地震地下流体台网数据质量监控从年、月、周3个时间尺度进行(陶志刚等,2021),主要目的是减少“盲”数据的比例,提高观测数据的应用,更好地服务于地震监测预报。观测人员根据评价结果寻找影响观测数据质量的根源和问题所在,排除影响因素,提升观测数据的质量。
地下流体监测要求观测仪器能够产出连续、稳定、可靠的观测数据。因此,在对数据进行质量评价前,应首先查看仪器配置是否合理,水温传感器是否放置在监测效能最好的位置上,其次是要看观测数据中反映出的地球物理信息,这两个指标决定了产出数据的可靠性; 数据的完整率是另一个非常重要的指标,它决定了数据的连续性; 而数据的受干扰程度以及动态背景特征这两个指标决定了数据的稳定性。依据上述思路,结合监测预报人员的需求,本文在现行的《地下流体学科观测资料质量评比办法》的基础上提出新的井水温评价指标,包括干扰时强、观测曲线动态特征、信息反映能力、传感器置深合理性4个指标,见表1。
表1 井水温数据质量新评价指标提出依据
Tab.1 Basis for new evaluation indexes of the quality of the temperature data of well water
(1)干扰时强。地下流体监测过程中,干扰因素是无法避免的。如果地震前兆异常与干扰因素同时作用在数据上,是很难区分开的,因此干扰因素评价非常重要。本文讨论的干扰因素是指所有影响观测数据质量的因素,包括人为干扰、观测系统干扰、自然环境干扰、场地环境干扰4大类。干扰因素对数据的影响不仅与数据变化幅度有关,同时与干扰的时间长短有关。例如,长期抽水干扰,虽然每次干扰幅度相对较小,但是每天都出现,长此以往,会严重影响数据使用。仪器校测干扰可能会引起数据发生大幅度变化,但是对数据作用的时间很短,预处理后不会影响观测数据的正常使用。此外,数据发生异常变化是否有对应的变化原因说明,也会影响数据的使用。因此,评价干扰因素时需要考虑数据变化幅度、作用时间和干扰数据说明3个方面的因素。
本文根据数据的干扰幅度和干扰时间两个因素,提出了干扰时强评价指标,用于全面衡量干扰因素对数据的影响程度。干扰时强是一个无量纲指标,是数据干扰程度与干扰时长的乘积,它将数据的受干扰程度进行了精确量化计算。干扰度的概念是由车用太等(2005)提出的,是各类干扰引起的地下流体各测项动态的相对异常程度。干扰度的计算参数如图1所示。
图1 干扰度计算参数示意图(据车用太等,2005)
Fig.1 Sketch of parameters for interference level calculation(according to Che et al,2005)
干扰度为:
IDmax=(Imax-Nmax)/(Nmax-Nmin)×100%(1)
干扰时长T为数据异常变化的起止时间,单位h,精确到小数点后一位。
干扰时强为:
IDT = IDmax×T(2)
干扰时强阈值划分:计算每个水温测点的干扰时强数值,并进行累计求和。根据干扰时强的数值可以将观测数据划分为严重干扰、中等干扰和轻微干扰3种类型,分别对应为观测数据不可用、基本可用和可用3类,见表2。
表2 干扰程度划分表
Tab.2 Division of interference degrees
按照干扰时强计算方法,对流体台网近5年总结的井水温观测数据可用性(数据观测可用、基本可用和不可用)进行计算,分别求出干扰时强所对应的3类阈值范围,即n、m数值,然后进行划分。
干扰原因说明是指数据异常变化的“使用说明书”,每一段干扰数据都应该有对应的干扰原因说明。评定标准为每一段干扰数据是否有对应的观测日志和跟踪分析事件记录(二者有其一即可),记录的信息包括:数据变化幅度、变化过程、干扰因素、干扰过程、强度、周期等。另外,对于已知原因造成的压制动态曲线变化的干扰数据应进行预处理删除。
(2)观测曲线动态特征。地震监测的目的是观测地震前兆异常,地震前兆异常指地震孕育与发生阶段表现出的、与无地震活动时段的正常动态有显著差异的变化。常见的水温前兆异常有两类:一类是震前1～2 a出现的中期异常,表现为变化速率与变化方向的转折; 另一类是震前几个月到几天的短临时间尺度上出现的阶变、脉冲等异常形态(车用太等,2007)。因此,井水温观测数据正常动态的基本特征应具有清晰的变化规律或稳定的变化速率,这样才有可能识别出具有上述特征的地震前兆异常。反之,在正常时段的无规律、趋势变化速率不稳定的动态中或具有阶变、脉冲、起伏型的动态中,是无法识别出地震中短期前兆异常的。因此,根据监测预报目的,将动态特征作为评价指标之一,动态特征可通过消除趋势后计算均方差和超差个数两个方面进行评定。
(3)信息反映能力。从观测数据中提取与地震孕育和发生相关的信息,是地震监测预报的主要任务。井水温记录的有科学研究意义的地球物理信息主要包括地震前兆异常、同震效应、震后效应和固体潮效应。信息反映能力指标能在一定程度上反映出水温测点对应力-应变的灵敏性。固体潮效应属于中、低频段地球物理信号,同震效应是高频地球物理信号。能监测到低频和高频的地球物理信息,说明观测井水温观测的频带较宽,监测效能好。地震前兆异常、同震响应和震后效应可以根据震后总结进行判定,能够记录到固体潮效应的水温测点相对较少,可通过调和分析方法计算固体潮M2波观测精度进行判定。
(4)传感器置深合理性。井水温观测是井孔中某一深度处的水温动态变化,不同观测位置的监测效能是不一样的。评价传感器置深合理性宜参考《地震地下流体观测方法井水和泉水温度观测》(DB/T 49—2012)中的水温探头位置安装技术要求,从井孔地温梯度和数据变化背景噪声两个方面进行评价。地温梯度较大,可以明显记录到由深部物质上涌、深层热水上升或不同层冷热水混合等因素引起的井水温变化; 背景噪声较小,可以清晰地识别出数据的异常变化特征,避免地震前兆异常、同震响应、固体潮效应等有用的地球物理信息被背景噪声淹没。因此,评价传感器置深合理性,主要依据台站是否参考了观测井温度梯度测量结果和不同深度段的观测数据背景噪声水平这两个因素。
