高精度溫度計在水溫觀測中的儀器穩(wěn)定性分析

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

地震科學(xué)是觀測科學(xué)，沒有合格的觀測資料，規(guī)律是難以揭示的。要取得合格的觀測資料，關(guān)鍵在于觀測儀器的穩(wěn)定性和觀測數(shù)據(jù)的可靠性與真實性。

地下流體動態(tài)的觀測與研究是地震科學(xué)探索的重要組成部分。作為地下流體主要測項之一的水溫觀測，自20世紀(jì)80年代開始就實現(xiàn)了觀測技術(shù)的高精度和數(shù)字化，并希望通過對地下中、淺層地溫和深井、泉水水溫變化的觀測與分析，探討在構(gòu)造應(yīng)力作用下熱物質(zhì)運(yùn)移、介質(zhì)能量轉(zhuǎn)化和水動力條件改變等引起的地殼介質(zhì)溫度變化過程（劉耀煒等，2006）。30多年來的觀測實踐與研究表明，高精度水溫觀測能夠獲得地球動力作用信息，如能記錄到水溫固體潮、水溫地震前兆異常、水溫同震響應(yīng)等豐富的微動態(tài)現(xiàn)象（付子忠，1990；車用太等，2008；邱永平等，2009；馬玉川，2010）。然而，隨著觀測時間的推移，同時也暴露出觀測儀器性能不夠穩(wěn)定等問題，由于缺少有效的長期平行檢測系統(tǒng)，尚不能給出有關(guān)儀器穩(wěn)定性的科學(xué)評定結(jié)果，只能從觀測數(shù)據(jù)及其年變化動態(tài)方面作間接的分析，目前使用的儀器的長期穩(wěn)定性與短期穩(wěn)定性均存在一些問題（車用太等，2013）。

我國地下流體水溫測項發(fā)展很快，到2015年時有321口觀測井（泉）參加了全國水溫觀測資料質(zhì)量評比，業(yè)已成為全國地震流體監(jiān)測臺網(wǎng)的第1大測項①流體學(xué)科技術(shù)管理組，2016，2015年度地下流體學(xué)科觀測資料質(zhì)量全國統(tǒng)評工作會議紀(jì)要，地下流體學(xué)科工作簡訊，（1），觀測儀器以中國地震局地殼應(yīng)力研究所研制的SZW系列石英溫度計為主，儀器分辨率達(dá)0.0001℃。因目前國內(nèi)外計量部門在技術(shù)上還無法對0.0001℃精度進(jìn)行標(biāo)定或檢測，故此，高精度溫度計的儀器穩(wěn)定性尚缺少一個客觀的評價方法。

浙江寧波地震臺分別于2000和2010年在ZK03井內(nèi)安裝了SZW-1A型數(shù)字式水溫觀測石英溫度計進(jìn)行同層水溫平行觀測。趙剛等（2009）在研究地?zé)幔ㄋ疁兀┱討B(tài)特征分類時，認(rèn)為寧波臺水溫變化是典型的穩(wěn)定型短期正常動態(tài)類型。本文利用該臺10年來的單測項、6年來的同層比測資料，對儀器的短期和長期穩(wěn)定性進(jìn)行分析對比，得到的結(jié)果可為儀器生產(chǎn)者和進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的地震活動預(yù)測人員提供參考。

1 觀測井及儀器

1.1 觀測井

寧波地震臺地處我國東南沿海的杭州灣南岸的寧波向斜盆地北西翼邊緣帶上，距東海岸約 16km（29.98°N、121.52°E，海拔標(biāo)高 20m），是國家基本臺。ZK03井位于臺站院內(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16.5～25.0、44.5～48.5m處裂隙發(fā)育，巖石相對破碎，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，2016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(nèi)安裝了SZW-1A型數(shù)字式水溫觀測石英溫度計（簡稱“九五”水溫儀），該儀器由主機(jī)和傳感器2部分組成，由200m（標(biāo)準(zhǔn)長度）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)計算機(jī)房內(nèi)，信號電纜線用PVC套管埋入地下引進(jìn)室內(nèi)，井孔之上是半地下室井房。

