我國地震地下流體監(jiān)測現(xiàn)狀分析及展望*

劉春國，晏 銳，樊春燕，陳 志，陶志剛

(1.中國地震臺網(wǎng)中心，北京 100045；2.中國地震局地震預(yù)測研究所，北京 100036)

0 引言

地下流體直接參與地殼中的各種動力作用過程，被認(rèn)為是最有效的中短臨地震預(yù)測手段之一(劉耀煒等，2006)。我國自1966年邢臺地震后，以服務(wù)于地震預(yù)測預(yù)報及科學(xué)研究為目標(biāo)，開展了以水文地質(zhì)學(xué)、地球化學(xué)和地?zé)釋W(xué)為基礎(chǔ)學(xué)科的地震地下流體監(jiān)測研究與實踐。經(jīng)過五十多年的不懈努力，我國建成了覆蓋中國大陸主要地震構(gòu)造帶的地下水動態(tài)、地?zé)岷偷厍蚧瘜W(xué)參量觀測的地下流體站網(wǎng)，獲得了揭示地球物理和地球化學(xué)動態(tài)過程形成與演化的地下流體長期觀測資料，取得了一些新的科學(xué)認(rèn)識，在我國地震監(jiān)測預(yù)報中發(fā)揮了重要作用。根據(jù)1966年以來中強(qiáng)地震震例統(tǒng)計，地下流體異常的數(shù)量約占整個地震前兆異常的一半，顯示出監(jiān)測能力強(qiáng)、取得震例多、預(yù)報作用大的特點(diǎn)(岳明生，2005；車用太，金魚子，2006)。

我國地下流體監(jiān)測工作雖然取得長足進(jìn)步，在地震預(yù)測預(yù)報實踐和科學(xué)研究中發(fā)揮著重要作用，但與我國自然災(zāi)害防治需求相比，還有諸多差距，現(xiàn)有的監(jiān)測水平遠(yuǎn)不能滿足地震孕育過程的中短臨階段地下流體動態(tài)異常監(jiān)測的需求。為此，本文對現(xiàn)有的監(jiān)測現(xiàn)狀進(jìn)行系統(tǒng)分析與問題梳理，提出未來我國地震地下流體監(jiān)測發(fā)展方向，進(jìn)一步提升地震地下流體監(jiān)測站網(wǎng)對強(qiáng)震的中短期前兆的監(jiān)測能力。

1 監(jiān)測現(xiàn)狀

1.1 監(jiān)測發(fā)展歷程

我國地震地下流體監(jiān)測始于1966年邢臺地震，歷經(jīng)創(chuàng)建階段、發(fā)展階段和提高階段，我國地震地下流體監(jiān)測網(wǎng)由局部性、臨時觀測網(wǎng)逐步發(fā)展為全國性、專業(yè)化、固定觀測網(wǎng)；觀測井由淺井為主逐步過渡到以中深井為主；觀測技術(shù)由人工觀測向模擬觀測、數(shù)字化觀測轉(zhuǎn)變。目前正處于現(xiàn)代化新階段。

創(chuàng)建階段(1966—1978年)是地下流體監(jiān)測的起步階段。1966年邢臺地震后，為了監(jiān)測余震，首先開展了地下水動態(tài)觀測，并建立余震區(qū)臨時觀測網(wǎng)。隨著京津冀震情形勢的嚴(yán)峻，1969年在京津冀地區(qū)建立地下水動態(tài)觀測網(wǎng)和水文地球化學(xué)觀測網(wǎng)。此后，隨著一系列強(qiáng)震的發(fā)生，地下流體監(jiān)測在全國范圍內(nèi)廣泛開展，為1975年海城7.3、1976年龍陵7.3及松潘7.2地震的成功預(yù)測作出了貢獻(xiàn)，正式被認(rèn)為是重要的地震監(jiān)測預(yù)報手段之一(王廣才等，2003)。此階段地下流體觀測井淺井多，且以民用井及機(jī)井為主；觀測方式以人工定期觀測為主。

發(fā)展階段(1979—1989年)，地下流體正式作為三大前兆觀測的重點(diǎn)之一得到大力發(fā)展，地下流體監(jiān)測開始向臺網(wǎng)化、專業(yè)化和規(guī)范化發(fā)展。明確提出布局思路與建網(wǎng)方案，在全面清理評估與調(diào)整、優(yōu)化已有觀測點(diǎn)的基礎(chǔ)上，建立了專業(yè)化的全國地震地下水動態(tài)觀測網(wǎng)(255個觀測點(diǎn))、全國地震水文地球化學(xué)觀測網(wǎng)(330個觀測點(diǎn))和全國地震水溫觀測網(wǎng)(114個觀測點(diǎn))。觀測井以中、深井為主。觀測技術(shù)上，水位觀測全部實現(xiàn)自動化模擬觀測，水溫觀測采用高精度溫度自動化觀測技術(shù)，汞觀測作為新技術(shù)新方法開始應(yīng)用；各測項的觀測技術(shù)規(guī)范相繼編寫與發(fā)布(王廣才等，2003)。

提高階段(1991—2000年)，我國地震地下流體觀測技術(shù)取得了突破性的進(jìn)展。隨著水溫、水位、氡、汞、氦等數(shù)字化觀測技術(shù)相繼研制成功，1996—2000年，全國114個臺站開展了數(shù)字化技術(shù)改造，104個臺站的水位與水溫觀測、61個臺站的氡觀測和21個臺站的汞觀測改造為數(shù)字化觀測，4個臺站新增了數(shù)字化氦氣觀測(中國地震局監(jiān)測預(yù)報司，2007)。

2000年以后，我國地震地下流體監(jiān)測進(jìn)入現(xiàn)代化新階段，全面推廣應(yīng)用數(shù)字化觀測技術(shù)和信息技術(shù)。

