宁夏地球物理台网跟踪分析典型事件浅析

刘芳彤，李文君，赵庭旭，尤权民

（1. 丹东地震监测中心站，辽宁 丹东 118000；2. 宁夏回族自治区地震局，宁夏 银川 750001）

0 引言

为了推进地球物理台网（原名地震前兆台网，2019 年更名为地球物理台网） 日常工作重心从观测为主向观测、应用并重转变，提高地球物理台网整体运行质量与服务效能，根据《中国地震局关于加强地震监测预报工作的意见》（中震测发〔2010〕94 号），宁夏地球物理台网于2014 年1 月起正式开展数据跟踪分析工作。宁夏地球物理台网历经“模拟”和人工观测、“九五”数字化和“十五”网络化三个发展阶段，产出了大量地球物理观测数据资料。随着宁夏台网制度和规范的日益完善，切实提升了地球物理数据的产出能力，为地球物理现象探索、地球物理机理研究、地震预测预报方法研究以及地球科学研究积累了丰富的观测资料，提供了更直接有效的产品，也为后续开展地震异常的发现与挖掘提供了参考。

地震前兆台网观测数据跟踪分析工作应用数据挖掘、大数据分析等信息技术，基于中国数字化地震前兆台网探索创建由数据分析模型、软件硬件设备、数据库、网络通讯等构成的挖掘处理系统[1]。已有不少研究表明，开展跟踪分析工作对于地震预测预报的必要性[2，3，5]。例如，潘洁[2]对五河女山井水温数据跟踪分析中的常见案例进行过初步分析。董晓娜[3]、李希亮[4]等人对山东地球物理台网数据跟踪分析工作进行过总结。杨振鹏[5]深刻剖析了辽宁地球物理台网数据跟踪分析工作并给出了合理化的建议。郑世禄[6]研究了蓟县台形变学科数据的典型干扰因素及其规律。斐红云[7]对安徽地球物理台网数据跟踪分析工作中的典型事件进行了梳理。池国明等[8]对安丘地震台地球物理数据跟踪分析工作开展了较为系统的研究等。上述研究在研究区域和研究思路上尚有一定局限性。本文拟利用宁夏地球物理台网（站） 观测数据跟踪分析平台V2.2.5 软件产出地球物理数据事件记录，对典型事件进行深入剖析，以期更好的服务于地震预测与研究。

1 观测背景资料及工作质量

宁夏台网共4 个台站开展形变观测，其手段主要有地倾斜和地应变，观测环境良好。重力测点2 个，分别位于贺兰山东麓断裂西侧下小口子山和固原炭山，其中小口子仪器测项为重力潮汐观测，仪器灵敏度较高，对全球6.0级左右地震均有较明显的同震反应。地磁台网3 个共5 套仪器，分别位于银川北塔、中卫黑山嘴、固原海子峡，3 个观测站由北向南呈不等间距分布，经过“九五”、“十五”数字化改造，现已全部实现数字化。地电台网自北向南布设，地电阻率观测站5 个，各站点站间距基本不超过100km，地电场观测点共4 个，其中3 个与地电阻率同台观测。宁夏流体台网共13个台站29 套仪器，观测手段包括水位（现有仪器型号LN-3A、SWY-2、SW40-1）、水温（SZW-2、SZW-1A）、水化（FD-125、SD-3A、PXJ-IC、SP-2304A），其中西吉苏堡水位仪SW40-1 为模拟观测，银川小口子、固原地震台以及泾源水氡为人工观测，其余皆为数字化观测。由于一些偏远地区台站无人值守，数字化观测不仅可以解放人力，更能够为提升监测效能提供有力的支撑，因此，数字化观测手段对于宁夏地区震情监视跟踪的意义不言而喻。但是，个别模拟观测点数据信度较高、干扰少，因此保留观测。

据跟踪分析数据可知，2018 年宁夏台网共产出记录3117 条，总体分析完整率达100%。24 个台站56 套仪器记录各类事件（不含正常）共计1518 条，其中22 个台站48 套仪器记录观测系统事件183 条，15 个台站27 套仪器记录自然环境事件111 条，15 个台站25 套仪器记录场地环境事件204 条，21 个台站38 套仪器记录人为干扰事件209 条，9 个台站24 套仪器记录地球物理事件798 条，1 个台站1 套仪器记录不明原因事件13 条。区域中心审核率为100%。宁夏地球物理台网2018 年产出事件统计如表1 所示。

