寧夏地球物理臺(tái)網(wǎng)跟蹤分析典型事件淺析

劉芳彤，李文君，趙庭旭，尤權(quán)民

（1. 丹東地震監(jiān)測(cè)中心站，遼寧 丹東 118000；2. 寧夏回族自治區(qū)地震局，寧夏 銀川 750001）

0 引言

為了推進(jìn)地球物理臺(tái)網(wǎng)（原名地震前兆臺(tái)網(wǎng)，2019 年更名為地球物理臺(tái)網(wǎng)） 日常工作重心從觀測(cè)為主向觀測(cè)、應(yīng)用并重轉(zhuǎn)變，提高地球物理臺(tái)網(wǎng)整體運(yùn)行質(zhì)量與服務(wù)效能，根據(jù)《中國(guó)地震局關(guān)于加強(qiáng)地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)工作的意見》（中震測(cè)發(fā)〔2010〕94 號(hào)），寧夏地球物理臺(tái)網(wǎng)于2014 年1 月起正式開展數(shù)據(jù)跟蹤分析工作。寧夏地球物理臺(tái)網(wǎng)歷經(jīng)“模擬”和人工觀測(cè)、“九五”數(shù)字化和“十五”網(wǎng)絡(luò)化三個(gè)發(fā)展階段，產(chǎn)出了大量地球物理觀測(cè)數(shù)據(jù)資料。隨著寧夏臺(tái)網(wǎng)制度和規(guī)范的日益完善，切實(shí)提升了地球物理數(shù)據(jù)的產(chǎn)出能力，為地球物理現(xiàn)象探索、地球物理機(jī)理研究、地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法研究以及地球科學(xué)研究積累了豐富的觀測(cè)資料，提供了更直接有效的產(chǎn)品，也為后續(xù)開展地震異常的發(fā)現(xiàn)與挖掘提供了參考。

地震前兆臺(tái)網(wǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)跟蹤分析工作應(yīng)用數(shù)據(jù)挖掘、大數(shù)據(jù)分析等信息技術(shù)，基于中國(guó)數(shù)字化地震前兆臺(tái)網(wǎng)探索創(chuàng)建由數(shù)據(jù)分析模型、軟件硬件設(shè)備、數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)通訊等構(gòu)成的挖掘處理系統(tǒng)[1]。已有不少研究表明，開展跟蹤分析工作對(duì)于地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的必要性[2，3，5]。例如，潘潔[2]對(duì)五河女山井水溫?cái)?shù)據(jù)跟蹤分析中的常見案例進(jìn)行過初步分析。董曉娜[3]、李希亮[4]等人對(duì)山東地球物理臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)跟蹤分析工作進(jìn)行過總結(jié)。楊振鵬[5]深刻剖析了遼寧地球物理臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)跟蹤分析工作并給出了合理化的建議。鄭世祿[6]研究了薊縣臺(tái)形變學(xué)科數(shù)據(jù)的典型干擾因素及其規(guī)律。斐紅云[7]對(duì)安徽地球物理臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)跟蹤分析工作中的典型事件進(jìn)行了梳理。池國(guó)明等[8]對(duì)安丘地震臺(tái)地球物理數(shù)據(jù)跟蹤分析工作開展了較為系統(tǒng)的研究等。上述研究在研究區(qū)域和研究思路上尚有一定局限性。本文擬利用寧夏地球物理臺(tái)網(wǎng)（站） 觀測(cè)數(shù)據(jù)跟蹤分析平臺(tái)V2.2.5 軟件產(chǎn)出地球物理數(shù)據(jù)事件記錄，對(duì)典型事件進(jìn)行深入剖析，以期更好的服務(wù)于地震預(yù)測(cè)與研究。

