北京地區(qū)地表水溫度觀測現(xiàn)狀及地震先兆監(jiān)測效能評估

北京地區(qū)地表水溫度觀測現(xiàn)狀及地震先兆監(jiān)測效能評估

數(shù)字化水溫觀測氣象源區(qū)中國地震地下水的數(shù)字觀測始于20世紀80年代，在5月和9月開始大規(guī)模普及。數(shù)字數(shù)字觀察井已經(jīng)擁有100多口。預(yù)計“15”時間內(nèi)將增加160多個觀測井。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,而且取得了一批有科學(xué)價值的資料。然而,由于各方面的原因,數(shù)字化水溫觀測資料始終未能得到系統(tǒng)的分析與研究。針對這種情況,擬對我國現(xiàn)有的數(shù)字化水溫觀測資料進行系統(tǒng)的清理分析,特別是著重評估其在地震前兆監(jiān)測預(yù)測中應(yīng)用的有效性與局限性。由于人力、財力等方面的原因,該項研究首先從京津冀地區(qū)開始。1基本特征和傳感器京津冀地區(qū)的井水溫度(又稱地熱)觀測,始于1985年,到“九五”后期已建39口觀測井。這些井的基本特征可參見車用太等1的有關(guān)文獻。根據(jù)2004年度全國統(tǒng)評資料申報情況,2004年正常觀測的井有29口,占實際建設(shè)井數(shù)的74.4%。這些觀測井,均用SWZ-1A型數(shù)字式石英溫度計觀測,傳感器置深多在100～200m。各井產(chǎn)出的動態(tài)數(shù)據(jù),每日由各省、市地震臺網(wǎng)中心通過電話撥號方式匯集。2調(diào)整后的期內(nèi)井、年動態(tài)格局井水溫度的年動態(tài)是以月均值為基礎(chǔ)建立起來的。從動態(tài)曲線上看,正常運行的29口井中,數(shù)據(jù)不連續(xù)或數(shù)據(jù)不可靠引起的年動態(tài)曲線形態(tài)不正常的有9口井(占觀測井數(shù)31%),對于這些井無法分析其正常年動態(tài)規(guī)律(圖1a);其余井水溫度年動態(tài),按其形態(tài)可分為三大類九種(表1)。由圖1、表1可見,京津冀地區(qū)井水溫度的年動態(tài)曲線類型是多種多樣,形態(tài)特征復(fù)雜多變。同一種形態(tài)類型中,井水溫度轉(zhuǎn)折的時間并不同步,以上升—下降型動態(tài)為例,礬山井轉(zhuǎn)折時間是2004年9月,而滄13井轉(zhuǎn)折時間是2004年3月。以下降—上升型動態(tài)為例,灤縣井轉(zhuǎn)折時間是2004年9月,赤城井轉(zhuǎn)折時間是2004年11月。井水溫度的年變幅度,各井相差較大。年變幅小者約為0.001℃,年變幅大者近1.5℃,統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。年變幅度多在0.01～0.90℃,部分年變幅度在0.001～0.009℃,個別井年變幅度超過1℃。上述正常運行的29口井中,在年動態(tài)層次的分析中觀測數(shù)據(jù)可用的有21口井,占72.4%;年動態(tài)類型相對有規(guī)律的有17口井,占正常運行井總數(shù)的58.6%;年變幅小于0.1℃有17口井,也占58.6%。根據(jù)以往的震例2,井水溫度中期前兆異常的基本特征是年變規(guī)律發(fā)生變化,如年變形態(tài)變化、轉(zhuǎn)折時間變化、升或降的速度變化等。因此,要識別這類異常,要求觀測所產(chǎn)出的數(shù)據(jù)連續(xù)可靠、正常動態(tài)規(guī)律較為清晰、動態(tài)背景相對平穩(wěn)。