該儀器的主要技術(shù)指標(biāo)為：儀器分辨率為 0.0001℃，絕對精度 0.05℃，短期穩(wěn)定性0.0001℃／日，長期穩(wěn)定性優(yōu)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(nèi)相同深度又安裝一套水溫觀測儀器，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(shù)指標(biāo)完全相同。2套儀器的傳感器放置深度誤差≤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(tǒng)供電，使用同一套防雷接地系統(tǒng)，并各自接備用直流電瓶。

2 儀器短期和長期穩(wěn)定性分析

2.1 “九五”水溫儀的長期穩(wěn)定性分析

圖1為2001年1月～2016年12月ZK03井“九五”水溫儀水溫月均值動態(tài)變化。從圖1中可清楚地看出，測值長期處于上升狀態(tài)，由19.9720℃上升到20.1577℃，16年間上升了0.1857℃，上升速率約為年均 0.0116℃，大于 0.01℃／年的長期穩(wěn)定性指標(biāo)。根據(jù)邱永平（2011）的研究，這種長趨勢上升現(xiàn)象是儀器漂移的結(jié)果，即儀器長期穩(wěn)定性存在漂移現(xiàn)象。

圖1 2001年1月～2016年12月ZK03井“九五”水溫儀水溫月均值動態(tài)變化

圖2 2001～2016年ZK03井“九五”水溫儀年漂移量動態(tài)變化

圖2為2001～2016年ZK03井“九五”水溫儀年漂移量動態(tài)變化。圖2中顯示，隨著觀測時間的延續(xù)，儀器漂移量逐漸減少，其中的起伏與測值異常和儀器的短期穩(wěn)定性及更換主機(jī)、做同層平行觀測干擾（邱永平，2016）等相關(guān)。表1為2001～2016年ZK03井“九五”水溫儀年漂移量值。表1中數(shù)據(jù)表明，2012年后，年漂移量小于儀器的長期穩(wěn)定性指標(biāo)，儀器處于長期穩(wěn)定性狀態(tài)。

表1 2001～2016年ZK 03井“九五”水溫儀年漂移量

2.2 “九五”“十五”水溫儀的長期穩(wěn)定性對比

圖3給出了2011年1月～2016年12月ZK03井“九五”“十五”水溫儀水溫月均值動態(tài)變化。從圖3中可見，測值都處于上升狀態(tài)，但上升速率有明顯差異，如果不考慮“九五”水溫儀2011年10月29日更換了主機(jī)對測值的影響，測值的上升速率“九五”水溫儀還是大于“十五”水溫儀。說明“十五”水溫儀長期穩(wěn)定性明顯優(yōu)于“九五”水溫儀。

圖3 2011年1月～2016年12月ZK03井“九五”“十五”水溫儀水溫月均值動態(tài)變化

表2給出了2011～2016年ZK03井“十五”水溫儀年漂移量值，圖4給出了2011年1月～2016年12月ZK03井“九五”“十五”水溫儀年漂移量動態(tài)變化。從圖4可對比發(fā)現(xiàn)，6年來“十五”水溫儀的最大年漂移量值與“九五”水溫儀的最小年漂移量值基本相同，說明每套儀器年漂移量值的大小是由各自的系統(tǒng)特性來決定，但隨著觀測時間的延續(xù)，儀器漂移量逐漸減少，這個系統(tǒng)特性是一致的。

