永清井水温仪观测数据异常核实的实例与分析＊

王 艳 吕文青 李 青 张 娜 齐玉妍 杨素卿

（保定地震监测中心站，河北保定 071051）

引言

永清井位于县城西南约10 km 罗家营村东北，隶属廊坊市应急管理局永清地震台，地理坐标为（39.22°N，116.44°E）（图1a）；井深1274.11 m，直径216 mm，套管深度1061 m；顶板埋深1065.3 m，裸孔过水段208.8 m。含水层岩性为震旦系白云岩，地下水类型为震旦亚界雾迷山组岩溶承压水；井口标高67 m。成井时为自流热水井，泄流口水温72℃。1995年底受地热开发影响断流改为静水位井。该井位于冀中拗陷北部的牛东断裂带北侧（图1b）[1]。

图1 台站位置和周边构造（a）及永清井井孔柱状图（b）Fig.1 Station location and surrounding structure（a）and well hole histogram of Yongqing well（b）

永清井自2001 年1 月1 日正式开始水温观测，在2015 年进行了数字化改造。在日常的观测中，水温在2018 年之前一直表现出较好的年变趋势，但是在2017 年12 月30 日开始出现加速下降，2019 年7 月和9 月也出现了不同的异常变化，并且在异常变化发生后周边也发生了一些中等地震，其中最显著的是2018 年2 月12 日河北永清M4.7 地震和2019年12 月5 日的唐山丰南M4.9 地震（图2）。因此，中心站工作人员在日常值班过程中，特别关注永清井水温突升突降的变化。

图2 永清井水温2017—2020 年异常变化5 日均值一阶差分曲线图Fig.2 5-day mean first-order difference curve of abnormal water temperature in Yongqing well from 2017 to 2020

1 台站背景和基础资料

1.1 永清地震台概况

河北省永清县永清地震台隶属河北省地震局，台站位于河北省霸县县城北偏东约11 km，永清县县城西南约14 km 处，地处牛驼镇凸起构造带、河西务断裂及牛东断裂交汇部位，井深1274.11 m，观测含水层地质年代及岩性为震旦纪白云岩（图3）。

图3 永清地震台地理位置图Fig.3 Geographical location of Yongqing seismic station

1.2 台站观测系统概况

永清台是流体综合大台，主要观测仪器包括ZKGD3000-NL 水位仪，SZW-1A 水温仪和ZKGD 3000-NT 水温仪（备用），ZKGD3000-M 气象三要素仪，EY-2 二氧化碳测试管（图4）。永清井水位多年来在省地震局的领导下，多次在评比中取得优异成绩。以往研究表明，水温对于临震的异常有较高的可信度[1-2]。永清井水温在2018 年2 月12 日永清M4.7 地震中出现过显著异常，是少数井震距在30 km 以内的异常信息，作为永清M4.7 地震异常的可信度较高[1]。

图4 永清台流体观测系统示意图Fig.4 Schematic diagram of fluid observation system at Yongqing station

2 水温仪观测数据的异常分析

2.1 异常发现过程

2020 年4 月21 日在永清井水位、二氧化碳、以及同井同层备用水温没有出现异常变化的条件下，水温出现了升高现象，最高点出现在4 月30 日，变化幅度为0.069℃，在随后的30 日18:36 和5 月1 日7:28 又出现了两次台阶式下降，之后曲线恢复正常（图5）。基于以往的认知，这一 “突升—突降—恢复” 的数据异常现象，引起了观测人员的注意。排除干扰，提取可信的台站变化是台站观测的重要内容，新形势下，具备异常核实能力也是对台站观测人员的一项新要求[2]，基于此，按照地震台网观测技术规范要求，随即开展异常核实工作。

图5 2020 年4 月1 日—5 月11 日永清井水温与同井其他测项异常时段对比曲线图Fig.5 Comparison curve of water temperature in Yongqing well from April 1 to May 11，2020 with other abnormal periods measured in the same well

2.2 现场工作前对异常产生原因的初步判定

永清井水温自观测以来，一直呈稳定下降趋势，但从2018 年至今已经出现了5 次突升突降的情况：2017 年12 月—2018 年1 月快速下降，幅度为0.078℃；2019 年7 月21 日快速下降，幅度为0.033℃；7 月26 日快速上升，幅度为0.016℃；9 月24 日水温呈现转折上升趋势；10 月21 日、26 日再次出现快速上升、下降变化。2 次同层位的备用水温数据缺失，无法对比，3 次可以进行对比观测但备用水温无变化，5 次水温异常变化有加速下降的，也有先上升后下降的，先下降后上升的，没有找到规律。有2 次异常变化后周边发生了中等地震，这次唯一不同的是在异常发生前曲线记录到一个交直流转换的突跳干扰，原因是永清台站供电系统总闸由于年久失修，突然掉闸，出现了一个远超于3 倍均方差的突跳（图6）。基于此考虑，怀疑本次水温异常情况可能是供电干扰所致，但不能完全排除其他因素的可能性，所以除了进行断电实验，还进行了同层水温对比分析及注冷水实验。