評估現(xiàn)有的水溫觀測資料,在未來中強以上地震監(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)類型變化為標志的中期前兆異常的井,約有17口。它們是板橋、良鄉(xiāng)、石景山、塔院、徐辛莊、趙各莊、昌平、永豐、滄13、赤城、灤縣、小馬村、深州、永清、礬山、靜海、張道口井。此外,在確保臺站運行正常并產(chǎn)出的數(shù)據(jù)連續(xù)可靠的前提下,板橋、玉田、辛莊井等也有可能在中期監(jiān)測中發(fā)揮一定的作用。由此可見,58.6%～68.9%的井水溫度觀測,可在地震中期前兆監(jiān)測中發(fā)揮效能。3月動態(tài)類型特征月動態(tài)分析是以日均值動態(tài)曲線為基礎(chǔ)進行的。分析的基本內(nèi)容是月動態(tài)規(guī)律性及其變化幅度。分析所選擇的資料時間是2004年1月份。京津冀地區(qū),2004年1月份數(shù)據(jù)連續(xù)可靠的井有28口。月動態(tài)曲線的形態(tài),可分為四類六種(表3)。趨勢平穩(wěn)類,指背景值是穩(wěn)定的,但由于穩(wěn)定背景值上疊加有脈沖或階狀起伏,故又分為平穩(wěn)—脈沖型(圖2a)與平穩(wěn)-脈沖階狀型(圖2b)。趨勢上升或下降類,指背景值是有規(guī)律上升或下降變化的,但由于有規(guī)律變化的背景上也疊加有脈沖或階狀起伏,又分別為兩種動態(tài)類型(圖2c與2d,圖2e與2f)。起伏類,指背景值本身不穩(wěn)定不斷起伏變化(圖2g)。井水溫度的月變幅度多偏小,統(tǒng)計結(jié)果顯示,有一多半井水溫度月變幅度小于0.01℃,絕大多數(shù)小于0.1(表4)。井水溫度的月動態(tài),對于判定中期異常開始出現(xiàn)時間和階變等中短期或短期異常的識別有重要意義3。判定和識別這類異常,無疑要求月動態(tài)規(guī)律穩(wěn)定、明顯、平穩(wěn)為條件。具有這類月動態(tài)特征的井有白家疃、板橋、良鄉(xiāng)、塔院、徐辛莊、昌平、趙各莊、寶坻、高村、靜海、桑梓、辛莊、永豐、深州、唐山礦、永清、張道口、小馬村井,共18口。因此,在中短期或短期前兆監(jiān)測中有可能發(fā)揮效能的井占正常運行井總數(shù)的62.1%。4日動態(tài)分析4.1低頻帶動態(tài)曲線分析日動態(tài)的分析,選用2004年1月的資料,這個時間段一般代表自然環(huán)境的干擾少,動態(tài)相對平穩(wěn)的月份。分析的方法是,首先對原始觀測產(chǎn)出的分鐘值通過多項式分段擬合的方法進行濾波,分為相對低頻變化的部分與高頻變化的部分,其次對于高頻部分的分鐘值數(shù)據(jù)進行平均值和均方差(δ)計算,然后分別繪制兩條動態(tài)曲線。以北京良鄉(xiāng)井2004年1月動態(tài)為例,如圖3所示。濾波后得到的低頻帶動態(tài)曲線分析,井水溫度的日變動態(tài)規(guī)律性與日變幅度大小,然后查有無明顯的階變動態(tài);在高頻帶的動態(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)的分鐘值數(shù)組次數(shù)。4.2短臨階變礦井溫度東南角異常表現(xiàn)對已占有資料的北京與河北17口井的分鐘值數(shù)據(jù),經(jīng)數(shù)據(jù)處理后得到的低頻與高頻部分動態(tài)分析結(jié)果列于表5中。由表5可見,井水溫度動態(tài)按日變規(guī)律主要分為兩類,一類是有規(guī)律升-降型,另一類是無規(guī)律起伏型,此外個別井中還可見有一定規(guī)律的降—升型動態(tài)(圖4)。有規(guī)律升-降型,指每日上半時段上升,下半時段下降,峰值出現(xiàn)在中午前后,具有這類動態(tài)的井有6口。