表1 宁夏地球物理台网2018 年产出事件统计

2 典型事件分析

2.1 观测系统故障

2018 年，宁夏台网22 个台站48 套仪器记录观测系统事件183 条，其中较为突出的事件有郑旗数字式温度计时钟误差故障，郑旗测氡仪脱气-集气装置故障，固原炭山相对重力仪交直流切换干扰，灵武大泉测氡仪井水断流，固原彭堡地电仪外线路故障等。

郑旗SZW-1A 数字式温度计全年累计故障11 次，其中3 次主机故障，8 次时钟误差，累计天数4.53 天。1 月17 日、2 月14 日、2 月26 日，因台站人员发现当日未采集到观测数据，于是立即奔赴现场检查，经排查得知仪器死机，采用恢复出厂设置的办法修复仪器，由于主机故障导致当天部分时段缺数。随后，在3 月29 日、4 月2 日、6 月25 日、7 月3 日、8月15 日、10 月2 日和12 月14 日，该仪器均因为仪器时钟故障导致仪器缺数，台站人员到达现场修改时间使仪器恢复正常。鉴于此，认为前3 次仪器死机事件很大可能是仪器时钟误差故障导致数据收取失败，但是在故障鉴定时，错误归因为仪器死机。郑旗SZW-1A 数字式温度计因仪器死机、时钟误差导致仪器缺数的典型图如图1 所示。

图1 郑旗深层水温观测系统故障Fig.1 Fault of deep water temperature observation system in Zhengqi

2.2 自然环境干扰

2018 年，宁夏台网15 个台站27 套仪器记录到自然环境事件111 条。其中固原彭堡地电仪、海原小山分量式钻孔应变仪、固原东山坡数字水位仪均受降雨影响累计干扰分别为62.76天、49.71 天、30.06 天。经统计分析得知，降雨影响占所有自然环境干扰的65.36%，因此，降雨是自然环境干扰中一个重要的干扰因素。

另外，银川小口子DSQ 水管倾斜仪全年累计干扰达到10 次，其风扰时间主要集中在本年度1—7 月份和12 月份，该时段也是宁夏地区的多风季节，具体干扰日期为：1 月20—21日、2 月8—9 日、2 月10—11 日、3 月6—7日、4 月4—6 日、5 月21—22 日、5 月25—26日、12 月2 日、12 月5—6 日。通常，银川地区最大风力约为6～7 级，数据受刮风干扰后其形态呈毛刺跳动状；另外铟瓦棒伸缩仪、石英水平摆倾斜仪等也受到大风干扰，但相比于水管倾斜仪，干扰次数明显要少，这可能与观测仪器自身状态有关。银川小口子水管倾斜仪受风扰影响、海原小山分量钻孔应变仪受降雨影响典型干扰图如图2 所示。

图2 银川小口子水管仪风扰图（左） 和海原小山钻孔应变东西分量降雨干扰（右）Fig.2 Wind disturbance diagram of Yinchuan small mouth water pipe instrument（left） and rainfall interference of east-west component of borehole strain in Haiyuan Xiaoshan（right）

2.3 场地环境干扰

2018 年，宁夏台网15 个台站25 套仪器记录场地环境事件204 条。其中干扰频次达5 次以上的仪器有12 套，从学科角度统计，地下流体学科5 套、形变学科3 套、地电学科4 套。根据“地震前兆台网（站） 观测数据跟踪分析软件”记录的典型场地环境干扰事件可以得出，连续受场地环境干扰累计时间达到15 天及以上的有19 套仪器，其中地下流体学科9 套、形变学科5 套、地电学科7 套、地磁学科3 套、重力学科1 套。场地环境干扰中抽水干扰最为显著，占比51.66%。其次是工程影响，占比30.38%。由数据分析可知，随着经济水平的提高，生产、生活对观测环境的干扰尤其是场地环境方面的干扰日益严重。

