邱永平

浙江省地震局寧波地震臺(tái)，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(cè)中，高精度溫度計(jì)已被廣泛使用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)地下流體觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)已擁有300多口觀測(cè)井（泉）（馮恩國(guó)等，2012），遍布31個(gè)省、市、自治區(qū)；觀測(cè)儀器以中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所研制的SZW系列石英溫度計(jì)為主，該測(cè)項(xiàng)現(xiàn)已成為全國(guó)地震流體監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)的第二大測(cè)項(xiàng)，且已獲得較好的觀測(cè)效果，但也暴露出觀測(cè)儀器性能不夠穩(wěn)定等問(wèn)題（車用太等，2013）。付子忠（1988）認(rèn)為，水溫出現(xiàn)異常的主要原因有以下幾個(gè)方面：①觀測(cè)系統(tǒng)受到外界干擾，如儀器故障、臺(tái)站供電故障、儀器相互之間的干擾等；②觀測(cè)條件受到干擾，如抽水等；③深部因素，主要分為附加地?zé)釄?chǎng)因素和其它地球物理因素，其中附加地?zé)釄?chǎng)也就是水溫前兆異常。趙剛等（2011）認(rèn)為，宏觀上的干擾分析起來(lái)比較簡(jiǎn)單，所以要提取前兆異常，重點(diǎn)與難點(diǎn)應(yīng)放在排除對(duì)觀測(cè)系統(tǒng)的干擾。解決辦法是安裝兩套溫度觀測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)對(duì)比觀測(cè)。通過(guò)這些對(duì)比試驗(yàn)，可以確認(rèn)記錄資料是觀測(cè)部位溫度變化的真實(shí)反映，這回答了過(guò)去一些井孔溫度資料出現(xiàn)的問(wèn)題并非儀器自身的問(wèn)題，而是井孔本身的觀測(cè)條件所引起的溫度變化。對(duì)于某些觀測(cè)環(huán)境復(fù)雜的井孔或者是對(duì)資料有疑問(wèn)的情況，可以采用兩套觀測(cè)系統(tǒng)在同一深度進(jìn)行對(duì)比觀測(cè)，這是解決數(shù)據(jù)可靠性的最有效方法。

“九五”期間，2000年12月，浙江寧波地震臺(tái)在ZK03井增上了高精度溫度計(jì)的水溫前兆測(cè)項(xiàng)，在其后的近 10年中取得了一些觀測(cè)成果（邱永平，2006a、2006b、2007；劉冬英，2008）。為確認(rèn)異常變化的可靠性，2010年4月在同一深度又投入了一個(gè)同類型號(hào)高精度水溫觀測(cè)傳感器，并用“十五”主機(jī)記錄傳輸。2015年4月，在一次意外供電故障中，發(fā)現(xiàn)這2套儀器存在著互相干擾現(xiàn)象。本文擬對(duì)寧波臺(tái)2套儀器在井水溫度同層平行觀測(cè)中存在的互相干擾現(xiàn)象進(jìn)行分析。

1 觀測(cè)井及儀器

1.1 觀測(cè)井

寧波地震臺(tái)在中國(guó)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(biāo)高20m），屬國(guó)家基本臺(tái)。ZK03井位于該臺(tái)站院內(nèi)，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(duì)Ф168mm套管外用水泥固井止水。據(jù)鉆孔揭示，井孔巖性為下白堊系紫灰色凝灰?guī)r，在地表下16.5～25.0m和44.5～48.5m處裂隙發(fā)育，巖石相對(duì)破碎，為主要含水層，屬基巖裂隙水。井水水質(zhì)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(cè)儀器

2000年12月21日在ZK03井內(nèi)安裝了SZW-1A型數(shù)字式水溫觀測(cè)石英溫度計(jì)（簡(jiǎn)稱“九五”水溫儀），該儀器由主機(jī)和傳感器組成，由200m（標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度）電纜線連接。傳感器放置在距現(xiàn)井口78.2m深處。主機(jī)安裝在與井口相距小于10m的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)房?jī)?nèi)，信號(hào)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(shù)指標(biāo)為：儀器分辨 0.0001℃，絕對(duì)精度 0.05℃，短期穩(wěn)定性0.0001℃／日，長(zhǎng)期穩(wěn)定性優(yōu)于 0.01℃／年，量程 0～100℃（中國(guó)地震局，2001）。