图6 同层位水温异常4 月1 日—5 月13 日对比观测曲线图Fig.6 Comparison observation curves of water temperature anomalies at the same horizon from April 1 to May 13

2.3 数字化水温与备用水温观测数据对比分析及注水实验

永清井在井下173 m 处有两套水温仪器并行，一套为出现异常的SZW-1A 水温仪，另一套为ZKGD3000-NT 备用水温仪（数据在实验库中）。异常出现后，工作人员马上对两套仪器进行了对比分析，发现在SZW-1A 水温仪出现异常的时间段内，备用仪器数据稳定，并且在合闸的过程中，并未对备用水温的数据产生影响，符合正常的年变趋势，同井其他手段变化趋势均正常。基于两套仪器在异常发生时变化不一致，在异常核实的当天，又进行了注冷水实验，检验两套仪器的一致性。5 月11 日16:10 开始进2022-09-05 行注冷水实验，注水量为1.1 L，水温为2℃，发现两套水温仪基本同步下降，变化形态一致，其中SZW-1A 变化量为0.017℃，ZKGD3000-NT 变化量为0.033℃（图7）。注水实验结果证明，正式入库水温背景噪声很好，除了注水实验那一段，基本没有超过3 倍均方差的突跳，而备用水温的整体噪声水平较差，但两套水温仪的下降趋势是一致的，说明仪器的工作状态是正常的，水温下降的同时，同井水位有一个反向的升高，说明注水实验的水温下降是由涌入井孔内的水量变化引起的。

图7 2020 年5 月11 日注水实验示意图Fig.7 Schematic diagram of water injection experiment on May 11，2020

2.4 观测系统工作状态检查及断电实验

2.4.1 观测系统工作状态的检查

5 月11 日上午9 时，保定地震监测中心站和廊坊市应急管理局相关工作人员到达台站。首先根据水温异常核实观测系统规范要求对永清井水温观测仪器、供电情况、线路连接等进行检查，检查了SZW-1A 型数字式温度计、传感器等仪器的运行状态，显示工作正常；检查了仪器面板、指示灯，显示正常，交换机因为没有接到电瓶上，在停市电期间不亮，但也不是异常；检查了数据通讯，并对存储命令进行测试，网页及ftp 功能正常；检查了仪器防雷接地，接地电阻为0.8 Ω，小于4 Ω，满足观测环境要求；检查直流供电电瓶电压分别为1 2.8 8 V、12.86 V 和12.90 V，电压正常。观测室内无漏水现象，观测设施正常，无人为破坏。仪器、探头线路连接正常，没有破损、漏电及虚接情况。

2.4.2 断电实验

考虑到这次异常区别于以往表现在合闸过程中曲线记录到一个突跳，在与台站工作人员电话沟通后发现，当天漏电跳闸并且停市电，合闸时间正好为突跳时间。为了模拟4 月21 日当天的情况，5 月11 日凌晨3:30 进行断电实验，台站工作人员手动拉闸，并且在拉闸前对电瓶电压进行测量，3 块并联电瓶的电压分别为13.56 V、13.31 V 和13.38 V，之后每隔半小时对供电电瓶进行电压测量，可以看到，断电后刚开始电压下降得特别快，之后趋于缓慢，按理说在电瓶要亏电时也会变化的特别快，但是断电9 小时情况下电瓶仍未处于欠压状态（表1，图8）。

表1 断电实验3 块电瓶电压值Table 1 Voltage values of the three batteries in the power failure experiment