1 觀測(cè)背景資料及工作質(zhì)量

寧夏臺(tái)網(wǎng)共4 個(gè)臺(tái)站開展形變觀測(cè)，其手段主要有地傾斜和地應(yīng)變，觀測(cè)環(huán)境良好。重力測(cè)點(diǎn)2 個(gè)，分別位于賀蘭山東麓斷裂西側(cè)下小口子山和固原炭山，其中小口子儀器測(cè)項(xiàng)為重力潮汐觀測(cè)，儀器靈敏度較高，對(duì)全球6.0級(jí)左右地震均有較明顯的同震反應(yīng)。地磁臺(tái)網(wǎng)3 個(gè)共5 套儀器，分別位于銀川北塔、中衛(wèi)黑山嘴、固原海子峽，3 個(gè)觀測(cè)站由北向南呈不等間距分布，經(jīng)過“九五”、“十五”數(shù)字化改造，現(xiàn)已全部實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。地電臺(tái)網(wǎng)自北向南布設(shè)，地電阻率觀測(cè)站5 個(gè)，各站點(diǎn)站間距基本不超過100km，地電場(chǎng)觀測(cè)點(diǎn)共4 個(gè)，其中3 個(gè)與地電阻率同臺(tái)觀測(cè)。寧夏流體臺(tái)網(wǎng)共13個(gè)臺(tái)站29 套儀器，觀測(cè)手段包括水位（現(xiàn)有儀器型號(hào)LN-3A、SWY-2、SW40-1）、水溫（SZW-2、SZW-1A）、水化（FD-125、SD-3A、PXJ-IC、SP-2304A），其中西吉蘇堡水位儀SW40-1 為模擬觀測(cè)，銀川小口子、固原地震臺(tái)以及涇源水氡為人工觀測(cè)，其余皆為數(shù)字化觀測(cè)。由于一些偏遠(yuǎn)地區(qū)臺(tái)站無人值守，數(shù)字化觀測(cè)不僅可以解放人力，更能夠?yàn)樘嵘O(jiān)測(cè)效能提供有力的支撐，因此，數(shù)字化觀測(cè)手段對(duì)于寧夏地區(qū)震情監(jiān)視跟蹤的意義不言而喻。但是，個(gè)別模擬觀測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)信度較高、干擾少，因此保留觀測(cè)。

據(jù)跟蹤分析數(shù)據(jù)可知，2018 年寧夏臺(tái)網(wǎng)共產(chǎn)出記錄3117 條，總體分析完整率達(dá)100%。24 個(gè)臺(tái)站56 套儀器記錄各類事件（不含正常）共計(jì)1518 條，其中22 個(gè)臺(tái)站48 套儀器記錄觀測(cè)系統(tǒng)事件183 條，15 個(gè)臺(tái)站27 套儀器記錄自然環(huán)境事件111 條，15 個(gè)臺(tái)站25 套儀器記錄場(chǎng)地環(huán)境事件204 條，21 個(gè)臺(tái)站38 套儀器記錄人為干擾事件209 條，9 個(gè)臺(tái)站24 套儀器記錄地球物理事件798 條，1 個(gè)臺(tái)站1 套儀器記錄不明原因事件13 條。區(qū)域中心審核率為100%。寧夏地球物理臺(tái)網(wǎng)2018 年產(chǎn)出事件統(tǒng)計(jì)如表1 所示。

表1 寧夏地球物理臺(tái)網(wǎng)2018 年產(chǎn)出事件統(tǒng)計(jì)

2 典型事件分析

2.1 觀測(cè)系統(tǒng)故障

2018 年，寧夏臺(tái)網(wǎng)22 個(gè)臺(tái)站48 套儀器記錄觀測(cè)系統(tǒng)事件183 條，其中較為突出的事件有鄭旗數(shù)字式溫度計(jì)時(shí)鐘誤差故障，鄭旗測(cè)氡儀脫氣-集氣裝置故障，固原炭山相對(duì)重力儀交直流切換干擾，靈武大泉測(cè)氡儀井水?dāng)嗔鳎淘肀さ仉妰x外線路故障等。

