基于震例及實驗的水溫傳感器分辨力選擇與觀測方法研究

黃麒瑾 崔慶谷

1 云南省地震局，昆明市北辰大道148號，650224

云南在網水溫傳感器主要有SZW-1A、SZW-2、DRSW-2、ZKGD3000、DLZ-1、DT-TTC，其性能參數不盡相同，觀測井環境條件也存在差異。長期的水溫觀測實踐表明，良好的觀測效能不僅與儀器有關，同時也與環境條件有關[1-2]，因此觀測儀器與觀測條件如何合理匹配并產出最有效的觀測數據是需要重點關注的問題。

傳感器的分辨力選擇非常關鍵，分辨力太低監測不到震前異常信號，分辨力太高則容易導致數據飄忽不定。基于廣東省觀測資料的研究發現，第一代水溫觀測儀設計的分辨力為0.001 ℃[3]，能同時檢測到正常的背景噪聲和震前異常信號，該設計既考慮了環境條件，也考慮了前兆異常信號的強度，但其選擇依據僅限于廣東省內的較少震例和有限數據。

隨著數據的積累，更多的資料和震例可作為傳感器選型的依據。部分學者對1996年以來云南地區5.0級以上地震資料進行梳理后發現，49組水溫觀測數據在地震前存在異常信號[4-5]，這些異常信號的變化幅度主要集中在0.000 1～0.1 ℃之間，與高精度水溫儀被普遍使用的現狀契合。但在相同工藝條件下難以同時保證傳感器的分辨力和穩定性，因此分辨力的選擇需要基于震例及環境條件進行綜合考慮。

本文通過收集整理全國56個5.0級以上地震前109條水溫觀測數據的異常變化，分析水溫觀測數據在地震前的異常強度分布特征，給出水溫監測儀器分辨力選擇的統計依據。采用同型號儀器在單井不同深度開展對比觀測實驗，得到不同噪聲水平和擾動條件下儀器分辨力選擇的量化依據，同時對云南水溫觀測臺網32個測點及龍陵水溫觀測臺陣40個測點傳感器在分辨力選擇過程中的細節問題進行定量分析。

1 前兆水溫異常的強度分布特征

水溫觀測的目的是提取震前出現的前兆異常信號，因此監測儀器的選型、觀測條件的準備都必須圍繞該目標展開。本文收集整理經過核實且有文獻記載的全國56次5.0級以上地震前水溫觀測數據的變化情況，部分地震發生前有多個臺站記錄到震前異常，得到109條水溫觀測數據變化記錄[5-18]，其中異常特征明顯的代表性地震事件共41次(表1)。

在109條異常變化記錄中，假設水溫上升為正，下降為負，可得到全國56個5.0級以上地震前109條水溫異常變化的強度分布特征。

從圖1可以看出，前兆異常變化幅度集中在≤0.001℃區域，因此水溫觀測儀器應盡量提高分辨力，但高分辨力儀器存在數據穩定性降低的問題，在高靈敏度情況下，較小的外界干擾就可能導致數據出現巨幅階躍、毛刺與漂移。

表1 41次5.0級以上代表性地震事件前水溫觀測異常統計

圖1 地震前水溫異常強度分布Fig.1 Intensity distribution of temperature changes before earthquakes

2 不同環境噪聲與擾動條件下的分辨力選擇

水溫儀的分辨力越高，檢測到前兆異常的概率也越大。20世紀80年代以來，高分辨力水溫傳感器一直是地震工作者追求的目標之一[19]，但高分辨力會伴隨觀測數據穩定性降低的問題，因此需要在分辨力和數據穩定性之間找到平衡點，這取決于環境噪聲與擾動信號的強度。

2.1 單井不同層位同型號儀器記錄數據對比

環境噪聲和擾動是影響地震前兆信息提取的主要因素之一[1]，單井中不同觀測層位的溫度日變量、干擾信號強度、本底噪聲強度存在差異，這些來自環境的擾動直接決定可提取到的最小前兆異常信息。圖2為同一型號水溫觀測儀器(SZW-2)2020-06-11～08-11在云南省永仁縣地震局觀測井不同深度記錄到的水溫觀測數據。

圖2 SZW-2水溫儀記錄數據對比Fig.2 Comparison of data recorded by SZW-2 sensor

從圖2可以看出，在190 m深度處，由于來自環境的擾動信號強度較大，約為0.03 ℃，數據的穩定性相對較差，因此小于0.03 ℃的水溫異常信號無法被識別；而在225 m深度處，來自環境的擾動信號強度較小，約為0.01 ℃，數據更為穩定，大于0.01 ℃的異常信號可以從背景噪聲中被識別。由此可見，相同的水溫觀測儀器在不同環境條件下的觀測效果存在差別。

從圖2還可以看出，永仁井水溫數據中的環境擾動隨深度的增加而迅速減小，但并非所有觀測井的水溫數據都符合該規律。圖3為DRSW-2水溫儀在彌勒觀測井5個不同深度處記錄到的降雨影響數據，記錄時間為2019-07-01～10-30，期間經歷過1次強降雨。對比記錄數據可以看出，受外界擾動和降雨影響最大的并不是最淺層位(200 m)的數據，而是中間層位(400 m)的數據，最深層位(560 m)的數據穩定性最好，受干擾程度最小。

圖3 彌勒井中不同深度DRSW-2水溫儀記錄數據對比Fig.3 Comparison of data recorded by DRSW-2 sensor at different depth in Mile well