“十五”期間(2001—2007年)數(shù)字化觀測技術(shù)進(jìn)一步升級為網(wǎng)絡(luò)化觀測技術(shù)，支持觀測設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控與自動采集，實現(xiàn)了觀測數(shù)據(jù)向中心節(jié)點(diǎn)臺站、區(qū)域臺網(wǎng)中心和國家級中心的自動匯集。據(jù)國家前兆臺網(wǎng)中心前兆數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計，到“十一五”末期，我國地下流體觀測網(wǎng)中實現(xiàn)數(shù)字化觀測的臺站總數(shù)已達(dá)到400個左右。實現(xiàn)數(shù)字化觀測的臺站數(shù)量占地下流體臺站總數(shù)的85%；實現(xiàn)數(shù)字化觀測測項總數(shù)為960個左右，約占地下流體測項總數(shù)的86%。全部的國家臺與大部分區(qū)域臺完成數(shù)字化改造，此外還有相當(dāng)多的市、縣級臺也進(jìn)行了數(shù)字化改造。

“十一五”結(jié)束后，地下流體觀測網(wǎng)進(jìn)入平穩(wěn)運(yùn)行期。為確保平穩(wěn)運(yùn)行，“十二五”期間，開展了儀器維修與保障體系的建設(shè)。建立了儀器定期更新機(jī)制，建成8個片區(qū)維修中心并投入運(yùn)行，地下流體觀測網(wǎng)的觀測設(shè)備初步實現(xiàn)了快速修復(fù)和定期更新(劉高川等，2016，2021)。為了控制入網(wǎng)儀器質(zhì)量，“十三五”期間，開展計量檢測系統(tǒng)建設(shè)。相繼在江西省地震局、中國地震局地殼應(yīng)力研究所(現(xiàn)應(yīng)急管理部國家自然災(zāi)害防治研究院)和中國地震第一監(jiān)測中心建立了測氡儀、測汞儀、壓力式水位儀和測溫儀的計量檢測實驗室，在江西九江地震臺、安徽廬江地震臺分別建立了測氡儀、測汞儀的比測場地。到2019年，地下流體主要觀測項目的計量檢測系統(tǒng)已初步建立，改變了我國地震地下流體觀測儀器計量檢測長期依賴社會計量機(jī)構(gòu)的歷史。此外，為了保障地下流體監(jiān)測可持續(xù)性發(fā)展，繼續(xù)推動新技術(shù)新方法研究，其中氫觀測技術(shù)在“十二五”期間取得突破，新型數(shù)字痕量氫儀器研制成功，并作為新技術(shù)新方法應(yīng)用于溫泉逸出氫氣和斷層土壤氫氣的自動化連續(xù)觀測(車用太等，2015；范雪芳等，2016)。

1.2 監(jiān)測網(wǎng)概況

根據(jù)場地條件和觀測周期的不同，我國地震地下流體站網(wǎng)可分為固定站網(wǎng)和流動觀測網(wǎng)。

地下流體監(jiān)測固定站網(wǎng)以井、泉及斷層帶中地下水、地?zé)岷偷叵職庾鳛橛^測對象，觀測項目主要包括水位、地?zé)?水溫)、流量、氡、汞、水質(zhì)和氣體組分(H、He、CO、N、CH、Ar、O等)，其中水位、水溫、氡和汞為主要觀測項目。據(jù)最新統(tǒng)計，地下流體監(jiān)測網(wǎng)中有548個觀測點(diǎn)(觀測井439個、觀測泉78個和斷層氣觀測孔31個)已接入國家臺網(wǎng)管理，其中水位觀測站370個，水溫394個、氡171個、汞54個、水質(zhì)23個、氣體組分51個。

與其它行業(yè)的地下水監(jiān)測網(wǎng)相比，地震地下流體監(jiān)測網(wǎng)采用的儀器具有觀測精度和分辨力較高、采樣頻率較快等特點(diǎn)(Liu，2016)，用于觀測的井以承壓井為主，觀測泉以上升泉為主，觀測井、泉和土壤氣觀測孔大都布設(shè)在活動構(gòu)造帶上，避開地下水開采等干擾影響區(qū)域，空間分布上主要位于華北、東北、東南沿海、南北地震帶和天山地震帶中段，總體呈現(xiàn)東密西疏的特點(diǎn)。

流動觀測網(wǎng)作為固定站網(wǎng)的補(bǔ)充，主要對地震多發(fā)區(qū)域和地震潛在危險區(qū)溫泉水質(zhì)、氣體及同位素組成和斷層帶土壤氣體進(jìn)行定期或不定期觀測，為判定斷層的活動狀態(tài)、捕捉地殼深部信息提供基礎(chǔ)觀測資料。據(jù)最新統(tǒng)計，用于震情會商的溫泉點(diǎn)約為615個，斷層土壤氣剖面有200多條。溫泉點(diǎn)主要分布在川滇、新疆、華北及東南沿海地區(qū)。斷層土壤氣剖面觀測主要在華北、西北和天山地區(qū)的潛在地震危險區(qū)開展，剖面測線的間距為50～100 m，每條測線點(diǎn)間距為5～20 m。一般觀測周期為1次/季度、1次/半年或1次/年。

鑒于流動觀測長期以任務(wù)和項目的形式來開展，流動觀測網(wǎng)運(yùn)行未能常態(tài)化、業(yè)務(wù)化，下面的分析討論只針對固定站網(wǎng)展開。

1.3 觀測技術(shù)

觀測技術(shù)以數(shù)字化觀測技術(shù)為主，數(shù)字化觀測站點(diǎn)在全國地下流體站網(wǎng)中所占比例約86%。但仍有部分臺站部分觀測項目采用了人工觀測技術(shù)。

(1)數(shù)字化觀測技術(shù)