2010年4月2日在同一井孔內(nèi)相同深度又安裝了一套水溫觀測(cè)儀器，型號(hào)為SZW-1A（V2004）（簡(jiǎn)稱“十五”水溫儀），由同一廠商提供，精度等主要技術(shù)指標(biāo)完全相同。2套儀器的傳感器放置深度誤差不超過(guò)200mm，所在位置孔徑為Ф130mm，據(jù)鉆孔揭示，巖石完整，裂隙不發(fā)育；傳感器直徑為30mm，長(zhǎng)度540mm，即2個(gè)傳感器水平距離小于70mm。2套儀器由一個(gè)交流供電系統(tǒng)供電，同一套防雷接地系統(tǒng)，并各自接有直流電瓶。

2 觀測(cè)資料對(duì)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(yùn)轉(zhuǎn)正常。15：00左右發(fā)現(xiàn)“十五”水溫儀停機(jī)，檢查后發(fā)現(xiàn)是電瓶電壓不足，改用UPS電源供電，15：38儀器恢復(fù)正常工作。因斷電停機(jī)時(shí)儀器時(shí)鐘缺失，造成 00：00～15：37缺數(shù)。

2.1 “九五”水溫儀、“十五”水溫儀水溫測(cè)值的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律

2015年1月1日00：00～7月31日23：00，“十五”水溫儀水溫測(cè)值由開始的 19.9944℃上升到19.9951℃，7個(gè)月時(shí)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(cè)值由開始的20.1506℃上升到20.1527℃，7個(gè)月時(shí)間上升了0.0021℃，月均上升速率約為3×10-4℃，日整點(diǎn)測(cè)值波動(dòng)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(dòng)態(tài)變化曲線。從圖1中可清楚地看出，“九五”水溫儀水溫測(cè)值長(zhǎng)期處于上升狀態(tài)，而“十五”水溫儀水溫測(cè)值比較平穩(wěn)。很顯然，2套儀器測(cè)值的動(dòng)態(tài)變化結(jié)果是由每套儀器各自的系統(tǒng)特性所決定的，雖然都優(yōu)于0.01℃／年的長(zhǎng)期穩(wěn)定性指標(biāo)，但是穩(wěn)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(jī)和恢復(fù)供電運(yùn)行后，測(cè)值都出現(xiàn)了較大幅度的脈沖式下降，說(shuō)明2套儀器在運(yùn)行時(shí)，由于需向傳感器供電而產(chǎn)生熱量，使周圍水溫有所上升，產(chǎn)生互相干擾現(xiàn)象。

圖1 2015年1～7月ZK03井水溫分鐘測(cè)值曲線

2.2 “十五”水溫儀斷電后、恢復(fù)供電運(yùn)行對(duì)“九五”水溫儀水溫測(cè)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(dòng)態(tài)變化曲線，其中圖2（b）是24日觀測(cè)曲線。圖中顯示，24日12：29開始測(cè)值持續(xù)下降，15：38“十五”水溫儀恢復(fù)正常工作，15：42“九五”水溫儀水溫測(cè)值趨向穩(wěn)定，并于16：05后出現(xiàn)恢復(fù)性上升，至26日基本恢復(fù)正常。由此判斷“十五”水溫儀應(yīng)該在12：00后斷電停機(jī)。“十五”水溫儀停機(jī)后，“九五”水溫儀 水溫測(cè)值從 12：28的 20.1518℃下降到 15：42的20.1466℃，3h14m時(shí)間內(nèi)測(cè)值下降了0.0052℃?；謴?fù)上升用時(shí)要比下降長(zhǎng)得多。

圖2 2015年4月23～26日Z(yǔ)K03井“九五”水溫儀水溫分鐘測(cè)值曲線

2.3 “十五”水溫儀水溫?cái)嚯娗啊⒒謴?fù)供電運(yùn)行后測(cè)值變化形態(tài)

