地下流體井水溫?cái)?shù)據(jù)質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)探討*

陶志剛，劉春國

(中國地震臺網(wǎng)中心，北京 100045)

0 引言

作為地震前兆異常的高靈敏性測項(xiàng)，井孔水溫觀測在地震預(yù)報(bào)工作中發(fā)揮著重要作用，特別是在短臨預(yù)報(bào)工作中起決定性作用(車用太等，2005)，因此，井水溫觀測數(shù)據(jù)的真實(shí)性非常關(guān)鍵，其數(shù)據(jù)質(zhì)量評價(jià)體系也尤為重要。體現(xiàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量優(yōu)秀的基本標(biāo)準(zhǔn)是：觀測數(shù)據(jù)能真實(shí)反映地下動(dòng)態(tài)變化；動(dòng)態(tài)變化背景清晰；具有記錄到地震、構(gòu)造活動(dòng)或其它地球物理事件的能力。這也要求數(shù)據(jù)質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)應(yīng)能夠滿足觀測數(shù)據(jù)的真實(shí)性、可靠性、連續(xù)性或完整性、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定與噪聲水平、觀測精度等方面的評價(jià)需求(劉春國等，2017)。

隨著地下流體臺網(wǎng)觀測資料評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系逐漸完善，評價(jià)方式逐漸由人工向自動(dòng)化轉(zhuǎn)變，在提高觀測資料質(zhì)量方面起到重要作用，但也存在評價(jià)指標(biāo)體系不夠完善，部分測項(xiàng)自動(dòng)化程度不高，不能適應(yīng)地震行業(yè)高速、集約化發(fā)展需求的問題。

車用太等(2006)調(diào)查了我國345個(gè)地震地下流體觀測臺站，發(fā)現(xiàn)這些臺站存在著不同程度的環(huán)境干擾。據(jù)邱鵬成等(2010)的統(tǒng)計(jì)，2008年四川汶川8.0級地震震中周圍800 km范圍內(nèi)的216個(gè)水溫觀測井中，記錄到同震變化的井點(diǎn)有132個(gè)，占61%。2010年青海玉樹7.1級地震發(fā)生時(shí)，記錄到同震變化的井水溫觀測點(diǎn)有10個(gè)。2013年四川蘆山7.1級地震發(fā)生時(shí)，記錄到同震變化的水溫觀測井點(diǎn)有10個(gè)(張彬等，2013)。全國能夠記錄到水溫潮汐變化信息的井點(diǎn)有32個(gè)(魚金子等，2012)。由此可見，大部分觀測井都會受到不同程度的環(huán)境干擾，每口井水溫觀測數(shù)據(jù)記錄地球物理信息的能力也各不相同。此外，傳感器置深合理性也是水溫觀測很重要的影響因素。張慧等(2013)從井下153 m、336 m、510 m 3處不同傳感器置深對?？赯K26井水溫的微動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行對比研究，證明同一口井不同傳感器置深對固體潮效應(yīng)、同震響應(yīng)、震后效應(yīng)的記錄能力差別較大。陶志剛和劉春國(2021)通過對非自流井水溫固體潮的分析，認(rèn)為水溫記錄固體潮效應(yīng)與水溫傳感器的投放位置有很大關(guān)系。而目前的井水溫?cái)?shù)據(jù)質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)還是基于數(shù)據(jù)完整性、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)內(nèi)在質(zhì)量和日常檢查4部分，評價(jià)指標(biāo)未能充分體現(xiàn)出數(shù)據(jù)受干擾程度、記錄的有用信息、傳感器置深合理性等方面的作用。針對井水溫監(jiān)測現(xiàn)狀以及目前現(xiàn)行評價(jià)指標(biāo)存在的問題，應(yīng)該重新建立井水溫?cái)?shù)據(jù)質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)體系，更加科學(xué)合理地評估井水溫觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量。地下流體地溫觀測網(wǎng)包括井水溫、泉水溫和地溫觀測，本文所討論的主要是井水溫觀測數(shù)據(jù)的評價(jià)指標(biāo)，旨在為制定新的井水溫?cái)?shù)據(jù)質(zhì)量評價(jià)方案提供參考。