水位、水溫、氡、汞數(shù)字化觀測技術(shù)已在全國廣泛應(yīng)用，氫、氦和流量數(shù)字化觀測技術(shù)亦在少數(shù)臺站推廣應(yīng)用。據(jù)最新統(tǒng)計，納入國家臺網(wǎng)的觀測站，水位和水溫觀測站已全部實現(xiàn)數(shù)字化、自動化觀測；氡、汞觀測站的數(shù)字化占比分別44%、72%；數(shù)字化氫觀測站7個，數(shù)字化氦觀測站8個，數(shù)字化流量觀測站14個。采用的主要數(shù)字化觀測儀器基本信息(中國地震監(jiān)測預(yù)報司，2002；劉春國等，2015a，b；張彬等，2015；郭麗爽等，2016)見表1。

水位和水溫數(shù)字化觀測均采用投放傳感器至水面以下來觀測的方法。水位傳感器的投放深度一般為水面以下3～5 m；水溫傳感器的投放深度一般通過溫度梯度測量來確定，選擇水溫梯度較大、背景噪聲較小的區(qū)段(地震地下流體觀測方法 井水和泉水溫度觀測，DB/T 49—2012)，大都放置在水面以下100～500 m。多年的觀測實踐結(jié)果表明不同置深的水溫傳感器記錄到的水溫動態(tài)特征存在差異，水溫動態(tài)形成機(jī)理非常復(fù)雜，水溫傳感器最佳置深這一科學(xué)問題還存在爭議(汪成國等，2012；張慧等，2013；車用太等，2013，2014)。為了滿足異常核實與動態(tài)形成機(jī)理分析研究的需要，初步統(tǒng)計至少有52個觀測站采取了多層觀測，即同井在不同深度分別放置水溫傳感器的方法。流量主要采用在泄流管路上安裝數(shù)字化電磁流量計來觀測，電磁流量計是一種無阻式流量計，與渦輪流量計相比，更適合地震行業(yè)高礦化度等水質(zhì)的流量觀測(許秋龍，2016)。

與水位、水溫、流量等物理量觀測方法不同，氡、汞、氫和氦氣化學(xué)量數(shù)字化觀測除了需要有數(shù)字化觀測儀器外，還需要有自動獲取氣體的裝置，即脫氣-集氣裝置，如圖1a所示。我國地震系統(tǒng)在“九五”和“十五”期間自主研制了鼓泡式脫氣裝置、濺落式脫氣裝置、臥式脫氣裝置和浮動罩式集氣裝置4大基本類型，其中以濺落式脫氣裝置應(yīng)用最廣。以濺落式脫氣裝置為例，脫氣裝置包括水氣分離裝置、水路(引水管、出水管)和氣路(含引氣管、冷凝裝置等)，如圖1b所示。為了客觀測量地下水中氣體的瞬時含量，要求脫氣裝置具有較高且穩(wěn)定的脫氣率和換氣率，但由于大多數(shù)觀測井泉流量變化大、水質(zhì)條件較差，水路流量難以控制，水路與氣路容易堵塞以及水氣分離裝置結(jié)構(gòu)缺陷等問題較為突出，脫氣裝置技術(shù)尚不能滿足地下水中氣體連續(xù)穩(wěn)定觀測的需要。

(a)地下流體觀測系統(tǒng)構(gòu)成 (b)脫氣裝置示意圖(據(jù)地震臺站建設(shè)規(guī)范 地下流體臺站第2部分，氣氡和氣汞臺站，DB/T 20.2—2006改繪)

表1 地下流體監(jiān)測網(wǎng)主要數(shù)字化觀測儀器基本信息

(2)人工觀測技術(shù)

部分氡、汞、氫及氦觀測站和大部分流量觀測站采用人工觀測技術(shù)進(jìn)行觀測。受觀測技術(shù)所限，水質(zhì)和其它大部分氣體觀測沒有數(shù)字化觀測技術(shù)，亦均采用人工觀測技術(shù)觀測。目前，采用的主要人工觀測儀器基本信息見表2。

井或泉流量觀測：目前普遍采用的是現(xiàn)場容積式或稱重式人工觀測方法觀測。

氡觀測：觀測點(diǎn)取水樣或氣樣，觀測室測試。水樣在測量前還需要鼓泡、脫氣。觀測儀器主要包括FD-125、SD-3B、BG2015D、DDL-2測氡儀。

汞觀測：觀測點(diǎn)取水樣，現(xiàn)場加保護(hù)劑，觀測室脫汞、富集、測試；或直接在觀測點(diǎn)通過大氣采樣器將土壤氣中的汞(零價汞)富集到捕汞管帶回到觀測室測試。觀測儀器有XG-4、RG-BS、ATL-2000和XGY-1011a測汞儀。

水質(zhì)觀測：觀測地下水中電導(dǎo)率、pH值、Eh值、常量離子濃度和微量元素含量的變化。觀測方式為觀測點(diǎn)取水樣，觀測室采用滴定管法或離子色譜儀(主要為CIC-200型離子色譜儀)進(jìn)行分析測試。

氣體觀測：觀測地下水中H、He、CO、N、CH、Ar、O含量變化。觀測方式為觀測點(diǎn)取水樣，在觀測室脫氣后，利用氣相色譜儀分析測試氣體含量，常用儀器有SP-2304、SP-2305和SP-3400型氣相色譜儀。

表2 地下流體監(jiān)測網(wǎng)主要人工觀測儀器基本信息

1.4 儀器檢測技術(shù)

定期對地下流體觀測儀器進(jìn)行檢測，是保障入網(wǎng)觀測儀器的質(zhì)量與運(yùn)行儀器產(chǎn)出數(shù)據(jù)的可靠性、準(zhǔn)確性和一致性的主要手段。儀器檢測技術(shù)包括現(xiàn)場檢測技術(shù)和實驗室計量檢測技術(shù)。

(1)現(xiàn)場檢測技術(shù)

