摘要 利用寧波地震臺水溫 10 年來的單測項、6 年來的同層比測資料，對高精度溫度計的儀器短期和長期穩定性進行分析對比。研究發現儀器長期存在漂移現象，漂移量的大小與每套儀器的系統特性有關，但隨著觀測時間的延續，漂移量逐漸減少，認為該現象對地震前兆觀測影響不大; 短期穩定性存在不明原因的階躍和脈沖現象，但次數不多，幅度不大，如果不是并行觀測，較難判別。因此，在資料分析時要考慮儀器的這些問題。有時儀器短期非常穩定，數天至 20 天整點值為同一測值。

　　關鍵詞: 高精度溫度計 水溫觀測 儀器短期和長期穩定性 寧波地震臺

　　0 引言

　　地震科學是觀測科學，沒有合格的觀測資料，規律是難以揭示的。要取得合格的觀測資料，關鍵在于觀測儀器的穩定性和觀測數據的可靠性與真實性。

　　地下流體動態的觀測與研究是地震科學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 80 年代開始就實現了觀測技術的高精度和數字化，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，探討在構造應力作用下熱物質運移、介質能量轉化和水動力條件改變等引起的地殼介質溫度變化過程( 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、水溫同震響應等豐富的微動態現象( 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定等問題，由于缺少有效的長期平行檢測系統，尚不能給出有關儀器穩定性的科學評定結果，只能從觀測數據及其年變化動態方面作間接的分析，目前使用的儀器的長期穩定性與短期穩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量評比，業已成為全國地震流體監測臺網的第 1 大測項①，觀測儀器以中國地震局地殼應力研究所研制的 SZW 系列石英溫度計為主，儀器分辨率達 0.0001℃。因目前國內外計量部門在技術上還無法對 0.0001℃精度進行標定或檢測，故此，高精度溫度計的儀器穩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 井內安裝了 SZW-1A 型數字式水溫觀測石英溫度計進行同層水溫平行觀測。趙剛等( 2009) 在研究地熱( 水溫) 正常動態特征分類時，認為寧波臺水溫變化是典型的穩定型短期正常動態類型。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定性進行分析對比，得到的結果可為儀器生產者和進行數據分析的地震活動預測人員提供參考。

　　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，海拔標高 20m) ，是國家基本臺。ZK03 井位于臺站院內，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。據鉆孔揭示，井孔巖性為下白堊系紫灰色凝灰巖，在地表下 16.5 ～ 25.0、44.5 ～ 48.5m 處裂隙發育，巖石相對破碎，為主要含水層，屬基巖裂隙水。井水水質屬于低礦化度 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 井內安裝了 SZW-1A 型數字式水溫觀測石英溫度計( 簡稱 “九五”水溫儀) ，該儀器由主機和傳感器 2 部分組成，由 200m( 標準長度) 電纜線連接。傳感器放置在距現井口 78.2m 深處。主機安裝在與井口相距小于 10m 的標準計算機房內，信號電纜線用 PVC 套管埋入地下引進室內，井孔之上是半地下室井房。

　　該儀器的主要技術指標為: 儀 器 分 辨 率 為 0.0001℃，絕 對 精 度 0.05℃，短 期 穩 定 性 0.0001℃ /日，長期穩定性優于 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，精度等主要技術指標完全相同。2 套儀器的傳感器放置深度誤差≤200mm，所在位置孔徑為 Ф130mm，據鉆孔揭示，巖石完整，裂隙不發育; 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供電，使用同一套防雷接地系統，并各自接備用直流電瓶。

　　2 儀器短期和長期穩定性分析

　　2.1 “九五”水溫儀的長期穩定性分析

　　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變化。從圖 1 中可清楚地看出，測值長期處于上升狀態，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℃ /年的長期穩定性指標。根據邱永平 ( 2011) 的研究，這種長趨勢上升現象是儀器漂移的結果，即儀器長期穩定性存在漂移現象。

　　圖 2 為 2001 ～ 2016 年 ZK03 井“九五”水溫儀年漂移量動態變化。圖 2 中顯示，隨著觀測時間的延續，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定性及更換主機、做同層平行觀測干擾( 邱永平，2016) 等相關。表 1為 2001 ～ 2016 年 ZK03 井“九五”水溫儀年漂移量值。表 1中數據表明，2012 年后，年漂移量小于儀器的長期穩定性指標，儀器處于長期穩定性狀態。

　　2.2 “九五”“十五”水溫儀的長期穩定性對比

　　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變化。從圖 3 中可見，測值都處于上升狀態，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”水溫儀長期穩定性明顯優于“九五”水溫儀。

　　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變化。從圖 4 可對比發現，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特性來決定，但隨著觀測時間的延續，儀器漂移量逐漸減少，這個系統特性是一致的。

　　2.3 “九五”“十五”水溫儀短期穩定性分析

　　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據; 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據。經查檢，儀器工作狀態正常，2 套儀器平行觀測結果出現同步穩定現象，說明觀測數據為一定值非儀器原因，而是觀測井內水的溫度極端平穩所致，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℃狀態下穩定觀測。

　　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℃的明顯階躍波動現象，說明這個階躍不是井水溫度異常變化結果，而是由儀器的短期穩定性主導的。

　　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，恢復很快; “十五”水溫儀在 26 日也有一 0.0005℃ 脈沖式波動現象，數小時后才恢復。所以 2 套儀器脈沖式波動在時間、形態上不完全相同，這同樣說明這種脈沖現象是儀器的短期穩定性所致。

　　3 結論與討論

　　綜合前文分析可得到以下認識:

　　( 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象，但隨著觀測時間的延續，儀器漂移量會逐漸減少，能夠達到年漂移量小于生產廠商給出的儀器長期穩定性指標，故可認為對地震前兆觀測影響不大; 短期穩定性方面存在不明原因的階躍和脈沖現象，但次數不多，幅度不大，如果不是并行觀測，較難判別。因此，在對觀測資料進行提取、分析時要考慮儀器的這些因素。同時建議儀器生產者能在短期穩定性方面作進一步完善，特別是要提高對供電系統的抗干擾能力。

　　( 2) 在觀測儀器工作正常、觀測井內水的溫度極端平穩時，該儀器的短期穩定性可以在0.0001℃分辨率上整點值連續數天至 20 天保持不變。由此，建議生產者研制 0.00001℃ 分辨率的水溫觀測儀器，在部分水溫非常穩定的觀測井中進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、特別是短臨監測及預測以及地震機制研究中發揮更大價值。

　　《高精度溫度計在水溫觀測中的儀器穩定性分析》來源：《中國地震》2018年12期，作者：邱永平。