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(dòng)態(tài)變化曲線，其中圖3（b）是24日測(cè)值。圖中可見，斷電停機(jī)前測(cè)值非常平穩(wěn)，24日15：38恢復(fù)供電運(yùn)行后，測(cè)值從低位快速上升，至 28日才恢復(fù)到原值位置。23日 23：59測(cè)值為19.9948℃，24日15：38分測(cè)值為19.9761℃，斷電停機(jī)至恢復(fù)運(yùn)行后使測(cè)值下降了0.0187℃。說(shuō)明儀器工作時(shí)，向傳感器供電所產(chǎn)生的升溫值大于儀器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性指標(biāo)值。

2.4 “九五”和“十五”水溫儀觀測(cè)數(shù)據(jù)在特大地震前后的動(dòng)態(tài)變化

圖3 2015年4月23～26日Z(yǔ)K03井“十五”水溫儀水溫分鐘測(cè)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(fā)生了 M 8.2特大地震。地震前后寧波臺(tái)“九五”和“十五”水溫儀水溫測(cè)值表現(xiàn)出不同的動(dòng)態(tài)變化特征。“九五”水溫儀水溫測(cè)值沒(méi)有明顯的異常反應(yīng)，還是按原上升速率變化（圖4（b））；“十五”水溫儀水溫測(cè)值震前1天出現(xiàn)了0.0004℃的向上突跳變化，震后2天內(nèi)出現(xiàn)了0.0005℃的向下突跳變化異常（儀器時(shí)間誤差＜1min），雖然絕對(duì)變化幅度不大，但還是達(dá)到了日波動(dòng)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(cè)值曲線

3 結(jié)論與討論

（1）水溫測(cè)量由于儀器工作時(shí)需向傳感器輸送電力，故會(huì)產(chǎn)生升溫現(xiàn)象，并向周邊擴(kuò)散。目前觀測(cè)到的是水井內(nèi)實(shí)際溫度與傳感器工作時(shí)的“升溫值”之和，而“升溫值”是動(dòng)態(tài)值，取決于每套儀器的系統(tǒng)特性，一般可能會(huì)在0.01℃以上。如果采用2套儀器同層平行觀測(cè)，則會(huì)產(chǎn)生明顯的互相干擾現(xiàn)象，其影響在0.005℃以上，如果是捆綁式平行觀測(cè)可能會(huì)更高；特別是水溫測(cè)值波動(dòng)為10-4℃的觀測(cè)井中，這種干擾不可忽視，并可能影響“前兆異?！?。建議廠家改進(jìn)設(shè)計(jì)，在一個(gè)傳感器內(nèi)安裝2套探測(cè)溫度裝置，合用1套供電系統(tǒng)，既避免2套儀器平行觀測(cè)時(shí)的互相干擾，又可相互驗(yàn)證。

（2）寧波臺(tái)“九五”水溫儀安裝后第11天，即2001年1月1日00：00時(shí)測(cè)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(shí)測(cè)值為19.9765℃，絕對(duì)差為0.0047℃（邱永平，2011）。這與“十五”水溫儀停機(jī)后，“九五”水溫儀水溫測(cè)值下降了0.0052℃對(duì)比，僅僅相差0.0005℃。說(shuō)明當(dāng)初“十五”水溫儀安裝后的第11天值比“九五”水溫儀高，這應(yīng)是受到“九五”水溫儀的影響，證明儀器出廠時(shí)的精度是比較高的。

（3）在2套儀器同層平行對(duì)比觀測(cè)之前，寧波臺(tái)“九五”水溫儀水溫測(cè)項(xiàng)在全球8級(jí)及以上地震前都有一定程度的前兆反應(yīng)（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(yīng)（邱永平，2006b、2007），自從做同層平行對(duì)比觀測(cè)之后，這種前兆反應(yīng)就不再出現(xiàn)了。如2008年汶川8.0級(jí)地震前，寧波臺(tái)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(jí)地震前，水氡異常反應(yīng)仍然較好（邱永平，2013），而水溫反應(yīng)不明顯。說(shuō)明2套儀器同層平行觀測(cè)中存在的互相干擾因素，可能抵消了異常變化動(dòng)態(tài)。因此，在水溫波動(dòng)比較小的井泉中，不主張做同層平行對(duì)比觀測(cè)。