地下流體主要觀測項目的觀測儀器基本上都有現(xiàn)場檢測方法，只有水溫儀一直缺乏有效的現(xiàn)場檢測技術(shù)。水溫儀難以現(xiàn)場檢測的主要原因有兩個：一是用于地震監(jiān)測的水溫儀器本身具有很高的分辨力和較高的觀測精度，是觀測點(diǎn)“點(diǎn)溫”的測試，難以找到參考標(biāo)準(zhǔn)儀器。另外一個重要原因是水溫傳感器大都放置在一個溫度梯度較大而噪聲較小的區(qū)段，再投放一個參考傳感器將破壞現(xiàn)有的水溫平衡狀態(tài)，很難根據(jù)短時間的測量偏差來判斷儀器是否正常。

水位儀現(xiàn)場檢測主要采用校測的方式。早期采用帶測量尺的測鐘，現(xiàn)在測鐘大部分被便攜式電子水位計代替。以電子水位計作為參考，通過對比電子水位計與水位觀測儀器的測量偏差來判斷儀器是否工作正常。

測氡儀主要采用固體氡氣源法來進(jìn)行檢測與校準(zhǔn)。近年來，考慮到固體氡氣源作為放射性源存在安全隱患，科研人員開始尋找替代方法，其中采用氡標(biāo)準(zhǔn)計量參考儀器(AlphaGUARD P2000測氡儀)的校準(zhǔn)方法經(jīng)大量實驗研究已基本成熟，目前正在推廣應(yīng)用(任宏微等，2017；姚玉霞，2017)。研制移動的微型氡室用于臺站測氡儀的校準(zhǔn)亦取得了一定的進(jìn)展(黃仁桂等，2020)。

測汞儀的校準(zhǔn)方法為飽和汞蒸氣法，利用汞在不同溫度下具有固定的蒸汽壓的特性來獲取已知濃度的汞氣作為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。早期臺站需要制作飽和汞蒸氣瓶用于校準(zhǔn)，存在汞泄露、溫度波動、標(biāo)準(zhǔn)汞氣量體積難以控制等問題。近年來，科研人員以飽和汞蒸氣瓶為原型，研制成功標(biāo)準(zhǔn)汞發(fā)生與控制裝置并推廣應(yīng)用，校準(zhǔn)工作較為簡便和準(zhǔn)確。

(2)實驗室計量檢測技術(shù)

地下流體觀測儀器的計量檢測長期存在檢測方法不成熟、不完備，缺少計量檢定與檢測平臺等問題。盡管計量科學(xué)研究院、測試技術(shù)研究院等具有計量資質(zhì)的社會計量機(jī)構(gòu)可以為測氡儀、測汞儀、水溫儀、水位等主流流體儀器提供量值溯源服務(wù)，但檢測項目、指標(biāo)要求與地震監(jiān)測業(yè)務(wù)的需求還有一定的差異，不能滿足地震監(jiān)測儀器設(shè)備的檢定與入網(wǎng)檢測要求。

為了改變這種現(xiàn)狀，自“十一五”開始，科研人員開展了地下流體計量檢測技術(shù)研究。經(jīng)過多年的試驗與檢測實踐研究，提出了利用模擬井孔法和壓力輸入法相結(jié)合來檢測水位儀的觀測誤差，利用微自流模擬井孔裝置測試水位儀長期穩(wěn)定性(劉春國等，2018；地震觀測儀器進(jìn)網(wǎng)技術(shù)要求 地下流體觀測儀第1部分：壓力式水位儀，DB/T 32.1—2020)，利用相對溫度變化可控的恒溫箱來測試水溫儀器的分辨力與穩(wěn)定性等新的測試方法(張光順等，2018)。針對壓力式水位儀、測溫儀、測氡儀(含人工和數(shù)字)、測汞儀(含人工和數(shù)字)，建立了一套相對完備和成熟的包含觀測儀器的分辨力或靈敏度、準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性等性能指標(biāo)，供電、溫濕度等環(huán)境適應(yīng)性指標(biāo)和儀器控制、數(shù)據(jù)產(chǎn)出、通信等功能性指標(biāo)在內(nèi)的檢定與檢測方法。

基于以上的檢定與檢測方法，購置壓力控制器、恒溫槽、固體氡發(fā)生器、汞標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)發(fā)生裝置及其標(biāo)準(zhǔn)儀器等國內(nèi)外先進(jìn)的計量檢測設(shè)備，研究建設(shè)適合于地震系統(tǒng)水位儀、測溫儀、測氡儀和測汞儀檢測的計量檢測實驗室與比測平臺，2019年完成建設(shè)并投入運(yùn)行。自此，我國地震系統(tǒng)已經(jīng)具備壓力式水位儀、測溫儀、測氡儀和測汞儀計量檢定與入網(wǎng)檢測能力。

1.5 臺網(wǎng)管理

在“十五”以前，臺網(wǎng)管理主要依靠臺站定期報送觀測資料、學(xué)科組年度資料評比來管理。隨著數(shù)字化觀測技術(shù)的發(fā)展、數(shù)字化觀測站的不斷增加，這種傳統(tǒng)的管理模式不再適用。

自“十五”開始，中國地震局啟動適應(yīng)數(shù)字化臺網(wǎng)的臺網(wǎng)技術(shù)系統(tǒng)建設(shè)。升級數(shù)字化觀測儀器為網(wǎng)絡(luò)化觀測儀器，建立地震行業(yè)專網(wǎng)，改造臺站為行業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息節(jié)點(diǎn)，實現(xiàn)“網(wǎng)絡(luò)到臺站，IP到儀器”。建設(shè)區(qū)域前兆臺網(wǎng)中心技術(shù)系統(tǒng)和國家前兆臺網(wǎng)中心技術(shù)系統(tǒng)。研究數(shù)據(jù)匯集、數(shù)據(jù)處理、質(zhì)量評估和產(chǎn)品加工處理模型(周克昌等，2011；李正媛等，2018)，基于模型，研制開發(fā)了數(shù)據(jù)匯集管理、數(shù)據(jù)處理與分析、質(zhì)量監(jiān)控與評估、產(chǎn)品產(chǎn)出與服務(wù)等相關(guān)業(yè)務(wù)的專業(yè)軟件，分別部署在臺站、區(qū)域前兆臺網(wǎng)中心、國家前兆臺網(wǎng)中心和學(xué)科臺網(wǎng)中心(表3)。