1 井水溫監(jiān)測現(xiàn)狀

地下流體井水溫觀測指的是監(jiān)測井孔中某一深度處的井水溫度隨時(shí)間的變化，目前納入國家地下流體臺網(wǎng)管理的井水溫測點(diǎn)約有445個(gè)，分布在全國30個(gè)省、市和自治區(qū)。觀測儀器主要為SZW-1、SZW-1A、SZW-2、ZKGD3000NT、TDT-56等測溫儀，已全部實(shí)現(xiàn)數(shù)字化觀測，采樣率為1 次/min，觀測精度優(yōu)于0.05 ℃，分辨力為0.000 1 ℃，短期漂移穩(wěn)定性小于0.001 ℃/月，儀器指標(biāo)和性能明顯提升。與流體其它測項(xiàng)的觀測數(shù)據(jù)相比，水溫?cái)?shù)據(jù)變化幅度相對較小，動(dòng)態(tài)變化比較穩(wěn)定。水溫的正常動(dòng)態(tài)變化類型分為上升型、下降型、平穩(wěn)型和起伏型4大類。多年監(jiān)測結(jié)果表明，從井水溫觀測的時(shí)間序列曲線中可以識別出地震前兆異常、同震響應(yīng)、震后效應(yīng)、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、固體潮效應(yīng)等地球物理信息。

2 現(xiàn)行評價(jià)指標(biāo)

目前，地下流體觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量評價(jià)方案參照的是2015年修訂的《地下流體學(xué)科觀測資料質(zhì)量評比辦法》。井水溫觀測數(shù)據(jù)的評價(jià)指標(biāo)主要有數(shù)據(jù)完整率、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)內(nèi)在質(zhì)量和日常工作檢查4部分。

(1)數(shù)據(jù)完整率。數(shù)據(jù)完整率是在整點(diǎn)值的基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算，是有效數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)與儀器應(yīng)產(chǎn)出數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)的比值。觀測數(shù)據(jù)是地震監(jiān)測事業(yè)的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)完整率是質(zhì)量評價(jià)中最為重要的指標(biāo)，完整率越高，說明儀器產(chǎn)出的有效數(shù)據(jù)越多，因此分值權(quán)重占比最高。

(2)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。采用觀測數(shù)據(jù)消除趨勢后的標(biāo)準(zhǔn)差作為衡量標(biāo)準(zhǔn)?；舅悸肥怯靡浑A差分或移動(dòng)平均方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行去趨勢化處理，用標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)值作為評價(jià)數(shù)據(jù)背景噪聲的水平。標(biāo)準(zhǔn)差越大，說明數(shù)據(jù)的離散程度越大、背景噪聲越大。

(3)數(shù)據(jù)內(nèi)在質(zhì)量。采用消除趨勢后的超差個(gè)數(shù)來衡量內(nèi)在質(zhì)量。根據(jù)超過3倍標(biāo)準(zhǔn)差的次數(shù)評定，超差個(gè)數(shù)越多，說明數(shù)據(jù)突跳、階變越多，數(shù)據(jù)質(zhì)量越差。

(4)日常工作檢查。查看觀測數(shù)據(jù)是否進(jìn)行正確的預(yù)處理操作，數(shù)據(jù)發(fā)生明顯變化后是否有對應(yīng)的觀測日志記錄，數(shù)據(jù)跟蹤分析記錄是否準(zhǔn)確。日常工作檢查主要是對臺站觀測運(yùn)維方面的的評價(jià)。

在現(xiàn)行的地下流體觀測質(zhì)量評比辦法中，井孔水溫?cái)?shù)據(jù)質(zhì)量主要采用觀測曲線動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和超過3倍標(biāo)準(zhǔn)差的個(gè)數(shù)2個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)，這2個(gè)指標(biāo)只反映了水溫觀測數(shù)據(jù)變化序列的背景噪聲水平和離散程度，不夠全面。例如少數(shù)觀測井受環(huán)境干擾比較顯著，水溫傳感器因放置在一個(gè)水或熱交換緩慢的井孔部位，或水溫傳感器被井底淤泥掩埋，全年動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，這種情況的井水溫觀測數(shù)據(jù)在質(zhì)量評價(jià)中往往得到很高的分?jǐn)?shù)；而個(gè)別井水溫觀測動(dòng)態(tài)背景變化較大，且具有很強(qiáng)的映震能力的測點(diǎn)，在評比中得分卻相對較低。目前，現(xiàn)有評價(jià)指標(biāo)不完備，評價(jià)結(jié)果不能完全反應(yīng)出井水溫?cái)?shù)據(jù)質(zhì)量的真實(shí)狀態(tài)，數(shù)據(jù)質(zhì)量評價(jià)還依靠于評價(jià)人員自身的信息儲備來輔助判斷。

