高精度温度计在水温观测中的仪器稳定性分析

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

地震科学是观测科学，没有合格的观测资料，规律是难以揭示的。要取得合格的观测资料，关键在于观测仪器的稳定性和观测数据的可靠性与真实性。

地下流体动态的观测与研究是地震科学探索的重要组成部分。作为地下流体主要测项之一的水温观测，自20世纪80年代开始就实现了观测技术的高精度和数字化，并希望通过对地下中、浅层地温和深井、泉水水温变化的观测与分析，探讨在构造应力作用下热物质运移、介质能量转化和水动力条件改变等引起的地壳介质温度变化过程（刘耀炜等，2006）。30多年来的观测实践与研究表明，高精度水温观测能够获得地球动力作用信息，如能记录到水温固体潮、水温地震前兆异常、水温同震响应等丰富的微动态现象（付子忠，1990；车用太等，2008；邱永平等，2009；马玉川，2010）。然而，随着观测时间的推移，同时也暴露出观测仪器性能不够稳定等问题，由于缺少有效的长期平行检测系统，尚不能给出有关仪器稳定性的科学评定结果，只能从观测数据及其年变化动态方面作间接的分析，目前使用的仪器的长期稳定性与短期稳定性均存在一些问题（车用太等，2013）。

我国地下流体水温测项发展很快，到2015年时有321口观测井（泉）参加了全国水温观测资料质量评比，业已成为全国地震流体监测台网的第1大测项①流体学科技术管理组，2016，2015年度地下流体学科观测资料质量全国统评工作会议纪要，地下流体学科工作简讯，（1），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，仪器分辨率达0.0001℃。因目前国内外计量部门在技术上还无法对0.0001℃精度进行标定或检测，故此，高精度温度计的仪器稳定性尚缺少一个客观的评价方法。

浙江宁波地震台分别于2000和2010年在ZK03井内安装了SZW-1A型数字式水温观测石英温度计进行同层水温平行观测。赵刚等（2009）在研究地热（水温）正常动态特征分类时，认为宁波台水温变化是典型的稳定型短期正常动态类型。本文利用该台10年来的单测项、6年来的同层比测资料，对仪器的短期和长期稳定性进行分析对比，得到的结果可为仪器生产者和进行数据分析的地震活动预测人员提供参考。

1 观测井及仪器

1.1 观测井

宁波地震台地处我国东南沿海的杭州湾南岸的宁波向斜盆地北西翼边缘带上，距东海岸约 16km（29.98°N、121.52°E，海拔标高 20m），是国家基本台。ZK03井位于台站院内，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16.5～25.0、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，2016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2部分组成，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，信号电缆线用PVC套管埋入地下引进室内，井孔之上是半地下室井房。

该仪器的主要技术指标为：仪器分辨率为 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≤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，使用同一套防雷接地系统，并各自接备用直流电瓶。

2 仪器短期和长期稳定性分析

2.1 “九五”水温仪的长期稳定性分析

图1为2001年1月～2016年12月ZK03井“九五”水温仪水温月均值动态变化。从图1中可清楚地看出，测值长期处于上升状态，由19.9720℃上升到20.1577℃，16年间上升了0.1857℃，上升速率约为年均 0.0116℃，大于 0.01℃／年的长期稳定性指标。根据邱永平（2011）的研究，这种长趋势上升现象是仪器漂移的结果，即仪器长期稳定性存在漂移现象。

图1 2001年1月～2016年12月ZK03井“九五”水温仪水温月均值动态变化

图2 2001～2016年ZK03井“九五”水温仪年漂移量动态变化

图2为2001～2016年ZK03井“九五”水温仪年漂移量动态变化。图2中显示，随着观测时间的延续，仪器漂移量逐渐减少，其中的起伏与测值异常和仪器的短期稳定性及更换主机、做同层平行观测干扰（邱永平，2016）等相关。表1为2001～2016年ZK03井“九五”水温仪年漂移量值。表1中数据表明，2012年后，年漂移量小于仪器的长期稳定性指标，仪器处于长期稳定性状态。