鄭旗SZW-1A 數(shù)字式溫度計(jì)全年累計(jì)故障11 次，其中3 次主機(jī)故障，8 次時(shí)鐘誤差，累計(jì)天數(shù)4.53 天。1 月17 日、2 月14 日、2 月26 日，因臺(tái)站人員發(fā)現(xiàn)當(dāng)日未采集到觀測(cè)數(shù)據(jù)，于是立即奔赴現(xiàn)場(chǎng)檢查，經(jīng)排查得知儀器死機(jī)，采用恢復(fù)出廠設(shè)置的辦法修復(fù)儀器，由于主機(jī)故障導(dǎo)致當(dāng)天部分時(shí)段缺數(shù)。隨后，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，該儀器均因?yàn)閮x器時(shí)鐘故障導(dǎo)致儀器缺數(shù)，臺(tái)站人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)修改時(shí)間使儀器恢復(fù)正常。鑒于此，認(rèn)為前3 次儀器死機(jī)事件很大可能是儀器時(shí)鐘誤差故障導(dǎo)致數(shù)據(jù)收取失敗，但是在故障鑒定時(shí)，錯(cuò)誤歸因?yàn)閮x器死機(jī)。鄭旗SZW-1A 數(shù)字式溫度計(jì)因儀器死機(jī)、時(shí)鐘誤差導(dǎo)致儀器缺數(shù)的典型圖如圖1 所示。

圖1 鄭旗深層水溫觀測(cè)系統(tǒng)故障Fig.1 Fault of deep water temperature observation system in Zhengqi

2.2 自然環(huán)境干擾

2018 年，寧夏臺(tái)網(wǎng)15 個(gè)臺(tái)站27 套儀器記錄到自然環(huán)境事件111 條。其中固原彭堡地電儀、海原小山分量式鉆孔應(yīng)變儀、固原東山坡數(shù)字水位儀均受降雨影響累計(jì)干擾分別為62.76天、49.71 天、30.06 天。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析得知，降雨影響占所有自然環(huán)境干擾的65.36%，因此，降雨是自然環(huán)境干擾中一個(gè)重要的干擾因素。

另外，銀川小口子DSQ 水管傾斜儀全年累計(jì)干擾達(dá)到10 次，其風(fēng)擾時(shí)間主要集中在本年度1—7 月份和12 月份，該時(shí)段也是寧夏地區(qū)的多風(fēng)季節(jié)，具體干擾日期為：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，銀川地區(qū)最大風(fēng)力約為6～7 級(jí)，數(shù)據(jù)受刮風(fēng)干擾后其形態(tài)呈毛刺跳動(dòng)狀；另外銦瓦棒伸縮儀、石英水平擺傾斜儀等也受到大風(fēng)干擾，但相比于水管傾斜儀，干擾次數(shù)明顯要少，這可能與觀測(cè)儀器自身狀態(tài)有關(guān)。銀川小口子水管傾斜儀受風(fēng)擾影響、海原小山分量鉆孔應(yīng)變儀受降雨影響典型干擾圖如圖2 所示。

圖2 銀川小口子水管儀風(fēng)擾圖（左） 和海原小山鉆孔應(yīng)變東西分量降雨干擾（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 場(chǎng)地環(huán)境干擾

2018 年，寧夏臺(tái)網(wǎng)15 個(gè)臺(tái)站25 套儀器記錄場(chǎng)地環(huán)境事件204 條。其中干擾頻次達(dá)5 次以上的儀器有12 套，從學(xué)科角度統(tǒng)計(jì)，地下流體學(xué)科5 套、形變學(xué)科3 套、地電學(xué)科4 套。根據(jù)“地震前兆臺(tái)網(wǎng)（站） 觀測(cè)數(shù)據(jù)跟蹤分析軟件”記錄的典型場(chǎng)地環(huán)境干擾事件可以得出，連續(xù)受場(chǎng)地環(huán)境干擾累計(jì)時(shí)間達(dá)到15 天及以上的有19 套儀器，其中地下流體學(xué)科9 套、形變學(xué)科5 套、地電學(xué)科7 套、地磁學(xué)科3 套、重力學(xué)科1 套。場(chǎng)地環(huán)境干擾中抽水干擾最為顯著，占比51.66%。其次是工程影響，占比30.38%。由數(shù)據(jù)分析可知，隨著經(jīng)濟(jì)水平的提高，生產(chǎn)、生活對(duì)觀測(cè)環(huán)境的干擾尤其是場(chǎng)地環(huán)境方面的干擾日益嚴(yán)重。