3 新評價(jià)指標(biāo)

地震地下流體臺網(wǎng)數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)控從年、月、周3個(gè)時(shí)間尺度進(jìn)行(陶志剛等，2021)，主要目的是減少“盲”數(shù)據(jù)的比例，提高觀測數(shù)據(jù)的應(yīng)用，更好地服務(wù)于地震監(jiān)測預(yù)報(bào)。觀測人員根據(jù)評價(jià)結(jié)果尋找影響觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的根源和問題所在，排除影響因素，提升觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

地下流體監(jiān)測要求觀測儀器能夠產(chǎn)出連續(xù)、穩(wěn)定、可靠的觀測數(shù)據(jù)。因此，在對數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量評價(jià)前，應(yīng)首先查看儀器配置是否合理，水溫傳感器是否放置在監(jiān)測效能最好的位置上，其次是要看觀測數(shù)據(jù)中反映出的地球物理信息，這兩個(gè)指標(biāo)決定了產(chǎn)出數(shù)據(jù)的可靠性；數(shù)據(jù)的完整率是另一個(gè)非常重要的指標(biāo)，它決定了數(shù)據(jù)的連續(xù)性；而數(shù)據(jù)的受干擾程度以及動(dòng)態(tài)背景特征這兩個(gè)指標(biāo)決定了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。依據(jù)上述思路，結(jié)合監(jiān)測預(yù)報(bào)人員的需求，本文在現(xiàn)行的《地下流體學(xué)科觀測資料質(zhì)量評比辦法》的基礎(chǔ)上提出新的井水溫評價(jià)指標(biāo)，包括干擾時(shí)強(qiáng)、觀測曲線動(dòng)態(tài)特征、信息反映能力、傳感器置深合理性4個(gè)指標(biāo)，見表1。

表1 井水溫?cái)?shù)據(jù)質(zhì)量新評價(jià)指標(biāo)提出依據(jù)

(1)干擾時(shí)強(qiáng)。地下流體監(jiān)測過程中，干擾因素是無法避免的。如果地震前兆異常與干擾因素同時(shí)作用在數(shù)據(jù)上，是很難區(qū)分開的，因此干擾因素評價(jià)非常重要。本文討論的干擾因素是指所有影響觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的因素，包括人為干擾、觀測系統(tǒng)干擾、自然環(huán)境干擾、場地環(huán)境干擾4大類。干擾因素對數(shù)據(jù)的影響不僅與數(shù)據(jù)變化幅度有關(guān)，同時(shí)與干擾的時(shí)間長短有關(guān)。例如，長期抽水干擾，雖然每次干擾幅度相對較小，但是每天都出現(xiàn)，長此以往，會嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)使用。儀器校測干擾可能會引起數(shù)據(jù)發(fā)生大幅度變化，但是對數(shù)據(jù)作用的時(shí)間很短，預(yù)處理后不會影響觀測數(shù)據(jù)的正常使用。此外，數(shù)據(jù)發(fā)生異常變化是否有對應(yīng)的變化原因說明，也會影響數(shù)據(jù)的使用。因此，評價(jià)干擾因素時(shí)需要考慮數(shù)據(jù)變化幅度、作用時(shí)間和干擾數(shù)據(jù)說明3個(gè)方面的因素。

本文根據(jù)數(shù)據(jù)的干擾幅度和干擾時(shí)間兩個(gè)因素，提出了干擾時(shí)強(qiáng)評價(jià)指標(biāo)，用于全面衡量干擾因素對數(shù)據(jù)的影響程度。干擾時(shí)強(qiáng)是一個(gè)無量綱指標(biāo)，是數(shù)據(jù)干擾程度與干擾時(shí)長的乘積，它將數(shù)據(jù)的受干擾程度進(jìn)行了精確量化計(jì)算。干擾度的概念是由車用太等(2005)提出的，是各類干擾引起的地下流體各測項(xiàng)動(dòng)態(tài)的相對異常程度。干擾度的計(jì)算參數(shù)如圖1所示。

圖1 干擾度計(jì)算參數(shù)示意圖(據(jù)車用太等，2005)

干擾度為：

(1)

干擾時(shí)長為數(shù)據(jù)異常變化的起止時(shí)間，單位h，精確到小數(shù)點(diǎn)后一位。

干擾時(shí)強(qiáng)為：

=×

(2)

