高精度溫度計在同層水溫平行觀測中的互相干擾現象

邱永平

浙江省地震局寧波地震臺，浙江省寧波市莊橋街道靈山村 315029

0 引言

在地震地下流體水溫前兆觀測中，高精度溫度計已被廣泛使用。據統計，全國地下流體觀測臺網已擁有300多口觀測井（泉）（馮恩國等，2012），遍布31個省、市、自治區；觀測儀器以中國地震局地殼應力研究所研制的SZW系列石英溫度計為主，該測項現已成為全國地震流體監測臺網的第二大測項，且已獲得較好的觀測效果，但也暴露出觀測儀器性能不夠穩定等問題（車用太等，2013）。付子忠（1988）認為，水溫出現異常的主要原因有以下幾個方面：①觀測系統受到外界干擾，如儀器故障、臺站供電故障、儀器相互之間的干擾等；②觀測條件受到干擾，如抽水等；③深部因素，主要分為附加地熱場因素和其它地球物理因素，其中附加地熱場也就是水溫前兆異常。趙剛等（2011）認為，宏觀上的干擾分析起來比較簡單，所以要提取前兆異常，重點與難點應放在排除對觀測系統的干擾。解決辦法是安裝兩套溫度觀測系統，進行長期連續對比觀測。通過這些對比試驗，可以確認記錄資料是觀測部位溫度變化的真實反映，這回答了過去一些井孔溫度資料出現的問題并非儀器自身的問題，而是井孔本身的觀測條件所引起的溫度變化。對于某些觀測環境復雜的井孔或者是對資料有疑問的情況，可以采用兩套觀測系統在同一深度進行對比觀測，這是解決數據可靠性的最有效方法。

“九五”期間，2000年12月，浙江寧波地震臺在ZK03井增上了高精度溫度計的水溫前兆測項，在其后的近 10年中取得了一些觀測成果（邱永平，2006a、2006b、2007；劉冬英，2008）。為確認異常變化的可靠性，2010年4月在同一深度又投入了一個同類型號高精度水溫觀測傳感器，并用“十五”主機記錄傳輸。2015年4月，在一次意外供電故障中，發現這2套儀器存在著互相干擾現象。本文擬對寧波臺2套儀器在井水溫度同層平行觀測中存在的互相干擾現象進行分析。

1 觀測井及儀器

1.1 觀測井

寧波地震臺在中國東南沿海的杭州灣南岸，位于寧波向斜盆地北西翼邊緣帶上，距離東海岸約16km（29.98°N，121.52°E，海拔標高20m），屬國家基本臺。ZK03井位于該臺站院內，1979年4月成井，井深 83.06m，Ф168mm套管下至地表下 9.8m處（第四系覆蓋物厚為6.7m），Ф146mm套管下至地表下75m處，并對Ф168mm套管外用水泥固井止水。據鉆孔揭示，井孔巖性為下白堊系紫灰色凝灰巖，在地表下16.5～25.0m和44.5～48.5m處裂隙發育，巖石相對破碎，為主要含水層，屬基巖裂隙水。井水水質屬于低礦化度HCO3-Ca型水，2014年日平均自流量小于1t。

1.2 觀測儀器

2000年12月21日在ZK03井內安裝了SZW-1A型數字式水溫觀測石英溫度計（簡稱“九五”水溫儀），該儀器由主機和傳感器組成，由200m（標準長度）電纜線連接。傳感器放置在距現井口78.2m深處。主機安裝在與井口相距小于10m的標準計算機房內，信號電纜線穿入PVC管套埋入室，井孔之上是半地下室井房。

該儀器的主要技術指標為：儀器分辨 0.0001℃，絕對精度 0.05℃，短期穩定性0.0001℃／日，長期穩定性優于 0.01℃／年，量程 0～100℃（中國地震局，2001）。

2010年4月2日在同一井孔內相同深度又安裝了一套水溫觀測儀器，型號為SZW-1A（V2004）（簡稱“十五”水溫儀），由同一廠商提供，精度等主要技術指標完全相同。2套儀器的傳感器放置深度誤差不超過200mm，所在位置孔徑為Ф130mm，據鉆孔揭示，巖石完整，裂隙不發育；傳感器直徑為30mm，長度540mm，即2個傳感器水平距離小于70mm。2套儀器由一個交流供電系統供電，同一套防雷接地系統，并各自接有直流電瓶。

2 觀測資料對比分析

2015年4月24日6：30～16：57，因市政供電線路改造而停電，“九五”、“十五”水溫儀都有各自直流電瓶供電，儀器運轉正常。15：00左右發現“十五”水溫儀停機，檢查后發現是電瓶電壓不足，改用UPS電源供電，15：38儀器恢復正常工作。因斷電停機時儀器時鐘缺失，造成 00：00～15：37缺數。

