甘肅地區(qū)十五數(shù)字化水溫觀測資料的動態(tài)特征

甘肅地區(qū)十五數(shù)字化水溫觀測資料的動態(tài)特征

水溫異常觀測與地震越界revista方法是研究地球熱狀態(tài)的方法，尤其是研究地殼平坦部分的熱狀態(tài)以及隨著時(shí)間的推移而變化的地震預(yù)報(bào)方法。主要是測量深井水溫微動態(tài)變化,是標(biāo)志地下水物理狀態(tài)的重要參數(shù)之一。根據(jù)震源熱力學(xué)理論和對地震熱前兆的研究,地震與水溫關(guān)系密切。地震的孕育與發(fā)生伴隨著不同方式的熱效應(yīng),從而引起地?zé)釄龅闹匦路植己妥兓?。而這些變化會導(dǎo)致溫度的變化,這種由孕震過程中應(yīng)力增強(qiáng)或減弱引起的溫度異常變化是可以通過觀測得到的。這就是我們目前所觀測的水溫異常?？梢娝疁赜^測不僅對于探索地震前兆,而且對于深入研究地震成因都具有十分重要的意義。目前,水溫觀測作為傳統(tǒng)地球物理學(xué)的一個(gè)重要分支,在理論上已日益成熟和完善,水溫觀測與研究取得了豐富的資料和可喜的預(yù)報(bào)效果。但觀測結(jié)果與觀測環(huán)境、條件有相當(dāng)大的關(guān)系,觀測對象、觀測深度不同,其結(jié)果也存在明顯差異。地震水溫前兆觀測和研究在我國起步較晚,早期的觀測主要集中在云南地區(qū)和首都圈,觀測數(shù)據(jù)主要是整點(diǎn)值。數(shù)字化水溫觀測自1987年11月瀾滄-耿馬7.6級地震之前取得一批短臨異常以來,在我國地震監(jiān)測與預(yù)測中已成為重要的測項(xiàng),而且取得了一批有科學(xué)價(jià)值的資料。1區(qū)域數(shù)字化水溫觀測系統(tǒng)及儀器甘肅地區(qū)的水溫觀測最早始于1996年8月平?jīng)鯟11井,采用SZW-1A型數(shù)字溫度計(jì)觀測水溫?！笆濉逼陂g中國地震局對水溫觀測臺網(wǎng)進(jìn)行了改造,甘肅地區(qū)也新增了很多測點(diǎn),正式運(yùn)行已有三年的時(shí)間。本文對甘肅地區(qū)“十五”數(shù)字化水溫觀測資料進(jìn)行了系統(tǒng)的清理分析,特別是對數(shù)字化水溫觀測的現(xiàn)狀及其地震前兆監(jiān)測效能做了初步的探討和評估,并對目前影響數(shù)字化水溫觀測資料動態(tài)特征的干擾因素進(jìn)行了分析?！笆濉逼陂g甘肅地區(qū)數(shù)字化水溫觀測由兩個(gè)項(xiàng)目承建,分別為甘肅前兆臺網(wǎng)和天祝前兆臺陣,共有9個(gè)井點(diǎn),13個(gè)測項(xiàng)。前兆臺網(wǎng)分別是武都樊壩、成縣、清水溫泉、清水李溝、臨夏(1號井);天祝前兆臺陣分別為永登鶯鴿、臨夏(2號井),景泰蘆陽和古浪橫梁(分別在190m、110m、50m深度有3個(gè)水溫探頭)等測點(diǎn)。其中武都樊壩、清水溫泉、清水李溝、臨夏(1號井)、永登鶯鴿、景泰蘆陽、古浪橫梁、臨夏(1號井)均為流體綜合觀測井。圖1為部分測點(diǎn)觀測曲線。數(shù)字化水溫觀測采用兩種儀器,分別為SZW-2A型數(shù)字化水溫儀和ZKGD型數(shù)字化水溫儀,儀器由兩部分組成,一部分是水溫傳感器,另一部分是數(shù)字記錄器。SZW-2A型和ZKGD型數(shù)字化水溫儀采樣率高,信息量大,人為觀測誤差小,自動化程度高,資料傳遞快速。表1給出了甘肅地區(qū)十五地下水溫?cái)?shù)字化觀測點(diǎn)(井)的基本概況。2水溫動態(tài)分析2.1年動態(tài)特征與年變幅井水溫的年動態(tài)曲線是以月均值為基礎(chǔ)繪制的。