一種地溫傳感器及其在大地震臨震前兆監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

王 騰，王新安，雍珊珊，謝 崢，郭朝陽(yáng)，林 科

(北京大學(xué)深圳研究生院，廣東 深圳 518055）

0 引言

我國(guó)是個(gè)大地震多發(fā)的國(guó)家，地震對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)建設(shè)造成極大的破壞，給人民生命財(cái)產(chǎn)造成巨大損失。大地震臨震前兆監(jiān)測(cè)是指根據(jù)地震孕育、成長(zhǎng)和發(fā)生過(guò)程中伴隨發(fā)生的地殼形變、地應(yīng)力、地電、地磁、地溫和地聲等現(xiàn)象或變化進(jìn)行觀察和監(jiān)測(cè)，對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析和判斷以對(duì)特定范圍內(nèi)特定時(shí)間可能發(fā)生的破壞性地震做出的預(yù)報(bào)。在地震來(lái)臨時(shí)提前給出預(yù)警，為人民爭(zhēng)取更多的時(shí)間準(zhǔn)備并逃離，可以極大的降低人民生命財(cái)產(chǎn)的損失。長(zhǎng)期以來(lái)，特別是上世紀(jì)七八十年代，我國(guó)采用“群專(zhuān)結(jié)合”的辦法對(duì)地震臨陣前兆監(jiān)測(cè)進(jìn)行了廣泛而深入的研究和實(shí)踐，取得了豐碩的成果[1]。

普遍認(rèn)為，在地震前兆監(jiān)測(cè)的手段中，地溫異常的監(jiān)測(cè)具有較強(qiáng)的反應(yīng)短臨地震前兆的潛力，特別是經(jīng)過(guò)云南瀾滄-耿馬大震的檢驗(yàn)和在強(qiáng)余震中取得一定的實(shí)效[2]。

1 地溫異常與地震

溫度是地球科學(xué)一個(gè)非常重要的物理量。一些學(xué)者認(rèn)為地球內(nèi)部的熱狀態(tài)導(dǎo)致密度差異，形成的重力梯度是地殼和上地幔物質(zhì)運(yùn)動(dòng)和地震的重要力源，同時(shí)溫度的空間分布還對(duì)物質(zhì)流變的快慢、大地電磁和重力異常以及地表熱流的高低、地形變化幅度和地殼低速層等有著重要影響[3]。地震產(chǎn)生的熱-破裂模式更是明確將地震的孕育過(guò)程分為熱液上升、軟化蠕滑和破裂發(fā)震三個(gè)階段[4]，較好地解釋了地震的空間分布，孕震所產(chǎn)生的各種前兆現(xiàn)象以及發(fā)震的構(gòu)造型式。

另一方面，地震的產(chǎn)生伴隨著地殼應(yīng)力的變化，造成巖石的壓電效應(yīng)或地球內(nèi)部溫室氣體的釋放和巖漿及其伴生的熾熱氣體沿裂縫上涌，也會(huì)造成震區(qū)及周?chē)販禺惓：偷乇頍峒t外輻射異常。這種現(xiàn)象屢屢得到驗(yàn)證，例如1976年唐山7.8級(jí)地震伴隨著唐山和昌黎兩個(gè)測(cè)站的地溫日變率突升1.1℃和1.2℃[5]，而白家疃地溫異常的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，1985～1992年間57%的地溫異常變化與此期間發(fā)生在首都圈46%的選出地震有對(duì)應(yīng)關(guān)系[6]。廣東省地震局從1990年即著手地溫觀測(cè)資料的搜集調(diào)研和方案研究[2、7]，是我國(guó)較早系統(tǒng)性開(kāi)展地溫觀測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及資料搜集并進(jìn)行地震短臨預(yù)報(bào)和無(wú)震判別研究的機(jī)構(gòu)。

地殼中的地溫分布按照深度分為四個(gè)地溫帶，分別是溫度日變化帶、溫度年變化帶、恒溫帶和增溫帶。一般來(lái)說(shuō)，深度達(dá)到20～30 m后，地層的溫度不再受太陽(yáng)輻射、天氣和氣候的影響，在同一地區(qū)同一深度地溫保持恒定值。而隨著深度的增加，地溫逐漸增加，在地殼內(nèi)地溫的變化梯度約為3℃/100 m。為避免地表氣候環(huán)境和地下水等對(duì)地溫異常監(jiān)測(cè)的影響，本文提出地溫異常監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用深層 （100 m以下）地溫測(cè)量的方法進(jìn)行大地震臨震前兆監(jiān)測(cè)。

