时观测点周围的雪水混入，水氡测值突然下降。2016年2月28日～3月7日新09泉观测点周围因春季融雪水大量汇聚(图9b)，当地表积水高于泉点时，地表积水直接倒灌入泉点，致使新09泉电导率持续高值变化。地表水渗入的干扰较为明显，干扰直接表现为测值大幅背离背景值，通过改造观测室的条件可较好的避免类似情况发生。

图9 地表水渗入干扰观测数据曲线图

3 结论与讨论

本研究通过统计近5年新疆区域地下流体数据跟踪分析中的自然环境干扰和场地环境干扰事件，总结归纳了地下流体观测中常出现的8种环境影响因素的特征，并尝试探讨不同环境影响因素的变化机理和可采取的防范措施。

地下流体观测中的自然环境干扰。自然环境影响因素对地下流体观测造成的干扰大多不可避免，但可以通过总结规律较好识别和剔除。其中，融雪干扰往往具有一定的季节性特征，可通过对比观测资料历年融雪影响的变化规律并结合当地的升温融雪情况进行剔除。降水、气温、气压的干扰对于浅层观测项目干扰较为直接，干扰停止后观测数据可较快恢复背景变化。经统计分析发现，降水干扰偶尔会对深层水温观测造成影响，但由于深层水温探头埋深较深，降水补给需要流经漫长的岩石裂隙，经过一系列的水岩热交换才能反应到探头所处含水层。因此，降水的干扰未能直接响应到深层水温的数据变化上，而是具有一定的滞后性。雷电干扰则通过近些年新疆地球物理台网不断进行的防雷改造项目，目前可有效避免。

地下流体观测中的场地环境干扰。随着社会经济的发展和台站自身升级改造的需要，场地环境干扰越来越多的出现在各类观测资料中。抽水(灌溉)干扰在所有场地环境干扰中占比58.6%，工农业的开发使得部分台站的观测环境频繁受到破坏，这往往是多种无规律干扰源并存且很难剔除的干扰，针对长期受扰的台站只能采取大面积删除干扰数据，或最终选择迁址重建。地下流体观测中施工干扰较容易识别，通常由观测台站所处环境的升级改造造成，施工结束后观测资料大都可快速恢复。观测室密闭性不佳是地表水渗入地下流体台站的主要原因，后期可通过观测室改造避免此类干扰。

地下流体干扰数据库的建立。通过对新疆区域地下流体环境干扰事件的梳理，已经积累了8种不同类别干扰事件，依据前期积累，在今后数据跟踪与分析中可快速对各类别事件进行规范化归类，推动数字化地下流体海量数据的信息化处理进程，直接反映地下流体学科变化现象和演变规律中各种地球物理观测事件记录，可大幅提高科研人员挖掘有效前兆数据的效率。基于此，建议加大地下流体干扰因素研究力度，尽快建立新疆地区地下流体干扰数据库，包含观测环境、观测条件(系统)、人为干扰和不明原因等因素，有利于夯实数字化地震地下流体台网的基础处理能力，更加有效的发挥新疆区域数据跟踪分析产品的应用研究功能。