寧波地震臺2套水溫儀同層觀測互干擾現(xiàn)象

李慧峰袁寶珠呂奧博

1） 中國浙江315029寧波地震臺

2） 中國浙江315029寧波市地震監(jiān)測中心

寧波地震臺2套水溫儀同層觀測互干擾現(xiàn)象

李慧峰1）,2）袁寶珠2）呂奧博1）,2）

1） 中國浙江315029寧波地震臺

2） 中國浙江315029寧波市地震監(jiān)測中心

寧波地震臺“九五”水溫儀能靈敏記錄到地震前兆異常變化，2010年4年2日“十五”水溫儀安裝，在ZK03井同一深度并行觀測。并行觀測期間，2套水溫儀未記錄到地震前兆明顯異常變化，2015年4月24日“十五”水溫儀探頭因供電故障停運，“九五”水溫儀恢復(fù)正常記錄特性。分析認為，2套水溫儀探頭在運行狀態(tài)下產(chǎn)生相互干擾，從而無法記錄到地震前兆異常變化。因此，小孔徑、小流量觀測井不宜進行水溫同層平行觀測。

水溫；并行觀測；地震異常；干擾

0 引言

觀測井水溫的微動態(tài)變化，是由于含水層巖石的受力狀態(tài)發(fā)生變化而引起的井水溫度隨時間的變化。這種變化量值較小，多在高精度水溫觀測中才可記錄到（車用太等，2008）。隨著中國高精度石英溫度計的研制成功與推廣應(yīng)用，利用觀測深井水溫來研究地下水微溫度場變化的工作獲得明顯進展，深井水溫觀測已經(jīng)成為目前中國地震監(jiān)測中的一個重要測項。實踐表明，在地震地下流體動態(tài)觀測中，水溫對地震活動響應(yīng)敏感，在地震預(yù)測研究中發(fā)揮了重要作用（國家地震局預(yù)測預(yù)防司，1997；顧申宜等，2011）?！熬盼濉逼陂g，浙江寧波地震臺ZK03井增加水溫測項，該儀器在“十五”水溫儀安裝前共記錄到全球8級以上地震臨震異常6次（邱永平，2006；劉冬英，2008），近震前兆異常多次（邱永平，2006，2007），特別是2008年汶川8.0級地震前出現(xiàn)明顯的前兆現(xiàn)象（劉冬英，2008）。中國地震局流體學(xué)科組為了驗證寧波ZK03井“九五”水溫測項異常的可靠性，2010 年4月2日在該井安裝“十五”水溫儀，進行同井位并行觀測。自此，該臺“九五”水溫測項再未觀測到地震前兆異常。究其原因，認為2套觀測儀器在相鄰位置互為干擾，影響儀器正常觀測，導(dǎo)致水溫觀測儀記錄不到地震前兆異常。

1 井孔及觀測儀器

1.1 井孔概況

寧波地震臺（以下簡稱寧波臺）地處中國海岸線中部，杭州灣口南側(cè)，寧波平原北西丘陵南麓，距東海海岸線約16 km，海拔標高20 m。寧波臺綜合流體觀測井ZK03 井1979年4月成井，井深83.06 m，井孔巖性為白堊紀紫灰色凝灰?guī)r。該井地下水類型為山前補給的基巖構(gòu)造裂隙水，2個主要含水層在16.5—25.0 m和44.5—48.5 m深度處，水質(zhì)屬低礦化度HCO3—Ca型水。成井時日流量約3 t，目前約0.5 t。該井完工時，用Φ168套管下至9.8 m深度處(第四系覆蓋物厚6.3 m)及Φ146套管下至75 m處，并在Φ168管外用水泥固井止水，井孔周圍5 km內(nèi)無其他開采深井，是上述含水層唯一人工開采點，具有良好的水文地質(zhì)環(huán)境。

1.2 觀測儀器

（1）“九五”水溫儀。寧波臺“九五”水溫儀2000年12月21日安裝，是SZW-1A型系列數(shù)字式地?zé)幔ㄋ疁兀┯^測石英溫度計，由中國地震局地殼應(yīng)力研究所研制生產(chǎn)，具有高分辨率、高穩(wěn)定性、高精度、寬量程、數(shù)字化自動觀測等特點。由于采用智能化設(shè)計、CMOS系列集成電路，同時具有高可靠、低功耗、功能強、管理使用方便等性能，在專業(yè)地震前兆觀測臺網(wǎng)和地方前兆觀測臺站獲得廣泛應(yīng)用，已成為地下流體學(xué)科主測項之一（何案華等，2007）。該水溫儀由主機和傳感器兩部分組成，由200 m（標準長度）長的電纜線連接。測溫傳感器放置在距井口78.2 m深處，井孔位是半地下室建筑，儀器傳感器探頭線纜通過PVC管套埋入儀器室，兩地相距小于10 m。