表3 地下流體臺網(wǎng)各級節(jié)點(diǎn)部署業(yè)務(wù)軟件一覽表

伴隨著技術(shù)系統(tǒng)建設(shè)，規(guī)制標(biāo)準(zhǔn)體系的建設(shè)也逐步完善。中國地震局陸續(xù)組織制定了包括臺網(wǎng)設(shè)計、環(huán)境技術(shù)要求、臺站建設(shè)、儀器入網(wǎng)技術(shù)要求、臺網(wǎng)運(yùn)行管理規(guī)定、觀測技術(shù)與方法等一系列運(yùn)行管理技術(shù)規(guī)范。臺站、省級前兆臺網(wǎng)中心和國家級前兆臺網(wǎng)中心(學(xué)科中心)依托運(yùn)行管理技術(shù)系統(tǒng)和技術(shù)規(guī)范對監(jiān)測網(wǎng)實施分級管理。臺站承擔(dān)觀測系統(tǒng)運(yùn)維、數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理，省級前兆臺網(wǎng)中心主要承擔(dān)所轄臺網(wǎng)的數(shù)據(jù)匯集與運(yùn)行監(jiān)控，國家級前兆臺網(wǎng)中心承擔(dān)全國臺網(wǎng)數(shù)據(jù)的匯集與分發(fā)、運(yùn)行監(jiān)控與產(chǎn)品產(chǎn)出工作。

到“十一五”末，現(xiàn)代化的地下流體監(jiān)測業(yè)務(wù)運(yùn)行管理體系已初步形成，臺網(wǎng)運(yùn)行管理水平進(jìn)入到一個全新階段。地下流體臺網(wǎng)數(shù)據(jù)實現(xiàn)了統(tǒng)一規(guī)范化的管理與存儲，制定了地震前兆數(shù)據(jù)庫規(guī)范行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對觀測數(shù)據(jù)、場地信息、觀測儀器信息、日志信息的數(shù)據(jù)庫存儲結(jié)構(gòu)進(jìn)行了規(guī)范(周克昌等，2010)，在節(jié)點(diǎn)臺站、省級中心、國家級中心建立了數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)相同的地下流體數(shù)據(jù)庫，通過部署的管理系統(tǒng)軟件實現(xiàn)了儀器觀測數(shù)據(jù)的自動采集入庫，數(shù)據(jù)從臺站、省級中心、國家級中心的自動匯集與分發(fā)。

地下流體臺網(wǎng)實現(xiàn)了日、月、年3個時間尺度的全網(wǎng)、主要測項的質(zhì)量監(jiān)控。臺網(wǎng)質(zhì)量監(jiān)控工作以國家地下流體學(xué)科臺網(wǎng)中心為主，省級臺網(wǎng)中心協(xié)同、臺站響應(yīng)來完成。質(zhì)量監(jiān)控內(nèi)容主要包括數(shù)據(jù)匯集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)質(zhì)量、觀測運(yùn)維、產(chǎn)品產(chǎn)出等，依據(jù)監(jiān)控內(nèi)容的時效性開展不同尺度的監(jiān)控。

地下流體臺網(wǎng)產(chǎn)出實現(xiàn)了單一的觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)品向多元化、信息化產(chǎn)品的發(fā)展。目前，臺網(wǎng)定期產(chǎn)出觀測背景信息、觀測日志、事件分析記錄等基礎(chǔ)性信息產(chǎn)品，觀測數(shù)據(jù)內(nèi)涵更加豐富，一定程度上提升了觀測數(shù)據(jù)的應(yīng)用價值；定期產(chǎn)出觀測報告、圖像專業(yè)產(chǎn)品、地震分析研究報告等專業(yè)化產(chǎn)品，從監(jiān)測視角給出觀測分析結(jié)果與說明，對于分析預(yù)報與科研具有一定的參考價值(劉春國等，2015b)。

1.6 存在的主要問題

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國地震地下流體監(jiān)測取得了長足進(jìn)步，在地震預(yù)測預(yù)報實踐和科學(xué)研究中發(fā)揮了重要的作用，但與我國防震減災(zāi)需求相比，還有諸多差距。主要問題有：

(1)站網(wǎng)布局有待完善。理論基礎(chǔ)薄弱，缺乏科學(xué)布局的指導(dǎo)思想；站點(diǎn)分布明顯東密西疏，在地震多發(fā)的西部地區(qū)數(shù)量嚴(yán)重不足；現(xiàn)有觀測項目的區(qū)域針對性不強(qiáng)；有21%的觀測站只有單一觀測項目，缺少相互印證的多參量綜合觀測。缺少基于物理模型布設(shè)的密集地下流體觀測臺陣。

(2)觀測場地基礎(chǔ)條件有待改善。部分觀測站的觀測條件、場址和井孔不完全符合地震地下流體觀測的技術(shù)要求，抗干擾能力較差，降雨和開采干擾較為普遍。初步統(tǒng)計，大約43.3%的觀測點(diǎn)受到降雨的影響，有39.8%受到地下水開采的影響。