干擾時(shí)強(qiáng)閾值劃分：計(jì)算每個(gè)水溫測點(diǎn)的干擾時(shí)強(qiáng)數(shù)值，并進(jìn)行累計(jì)求和。根據(jù)干擾時(shí)強(qiáng)的數(shù)值可以將觀測數(shù)據(jù)劃分為嚴(yán)重干擾、中等干擾和輕微干擾3種類型，分別對應(yīng)為觀測數(shù)據(jù)不可用、基本可用和可用3類，見表2。

表2 干擾程度劃分表

按照干擾時(shí)強(qiáng)計(jì)算方法，對流體臺網(wǎng)近5年總結(jié)的井水溫觀測數(shù)據(jù)可用性(數(shù)據(jù)觀測可用、基本可用和不可用)進(jìn)行計(jì)算，分別求出干擾時(shí)強(qiáng)所對應(yīng)的3類閾值范圍，即、數(shù)值，然后進(jìn)行劃分。

干擾原因說明是指數(shù)據(jù)異常變化的“使用說明書”，每一段干擾數(shù)據(jù)都應(yīng)該有對應(yīng)的干擾原因說明。評定標(biāo)準(zhǔn)為每一段干擾數(shù)據(jù)是否有對應(yīng)的觀測日志和跟蹤分析事件記錄(二者有其一即可)，記錄的信息包括：數(shù)據(jù)變化幅度、變化過程、干擾因素、干擾過程、強(qiáng)度、周期等。另外，對于已知原因造成的壓制動(dòng)態(tài)曲線變化的干擾數(shù)據(jù)應(yīng)進(jìn)行預(yù)處理刪除。

(2)觀測曲線動(dòng)態(tài)特征。地震監(jiān)測的目的是觀測地震前兆異常，地震前兆異常指地震孕育與發(fā)生階段表現(xiàn)出的、與無地震活動(dòng)時(shí)段的正常動(dòng)態(tài)有顯著差異的變化。常見的水溫前兆異常有兩類：一類是震前1～2 a出現(xiàn)的中期異常，表現(xiàn)為變化速率與變化方向的轉(zhuǎn)折；另一類是震前幾個(gè)月到幾天的短臨時(shí)間尺度上出現(xiàn)的階變、脈沖等異常形態(tài)(車用太等，2007)。因此，井水溫觀測數(shù)據(jù)正常動(dòng)態(tài)的基本特征應(yīng)具有清晰的變化規(guī)律或穩(wěn)定的變化速率，這樣才有可能識別出具有上述特征的地震前兆異常。反之，在正常時(shí)段的無規(guī)律、趨勢變化速率不穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)中或具有階變、脈沖、起伏型的動(dòng)態(tài)中，是無法識別出地震中短期前兆異常的。因此，根據(jù)監(jiān)測預(yù)報(bào)目的，將動(dòng)態(tài)特征作為評價(jià)指標(biāo)之一，動(dòng)態(tài)特征可通過消除趨勢后計(jì)算均方差和超差個(gè)數(shù)兩個(gè)方面進(jìn)行評定。

(3)信息反映能力。從觀測數(shù)據(jù)中提取與地震孕育和發(fā)生相關(guān)的信息，是地震監(jiān)測預(yù)報(bào)的主要任務(wù)。井水溫記錄的有科學(xué)研究意義的地球物理信息主要包括地震前兆異常、同震效應(yīng)、震后效應(yīng)和固體潮效應(yīng)。信息反映能力指標(biāo)能在一定程度上反映出水溫測點(diǎn)對應(yīng)力-應(yīng)變的靈敏性。固體潮效應(yīng)屬于中、低頻段地球物理信號，同震效應(yīng)是高頻地球物理信號。能監(jiān)測到低頻和高頻的地球物理信息，說明觀測井水溫觀測的頻帶較寬，監(jiān)測效能好。地震前兆異常、同震響應(yīng)和震后效應(yīng)可以根據(jù)震后總結(jié)進(jìn)行判定，能夠記錄到固體潮效應(yīng)的水溫測點(diǎn)相對較少，可通過調(diào)和分析方法計(jì)算固體潮M波觀測精度進(jìn)行判定。

