高精度温度计在同层水温平行观测中的互相干扰现象

邱永平

浙江省地震局宁波地震台，浙江省宁波市庄桥街道灵山村 315029

0 引言

在地震地下流体水温前兆观测中，高精度温度计已被广泛使用。据统计，全国地下流体观测台网已拥有300多口观测井（泉）（冯恩国等，2012），遍布31个省、市、自治区；观测仪器以中国地震局地壳应力研究所研制的SZW系列石英温度计为主，该测项现已成为全国地震流体监测台网的第二大测项，且已获得较好的观测效果，但也暴露出观测仪器性能不够稳定等问题（车用太等，2013）。付子忠（1988）认为，水温出现异常的主要原因有以下几个方面：①观测系统受到外界干扰，如仪器故障、台站供电故障、仪器相互之间的干扰等；②观测条件受到干扰，如抽水等；③深部因素，主要分为附加地热场因素和其它地球物理因素，其中附加地热场也就是水温前兆异常。赵刚等（2011）认为，宏观上的干扰分析起来比较简单，所以要提取前兆异常，重点与难点应放在排除对观测系统的干扰。解决办法是安装两套温度观测系统，进行长期连续对比观测。通过这些对比试验，可以确认记录资料是观测部位温度变化的真实反映，这回答了过去一些井孔温度资料出现的问题并非仪器自身的问题，而是井孔本身的观测条件所引起的温度变化。对于某些观测环境复杂的井孔或者是对资料有疑问的情况，可以采用两套观测系统在同一深度进行对比观测，这是解决数据可靠性的最有效方法。

“九五”期间，2000年12月，浙江宁波地震台在ZK03井增上了高精度温度计的水温前兆测项，在其后的近 10年中取得了一些观测成果（邱永平，2006a、2006b、2007；刘冬英，2008）。为确认异常变化的可靠性，2010年4月在同一深度又投入了一个同类型号高精度水温观测传感器，并用“十五”主机记录传输。2015年4月，在一次意外供电故障中，发现这2套仪器存在着互相干扰现象。本文拟对宁波台2套仪器在井水温度同层平行观测中存在的互相干扰现象进行分析。

1 观测井及仪器

1.1 观测井

宁波地震台在中国东南沿海的杭州湾南岸，位于宁波向斜盆地北西翼边缘带上，距离东海岸约16km（29.98°N，121.52°E，海拔标高20m），属国家基本台。ZK03井位于该台站院内，1979年4月成井，井深 83.06m，Ф168mm套管下至地表下 9.8m处（第四系覆盖物厚为6.7m），Ф146mm套管下至地表下75m处，并对Ф168mm套管外用水泥固井止水。据钻孔揭示，井孔岩性为下白垩系紫灰色凝灰岩，在地表下16.5～25.0m和44.5～48.5m处裂隙发育，岩石相对破碎，为主要含水层，属基岩裂隙水。井水水质属于低矿化度HCO3-Ca型水，2014年日平均自流量小于1t。

1.2 观测仪器

2000年12月21日在ZK03井内安装了SZW-1A型数字式水温观测石英温度计（简称“九五”水温仪），该仪器由主机和传感器组成，由200m（标准长度）电缆线连接。传感器放置在距现井口78.2m深处。主机安装在与井口相距小于10m的标准计算机房内，信号电缆线穿入PVC管套埋入室，井孔之上是半地下室井房。

该仪器的主要技术指标为：仪器分辨 0.0001℃，绝对精度 0.05℃，短期稳定性0.0001℃／日，长期稳定性优于 0.01℃／年，量程 0～100℃（中国地震局，2001）。

2010年4月2日在同一井孔内相同深度又安装了一套水温观测仪器，型号为SZW-1A（V2004）（简称“十五”水温仪），由同一厂商提供，精度等主要技术指标完全相同。2套仪器的传感器放置深度误差不超过200mm，所在位置孔径为Ф130mm，据钻孔揭示，岩石完整，裂隙不发育；传感器直径为30mm，长度540mm，即2个传感器水平距离小于70mm。2套仪器由一个交流供电系统供电，同一套防雷接地系统，并各自接有直流电瓶。

2 观测资料对比分析

2015年4月24日6：30～16：57，因市政供电线路改造而停电，“九五”、“十五”水温仪都有各自直流电瓶供电，仪器运转正常。15：00左右发现“十五”水温仪停机，检查后发现是电瓶电压不足，改用UPS电源供电，15：38仪器恢复正常工作。因断电停机时仪器时钟缺失，造成 00：00～15：37缺数。