(3)觀測技術(shù)仍不成熟。水氡、水汞、水質(zhì)和氣體組分等是具有較高地震預(yù)測效能的觀測項目，目前仍主要延續(xù)三十年前的人工觀測方式。數(shù)字化觀測系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性較差，特別是化學(xué)量的數(shù)字化觀測技術(shù)，受不成熟的氣體獲取技術(shù)的限制，數(shù)字化氡和汞的觀測效能明顯偏低。此外，部分觀測儀器的現(xiàn)場檢測技術(shù)尚未取得突破性進(jìn)展。

(4)運(yùn)行管理面臨挑戰(zhàn)。自2018年起，地震系統(tǒng)啟動了業(yè)務(wù)體系改革，建立了以中心站、省級臺、國家級業(yè)務(wù)中心為站網(wǎng)管理運(yùn)行主體的新業(yè)務(wù)體系架構(gòu)，各業(yè)務(wù)主體的職責(zé)與職能發(fā)生變化，業(yè)務(wù)鏈條更加細(xì)分與完整，現(xiàn)有運(yùn)行管理體系已經(jīng)不能滿足新業(yè)務(wù)改革的需求，運(yùn)行規(guī)范與技術(shù)要求亟待更新、完善與補(bǔ)充。此外，在“十五”期間建立的運(yùn)行管理技術(shù)系統(tǒng)，其技術(shù)水平明顯落后于當(dāng)今信息技術(shù)的發(fā)展水平。

2 新技術(shù)新方法探索

為了進(jìn)一步提升地下流體站網(wǎng)的監(jiān)測效能，充分發(fā)揮地下流體監(jiān)測在地震預(yù)測中的作用，近十多年來，圍繞地下流體的觀測技術(shù)和觀測方法，科技工作者開展了大量的研究和探索工作，其中以地?zé)嵊^測和數(shù)字化地下氣體觀測的新技術(shù)新方法探索較為突出，并取得了一定的進(jìn)展。

2.1 地?zé)嵊^測

地震地下流體通過深井水溫、泉水溫和地溫觀測來監(jiān)測地?zé)釀討B(tài)變化，其中深井水溫觀測已經(jīng)發(fā)展成為地震地下流體臺網(wǎng)的主要觀測項目之一，實現(xiàn)了成網(wǎng)觀測。而泉溫觀測點(diǎn)只占地?zé)嵊^測網(wǎng)的5%，地溫觀測自建點(diǎn)更少，基本上采用的是為氣象觀測服務(wù)的地溫觀測點(diǎn)，觀測孔深不超過320 cm，易受氣象因素和淺層地下水活動的影響。

溫泉作為地下深部熱流的天然通道，具有良好的映震效能，而地溫觀測具有反映短臨地震前兆的潛力，長期的地溫觀測對于地球科學(xué)研究具有重要意義(黃少鵬，安芷生，2010)。近年來，在國家工程項目與科研項目的支持下，開展了溫泉水溫觀測網(wǎng)與地溫觀測網(wǎng)建設(shè)實踐與研究，所采取的觀測思路、觀測技術(shù)與觀測方法及其實踐經(jīng)驗對未來溫泉觀測網(wǎng)和地溫觀測網(wǎng)的建設(shè)具有一定的借鑒意義。

(1)溫泉水溫觀測

“十一五”期間，在云南的龍陵地區(qū)和四川的甘孜理塘地區(qū)建立了自動化溫泉水溫臺陣，選擇在同一個構(gòu)造活動單元和相同水文地質(zhì)條件的地區(qū)建立溫泉觀測臺陣對于地下流體臺網(wǎng)來說尚屬首次。

龍陵溫泉臺陣地處邦臘掌溫泉景區(qū)，由20個出露泉點(diǎn)組成，這些泉點(diǎn)大都沿香柏河(推測存在一條張性的香柏河斷裂)一側(cè)呈條帶狀展布，為深循環(huán)溫泉，泉溫大都在50 ℃以上，最高在90 ℃以上，富含腐蝕性氣體。水溫觀測設(shè)備采用低精度的溫度采集器(觀測精度為±0.5 ℃、分辨力為 0.1 ℃)，將水溫探頭直接固定于泉點(diǎn)出水眼底部，雙探頭設(shè)計。理塘溫泉臺陣位于理塘斷裂帶的主斷裂 NE 側(cè)的分支小斷裂上，由毛埡溫泉群中密集分布的10口泉點(diǎn)組成，泉點(diǎn)為中-深循壞溫泉，泉溫大都在30 ℃～60 ℃。觀測儀器為高精 度 測 溫儀(觀測精度為±0.05 ℃、分辨力為 0.000 1 ℃)。溫度探頭放置在溫泉自然出露處，對于流量較小或溫泉出露口較淺的泉鉆孔10 m，將探頭放置在鉆孔底部。

溫泉臺陣在盈江5.6及6.1地震、景谷6.6和九寨溝7.0地震前監(jiān)測到較為明顯的水溫異常變化(衛(wèi)青等，2017；國家地下流體臺網(wǎng)中心，2017)。密集的測點(diǎn)與較高的時間分辨率為泉點(diǎn)溫度的時空演化規(guī)律研究提供了豐富的觀測數(shù)據(jù)。但也存在觀測儀器故障率偏高、運(yùn)維困難等問題，采用的觀測儀器尚不能滿足高溫、富含腐蝕性氣體的溫泉水溫長期穩(wěn)定觀測需求，亟待升級改造。