2.1 “九五”水溫儀、“十五”水溫儀水溫測值的動態變化規律

2015年1月1日00：00～7月31日23：00，“十五”水溫儀水溫測值由開始的 19.9944℃上升到19.9951℃，7個月時間上升了0.0007℃，月均上升速率約為1×10-4℃；“九五”水溫儀水溫測值由開始的20.1506℃上升到20.1527℃，7個月時間上升了0.0021℃，月均上升速率約為3×10-4℃，日整點測值波動都約為 1×10-4～2×10-4℃。圖1是 2015年 1～7月份 ZK03井水溫分鐘值動態變化曲線。從圖1中可清楚地看出，“九五”水溫儀水溫測值長期處于上升狀態，而“十五”水溫儀水溫測值比較平穩。很顯然，2套儀器測值的動態變化結果是由每套儀器各自的系統特性所決定的，雖然都優于0.01℃／年的長期穩定性指標，但是穩定性差異還是比較大的。圖中顯示，在4月24日“十五”水溫儀斷電停機和恢復供電運行后，測值都出現了較大幅度的脈沖式下降，說明2套儀器在運行時，由于需向傳感器供電而產生熱量，使周圍水溫有所上升，產生互相干擾現象。

圖1 2015年1～7月ZK03井水溫分鐘測值曲線

2.2 “十五”水溫儀斷電后、恢復供電運行對“九五”水溫儀水溫測值的影響

圖2是2015年4月23日00：00～26日23：59 ZK03井“九五”水溫儀水溫分鐘值動態變化曲線，其中圖2（b）是24日觀測曲線。圖中顯示，24日12：29開始測值持續下降，15：38“十五”水溫儀恢復正常工作，15：42“九五”水溫儀水溫測值趨向穩定，并于16：05后出現恢復性上升，至26日基本恢復正常。由此判斷“十五”水溫儀應該在12：00后斷電停機。“十五”水溫儀停機后，“九五”水溫儀 水溫測值從 12：28的 20.1518℃下降到 15：42的20.1466℃，3h14m時間內測值下降了0.0052℃。恢復上升用時要比下降長得多。

圖2 2015年4月23～26日ZK03井“九五”水溫儀水溫分鐘測值曲線

2.3 “十五”水溫儀水溫斷電前、恢復供電運行后測值變化形態

圖3是2015年4月23日00：00～26日23：59 ZK03井“十五”水溫儀水溫分鐘值動態變化曲線，其中圖3（b）是24日測值。圖中可見，斷電停機前測值非常平穩，24日15：38恢復供電運行后，測值從低位快速上升，至 28日才恢復到原值位置。23日 23：59測值為19.9948℃，24日15：38分測值為19.9761℃，斷電停機至恢復運行后使測值下降了0.0187℃。說明儀器工作時，向傳感器供電所產生的升溫值大于儀器的長期穩定性指標值。

2.4 “九五”和“十五”水溫儀觀測數據在特大地震前后的動態變化

圖3 2015年4月23～26日ZK03井“十五”水溫儀水溫分鐘測值曲線

2015年9月17日6：54在智利中部沿岸近海（31.6°S，71.6°W）發生了 M 8.2特大地震。地震前后寧波臺“九五”和“十五”水溫儀水溫測值表現出不同的動態變化特征。“九五”水溫儀水溫測值沒有明顯的異常反應，還是按原上升速率變化（圖4（b））；“十五”水溫儀水溫測值震前1天出現了0.0004℃的向上突跳變化，震后2天內出現了0.0005℃的向下突跳變化異常（儀器時間誤差＜1min），雖然絕對變化幅度不大，但還是達到了日波動變化幅度的1倍以上（圖 4（a））。

圖4 2015年9月1～30日 ZK03井“九五”和“十五”水溫儀在智利M 8.2特大地震前后的水溫分鐘測值曲線

3 結論與討論

（1）水溫測量由于儀器工作時需向傳感器輸送電力，故會產生升溫現象，并向周邊擴散。目前觀測到的是水井內實際溫度與傳感器工作時的“升溫值”之和，而“升溫值”是動態值，取決于每套儀器的系統特性，一般可能會在0.01℃以上。如果采用2套儀器同層平行觀測，則會產生明顯的互相干擾現象，其影響在0.005℃以上，如果是捆綁式平行觀測可能會更高；特別是水溫測值波動為10-4℃的觀測井中，這種干擾不可忽視，并可能影響“前兆異常”。建議廠家改進設計，在一個傳感器內安裝2套探測溫度裝置，合用1套供電系統，既避免2套儀器平行觀測時的互相干擾，又可相互驗證。

（2）寧波臺“九五”水溫儀安裝后第11天，即2001年1月1日00：00時測值為19.9718℃；“十五”水溫儀安裝后的第11天，即2010年4月13日00：00時測值為19.9765℃，絕對差為0.0047℃（邱永平，2011）。這與“十五”水溫儀停機后，“九五”水溫儀水溫測值下降了0.0052℃對比，僅僅相差0.0005℃。說明當初“十五”水溫儀安裝后的第11天值比“九五”水溫儀高，這應是受到“九五”水溫儀的影響，證明儀器出廠時的精度是比較高的。

（3）在2套儀器同層平行對比觀測之前，寧波臺“九五”水溫儀水溫測項在全球8級及以上地震前都有一定程度的前兆反應（邱永平，2006a；劉冬英，2008；趙剛等，2009），而在近震震前又有不同的前兆反應（邱永平，2006b、2007），自從做同層平行對比觀測之后，這種前兆反應就不再出現了。如2008年汶川8.0級地震前，寧波臺水溫、水氡異常變化非常清晰（劉冬英，2008；邱永平等，2009）；而2011年日本9.0級地震前，水氡異常反應仍然較好（邱永平，2013），而水溫反應不明顯。說明2套儀器同層平行觀測中存在的互相干擾因素，可能抵消了異常變化動態。因此，在水溫波動比較小的井泉中，不主張做同層平行對比觀測。