2.1 “九五”水温仪、“十五”水温仪水温测值的动态变化规律

2015年1月1日00：00～7月31日23：00，“十五”水温仪水温测值由开始的 19.9944℃上升到19.9951℃，7个月时间上升了0.0007℃，月均上升速率约为1×10-4℃；“九五”水温仪水温测值由开始的20.1506℃上升到20.1527℃，7个月时间上升了0.0021℃，月均上升速率约为3×10-4℃，日整点测值波动都约为 1×10-4～2×10-4℃。图1是 2015年 1～7月份 ZK03井水温分钟值动态变化曲线。从图1中可清楚地看出，“九五”水温仪水温测值长期处于上升状态，而“十五”水温仪水温测值比较平稳。很显然，2套仪器测值的动态变化结果是由每套仪器各自的系统特性所决定的，虽然都优于0.01℃／年的长期稳定性指标，但是稳定性差异还是比较大的。图中显示，在4月24日“十五”水温仪断电停机和恢复供电运行后，测值都出现了较大幅度的脉冲式下降，说明2套仪器在运行时，由于需向传感器供电而产生热量，使周围水温有所上升，产生互相干扰现象。

图1 2015年1～7月ZK03井水温分钟测值曲线

2.2 “十五”水温仪断电后、恢复供电运行对“九五”水温仪水温测值的影响

图2是2015年4月23日00：00～26日23：59 ZK03井“九五”水温仪水温分钟值动态变化曲线，其中图2（b）是24日观测曲线。图中显示，24日12：29开始测值持续下降，15：38“十五”水温仪恢复正常工作，15：42“九五”水温仪水温测值趋向稳定，并于16：05后出现恢复性上升，至26日基本恢复正常。由此判断“十五”水温仪应该在12：00后断电停机。“十五”水温仪停机后，“九五”水温仪 水温测值从 12：28的 20.1518℃下降到 15：42的20.1466℃，3h14m时间内测值下降了0.0052℃。恢复上升用时要比下降长得多。

图2 2015年4月23～26日ZK03井“九五”水温仪水温分钟测值曲线

2.3 “十五”水温仪水温断电前、恢复供电运行后测值变化形态

图3是2015年4月23日00：00～26日23：59 ZK03井“十五”水温仪水温分钟值动态变化曲线，其中图3（b）是24日测值。图中可见，断电停机前测值非常平稳，24日15：38恢复供电运行后，测值从低位快速上升，至 28日才恢复到原值位置。23日 23：59测值为19.9948℃，24日15：38分测值为19.9761℃，断电停机至恢复运行后使测值下降了0.0187℃。说明仪器工作时，向传感器供电所产生的升温值大于仪器的长期稳定性指标值。

2.4 “九五”和“十五”水温仪观测数据在特大地震前后的动态变化

图3 2015年4月23～26日ZK03井“十五”水温仪水温分钟测值曲线

2015年9月17日6：54在智利中部沿岸近海（31.6°S，71.6°W）发生了 M 8.2特大地震。地震前后宁波台“九五”和“十五”水温仪水温测值表现出不同的动态变化特征。“九五”水温仪水温测值没有明显的异常反应，还是按原上升速率变化（图4（b））；“十五”水温仪水温测值震前1天出现了0.0004℃的向上突跳变化，震后2天内出现了0.0005℃的向下突跳变化异常（仪器时间误差＜1min），虽然绝对变化幅度不大，但还是达到了日波动变化幅度的1倍以上（图 4（a））。

图4 2015年9月1～30日 ZK03井“九五”和“十五”水温仪在智利M 8.2特大地震前后的水温分钟测值曲线

3 结论与讨论

（1）水温测量由于仪器工作时需向传感器输送电力，故会产生升温现象，并向周边扩散。目前观测到的是水井内实际温度与传感器工作时的“升温值”之和，而“升温值”是动态值，取决于每套仪器的系统特性，一般可能会在0.01℃以上。如果采用2套仪器同层平行观测，则会产生明显的互相干扰现象，其影响在0.005℃以上，如果是捆绑式平行观测可能会更高；特别是水温测值波动为10-4℃的观测井中，这种干扰不可忽视，并可能影响“前兆异常”。建议厂家改进设计，在一个传感器内安装2套探测温度装置，合用1套供电系统，既避免2套仪器平行观测时的互相干扰，又可相互验证。

（2）宁波台“九五”水温仪安装后第11天，即2001年1月1日00：00时测值为19.9718℃；“十五”水温仪安装后的第11天，即2010年4月13日00：00时测值为19.9765℃，绝对差为0.0047℃（邱永平，2011）。这与“十五”水温仪停机后，“九五”水温仪水温测值下降了0.0052℃对比，仅仅相差0.0005℃。说明当初“十五”水温仪安装后的第11天值比“九五”水温仪高，这应是受到“九五”水温仪的影响，证明仪器出厂时的精度是比较高的。

（3）在2套仪器同层平行对比观测之前，宁波台“九五”水温仪水温测项在全球8级及以上地震前都有一定程度的前兆反应（邱永平，2006a；刘冬英，2008；赵刚等，2009），而在近震震前又有不同的前兆反应（邱永平，2006b、2007），自从做同层平行对比观测之后，这种前兆反应就不再出现了。如2008年汶川8.0级地震前，宁波台水温、水氡异常变化非常清晰（刘冬英，2008；邱永平等，2009）；而2011年日本9.0级地震前，水氡异常反应仍然较好（邱永平，2013），而水温反应不明显。说明2套仪器同层平行观测中存在的互相干扰因素，可能抵消了异常变化动态。因此，在水温波动比较小的井泉中，不主张做同层平行对比观测。