對所有井點(diǎn)資料的分析結(jié)果表明,成縣、清水溫泉、清水李溝、臨夏(1號井)、臨夏(2號井)、景泰等多數(shù)井點(diǎn)的數(shù)字化水溫資料可以看出年變規(guī)律,即使是有干擾或缺數(shù)的武都、永登、古浪井點(diǎn)也能看出年變規(guī)律。這些井點(diǎn)的井水溫度年動態(tài)曲線類型多種多樣,形態(tài)特征復(fù)雜,有平穩(wěn)型、漸升型、緩降型、波動型、年變型、或在波動和緩降的基礎(chǔ)上表現(xiàn)出年變形態(tài)。圖2所示為不同類型的年變曲線。表2為各井點(diǎn)2007～2009年井水溫度年變幅統(tǒng)計(jì)。從表2中可以看出,各個(gè)井點(diǎn)井水溫的年變幅度不同,即使是同一井點(diǎn)或者是同一井點(diǎn)不同深度年變幅度也有差別,年變幅小者約為0.0009℃,年變幅大者約為0.1718℃。另外,從表2中還可以知道,年變幅最大的是古浪井點(diǎn),剛開始觀測儀器不穩(wěn)定,導(dǎo)致2007年年變幅度較大。根據(jù)以往的震例,井水溫度中期前兆異常的基本特征是年動態(tài)規(guī)律發(fā)生變化,如年變形態(tài)變化、轉(zhuǎn)折時(shí)間變化、升或降的速度變化等。因此,有年動態(tài)規(guī)律的井點(diǎn)在未來中強(qiáng)以上地震監(jiān)測中有可能捕捉到以井水溫動態(tài)的不正常轉(zhuǎn)折與年動態(tài)類型變化為標(biāo)志的中期前兆異常。此外,有缺數(shù)或干擾的幾個(gè)井點(diǎn)也有可能在中期監(jiān)測中發(fā)揮一定的作用。2.2動態(tài)規(guī)律變化標(biāo)志水溫月動態(tài)分析是在以日均值為基礎(chǔ)繪制的曲線上進(jìn)行的,分析的基本內(nèi)容是月動態(tài)規(guī)律性及其變化幅度。主要分析其1個(gè)月的時(shí)間尺度上是否有規(guī)律可循,把漸升、漸降、平穩(wěn)的變化作為有規(guī)律的變化標(biāo)志,把無規(guī)律起伏、階變、明顯的脈沖作為無規(guī)律變化的標(biāo)志。這樣做使有規(guī)律變化的動態(tài)曲線上有可能識別出轉(zhuǎn)折、階變、脈沖等地震短期前兆異常。對所有井點(diǎn)的資料,我們選取2008年以來數(shù)據(jù)連續(xù)的月份進(jìn)行分析,其結(jié)果表明,多數(shù)井點(diǎn)的水溫資料月動態(tài)規(guī)律清楚,古浪、武都的資料個(gè)別時(shí)段由于突變而引起月動態(tài)規(guī)律不清楚,其余時(shí)間月動態(tài)規(guī)律還是比較清楚。月動態(tài)曲線形態(tài)主要有平穩(wěn)上升型、波動上升型、平穩(wěn)波動型和緩慢下降等類型,因此,甘肅地區(qū)多數(shù)井點(diǎn)的“十五”數(shù)字化井水溫觀測有可能在地震中短期或短期前兆監(jiān)測中發(fā)揮作用。2.3日變幅度較小水溫日動態(tài)分析是在以時(shí)均值或分鐘值為基礎(chǔ)繪制的曲線上進(jìn)行的。分析的內(nèi)容是日動態(tài)規(guī)律及其變化幅度。所有資料的分析結(jié)果表明,成縣、清水溫泉、清水李溝、臨夏(1號井)、臨夏(2號井)井點(diǎn)日變幅度較小;景泰50m個(gè)別時(shí)段、古浪110m個(gè)別時(shí)段、永登部分時(shí)段的日變幅較大;武都水溫資料干擾大、突變多,日變幅度太大,多數(shù)時(shí)段日動態(tài)不明顯。根據(jù)以往的震例,井水溫短臨階變前兆異常的表現(xiàn)有下列三種形式:一是出現(xiàn)較大階變與脈沖;二是日變幅度發(fā)生顯著變化;三是日變規(guī)律發(fā)生明顯改變。