(2)地溫觀測

2009—2020年，中國地震局地質(zhì)研究所研究團(tuán)隊在川滇和新疆等地區(qū)建立了多個基巖地溫觀測網(wǎng)，通過基巖地溫觀測來獲取地殼應(yīng)力的動態(tài)變化(陳順云等，2009；Chen，2016)。觀測方法是：沿斷裂帶及附近基巖區(qū)鉆20～50 m不等的孔，每個孔多個深度安裝有傳感器，儀器安裝完成后用水泥灌封整個鉆孔。為了探測地震前或地震時的0.01 MPa到幾MPa量級的應(yīng)力變化(相當(dāng)于0.000 01 ℃～0.001 °C量級的溫度變化)，該團(tuán)隊研發(fā)了分辨力達(dá)到0.000 01℃～0.000 003℃的高精度溫度測量系統(tǒng)用于觀測(張智河等，2018，2021)。陳順云等(2020)將康定6.3地震鮮水河斷裂帶觀測網(wǎng)地溫同震獲得的應(yīng)力變化量級及空間分布特征與測震學(xué)方法的結(jié)果對比，結(jié)果一致，證實了基巖地溫探測地殼應(yīng)力變化的有效性。而通過基巖觀測網(wǎng)獲得的地震前兆異常卻很少，基巖地溫觀測機(jī)理模型尚需繼續(xù)研究與完善，儀器的性能與長期穩(wěn)定性有待提升(陳順云等，2021)。

2017年，天津市地震局建立了一個服務(wù)于大震短臨跟蹤的地溫連續(xù)監(jiān)測網(wǎng)，這也是地震系統(tǒng)建設(shè)的第一個專業(yè)化數(shù)字化地溫觀測網(wǎng)。地溫監(jiān)測網(wǎng)由30個測點(diǎn)組成，測點(diǎn)均布設(shè)在主要斷裂帶附近，每個測點(diǎn)均鉆孔32.0 m，2個溫度傳感器捆綁在一起放置在鉆孔31 m處，灌注2 m石英砂，再灌注粘土球封孔。鉆孔所揭露地層巖性以粉質(zhì)黏土、粉土和粉砂為主。與基巖地溫觀測不同，該觀測網(wǎng)采用了低精度測溫儀器(分辨力0.01 ℃、絕對精度0.05 ℃)。目前測網(wǎng)運(yùn)行正常，觀測數(shù)據(jù)已經(jīng)接入國家地下流體臺網(wǎng)投入運(yùn)行。

從以上地溫觀測資料分析結(jié)果來看，采用深度不小于20 m的鉆孔及其鉆孔灌封技術(shù)可以減少氣象因素的影響，降低淺層地下水活動的干擾，而這兩類因素正是傳統(tǒng)地溫觀測的主要干擾源；雙探頭并行或同鉆孔多層多探頭觀測可以互相映證，觀測方法與觀測技術(shù)有所突破。

2.2 數(shù)字化地下氣體觀測

數(shù)字化地下氣體觀測技術(shù)近二十年來一直是地下流體學(xué)科新技術(shù)新方法的探索重點(diǎn)。

一些新型CO、CH、H、He、Rn數(shù)字化儀器陸續(xù)被研制與引入來開展地下流體相關(guān)測項的觀測試驗研究(朱旭等，2011；任佳等，2013；張曉剛等，2016)，主要包括河北省地震局研發(fā)的RZW-1A型數(shù)字化二氧化碳測量儀，杭州超距公司研制的ATG-C600二氧化碳在線分析儀、ATG-CH甲烷在線分析儀、ATG-H800氦氣在線分析儀，智能(廈門)傳感器有限公司研制的HDZA02測氫儀和賽睿環(huán)儀(北京)NRSM-D01型地埋式土壤氡在線監(jiān)測儀等。這些設(shè)備目前主要安裝在省局及地方自籌建設(shè)和科學(xué)實驗場等科研項目建設(shè)的觀測點(diǎn)上運(yùn)行，儀器性能與監(jiān)測效能有待評估。

除了新型數(shù)字化儀器外，與數(shù)字化氣體連續(xù)觀測配套的氣體自動化收集技術(shù)(即脫氣-集氣裝置技術(shù))是研究探索的另一個熱點(diǎn)(陳華靜等，2002；許秋龍，崔勇，2005；邱鵬成等，2007；孔令昌等，2011；邱永平，2014)。許秋龍(2019)在濺落式脫氣裝置的基礎(chǔ)上研制了自吸氣式脫氣裝置，這種裝置適用于大流量、低礦化度冷水井泉，已經(jīng)應(yīng)用在全國約30個觀測點(diǎn)改造中。高小其等(2021)對自吸氣式脫氣裝置、鼓泡式脫氣裝置和浮動罩式集氣裝置進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化改造，并新提出了引入高頻振動的適應(yīng)高礦化度的脫氣-集氣裝置和適合觀測單次測量所需氣量較小的測項(如H、CO、CH、He等)的真空脫氣-集氣裝置，這些裝置一定程度上提升了脫氣效率和穩(wěn)定性，但由于這些新的脫氣裝置大都需要配套電子控制裝置，增加了技術(shù)環(huán)節(jié)和系統(tǒng)的復(fù)雜性，帶來一些新的干擾因素，應(yīng)用效果還有待實踐檢驗。

目前，脫氣-集氣裝置問題大都集中在復(fù)雜的水、氣管路上，一種新的研究思路是簡化或去除脫氣-集氣裝置的管路設(shè)計。針對氫、氦氣體質(zhì)量輕、難溶于水的特點(diǎn)，基于排水法的簡易脫氣-集氣裝置(Zhou，2021)在井泉氦和氫自動化連續(xù)觀測中被采用，這種裝置去除了水管路，設(shè)計簡單，應(yīng)用效果較好。此外，從儀器端進(jìn)行改進(jìn)，探頭與主機(jī)分離，將探頭直接放置在氣體收集腔內(nèi)，去除氣路設(shè)計部分，達(dá)到簡化脫氣-集氣裝置的效果，新型HDZA02測氫儀和NRSM-D01型測氡儀的探頭設(shè)計就是采取這種思路(Wang，2021)。最新的研究方向是不用脫氣-集氣裝置，而是直接測量，目前，地下水中氡濃度直接自動連續(xù)測量技術(shù)已經(jīng)取得一定進(jìn)展。