银川小口子铟瓦棒伸缩仪数据由于受到距离观测山洞约150m 泉点机井抽水的干扰，北南向持续下降，而东西向持续上升。据分析，抽水时段最大变化幅度北南向为947.2（10-10），东西向为7995.6（10-10）。根据调查得知，该抽水机井为当地生活、灌溉生产用水井，属于长期存在的场地环境干扰源，台站人员多次与用水方沟通无果，全年累计干扰32 次，时间累计达116.10 天。

灵武大泉数字水位仪由于受到距观测点1公里左右的12 口机井抽水影响，该机井以大巡回轮班的方式运作，每周开3 口井抽水，其余的井保养歇息，周而复始运作。因而导致观测数据大幅变化。据资料分析，10 月27 日至30日该测点静水位曲线变化幅度达0.188m。水位长期受抽水影响，与抽水方沟通后仍无法停止干扰。灵武大泉静水位抽水干扰和银川小口子洞体应变仪北南分量抽水干扰如图3 所示。

图3 灵武大泉静水位抽水干扰图（左） 和银川小口子洞体应变仪北南分量抽水干扰图（右）Fig.3 Static water level pumping interference diagram of Lingwu Daquan（left） and the north-south component pumping interference diagram of the body strain gauge in Xiaokouzi，Yinchuan（right）

2.4 人为干扰

2018 年，宁夏台网21 个台站38 套仪器记录人为干扰事件209 条。人为干扰因素主要包括标定、调零、校测、进洞、检修仪器、模拟换纸、安装仪器、装置系统改造、取水样、观测井抽水与放水、调节流量等。其中固原炭山VP 宽频带倾斜仪、银川小口子DSQ 水管倾斜仪、石嘴山正谊关DSQ 水管倾斜仪均受调零干扰，累计故障频次分别为15 次、14 次、10 次。经统计，2018 年度人为干扰中标定因素影响最为显著，占比42.13%。

固原炭山宽频带倾斜仪于2 月12 日、2 月16 日、3 月9 日、3 月14 日、3 月31 日、4 月12 日、4 月26 日、6 月6 日、6 月15 日、6 月24 日、7 月15 日、7 月21 日、8 月24 日、8 月25 日、12 月23 日因远程自动调零，各测项受人为干扰，因而该测项北南分量正向超量程，剔除调零干扰数据，垂直摆倾斜观测北南分量变化幅度为3.498ms，东西分量变化幅度为28.249ms。固原炭山垂直摆倾斜仪受标定、调零干扰如图5 所示。

2.5 地球物理事件

2018 年，宁夏台网9 个台站24 套仪器记录地球物理事件798 条。该年度主要影响因素有地震、急始磁暴、地电暴、泥石流、矿震等。

该事件中记录到的东部5 级以上地震，西部6 级以上地震，中国及其周边区域7.0 级以上地震，世界范围内8.0 级以上地震主要有：1月23 日17 时31 分阿拉斯加湾8.0 级地震；2月4—7 日台湾莲花县附近海域8 次5 级以上地震；3 月20 日17 时22 分台湾台南市5.1 级地震；5 月2 日7 时47 分台湾花莲海域5.2 级地震；9 月12 日12 时19 分陕西汉中宁强县5.3级地震；10 月23 日10 时10 分台湾花莲县海域6.0 级地震；10 月24 日0 时4 分台湾花莲县海域5.7 级地震。银川小口子石英摆的记录情况如图5 所示。

图4 固原炭山垂直摆倾斜仪受标定（左）、调零（右） 干扰图Fig.4 Interference diagram of calibration（left） and zero adjustment（right） of guyuan Tanshan vertical pendulum tiltmeter

图5 银川小口子重力潮汐观测值同震记录Fig.5 Coseismic records of gravity tide observations in Xiaokouzi，Yinchuan

2.6 不明原因

2018 年，宁夏台网1 个台站1 套仪器记录到不明原因事件13 条，主要是固原东山坡水位仪。典型干扰曲线如图6 所示。

图6 固原东山坡深层水温不明原因干扰图Fig.6 Interference of unknown cause of deep water temperature in Dongshanpo, Guyuan