2 基于單片機(jī)的深層地溫傳感器

盡管在地震前地溫異常作為臨震前兆已得到大家的認(rèn)可，但由于地球本身的熱容量很大，地溫變化的幅度并不大，特別是深層地溫。如白家疃井250 m深處地溫正常動(dòng)態(tài)變化范圍約為15.960 0±0.003 0℃，日均值連續(xù)出現(xiàn)≥0.008 0℃變化時(shí)則可能出現(xiàn)地溫前兆異常[8]。同時(shí)由于地溫測(cè)量傳感器深埋于地下，環(huán)境復(fù)雜施工難度大，而地震臨震地溫異常變化幅度小，這就對(duì)臨震地溫異常監(jiān)測(cè)傳感元件提出了穩(wěn)定可靠和高分辨率的要求。

傳統(tǒng)的測(cè)溫元件包括水銀溫度計(jì)、熱電偶、金屬熱電阻、半導(dǎo)體熱敏電阻、二極管、三極管和石英晶體[9]。其中，石英晶體的諧振頻率隨溫度改變線性變化，其電氣特性穩(wěn)定，是用作地溫測(cè)量的理想元件。利用特定材質(zhì)和切割工藝的測(cè)溫晶振配合一定的處理電路，可以獲得精度達(dá)0.05℃，分辨率達(dá)0.000 1℃的地溫傳感器[10]。

相較于傳統(tǒng)模擬溫度傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜易受干擾的不足，目前基于單片機(jī)和無(wú)線通信模塊的新型溫度傳感器系統(tǒng)具有數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的特點(diǎn)，可以定時(shí)測(cè)量地層深處的溫度進(jìn)行記錄存儲(chǔ)，并遠(yuǎn)程傳輸至數(shù)據(jù)中心進(jìn)行分析。這對(duì)于在廣闊地區(qū)如地震帶周?chē)M(jìn)行分布式地溫異常監(jiān)測(cè)具有很好的實(shí)用價(jià)值。

本文提出如圖1所示基于單片機(jī)的深層地溫傳感器，其中測(cè)溫晶振選用10 MHz的晶體振蕩器。由于石英晶體高純度的特性，其頻率-溫度特性曲線非常穩(wěn)定，漂移極小，非線性誤差很小。為避免測(cè)溫晶振輸出的高頻信號(hào)經(jīng)過(guò)傳輸后衰減，采用基準(zhǔn)晶振和混頻電路將測(cè)溫晶振產(chǎn)生的高頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為低頻信號(hào)。用單片機(jī)對(duì)該低頻信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)獲得測(cè)溫晶振的頻率變化，進(jìn)一步可以用單片機(jī)中的算法計(jì)算出溫度變化。

單片機(jī)的程序存儲(chǔ)在FLASH中，相應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)也可以在FLASH中暫存；可以通過(guò)通信串口對(duì)單片機(jī)進(jìn)行調(diào)試，升級(jí)FLASH中的程序以及讀出溫度數(shù)據(jù)或?qū)囟葦?shù)據(jù)通過(guò)串口外掛通信模塊發(fā)往數(shù)據(jù)中心進(jìn)行分析。由于串口輸出的是純數(shù)字信號(hào)，而且頻率較低，則可以較容易地通過(guò)較長(zhǎng)的電纜進(jìn)行傳輸同時(shí)達(dá)到衰減小抗干擾的目的。同時(shí)，可以通過(guò)單片機(jī)內(nèi)的定時(shí)器設(shè)定檢測(cè)地溫的時(shí)間間隔，在這個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)單片機(jī)可進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。這樣，一方面節(jié)省了系統(tǒng)功耗增加外部蓄電池的有效使用時(shí)間，另一方面也減小了系統(tǒng)自身的熱量散發(fā)對(duì)地溫監(jiān)測(cè)的影響。

基于上述設(shè)計(jì)，該傳感器可以達(dá)到穩(wěn)定性強(qiáng)，分辨率高，調(diào)試方便，易于維護(hù)，節(jié)省功耗的目標(biāo)，適合于對(duì)野外深層鉆井內(nèi)的地溫進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

圖1 基于單片機(jī)的深層地溫傳感器Fig.1 The proposed geothermic sensor based on MCU

3 分布式地溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及應(yīng)用

采用上述基于單片機(jī)的深層地溫傳感器，本文提出了一套分布式地溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。對(duì)于每一個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，采用鉆井的方式將地溫傳感器放置于地層深處。傳感器用導(dǎo)熱良好的金屬進(jìn)行封裝，并與基巖緊密接觸。通過(guò)同軸電纜用蓄電池為傳感器供電，并連接傳感器中的單片機(jī)和地表的系統(tǒng)調(diào)試接口及GPRS通信模塊，如圖2所示。圖中鉆孔孔徑應(yīng)達(dá)到100 mm，以方便傳感器的和電纜線的放置；根據(jù)站點(diǎn)地質(zhì)構(gòu)造的不同，鉆孔深度H1應(yīng)達(dá)到100 m以上，避開(kāi)表層土壤和沉積層（一般由粘土、砂土和礫石組成）達(dá)到巖石層，以避免地下水及其流動(dòng)對(duì)溫度測(cè)量和電路系統(tǒng)造成影響；同時(shí)，在鉆孔內(nèi)防止封閉套筒以隔絕表層水和空氣，其深度H2應(yīng)在20～30 m。為保證長(zhǎng)距離的同軸電纜數(shù)據(jù)傳輸，可在井中適當(dāng)位置增加信號(hào)中繼器。