(4)傳感器置深合理性。井水溫觀測是井孔中某一深度處的水溫動(dòng)態(tài)變化，不同觀測位置的監(jiān)測效能是不一樣的。評價(jià)傳感器置深合理性宜參考《地震地下流體觀測方法井水和泉水溫度觀測》(DB/T 49—2012)中的水溫探頭位置安裝技術(shù)要求，從井孔地溫梯度和數(shù)據(jù)變化背景噪聲兩個(gè)方面進(jìn)行評價(jià)。地溫梯度較大，可以明顯記錄到由深部物質(zhì)上涌、深層熱水上升或不同層冷熱水混合等因素引起的井水溫變化；背景噪聲較小，可以清晰地識別出數(shù)據(jù)的異常變化特征，避免地震前兆異常、同震響應(yīng)、固體潮效應(yīng)等有用的地球物理信息被背景噪聲淹沒。因此，評價(jià)傳感器置深合理性，主要依據(jù)臺站是否參考了觀測井溫度梯度測量結(jié)果和不同深度段的觀測數(shù)據(jù)背景噪聲水平這兩個(gè)因素。

4 新評價(jià)指標(biāo)的意義

新評價(jià)指標(biāo)是對現(xiàn)行評價(jià)指標(biāo)的有效補(bǔ)充，主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)可靠性和穩(wěn)定性兩個(gè)方面。水溫傳感器置深合理性指標(biāo)是在布設(shè)新儀器或更新改造儀器的時(shí)候進(jìn)行評定。信息反映能力可以根據(jù)過去5年儀器的地球物理信息記錄能力進(jìn)行評定，這兩個(gè)指標(biāo)屬于長期指標(biāo)。而觀測曲線動(dòng)態(tài)特征和干擾時(shí)強(qiáng)是動(dòng)態(tài)指標(biāo)，以月尺度評價(jià)即可。井水溫?cái)?shù)據(jù)質(zhì)量評價(jià)可以結(jié)合數(shù)據(jù)完整性、動(dòng)態(tài)特征、干擾時(shí)強(qiáng)、傳感器置深合理性和信息反映能力等指標(biāo)，根據(jù)不同權(quán)重進(jìn)行賦值，從而全面評價(jià)觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)性、穩(wěn)定性和可靠性。

地下流體數(shù)據(jù)質(zhì)量評價(jià)應(yīng)從數(shù)據(jù)質(zhì)量和觀測運(yùn)維兩個(gè)維度進(jìn)行。對于數(shù)據(jù)使用人員來說，比較看重?cái)?shù)據(jù)的內(nèi)在質(zhì)量評價(jià)結(jié)果，即數(shù)據(jù)的可靠性和穩(wěn)定性，可用數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)特征和干擾時(shí)強(qiáng)等指標(biāo)來評價(jià)；而監(jiān)測人員看重的是觀測運(yùn)維方面的評價(jià)結(jié)果。臺站一線監(jiān)測人員是否按照國家地下流體臺網(wǎng)的要求進(jìn)行數(shù)據(jù)跟蹤分析、數(shù)據(jù)預(yù)處理、觀測日志填寫、儀器定期檢查、標(biāo)定等，要用數(shù)據(jù)連續(xù)率、數(shù)據(jù)變化說明、傳感器置深合理性、干擾時(shí)強(qiáng)等指標(biāo)來評價(jià)。因此，新的評價(jià)指標(biāo)是從監(jiān)測和預(yù)報(bào)需求的角度提出的，也是加強(qiáng)監(jiān)測預(yù)報(bào)緊密結(jié)合的體現(xiàn)。

5 結(jié)論

井水溫觀測每天產(chǎn)出大量的觀測數(shù)據(jù)，完善的數(shù)據(jù)質(zhì)量評價(jià)方案不僅能提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量，還可以提高數(shù)據(jù)的使用程度，從而提升水溫測項(xiàng)在監(jiān)測預(yù)報(bào)中的地位。本文根據(jù)當(dāng)前井水溫評價(jià)存在的主要問題以及數(shù)據(jù)質(zhì)量的制約因素，提出了干擾時(shí)強(qiáng)、動(dòng)態(tài)特征、傳感器置深合理性和信息反映能力4個(gè)新的評價(jià)指標(biāo)，新評價(jià)指標(biāo)是對現(xiàn)有評價(jià)方案的補(bǔ)充，新、舊評價(jià)指標(biāo)的有效結(jié)合可以形成一套更加完備的井水溫評價(jià)方案，為科學(xué)、合理評價(jià)觀測數(shù)據(jù)提供參考。

本文只是給出了新評價(jià)指標(biāo)的初步評價(jià)方法，評估模型還不成熟，尚不能應(yīng)用于實(shí)際的評價(jià)工作中，今后還需要通過大量的評價(jià)試驗(yàn)與實(shí)踐研究來不斷改進(jìn)與完善。