东山坡水位自2018 年2 月28 日开始快速下降，截至目前共下降12cm 左右。自2016 年4 月以来井下162m 处的观测水温大部分时段（2017 年6 月中旬至7 月初期间除外） 出现周期不等形态和幅度较一致的缓慢上升—突降（阶降幅度0.048℃左右） 现象。井下142m 处的对比观测水温也出现类似缓慢上升—突降现象，阶降幅度为0.052℃左右。

经过丁风和等[9]调查分析发现：观测井东北方向100m 左右的地下饮用水管道，因2018 年2 月中旬老乡拆除牛棚被损坏，至今有细流从管道检查井口缓缓流出，这与井水位2018 年2月中旬出现的快速下降在时间上具有一致性。另外，现场有村民进行不同程度的农事活动（修房，林木苗圃灌溉等）。162m 处主观测水温仪的探头信号指示灯不亮，可能与探头信号不正常、仪器温度测值不稳或不对有关。另外，经分析得知与不同时段的智能直流电源实时监控数据对比，162m 处主观测水温变化形态和幅度较一致的缓慢上升—突降现象与供电系统的电压和电流没有明显关系。

综合分析认为2018 年2 月中旬至今，东山坡水位出现的快速下降很可能与处于下游的饮用水管道破裂与季节性的地下水开采（灌溉）有关；2016 年4 月以来，162m 处主观测水温大部分时段出现的周期不等、形态和幅度较一致的缓慢上升—突降等现象，可能和探头信号不正常、仪器温度测值不稳或不对有关，后续需密切跟踪和做更深入的分析。

3 综合分析

3.1 宁夏台网历年情况对比分析

图7 对比分析了2016 至2018 年度宁夏台网各影响要素的总体情况，从图中可以看出各类干扰因素随着时间推移整体呈现上升趋势，从上升幅度来看，场地环境干扰整体上升幅度明显高于其他，因此不难得出，近年来随着经济水平提高，抽水、灌溉、高压直流输电、工程建设等影响因素对于观测设备的影响不容乐观。与此同时，随着技术的不断进步，我们的观测设施也在进一步优化，其记录的地球物理事件宽度也随着精度、最低震级范围的提升越来越丰富。

图7 2016—2017 年宁夏地球物理台网产品要素折线图Fig.7 Line chart of product elements of Geophysics Network from 2016 to 2017

3.2 固原炭山水管仪不同干扰情况综合分析

以固原炭山水管仪为例，表2 统计了2018年全年固原炭山水管仪受干扰的类型及其数据变化幅度与形态，从表中可知，固原炭山水管仪同震响应能力较好，全年记录地震64 次，其形态多呈现高频、低频突跳状，幅度在1.30～110.3（ms） 之间。人为干扰全年共记录13 条，变化幅度在0.25～26.89 之间，多以缺数为主。观测系统故障全年共记录3 条，呈高频突跳或缺数状，幅度在4.21～41.17 之间。

表2 2018 年固原炭山水管仪受干扰类型及其数据形态

4 讨论与结论

通过典型事件产出结果来看，基本得到以下几点认识：

（1）由典型事件类型分析可知，近1 年数据跟踪事件记录中地球物理事件最多，占所有事件的52.57%，可见宁夏台网监测效能良好。其次，人为干扰事件和场地环境分别占13.77%和13.44%，说明宁夏台网受人为干扰和场地环境制约较大，对数据的连续率和观测质量有较大影响。

（2）东山坡水位异常与处于下游的饮用水管道破裂和季节性的地下水开采（灌溉） 探头信号不正常、仪器温度测值不稳等影响因素相关性较好；综合来看2018 年宁夏台网不明原因事件疑似系统故障的可能性较大，后续需密切跟踪和做更深入的分析。

（3）典型事件记录较直观的反应了监测环境及观测系统自身状况，通过开展跟踪分析工作，一方面有利于排除各种干扰对观测数据的影响，另一方面有利于提升对监测环境的认识和管理，为进一步准确有效的识别和认识地震干扰事件、地震前兆信息、观测数据变化规律和震例对应情况等积累一定有价值的资料。

（4）随着经济水平及观测技术的提高，观测仪器记录宽度稳步提升，同时由于经济发展所带来的场地环境干扰也越来越多。如何平衡经济发展与良好的观测环境是当前棘手的问题之一。