表1 2001～2016年ZK 03井“九五”水温仪年漂移量

2.2 “九五”“十五”水温仪的长期稳定性对比

图3给出了2011年1月～2016年12月ZK03井“九五”“十五”水温仪水温月均值动态变化。从图3中可见，测值都处于上升状态，但上升速率有明显差异，如果不考虑“九五”水温仪2011年10月29日更换了主机对测值的影响，测值的上升速率“九五”水温仪还是大于“十五”水温仪。说明“十五”水温仪长期稳定性明显优于“九五”水温仪。

图3 2011年1月～2016年12月ZK03井“九五”“十五”水温仪水温月均值动态变化

表2给出了2011～2016年ZK03井“十五”水温仪年漂移量值，图4给出了2011年1月～2016年12月ZK03井“九五”“十五”水温仪年漂移量动态变化。从图4可对比发现，6年来“十五”水温仪的最大年漂移量值与“九五”水温仪的最小年漂移量值基本相同，说明每套仪器年漂移量值的大小是由各自的系统特性来决定，但随着观测时间的延续，仪器漂移量逐渐减少，这个系统特性是一致的。

表2 2011～2016年ZK 03井“十五”水温仪年漂移量

图4 2011～2016年ZK03井“九五”“十五”水温仪年漂移量动态变化

2.3 “九五”“十五”水温仪短期稳定性分析

图5给出了2011年11月1～30日ZK03井“九五”“十五”水温仪水温整点值动态变化。由图5可见，5日15时～25日16时，“十五”水温仪水温整点测值为同一数据；9日13时～14日2时、16日1时～22日4时，“九五”水温仪水温整点测值也为同一数据。经查检，仪器工作状态正常，2套仪器平行观测结果出现同步稳定现象，说明观测数据为一定值非仪器原因，而是观测井内水的温度极端平稳所致，同时说明该系列仪器完全可以做到在分辨率等于或高于0.0001℃状态下稳定观测。

图6展示了2016年1月1～5日ZK03井“九五”“十五”水温仪水温分钟值动态变化对比。从图6中可看出，“九五”水温仪水温测值在这5天时间内只有0.0002℃波动；而“十五”水温仪在4日有0.0006℃的明显阶跃波动现象，说明这个阶跃不是井水温度异常变化结果，而是由仪器的短期稳定性主导的。

图7是2016年11月25～30日ZK03井“九五”“十五”水温仪水温分钟值动态变化。图7中显示，2套仪器测值正常波动都在0.0002℃，“九五”水温仪在27日有一0.0005℃的脉冲式波动，恢复很快；“十五”水温仪在26日也有一0.0005℃脉冲式波动现象，数小时后才恢复。所以2套仪器脉冲式波动在时间、形态上不完全相同，这同样说明这种脉冲现象是仪器的短期稳定性所致。

图5 2011年11月1～30日ZK03井“九五”“十五”水温仪水温整点值动态变化

图6 2016年1月1～5日ZK03井“九五”“十五”水温仪水温分钟值动态变化

3 结论与讨论

综合前文分析可得到以下认识：

（1）宁波台ZK03井水温长期观测实践说明，目前使用的SZW系列石英温度计仪器存在年漂移现象，但随着观测时间的延续，仪器漂移量会逐渐减少，能够达到年漂移量小于生产厂商给出的仪器长期稳定性指标，故可认为对地震前兆观测影响不大；短期稳定性方面存在不明原因的阶跃和脉冲现象，但次数不多，幅度不大，如果不是并行观测，较难判别。因此，在对观测资料进行提取、分析时要考虑仪器的这些因素。同时建议仪器生产者能在短期稳定性方面作进一步完善，特别是要提高对供电系统的抗干扰能力。

图7 2016年11月25～30日ZK03井“九五”“十五”水温仪水温分钟值动态变化

（2）在观测仪器工作正常、观测井内水的温度极端平稳时，该仪器的短期稳定性可以在0.0001℃分辨率上整点值连续数天至20天保持不变。由此，建议生产者研制0.00001℃分辨率的水温观测仪器，在部分水温非常稳定的观测井中进行超高精度水温观测实验，以获取地球动力作用下地壳介质温度的极微变化过程，使水温测项在地震中长期、特别是短临监测及预测以及地震机制研究中发挥更大价值。