按照這樣的思路,甘肅地區(qū)“十五”數(shù)字化水溫觀測資料,在地震短臨前兆監(jiān)測中有可能發(fā)揮效能的井點(diǎn)是成縣、清水溫泉、清水李溝、臨夏(1號井)、臨夏(2號井);在地震短臨前兆監(jiān)測中有可能發(fā)揮一定效能的井點(diǎn)是永登、景泰、古浪;武都井點(diǎn)在地震短臨前兆監(jiān)測中很難發(fā)揮其效能。3數(shù)字熱敏電阻觀測數(shù)據(jù)的應(yīng)用和分析3.1短臨階變東南角異常表現(xiàn)根據(jù)水溫?cái)?shù)字化資料的變化特征,主要采用差分分析、數(shù)字濾波、去趨勢等方法進(jìn)行異常的分析與提取。對數(shù)字化水溫觀測的原始值(分鐘值)分析的方法是,采用一般多項(xiàng)式擬合的方法對原始觀測值進(jìn)行濾波,分解為相對低頻變化的部分與高頻變化的部分。在濾波后得到的低頻數(shù)值動態(tài)曲線上,分析日變規(guī)律的穩(wěn)定性與日變幅度大小,然后查有無明顯的階變動態(tài);在高頻數(shù)值的動態(tài)曲線上分析數(shù)據(jù)的短期穩(wěn)定性,分析有無明顯的脈沖狀動態(tài),查超過二倍均方差(>2δ)和超過三倍均方差值(>3δ)的脈沖狀異常。如前所述,井水溫的短臨階變前兆異常表現(xiàn)有三種形式:一是出現(xiàn)較大階變與脈沖;二是日變幅度發(fā)生顯著變化;三是日變規(guī)律發(fā)生明顯改變,我們可以根據(jù)這幾種異常形態(tài)來判斷資料是否存在短臨異常。3.2熱散射說和氣體溢出說地下流體同震效應(yīng)研究是揭示地殼介質(zhì)對應(yīng)力-應(yīng)變過程響應(yīng)最有效和直接的手段之一,前人對水位同震變化已有過不同程度的研究,水溫的同震響應(yīng)現(xiàn)象由于受到觀測方法的限制,近20年來才引起地震學(xué)家的關(guān)注,其機(jī)理的研究目前也處于探討階段,而且比較復(fù)雜,提出的響應(yīng)機(jī)制主要有冷水下滲說、熱彌散說和氣體溢出說[7～10],各觀點(diǎn)均具有合理性,但哪種機(jī)理更具普適性和合理性,有待更進(jìn)一步的研究。另外,前人研究的水溫同震響應(yīng)特征,多數(shù)以水溫階變下降為主[7～9、11],個(gè)別也有上升。自2008年以來全球發(fā)生多次MS7.0以上地震,筆者對水溫測點(diǎn)的資料做了分析,多數(shù)井點(diǎn)只有2008年四川汶川地震時(shí)有明顯的同震效應(yīng),其余地震的同震效應(yīng)不明顯。這也說明水溫的同震效應(yīng)受多種因素的制約。該地震時(shí),臨夏兩個(gè)井點(diǎn)、古浪井點(diǎn)50m資料同震效應(yīng)不明顯,永登資料有干擾,其余資料均有比較明顯的同震效應(yīng)。其形態(tài)多數(shù)井點(diǎn)為快速下降-之后緩慢恢復(fù),景泰50m資料這段時(shí)間雖然有干擾,但還是有明顯的同震效應(yīng)(與其余兩個(gè)深度時(shí)間同步),其形態(tài)為快上-快下-快上-緩慢恢復(fù),成縣井點(diǎn)為快速下降-快速上升-緩慢恢復(fù),武都為快速上升-快速恢復(fù),只有清水李溝在15日完全恢復(fù),其余井點(diǎn)均在當(dāng)天恢復(fù),圖4為部分井點(diǎn)記錄的同震效應(yīng)典型曲線。4不正常觀測時(shí)的原因分析筆者對所有水溫資料進(jìn)行過分析,發(fā)現(xiàn)其觀測資料主要有兩種變化,即脈沖型和突變型(臺階變化),直觀分析這些變化基本不屬地震前兆異常。