基于震例及實(shí)驗(yàn)的水溫傳感器分辨力選擇與觀測(cè)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(hào)，650224

云南在網(wǎng)水溫傳感器主要有SZW-1A、SZW-2、DRSW-2、ZKGD3000、DLZ-1、DT-TTC，其性能參數(shù)不盡相同，觀測(cè)井環(huán)境條件也存在差異。長(zhǎng)期的水溫觀測(cè)實(shí)踐表明，良好的觀測(cè)效能不僅與儀器有關(guān)，同時(shí)也與環(huán)境條件有關(guān)[1-2]，因此觀測(cè)儀器與觀測(cè)條件如何合理匹配并產(chǎn)出最有效的觀測(cè)數(shù)據(jù)是需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。

傳感器的分辨力選擇非常關(guān)鍵，分辨力太低監(jiān)測(cè)不到震前異常信號(hào)，分辨力太高則容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)飄忽不定?；趶V東省觀測(cè)資料的研究發(fā)現(xiàn)，第一代水溫觀測(cè)儀設(shè)計(jì)的分辨力為0.001 ℃[3]，能同時(shí)檢測(cè)到正常的背景噪聲和震前異常信號(hào)，該設(shè)計(jì)既考慮了環(huán)境條件，也考慮了前兆異常信號(hào)的強(qiáng)度，但其選擇依據(jù)僅限于廣東省內(nèi)的較少震例和有限數(shù)據(jù)。

隨著數(shù)據(jù)的積累，更多的資料和震例可作為傳感器選型的依據(jù)。部分學(xué)者對(duì)1996年以來(lái)云南地區(qū)5.0級(jí)以上地震資料進(jìn)行梳理后發(fā)現(xiàn)，49組水溫觀測(cè)數(shù)據(jù)在地震前存在異常信號(hào)[4-5]，這些異常信號(hào)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(xiàn)狀契合。但在相同工藝條件下難以同時(shí)保證傳感器的分辨力和穩(wěn)定性，因此分辨力的選擇需要基于震例及環(huán)境條件進(jìn)行綜合考慮。

本文通過(guò)收集整理全國(guó)56個(gè)5.0級(jí)以上地震前109條水溫觀測(cè)數(shù)據(jù)的異常變化，分析水溫觀測(cè)數(shù)據(jù)在地震前的異常強(qiáng)度分布特征，給出水溫監(jiān)測(cè)儀器分辨力選擇的統(tǒng)計(jì)依據(jù)。采用同型號(hào)儀器在單井不同深度開(kāi)展對(duì)比觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，得到不同噪聲水平和擾動(dòng)條件下儀器分辨力選擇的量化依據(jù)，同時(shí)對(duì)云南水溫觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)32個(gè)測(cè)點(diǎn)及龍陵水溫觀測(cè)臺(tái)陣40個(gè)測(cè)點(diǎn)傳感器在分辨力選擇過(guò)程中的細(xì)節(jié)問(wèn)題進(jìn)行定量分析。

1 前兆水溫異常的強(qiáng)度分布特征

水溫觀測(cè)的目的是提取震前出現(xiàn)的前兆異常信號(hào)，因此監(jiān)測(cè)儀器的選型、觀測(cè)條件的準(zhǔn)備都必須圍繞該目標(biāo)展開(kāi)。本文收集整理經(jīng)過(guò)核實(shí)且有文獻(xiàn)記載的全國(guó)56次5.0級(jí)以上地震前水溫觀測(cè)數(shù)據(jù)的變化情況，部分地震發(fā)生前有多個(gè)臺(tái)站記錄到震前異常，得到109條水溫觀測(cè)數(shù)據(jù)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(shè)水溫上升為正，下降為負(fù)，可得到全國(guó)56個(gè)5.0級(jí)以上地震前109條水溫異常變化的強(qiáng)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(qū)域，因此水溫觀測(cè)儀器應(yīng)盡量提高分辨力，但高分辨力儀器存在數(shù)據(jù)穩(wěn)定性降低的問(wèn)題，在高靈敏度情況下，較小的外界干擾就可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)出現(xiàn)巨幅階躍、毛刺與漂移。

表1 41次5.0級(jí)以上代表性地震事件前水溫觀測(cè)異常統(tǒng)計(jì)

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

2 不同環(huán)境噪聲與擾動(dòng)條件下的分辨力選擇

水溫儀的分辨力越高，檢測(cè)到前兆異常的概率也越大。20世紀(jì)80年代以來(lái)，高分辨力水溫傳感器一直是地震工作者追求的目標(biāo)之一[19]，但高分辨力會(huì)伴隨觀測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定性降低的問(wèn)題，因此需要在分辨力和數(shù)據(jù)穩(wěn)定性之間找到平衡點(diǎn)，這取決于環(huán)境噪聲與擾動(dòng)信號(hào)的強(qiáng)度。