多數(shù)井為無規(guī)律起伏型,即起伏是明顯的,但起伏的周期、幅度等都不穩(wěn)定,每日的同一時段有些天表現(xiàn)為上升,另一些天表現(xiàn)為下降,難以確定變化規(guī)律。有一口井表現(xiàn)出有一定規(guī)律的下降-上升型日動態(tài)特征。表5還顯示出,井水溫度的日變幅度變化較大,變化小者在1個月內(nèi)只差1倍,變化大者1個月內(nèi)可相差10倍以上,多數(shù)在2～6倍。8口井中存在階變型“異?！爆F(xiàn)象,階變次數(shù)最多可達6次,階變幅度可達最大日變幅度的1～9倍,多數(shù)在1～3倍。多數(shù)井中存在脈沖型“異?！?出現(xiàn)超過2倍均方差“異常”的井有14口,超過次數(shù)最多可達94次,但多數(shù)井不超過10次,超過3倍均方差的“異?！陛^少,僅兩口井分別出現(xiàn)1次與4次。根據(jù)以往的震例,短臨階變井水溫度前兆異常的表現(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4。因此,一般期望在無震活動的正常時段,不希望出現(xiàn)上述三種“異?！?若出現(xiàn)這類“異?！?無疑會影響其短臨監(jiān)測的效能。按照這樣的思路,評估17口井水溫分鐘值觀測資料,在短臨監(jiān)測中有可能發(fā)揮較好效能的井是良鄉(xiāng)井與板橋井,有可能發(fā)揮一定效能的井是趙各莊、永清、小馬村、唐山礦與無極井,它們占統(tǒng)計井數(shù)的41.2%;其余的井,只有出現(xiàn)非常顯著(異常幅度大于最大階變的“異常”和幅度大于3倍均方差以上的脈沖型“異?！?的時候,才有可能發(fā)揮作用。5不同季節(jié)動態(tài)監(jiān)測的效能(1)京津冀地區(qū),已建設(shè)井水溫度觀測的井共39口,其中2004年仍堅持觀測并可參加全國資料統(tǒng)評的井有29口,占74.4%。(2)以月均值為基礎(chǔ)繪出年動態(tài)曲線的井有21口,占實際觀測的井數(shù)的72.4%。其中,年動態(tài)變化有一定規(guī)律并年變幅度小于0.1℃的井有17口(占58.6%)。這些井有可能在地震中期或中短期前兆監(jiān)測中發(fā)揮效能。(3)以日均值為基礎(chǔ)可繪出1月份月動態(tài)曲線的井有28口,占實際觀測的井數(shù)的96.6%。其中,月動態(tài)變化有一定規(guī)律并月變幅度小于0.01℃的井有19口(占67.8%),這些井有可能在地震短期或短臨前兆監(jiān)測中發(fā)揮一定效能。(4)以分鐘值為基礎(chǔ)可繪出1月份月動態(tài)曲線的井有17口,占實際觀測井數(shù)的58.6%。其中表現(xiàn)出一定的日變規(guī)律,日變幅度較小,無階變,超2倍均方差的脈沖很少的井有7口(占41.2%),這些井有可能在地震短臨前兆監(jiān)測中發(fā)揮效能。(5)上述第(3)、(4)認識,僅是對自然環(huán)境干擾較少的1月份觀測數(shù)據(jù)的分析結(jié)果得到的,環(huán)境干擾較多的夏季,各類前兆的監(jiān)測效能可能還會偏低一些。本項研究過程中筆者強烈感到,目前京津冀地區(qū)井水溫度觀測急需解決如下問題:①確保已建成的臺站,確保絕大多數(shù)能夠投入正常運行;②確保已運行的臺站,都能全時程產(chǎn)出連續(xù)可靠的數(shù)據(jù);③應(yīng)及早對引起正常時段產(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行調(diào)查與分析,進一步改進觀測技術(shù),改善觀測環(huán)境,提高臺站維護管理的技術(shù)水平,進一步增強井水溫度觀測在