“九五”水溫儀主要技術(shù)指標為：分辨率為0.000 1℃，短期穩(wěn)定性、短期漂移小于0.000 1℃/日，長期穩(wěn)定性、長期漂移小于0.01℃/年，絕對精度±0.03℃，動態(tài)范圍0—100℃，探頭Φ30×690 mm，耐100個大氣壓（10 MPa），探頭電纜出廠配置長度200 m，電源交流100—240 V、直流9—18 V、自動切換內(nèi)置避雷部件，標準以太網(wǎng)接10/100 M自適應(yīng)控制臺接口，與計算機相連時可調(diào)試儀器、加載程序、設(shè)置參數(shù)、查找故障等。

（2）“十五”水溫儀。2010年4年2日，寧波臺在同一井孔相同深度安裝1套水溫觀測儀器，與“九五”水溫儀來自同一廠商，同為SZW-1A型系列地?zé)幔ㄋ疁兀┯^測石英溫度計（V 2004）（簡稱“十五”水溫儀），主要技術(shù)指標相同。2套儀器傳感器安裝深度誤差小于200 mm，儀器均由同一供電系統(tǒng)供電，共用同一套防雷接地系統(tǒng)，各自接有備用直流電瓶。

2 儀器運行互干擾

2010年4年2日寧波臺ZK03井2套水溫儀并行觀測，“九五”水溫儀再未記錄到明顯的地震前兆異常。對于井震距小于2 000 km的2011年3月11日日本東海9.1級地震，及井震距290 km的2014年9月15日溫州文泰區(qū)域震群（最大地震為M4.2地震），“九五”水溫儀皆無異常反應(yīng)，而對于2006年溫州文泰區(qū)域發(fā)生的震群（最大震級M4.1），該儀器記錄到明顯的地震前兆異常（邱永平，2007）。究其原因，應(yīng)為2套水溫儀并行觀測產(chǎn)生互干擾，掩蓋了地震前兆異常變化。

2.1 “十五”水溫儀安裝干擾

寧波臺“九五”水溫儀器存在漂移，2002年日漂移量0.43×10-4，升溫漂移量的短期穩(wěn)定性符合技術(shù)指標，長期穩(wěn)定性大于技術(shù)指標，后有趨穩(wěn)態(tài)勢，2009年日漂移量0.17×10-4，短期穩(wěn)定性及長期穩(wěn)定性皆符合指標。圖1為“十五”水溫儀安裝前后“九五”水溫儀觀測數(shù)據(jù)動態(tài)變化曲線。由圖1可見，2010年4月1日00時“九五”水溫儀測值為20.105 8℃，2日15時水溫數(shù)據(jù)相同，之后安裝“十五”水溫儀，16時傳感器下井，“九五”水溫儀觀測數(shù)值下降，16時10分為20.103 6℃。這是因為，據(jù)寧波臺氣象三要素，當(dāng)日16時氣溫11.13℃，導(dǎo)致“十五”水溫傳感器器件溫度低于水溫，致使同層的“九五”水溫儀觀測溫度降低。從圖1（b）水溫分鐘值動態(tài)變化曲線可知，“十五”水溫儀安裝“九五”水溫儀觀測溫度有2次下降過程，成“W”形狀，此水溫變化由安裝過程中探底拉升數(shù)米后回放造成，說明“九五”水溫傳感器對微動態(tài)記錄清晰。“十五”水溫儀運行后，“九五”水溫動態(tài)曲線呈迅速上升趨勢，形態(tài)表現(xiàn)為對數(shù)函數(shù)型曲線，至9日，水溫觀測數(shù)值仍有2×10-4℃上升，10日溫度停止上升并趨于正常。在“十五”水溫儀安裝過程中，“九五”水溫儀觀測數(shù)據(jù)上升幅度為9.7×10-3℃，而其正常變化應(yīng)小于1.5×10-4℃。據(jù)此推斷，“十五”水溫儀安裝運行對“九五”儀器產(chǎn)生大于9.5×10-3℃的干擾值。

圖1 ZK03井“十五”水溫儀安裝前后觀測數(shù)據(jù)動態(tài)變化曲線(a) 2010年4月1日—10日水溫整點值曲線； (b) 2010年4月1日水溫分鐘值曲線Fig.1 Changes of observation data before and after the installation of“the ninth fve-year plan” water thermometer in well ZK03

2.2 “十五”水溫儀故障干擾

寧波臺“九五”、“十五”水溫儀2010年4月2日起并行觀測，均呈升溫漂移，“十五”水溫漂移量較小，且二者水溫漂移量均有逐年減小趨勢。2014年“九五”水溫漂移量每日0.11×10-4，“十五”水溫漂移量每日0.03×10-4。2015年4月2日寧波臺所在區(qū)域計劃停電，09時后2套水溫儀均由各自備用電瓶供電，15時30分檢查發(fā)現(xiàn)，“十五”水溫儀因電瓶故障停止運行。