這種變化大部分是儀器故障引起的,人為因素很少,主要有電壓瞬間不穩(wěn)、突然斷電、數(shù)采器故障、傳輸?shù)纫鹩^測值的不正常變化,這些因素影響數(shù)值大幅度變化的機(jī)理有待進(jìn)一步研究。對于這些不正常非客觀的資料動態(tài),因其形態(tài)特征各異,引起的原因有待進(jìn)一步分析。另外,古浪井水溫資料缺數(shù)主要是由于停電引起的(測點(diǎn)采用的是農(nóng)用電,容易停電),這樣就會斷記,引起缺數(shù),希望在今后能解決該問題。5數(shù)字化水溫觀測需要進(jìn)一步改進(jìn)的幾個(gè)問題(1)甘肅地區(qū)“十五”數(shù)字化水溫觀測目前共有9個(gè)井點(diǎn),13個(gè)測項(xiàng)(景泰和古浪兩口井分別在不同深度有3個(gè)溫度探頭)。這9個(gè)井點(diǎn)中成縣、清水溫泉、清水李溝、臨夏(1號井)4個(gè)井點(diǎn)的資料比較連續(xù)、穩(wěn)定、可靠,可以直接使用,占總數(shù)的44.4%。臨夏(2號井)、景泰(3個(gè)深度)2個(gè)井點(diǎn)的資料除個(gè)別時(shí)段儀器故障外,其余時(shí)段也比較連續(xù)穩(wěn)定,也可以直接使用,共占66.7%。永登2008年6月之前缺數(shù)較多,之后資料比較連續(xù),武都樊壩分鐘值資料干擾較大,突變較多,古浪橫梁(3個(gè)深度)資料缺數(shù)較多,但經(jīng)過處理后還是可以使用的。觀測質(zhì)量明顯高于“九五”數(shù)字化水溫觀測。(2)數(shù)字化水溫資料以月均值為基礎(chǔ)繪出年動態(tài)曲線,分析結(jié)果表明,資料較好的井點(diǎn),數(shù)字化水溫資料均能看出年動態(tài)規(guī)律,即使是個(gè)有干擾或缺數(shù)的井點(diǎn)也能看出年動態(tài)規(guī)律。(3)數(shù)字化水溫資料以日均值為基礎(chǔ)繪出月動態(tài)曲線,分析結(jié)果表明,多數(shù)井點(diǎn)的水溫資料月動態(tài)規(guī)律清楚,即使是有干擾和突變的武都和永登井點(diǎn),只有個(gè)別月份月動態(tài)規(guī)律不清楚,其余時(shí)間月動態(tài)規(guī)律還是比較明顯。(4)以分鐘值或時(shí)均值為基礎(chǔ)繪出的日動態(tài)曲線分析結(jié)果表明,觀測資料日變幅度小,基本無明顯的干擾和突變的5個(gè)井點(diǎn),在地震短臨前兆監(jiān)測中有可能發(fā)揮效能;資料有缺數(shù)、部分時(shí)段日變幅度較大的3個(gè)井點(diǎn),在地震短臨前兆監(jiān)測中有可能發(fā)揮一定效能;觀測資料干擾大、突變多的武都井點(diǎn),在地震短臨前兆監(jiān)測中很難發(fā)揮其效能。另外,多數(shù)井點(diǎn)能記錄某些大震的同震效應(yīng)。(5)數(shù)字化水溫觀測中,還需要解決以下一些問題:(1)確保所有臺站全部能夠正常運(yùn)行;(2)確保已運(yùn)行的臺站,都能全時(shí)程產(chǎn)出連續(xù)可靠的數(shù)據(jù),在我們今后的地震監(jiān)測預(yù)報(bào)中發(fā)揮更好的作用;(3)水溫觀測數(shù)據(jù)中,個(gè)別測點(diǎn)存在一些突變或脈沖,應(yīng)及早對引起正常時(shí)段產(chǎn)出不正常和無規(guī)律動態(tài)的各類干擾及引起階變、脈沖等“異?！钡脑蜻M(jìn)行調(diào)查與分析,這是水溫在地震短期和短臨前兆監(jiān)測中與真正的異常夾雜在一起時(shí)難區(qū)分的問題;進(jìn)一步改進(jìn)觀測技術(shù),改善觀測環(huán)境,提高