銀川小口子銦瓦棒伸縮儀數(shù)據(jù)由于受到距離觀測(cè)山洞約150m 泉點(diǎn)機(jī)井抽水的干擾，北南向持續(xù)下降，而東西向持續(xù)上升。據(jù)分析，抽水時(shí)段最大變化幅度北南向?yàn)?47.2（10-10），東西向?yàn)?995.6（10-10）。根據(jù)調(diào)查得知，該抽水機(jī)井為當(dāng)?shù)厣睢⒐喔壬a(chǎn)用水井，屬于長(zhǎng)期存在的場(chǎng)地環(huán)境干擾源，臺(tái)站人員多次與用水方溝通無果，全年累計(jì)干擾32 次，時(shí)間累計(jì)達(dá)116.10 天。

靈武大泉數(shù)字水位儀由于受到距觀測(cè)點(diǎn)1公里左右的12 口機(jī)井抽水影響，該機(jī)井以大巡回輪班的方式運(yùn)作，每周開3 口井抽水，其余的井保養(yǎng)歇息，周而復(fù)始運(yùn)作。因而導(dǎo)致觀測(cè)數(shù)據(jù)大幅變化。據(jù)資料分析，10 月27 日至30日該測(cè)點(diǎn)靜水位曲線變化幅度達(dá)0.188m。水位長(zhǎng)期受抽水影響，與抽水方溝通后仍無法停止干擾。靈武大泉靜水位抽水干擾和銀川小口子洞體應(yīng)變儀北南分量抽水干擾如圖3 所示。

圖3 靈武大泉靜水位抽水干擾圖（左） 和銀川小口子洞體應(yīng)變儀北南分量抽水干擾圖（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 人為干擾

2018 年，寧夏臺(tái)網(wǎng)21 個(gè)臺(tái)站38 套儀器記錄人為干擾事件209 條。人為干擾因素主要包括標(biāo)定、調(diào)零、校測(cè)、進(jìn)洞、檢修儀器、模擬換紙、安裝儀器、裝置系統(tǒng)改造、取水樣、觀測(cè)井抽水與放水、調(diào)節(jié)流量等。其中固原炭山VP 寬頻帶傾斜儀、銀川小口子DSQ 水管傾斜儀、石嘴山正誼關(guān)DSQ 水管傾斜儀均受調(diào)零干擾，累計(jì)故障頻次分別為15 次、14 次、10 次。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2018 年度人為干擾中標(biāo)定因素影響最為顯著，占比42.13%。

固原炭山寬頻帶傾斜儀于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 日因遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)零，各測(cè)項(xiàng)受人為干擾，因而該測(cè)項(xiàng)北南分量正向超量程，剔除調(diào)零干擾數(shù)據(jù)，垂直擺傾斜觀測(cè)北南分量變化幅度為3.498ms，東西分量變化幅度為28.249ms。固原炭山垂直擺傾斜儀受標(biāo)定、調(diào)零干擾如圖5 所示。

2.5 地球物理事件

2018 年，寧夏臺(tái)網(wǎng)9 個(gè)臺(tái)站24 套儀器記錄地球物理事件798 條。該年度主要影響因素有地震、急始磁暴、地電暴、泥石流、礦震等。