圖3詳細(xì)闡述了本文了提出的地溫傳感器系統(tǒng)地下傳感器模塊和地面控制與通信模塊的結(jié)構(gòu)圖。如圖所示，地下傳感器模塊只對(duì)采集信號(hào)做簡(jiǎn)單的濾波后經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，用RS485串行通信協(xié)議通過(guò)同軸電纜傳輸至地面；在地面控制與通信模塊中，采用微控制器配合數(shù)字信號(hào)處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，一方面進(jìn)行本地存儲(chǔ)，另一方面通過(guò)無(wú)線通信模塊發(fā)送至遠(yuǎn)端服務(wù)器。整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)市電和蓄電池兩級(jí)電源進(jìn)行供電，以保證系統(tǒng)在沒(méi)有市電時(shí)也可以工作。

圖2 基于地溫傳感器的地震臨震前兆監(jiān)測(cè)站點(diǎn)Fig.2 The observation system for portent before earthquake based on the proposed geothermic sensor

圖3 （a）地下傳感器模塊；（b）地面控制與通信模塊Fig.3 (a)The underground temperature sensors；(b)the control and communication modules on ground surface

圖4 分布式地溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)Fig.4 The platform architecture of the proposed distributed geothermic monitoring system

監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的選址應(yīng)在地殼運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)烈的地區(qū)，如活動(dòng)構(gòu)造、深大斷裂帶附近，歷史上地震多發(fā)背景區(qū)和和有中長(zhǎng)期地震預(yù)報(bào)的地區(qū)[7]。同時(shí)，要避開(kāi)河流湖泊和農(nóng)田水利設(shè)施。區(qū)別于傳統(tǒng)地震監(jiān)測(cè)臺(tái)站占地面積大，造價(jià)成本高，靈活性差不易維護(hù)的特點(diǎn)，本文所提出的傳感器系統(tǒng)及鉆井要求具有占地面積小（1 m2以?xún)?nèi)）、工程成本較低（每個(gè)站點(diǎn)應(yīng)小于10萬(wàn)元）的優(yōu)勢(shì)。為密切監(jiān)控地震斷裂帶的深層溫度異常，需要在斷裂帶周?chē)芗O(shè)置監(jiān)測(cè)臺(tái)站（每100 km2左右設(shè)置一個(gè)站點(diǎn)），形成分布式的地溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如圖4所示。

各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)通過(guò)自身外掛的GPRS模塊通過(guò)移動(dòng)無(wú)線基站同數(shù)據(jù)中心保持?jǐn)?shù)據(jù)通信，將定時(shí)監(jiān)測(cè)的溫度數(shù)據(jù)傳遞至數(shù)據(jù)中心（機(jī)房）進(jìn)行綜合分析和判斷。數(shù)據(jù)中心根據(jù)地震斷裂帶周?chē)鷱V泛的地域平面內(nèi)不同監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的地溫異常情況及異常幅度分布，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，可以對(duì)該地區(qū)未來(lái)數(shù)月乃至數(shù)天可能發(fā)生的地震特別是大地震的震級(jí)和地理位置進(jìn)行自動(dòng)判斷，并根據(jù)情況發(fā)出預(yù)警信息。同時(shí)，監(jiān)測(cè)室可以對(duì)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行管理并通過(guò)人工實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)發(fā)生地溫異常的區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注，如提高地溫監(jiān)測(cè)的頻率和精度，進(jìn)行鄰近區(qū)域綜合分析和對(duì)比等。

在上述的分布式地震前兆監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，因?yàn)閱纹瑱C(jī)的使用及其靈活性，還可以加入方便地加入對(duì)地殼應(yīng)力 （形變）、地電阻率、地磁場(chǎng)以及地聲進(jìn)行檢測(cè)的傳感器。這樣就可以通過(guò)綜合的地震臨震前兆觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)地溫異常數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和判斷，并進(jìn)一步確定可能發(fā)生的破壞性地震的發(fā)生時(shí)間、震中位置和震級(jí)。

4 結(jié)束語(yǔ)

地溫異常的監(jiān)測(cè)具有較強(qiáng)的反應(yīng)短臨地震前兆的潛力，通過(guò)分析了現(xiàn)有的地溫測(cè)量傳感技術(shù)，提出了一種基于測(cè)溫晶振和單片機(jī)的用于大地震臨震前兆監(jiān)測(cè)的深層地溫傳感器，具有穩(wěn)定性強(qiáng)，分辨率高，調(diào)試方便，易于維護(hù)，節(jié)省功耗的特點(diǎn)。應(yīng)用該傳感器提出了一種低成本的分布式地溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和方法，使得結(jié)合其他手段進(jìn)行地震三要素預(yù)測(cè)成為可能。

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