3 發(fā)展趨勢與展望

3.1 國際發(fā)展趨勢

國際上多震國家對地下流體的觀測和研究極為重視，日本、美國、中亞各國、俄羅斯、意大利、土耳其等國家在地震多發(fā)區(qū)、火山區(qū)或地震預(yù)報實驗場建有地下流體觀測網(wǎng)。與我國相比，這些國家的觀測網(wǎng)在布局方式、觀測場地、觀測手段等方面具有自己的特點(diǎn)，呈現(xiàn)出新的發(fā)展趨勢。

觀測網(wǎng)主要以密集臺陣方式布設(shè)，并具有較高的科學(xué)性和目的性。美國在圣安德烈斯斷裂及其附近布設(shè)了密集的地下流體觀測手段，建立了具有潛在預(yù)報能力的動力學(xué)模型。為了研究地下流體前兆場與活動斷裂的關(guān)系，中亞各國觀測井(泉)總體上沿主要活動斷裂帶布設(shè)，并在若干地段布設(shè)多條與主要活動斷裂垂直的剖面(車用太等，2006)。

觀測場地方面，為盡可能避開環(huán)境干擾，注重對可能反映地殼深部物質(zhì)活動的深井、溫泉和斷層土壤氣等的觀測。近年來，研究人員通過在日本野島斷層(Nojima)、圣安德列斯斷裂(SAFOD)、日本海溝(JFAST)和新西蘭深部斷層(DFDP)等區(qū)域鉆探深井開展采樣分析與溫度、地下水位、孔隙壓力和應(yīng)變等監(jiān)測，獲得斷層活動區(qū)域的地下介質(zhì)熱動力條件、斷層活動熱效能轉(zhuǎn)換和物質(zhì)活動特征的有效信息(劉耀煒，2005；李海兵等，2019)。美國、日本、土耳其和意大利等國家在主要活動斷裂帶及火山地區(qū)開展溫泉流體觀測和土壤氣體觀測用于地震監(jiān)測與研究(Caracausi，2005；Kulongoski，2013；Italiano，2009；Kop，2014；Camarda，2019)。

觀測手段方面，注重深、淺流體的對比觀測和多手段的聯(lián)合觀測研究。如日本建設(shè)的部分流體臺站，深、淺井配套，水位及水溫與測震、鉆孔應(yīng)變、GNSS等其他學(xué)科觀測手段聯(lián)合觀測；美國在帕克菲爾德臺網(wǎng)開展了地下流體中深井、泉與斷層帶氣體聯(lián)合觀測。地下水位、電導(dǎo)率、地?zé)?、地下氣體觀測大都為自動化連續(xù)觀測，大部分水化學(xué)組分采用現(xiàn)場直接快速測量或取樣觀測(車用太等，2006；Matsumoto，Koizumi，2013)。

3.2 監(jiān)測工作展望

我國地震地下流體監(jiān)測的首要任務(wù)是為地震預(yù)測預(yù)報服務(wù)。為全面提升地震地下流體站網(wǎng)的監(jiān)測能力，2021年中國地震局正式啟動《中國地球物理站網(wǎng)(地下流體)規(guī)劃》(2021—2030年)的編制工作。以滿足未來十年我國地震重點(diǎn)監(jiān)視防御區(qū)震情監(jiān)視跟蹤需求為目標(biāo)，基于我國地震地下流體監(jiān)測現(xiàn)狀和國際發(fā)展趨勢，本文提出地下流體監(jiān)測發(fā)展方向與未來工作重點(diǎn)：

(1)開展現(xiàn)有觀測網(wǎng)的技術(shù)清理與站點(diǎn)效能評估，加強(qiáng)地下流體觀測機(jī)理與布局技術(shù)研究，科學(xué)規(guī)劃、分類標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計地下流體監(jiān)測網(wǎng)；加強(qiáng)以前兆機(jī)理探索為目的的流體觀測臺陣建設(shè)與研究。

(2)廣泛應(yīng)用國內(nèi)外先進(jìn)的觀測技術(shù)，提升地下流體觀測儀器的性能與長期穩(wěn)定性；應(yīng)用化學(xué)量觀測新技術(shù)，繼續(xù)發(fā)展氣體自動化連續(xù)觀測技術(shù)，加快提升現(xiàn)有化學(xué)量人工觀測的智能化、自動化水平；加強(qiáng)地下流體新技術(shù)新方法研究，提升地下流體觀測項目的監(jiān)測能力與抗干擾能力。

(3)依托國家重大項目、地方投資項目、共建項目，優(yōu)化改造現(xiàn)有觀測井泉條件，提升其觀測資料的信噪比。在我國大陸主要活動地塊邊界和首都圈、川滇、新疆等地震重點(diǎn)監(jiān)視防御區(qū)加密布設(shè)，新建深井觀測站，因地制宜發(fā)展有可能獲得深部物質(zhì)活動信息的溫泉流體觀測和斷層氣體觀測，滿足重點(diǎn)監(jiān)視區(qū)近震源區(qū)應(yīng)變及深部活動監(jiān)視需求。

(4)清理、完善現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)制體系，建設(shè)協(xié)同、高效的一體化運(yùn)行管理平臺，打造新型運(yùn)行管理體系。加強(qiáng)數(shù)據(jù)融合處理技術(shù)，建立跨行業(yè)地下流體虛擬觀測網(wǎng)，推進(jìn)地震地下流體觀測資料與外行業(yè)流體觀測資料互連互通、共享服務(wù)。

本文是在編制《中國地球物理站網(wǎng)(地下流體)規(guī)劃》(2021—2030年)的背景下撰寫的，編制工作得到了周曉成、孫小龍、張彬、趙剛、周志華、王博、何案華、張光順等工作組成員的大力支持和幫助，車用太、劉耀煒、孔令昌和高小其研究員為未來地下流體監(jiān)測發(fā)展方向提出了寶貴的意見和建議，在此表示衷心感謝！