該事件中記錄到的東部5 級(jí)以上地震，西部6 級(jí)以上地震，中國(guó)及其周邊區(qū)域7.0 級(jí)以上地震，世界范圍內(nèi)8.0 級(jí)以上地震主要有：1月23 日17 時(shí)31 分阿拉斯加灣8.0 級(jí)地震；2月4—7 日臺(tái)灣蓮花縣附近海域8 次5 級(jí)以上地震；3 月20 日17 時(shí)22 分臺(tái)灣臺(tái)南市5.1 級(jí)地震；5 月2 日7 時(shí)47 分臺(tái)灣花蓮海域5.2 級(jí)地震；9 月12 日12 時(shí)19 分陜西漢中寧強(qiáng)縣5.3級(jí)地震；10 月23 日10 時(shí)10 分臺(tái)灣花蓮縣海域6.0 級(jí)地震；10 月24 日0 時(shí)4 分臺(tái)灣花蓮縣海域5.7 級(jí)地震。銀川小口子石英擺的記錄情況如圖5 所示。

圖4 固原炭山垂直擺傾斜儀受標(biāo)定（左）、調(diào)零（右） 干擾圖Fig.4 Interference diagram of calibration（left） and zero adjustment（right） of guyuan Tanshan vertical pendulum tiltmeter

圖5 銀川小口子重力潮汐觀測(cè)值同震記錄Fig.5 Coseismic records of gravity tide observations in Xiaokouzi，Yinchuan

2.6 不明原因

2018 年，寧夏臺(tái)網(wǎng)1 個(gè)臺(tái)站1 套儀器記錄到不明原因事件13 條，主要是固原東山坡水位儀。典型干擾曲線如圖6 所示。

圖6 固原東山坡深層水溫不明原因干擾圖Fig.6 Interference of unknown cause of deep water temperature in Dongshanpo, Guyuan

東山坡水位自2018 年2 月28 日開始快速下降，截至目前共下降12cm 左右。自2016 年4 月以來井下162m 處的觀測(cè)水溫大部分時(shí)段（2017 年6 月中旬至7 月初期間除外） 出現(xiàn)周期不等形態(tài)和幅度較一致的緩慢上升—突降（階降幅度0.048℃左右） 現(xiàn)象。井下142m 處的對(duì)比觀測(cè)水溫也出現(xiàn)類似緩慢上升—突降現(xiàn)象，階降幅度為0.052℃左右。

經(jīng)過丁風(fēng)和等[9]調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)：觀測(cè)井東北方向100m 左右的地下飲用水管道，因2018 年2 月中旬老鄉(xiāng)拆除牛棚被損壞，至今有細(xì)流從管道檢查井口緩緩流出，這與井水位2018 年2月中旬出現(xiàn)的快速下降在時(shí)間上具有一致性。另外，現(xiàn)場(chǎng)有村民進(jìn)行不同程度的農(nóng)事活動(dòng)（修房，林木苗圃灌溉等）。162m 處主觀測(cè)水溫儀的探頭信號(hào)指示燈不亮，可能與探頭信號(hào)不正常、儀器溫度測(cè)值不穩(wěn)或不對(duì)有關(guān)。另外，經(jīng)分析得知與不同時(shí)段的智能直流電源實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)對(duì)比，162m 處主觀測(cè)水溫變化形態(tài)和幅度較一致的緩慢上升—突降現(xiàn)象與供電系統(tǒng)的電壓和電流沒有明顯關(guān)系。

綜合分析認(rèn)為2018 年2 月中旬至今，東山坡水位出現(xiàn)的快速下降很可能與處于下游的飲用水管道破裂與季節(jié)性的地下水開采（灌溉）有關(guān)；2016 年4 月以來，162m 處主觀測(cè)水溫大部分時(shí)段出現(xiàn)的周期不等、形態(tài)和幅度較一致的緩慢上升—突降等現(xiàn)象，可能和探頭信號(hào)不正常、儀器溫度測(cè)值不穩(wěn)或不對(duì)有關(guān)，后續(xù)需密切跟蹤和做更深入的分析。