永清井的直流供电由3 块电瓶并联完成，品牌为风帆，容量是100 Ah。其中一块电瓶连接的是两套水温仪，一块电瓶连接的是水位仪，一块电瓶连接的是气象三要素仪和九五仪器协议转换器，并且接了一个充电机（此次已经拆除），停电后并联电压并不完全相同，12:28 合闸后，3 块电瓶的电压也不相同，充电速率也不一样，明显U1大于U2和U3（图8）。考虑到出现这种情况的原因很可能是3 块电瓶有一块的性能不太好，异常发生时这块电瓶正好处于较差的状态，4 月20 日合闸前的电压值没有测量。对比宝坻地震台2018 年6 月11 日10:13—13:43 井水温观测数据出现大幅波动，经咨询宝坻台龚永俭老师发现，当日04 时许，交流电停电，仪器使用电瓶供电，当日10 时许交流电恢复。仪器交直流切换不久，数据出现不正常变化。直到电瓶充满电，重新接入后，观测数据才基本恢复（图9a）。

宝坻台的SWY-1 型水位仪出现过类似的情况，这种水位仪与SZW-1A 水温仪（数字式温度计）结构是一样的，都是地壳所生产的。2020 年4 月3 日之前的几天，值班人员发现，电瓶电压突降，由14.2 V 变为13.8 V，受到密切关注，监控电瓶电压，4 月3 日发现电瓶电压在0.1 V、0.1 V 的上升，说明电瓶性能不好，在快速的充电，值班人员于08:12 更换提前充满电的电瓶，发现在电瓶快速充电期间，06:58—08:11 数据错误，具体表现为06:58 出现下降尖峰，变幅0.007 m，07:04 开始观测数据曲线有小幅畸变。更换电瓶后，观测数据曲线08:12 出现上升台阶，变幅0.005 m（图9b）。这次电瓶充满电后才换上，所以换电瓶后没有出现图9a 曲线所示的畸变现象。

图9 宝坻台交直流转换故障曲线图Fig.9 AC/DC conversion fault curve of Baodi station

综上所述，地壳所生产的SZW-1A 型水温仪直流供电时会受影响，主要表现在两个方面：①电瓶在没有欠压的情况，自身性能不好时，会对观测曲线造成影响；② 在自身欠压的情况下也会对观测曲线造成影响。此次断电实验没有发现问题[3]，究其原因，可能有以下两个方面：

（1）断电时间尚短，电瓶没有处于欠压状态，而异常发生期间，因为不确定停电的具体时间，推测电瓶处于欠压状态，表现出图9a 的情况；

（2）通过表1、图8 我们知道，3 块原本应该电压一样的并联电瓶，不管是停电前还是停电后电压都是不一样的，很可能是其中一块电瓶的性能不太好，在异常发生期间，这个电瓶处在了不好的状态，表现出图9b 的情况，而实验期间并没有。

2.5 异常分析与性质判定

经现场核实走访，2019 年新发现的干扰源温泉井因为停用不可能导致永清井水温产生这种异常畸变；台站周边环境虽然发生了改变，但是拆除房屋和平整土地对流体仪器产生影响的可能性不大；通过对异常时段水温数据对比观测，表明在异常发生时两套水温仪因为变化趋势不一致，肯定有一套处于不正常状态；所以在异常核实时，我们进行了注冷水实验，两套水温仪变化趋势一致，说明两套水温仪在异常时段的数据都是可靠的，之所以变化不一致，是因为有一套仪器自身出现了问题，通过同井水位和二氧化碳数据正常来看，更倾向于SZW-1A 型水温仪自身出现的问题，依据在异常前一天出现跳闸和停电等情况，结合比较宝坻台的数据曲线，得出永清井水温这次的异常变化可能与直流电瓶欠压有关。

3 结论

通过上述调查和分析得到如下基本认识：

（1）永清井出现异常水温仪和备用水温仪在异常核实时工作状态正常；

（2）永清井周边虽然有拆除建筑物和平地现象，但不存在大规模取水、注水、地热开采等现象，基本上排除了环境变化的影响；

（3）通过与气压变化曲线对比分析，排除了气压干扰对水温异常的影响（图5）；

（4）数字化水温与备用水温观测数据对比分析和注冷水实验表明：在异常发生时两套水温仪有一套处于不正常状态，因为变化趋势不一致；通过同井水位和二氧化碳数据正常来看，更倾向于SZW-1A 型水温仪自身出现了问题；

（5）异常分析判定：本次出现的井水温抬升—下降变化虽然与之前几次不同，但是同井水位以及备用水温均未发生变化，与之前相同。断电实验曲线没有变化可能跟电瓶没有处于欠电状态和在电压正常的情况下，不好的电瓶没有处在不好的状态有关。结合宝坻台同厂家仪器出现的问题，此次异常更倾向于交直流转换之间的问题，在异常出现前，电瓶性能处于较差的状态，合闸后，电瓶要快速的充电，导致数据曲线出现了变化，直到电瓶充满电，数据恢复[4-5]。