由圖2和3可以看出，在井水溫觀測中，同一單井中不同層位的環境條件可能完全不同，因此需要通過不斷實驗來選擇最優的觀測層位和投放深度。

2.2 擾動強度與分辨力選擇

對云南在網32個水溫觀測點記錄數據的本底噪聲及擾動強度進行統計，結果見表2。表中記錄數據的本底噪聲幅度為觀測點所能檢測到的最小信號，小于本底噪聲的信號將被湮沒而無法顯示；而干擾強度可表示數據的短期穩定性[20]，表中干擾強度為穩定時段10 d內記錄數據的最大標準差，小于干擾強度的前兆信號將難以被識別。

高分辨力的儀器需要與之匹配的觀測環境條件，當本底噪聲及擾動信號的強度遠大于傳感器的分辨力下限時，儀器分辨力過高會造成分辨力冗余，只有在更優的觀測條件下才能充分發揮其作用。

圖4為表2中臺站的本底噪聲強度、云南歷史地震前水溫前兆異常強度(絕對值)與SZW水溫儀和其他水溫儀的分辨力下限，從圖中可以判斷各臺站記錄數據中的主要信號成分。

圖4中歷史地震前水溫前兆異常強度(絕對值)分布曲線為圖1中分布曲線取絕對值(正值)的結果。從圖4可以看出，云南32個在網水溫觀測點配置的SZW型傳感器和其他水溫傳感器的分辨力指示線位于本底噪聲曲線及水溫異常分布區域左側，這2種儀器均能有效監測到各測點的本底噪聲，同時也能監測到云南5.0級地震前可能出現的水溫異常信號。但對于具有高分辨力的SZW型水溫傳感器而言，由于其分辨力過高，在當前觀測環境條件下，0.000 1～0.001 ℃區間的檢測能力冗余，觀測條件有待改善。與SZW系列的高精度水溫傳感器相比，其他水溫傳感器盡管型號參數不同，但對實際監測效果并無影響，說明當前云南井水溫觀測的環境條件并不能使水溫儀的高分辨力充分發揮出來。

表2 云南在網32個水溫觀測點記錄數據的噪聲與干擾

圖4 本底噪聲及前兆異常信號的強度分布與水溫儀器分辨力Fig.4 Intensity distribution of background noise and precursory abnormal signal and resolution of temperature sensors

3 龍陵水溫臺陣及其監測能力分析

3.1 臺陣概況

2014年云南省地震局在龍陵地熱區建設低精度水溫觀測實驗臺陣，將40個較低靈敏度的溫度傳感器布設到長1 000 m、寬500 m的溫泉出露條帶，以開展臺陣觀測實驗。水溫觀測儀為DT-TTC無線溫度測量儀，量程為-50～300 ℃，儀器分辨力為0.1 ℃。在經歷了多個5.0級以上地震后，預報人員對該臺陣的預報效能進行了評估：在周邊顯著地震事件發生前，未發現臺陣觀測數據出現顯著變化；龍陵水溫臺陣觀測數據在云南震情跟蹤中未能發揮預期作用，此后將龍陵水溫觀測臺陣歸入試驗性項目，觀測數據不再納入質量評價體系。為查找深層原因并提出改進方案，本文將從監測角度對數據進行評價。

3.2 數據評價

龍陵低精度水溫觀測臺網中40個臺站的觀測數據總體可分為4類：巨幅變化數據、完全受日變控制的數據、日變小的數據及相對穩定的數據。為對每個測點的數據進行量化分析，對各測點記錄數據的本底噪聲、日變及干擾強度進行統計。圖5為龍陵各臺站的本底噪聲強度、歷史地震前水溫前兆異常強度(絕對值)與水溫傳感器的分辨力曲線，從圖中可以判斷各臺站記錄數據中的主要信號成分。

圖5 本底噪聲、水溫異常幅度與DT-TTC分辨力對比Fig.5 Comparison of background noise, abnormal amplitude of water temperature and resolution of DT-TTC sensor

圖5中歷史地震前水溫前兆異常強度(絕對值)分布曲線為圖1中分布曲線取絕對值(正值)的結果，從圖中可以看出，龍陵水溫臺陣40個測點水溫觀測探頭的分辨力為0.1 ℃，除少數幅度很大的異常信號(如1976年龍陵7.3級、7.4級地震前龍陵臺水溫變化)外，無法檢測到分辨力線左側大部分的地震前兆異常信號，因此記錄數據的主要信號成分為分辨力下限右側的本底噪聲、日變、干擾及漂移。由此說明需要對龍陵臺陣進行改造，改造內容包括2個方面：提高水溫傳感器的檢測靈敏度；將水溫探頭安裝到更深位置，降低噪聲和干擾信號幅度。

4 結 語

良好的觀測質量和觀測效果是儀器與環境的綜合體現，不僅與儀器本身有關，同時也與觀測場地的環境條件有關。水溫傳感器分辨力的選擇必須與環境條件相匹配，分辨力過高和過低均會造成觀測資源的浪費。云南32個在網水溫觀測點配置的SZW型傳感器及其他水溫傳感器均能有效監測到各測點的本底噪聲，同時也能監測到云南5.0級以上地震前可能出現的水溫異常信號。但當前云南井水溫觀測點的環境條件不足以使SZW系列高精度水溫儀的高分辨力潛能得到充分發揮，需要全面改進觀測條件。另外，龍陵水溫臺陣水溫傳感器分辨力過低，除少量巨幅異常外很難檢測到大多數的地震前兆異常，必須提高水溫傳感器的分辨力，同時將水溫探頭安裝到更深位置，以降低噪聲和干擾信號的幅度，從而達到預期的監測效果。