圖2 2015年4月23日—24日ZK03井“九五”“十五”水溫分鐘值動態(tài)變化曲線(a)“九五”水溫儀分鐘值曲線； (b)“十五”水溫儀分鐘值曲線Fig.2 The minute data of water temperatures of “The ninth fve-year plan” instrument and“The ninth fve-year plan” instrument at ZK03 on April 23 to 24，2015

圖2為“十五”水溫儀電源故障排除前后，2套觀測儀水溫分鐘值動態(tài)變化曲線。由圖2(a)可見，2015年4月23日至24日12時28分，“九五”水溫觀測數(shù)值在20.151 8℃—20.151 9℃波動，12時29分水溫數(shù)據(jù)開始下降，推斷“十五”水溫儀因電源故障停止運行，此后數(shù)值直線下降，15時38分“十五”水溫儀恢復(fù)運行，此時“九五”水溫觀測數(shù)值為20.146 7℃，水溫數(shù)值未轉(zhuǎn)折上升，存在微弱下降趨勢，15時49分數(shù)值為20.146 6℃， 16時00分數(shù)值回升至20.146 7℃，之后數(shù)據(jù)開始加速度回升。分析認為，“十五”水溫儀停運后其傳感器在水流環(huán)境中持續(xù)冷卻，15時38分“十五”水溫開始運行，傳感器外殼仍趨于冷卻過程，20 min后水溫傳感元器件通電加熱傳到器械外殼，從而帶動周圍水流升溫，使“九五”水溫數(shù)據(jù)開始加速度上升。由此可見，“十五”水溫儀因電源故障引起“九五”水溫儀產(chǎn)生5.2×10-3℃的變化幅度非真實干擾幅度，運行產(chǎn)生的干擾幅度應(yīng)大于該值。

由圖2(b)可見，“十五”水溫儀電源故障，導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)缺數(shù)，引起數(shù)據(jù)儲存錯誤；25日18時50分—26日01時26分出現(xiàn)2個低洼型變化形態(tài)，認為可能由儀器恢復(fù)運行穩(wěn)定過程所致。

綜上所述，“九五”水溫儀運行受到“十五”水溫儀運行干擾，同理，“十五”水溫也受到“九五”水溫儀運行干擾。

3 結(jié)論

綜上所述，認為“九五”與“十五”水溫儀在寧波臺ZK03井同深度并行觀測，導(dǎo)致2套儀器運行互干擾，嚴重影響觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量，導(dǎo)致并行觀測后記錄不到地震前兆異常，具體得出以下結(jié)論：①“九五”和“十五”水溫儀觀測數(shù)值不一致，由傳感器特性和差異所致；②2套水溫儀在同井位同深度觀測存在相互干擾，是由于傳感器在工作時會產(chǎn)生溫度變化和電磁場感應(yīng)，由此產(chǎn)生的干擾幅度是傳感器正常觀測變化幅度的幾十倍，因此導(dǎo)致2套儀器并行觀測后無法記錄到地震前兆異常；③SZW-1A型系列數(shù)字式溫度計分辨率高、易受干擾，配備該水溫儀的井位不應(yīng)提倡多探頭綜合觀測。如確實有觀測要求，建議SZW-1A型系列數(shù)字式溫度計傳感器與其他儀器探頭保持一定距離，以減少干擾。

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Mutual interference between two sets of water thermometers in same layer observation

Li Huifeng1),2)，Yuan Baozhu2)and Lv Aobo1),2)
1)Ningbo Seismic Station,Zhejiang Province315029,China
2)Ningbo Earthquake Monitoring Center,Zhejiang Province315029,China

At Ningbo Seismic Station, “the ninth fve-year plan” water thermometer can quickly record anomalous changes of earthquake precursor.“The tenth five-year plan” water thermometer was installed on April 2nd 2010 and made observation at the same depth in ZK03 well.During this same layer observation, both the two sets of water thermometers did not record the anomalous change of earthquake precursor.And on April 24th 2015 “the tenth five-year plan” water thermometer probe stopped working due to power supply failure and then “the ninth five-year plan” recovered to recording the anomaly.The analysis found that they cannot record anomaly due to mutual interference between their probes during operation.Therefore, it is not suitable to make same layer observation of water temperature in wells with small bore and small fow.

water temperature，parallel observation，precursor anomaly，interference

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.06.018

李慧峰（1970—），男，工程師，長期從事地震監(jiān)測工作。E-mail：723764472t@qq.com

中國地震局95-01-02改造項目

本文收到日期：2016-02-18