3 綜合分析

3.1 寧夏臺(tái)網(wǎng)歷年情況對(duì)比分析

圖7 對(duì)比分析了2016 至2018 年度寧夏臺(tái)網(wǎng)各影響要素的總體情況，從圖中可以看出各類干擾因素隨著時(shí)間推移整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，從上升幅度來看，場(chǎng)地環(huán)境干擾整體上升幅度明顯高于其他，因此不難得出，近年來隨著經(jīng)濟(jì)水平提高，抽水、灌溉、高壓直流輸電、工程建設(shè)等影響因素對(duì)于觀測(cè)設(shè)備的影響不容樂觀。與此同時(shí)，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，我們的觀測(cè)設(shè)施也在進(jìn)一步優(yōu)化，其記錄的地球物理事件寬度也隨著精度、最低震級(jí)范圍的提升越來越豐富。

圖7 2016—2017 年寧夏地球物理臺(tái)網(wǎng)產(chǎn)品要素折線圖Fig.7 Line chart of product elements of Geophysics Network from 2016 to 2017

3.2 固原炭山水管儀不同干擾情況綜合分析

以固原炭山水管儀為例，表2 統(tǒng)計(jì)了2018年全年固原炭山水管儀受干擾的類型及其數(shù)據(jù)變化幅度與形態(tài)，從表中可知，固原炭山水管儀同震響應(yīng)能力較好，全年記錄地震64 次，其形態(tài)多呈現(xiàn)高頻、低頻突跳狀，幅度在1.30～110.3（ms） 之間。人為干擾全年共記錄13 條，變化幅度在0.25～26.89 之間，多以缺數(shù)為主。觀測(cè)系統(tǒng)故障全年共記錄3 條，呈高頻突跳或缺數(shù)狀，幅度在4.21～41.17 之間。

表2 2018 年固原炭山水管儀受干擾類型及其數(shù)據(jù)形態(tài)

4 討論與結(jié)論

通過典型事件產(chǎn)出結(jié)果來看，基本得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

（1）由典型事件類型分析可知，近1 年數(shù)據(jù)跟蹤事件記錄中地球物理事件最多，占所有事件的52.57%，可見寧夏臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)效能良好。其次，人為干擾事件和場(chǎng)地環(huán)境分別占13.77%和13.44%，說明寧夏臺(tái)網(wǎng)受人為干擾和場(chǎng)地環(huán)境制約較大，對(duì)數(shù)據(jù)的連續(xù)率和觀測(cè)質(zhì)量有較大影響。

（2）東山坡水位異常與處于下游的飲用水管道破裂和季節(jié)性的地下水開采（灌溉） 探頭信號(hào)不正常、儀器溫度測(cè)值不穩(wěn)等影響因素相關(guān)性較好；綜合來看2018 年寧夏臺(tái)網(wǎng)不明原因事件疑似系統(tǒng)故障的可能性較大，后續(xù)需密切跟蹤和做更深入的分析。

（3）典型事件記錄較直觀的反應(yīng)了監(jiān)測(cè)環(huán)境及觀測(cè)系統(tǒng)自身狀況，通過開展跟蹤分析工作，一方面有利于排除各種干擾對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響，另一方面有利于提升對(duì)監(jiān)測(cè)環(huán)境的認(rèn)識(shí)和管理，為進(jìn)一步準(zhǔn)確有效的識(shí)別和認(rèn)識(shí)地震干擾事件、地震前兆信息、觀測(cè)數(shù)據(jù)變化規(guī)律和震例對(duì)應(yīng)情況等積累一定有價(jià)值的資料。

（4）隨著經(jīng)濟(jì)水平及觀測(cè)技術(shù)的提高，觀測(cè)儀器記錄寬度穩(wěn)步提升，同時(shí)由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展所帶來的場(chǎng)地環(huán)境干擾也越來越多。如何平衡經(jīng)濟(jì)發(fā)展與良好的觀測(cè)環(huán)境是當(dāng)前棘手的問題之一。