表2 2011～2016年ZK 03井“十五”水溫儀年漂移量

圖4 2011～2016年ZK03井“九五”“十五”水溫儀年漂移量動態(tài)變化

2.3 “九五”“十五”水溫儀短期穩(wěn)定性分析

圖5給出了2011年11月1～30日ZK03井“九五”“十五”水溫儀水溫整點值動態(tài)變化。由圖5可見，5日15時～25日16時，“十五”水溫儀水溫整點測值為同一數(shù)據(jù)；9日13時～14日2時、16日1時～22日4時，“九五”水溫儀水溫整點測值也為同一數(shù)據(jù)。經(jīng)查檢，儀器工作狀態(tài)正常，2套儀器平行觀測結(jié)果出現(xiàn)同步穩(wěn)定現(xiàn)象，說明觀測數(shù)據(jù)為一定值非儀器原因，而是觀測井內(nèi)水的溫度極端平穩(wěn)所致，同時說明該系列儀器完全可以做到在分辨率等于或高于0.0001℃狀態(tài)下穩(wěn)定觀測。

圖6展示了2016年1月1～5日ZK03井“九五”“十五”水溫儀水溫分鐘值動態(tài)變化對比。從圖6中可看出，“九五”水溫儀水溫測值在這5天時間內(nèi)只有0.0002℃波動；而“十五”水溫儀在4日有0.0006℃的明顯階躍波動現(xiàn)象，說明這個階躍不是井水溫度異常變化結(jié)果，而是由儀器的短期穩(wěn)定性主導(dǎo)的。

圖7是2016年11月25～30日ZK03井“九五”“十五”水溫儀水溫分鐘值動態(tài)變化。圖7中顯示，2套儀器測值正常波動都在0.0002℃，“九五”水溫儀在27日有一0.0005℃的脈沖式波動，恢復(fù)很快；“十五”水溫儀在26日也有一0.0005℃脈沖式波動現(xiàn)象，數(shù)小時后才恢復(fù)。所以2套儀器脈沖式波動在時間、形態(tài)上不完全相同，這同樣說明這種脈沖現(xiàn)象是儀器的短期穩(wěn)定性所致。

圖5 2011年11月1～30日ZK03井“九五”“十五”水溫儀水溫整點值動態(tài)變化

圖6 2016年1月1～5日ZK03井“九五”“十五”水溫儀水溫分鐘值動態(tài)變化

3 結(jié)論與討論

綜合前文分析可得到以下認(rèn)識：

（1）寧波臺ZK03井水溫長期觀測實踐說明，目前使用的SZW系列石英溫度計儀器存在年漂移現(xiàn)象，但隨著觀測時間的延續(xù)，儀器漂移量會逐漸減少，能夠達(dá)到年漂移量小于生產(chǎn)廠商給出的儀器長期穩(wěn)定性指標(biāo)，故可認(rèn)為對地震前兆觀測影響不大；短期穩(wěn)定性方面存在不明原因的階躍和脈沖現(xiàn)象，但次數(shù)不多，幅度不大，如果不是并行觀測，較難判別。因此，在對觀測資料進(jìn)行提取、分析時要考慮儀器的這些因素。同時建議儀器生產(chǎn)者能在短期穩(wěn)定性方面作進(jìn)一步完善，特別是要提高對供電系統(tǒng)的抗干擾能力。

圖7 2016年11月25～30日ZK03井“九五”“十五”水溫儀水溫分鐘值動態(tài)變化

（2）在觀測儀器工作正常、觀測井內(nèi)水的溫度極端平穩(wěn)時，該儀器的短期穩(wěn)定性可以在0.0001℃分辨率上整點值連續(xù)數(shù)天至20天保持不變。由此，建議生產(chǎn)者研制0.00001℃分辨率的水溫觀測儀器，在部分水溫非常穩(wěn)定的觀測井中進(jìn)行超高精度水溫觀測實驗，以獲取地球動力作用下地殼介質(zhì)溫度的極微變化過程，使水溫測項在地震中長期、特別是短臨監(jiān)測及預(yù)測以及地震機(jī)制研究中發(fā)揮更大價值。