2.1 單井不同層位同型號(hào)儀器記錄數(shù)據(jù)對(duì)比

環(huán)境噪聲和擾動(dòng)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(cè)層位的溫度日變量、干擾信號(hào)強(qiáng)度、本底噪聲強(qiáng)度存在差異，這些來(lái)自環(huán)境的擾動(dòng)直接決定可提取到的最小前兆異常信息。圖2為同一型號(hào)水溫觀測(cè)儀器(SZW-2)2020-06-11～08-11在云南省永仁縣地震局觀測(cè)井不同深度記錄到的水溫觀測(cè)數(shù)據(jù)。

圖2 SZW-2水溫儀記錄數(shù)據(jù)對(duì)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(lái)自環(huán)境的擾動(dòng)信號(hào)強(qiáng)度較大，約為0.03 ℃，數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性相對(duì)較差，因此小于0.03 ℃的水溫異常信號(hào)無(wú)法被識(shí)別；而在225 m深度處，來(lái)自環(huán)境的擾動(dòng)信號(hào)強(qiáng)度較小，約為0.01 ℃，數(shù)據(jù)更為穩(wěn)定，大于0.01 ℃的異常信號(hào)可以從背景噪聲中被識(shí)別。由此可見(jiàn)，相同的水溫觀測(cè)儀器在不同環(huán)境條件下的觀測(cè)效果存在差別。

從圖2還可以看出，永仁井水溫?cái)?shù)據(jù)中的環(huán)境擾動(dòng)隨深度的增加而迅速減小，但并非所有觀測(cè)井的水溫?cái)?shù)據(jù)都符合該規(guī)律。圖3為DRSW-2水溫儀在彌勒觀測(cè)井5個(gè)不同深度處記錄到的降雨影響數(shù)據(jù)，記錄時(shí)間為2019-07-01～10-30，期間經(jīng)歷過(guò)1次強(qiáng)降雨。對(duì)比記錄數(shù)據(jù)可以看出，受外界擾動(dòng)和降雨影響最大的并不是最淺層位(200 m)的數(shù)據(jù)，而是中間層位(400 m)的數(shù)據(jù)，最深層位(560 m)的數(shù)據(jù)穩(wěn)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(shù)據(jù)對(duì)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(cè)中，同一單井中不同層位的環(huán)境條件可能完全不同，因此需要通過(guò)不斷實(shí)驗(yàn)來(lái)選擇最優(yōu)的觀測(cè)層位和投放深度。

2.2 擾動(dòng)強(qiáng)度與分辨力選擇

對(duì)云南在網(wǎng)32個(gè)水溫觀測(cè)點(diǎn)記錄數(shù)據(jù)的本底噪聲及擾動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表2。表中記錄數(shù)據(jù)的本底噪聲幅度為觀測(cè)點(diǎn)所能檢測(cè)到的最小信號(hào)，小于本底噪聲的信號(hào)將被湮沒(méi)而無(wú)法顯示；而干擾強(qiáng)度可表示數(shù)據(jù)的短期穩(wěn)定性[20]，表中干擾強(qiáng)度為穩(wěn)定時(shí)段10 d內(nèi)記錄數(shù)據(jù)的最大標(biāo)準(zhǔn)差，小于干擾強(qiáng)度的前兆信號(hào)將難以被識(shí)別。

高分辨力的儀器需要與之匹配的觀測(cè)環(huán)境條件，當(dāng)本底噪聲及擾動(dòng)信號(hào)的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于傳感器的分辨力下限時(shí)，儀器分辨力過(guò)高會(huì)造成分辨力冗余，只有在更優(yōu)的觀測(cè)條件下才能充分發(fā)揮其作用。

圖4為表2中臺(tái)站的本底噪聲強(qiáng)度、云南歷史地震前水溫前兆異常強(qiáng)度(絕對(duì)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(tái)站記錄數(shù)據(jù)中的主要信號(hào)成分。

圖4中歷史地震前水溫前兆異常強(qiáng)度(絕對(duì)值)分布曲線為圖1中分布曲線取絕對(duì)值(正值)的結(jié)果。從圖4可以看出，云南32個(gè)在網(wǎng)水溫觀測(cè)點(diǎn)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(qū)域左側(cè)，這2種儀器均能有效監(jiān)測(cè)到各測(cè)點(diǎn)的本底噪聲，同時(shí)也能監(jiān)測(cè)到云南5.0級(jí)地震前可能出現(xiàn)的水溫異常信號(hào)。但對(duì)于具有高分辨力的SZW型水溫傳感器而言，由于其分辨力過(guò)高，在當(dāng)前觀測(cè)環(huán)境條件下，0.000 1～0.001 ℃區(qū)間的檢測(cè)能力冗余，觀測(cè)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(hào)參數(shù)不同，但對(duì)實(shí)際監(jiān)測(cè)效果并無(wú)影響，說(shuō)明當(dāng)前云南井水溫觀測(cè)的環(huán)境條件并不能使水溫儀的高分辨力充分發(fā)揮出來(lái)。

表2 云南在網(wǎng)32個(gè)水溫觀測(cè)點(diǎn)記錄數(shù)據(jù)的噪聲與干擾

圖4 本底噪聲及前兆異常信號(hào)的強(qiáng)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(tái)陣及其監(jiān)測(cè)能力分析

3.1 臺(tái)陣概況

2014年云南省地震局在龍陵地?zé)釁^(qū)建設(shè)低精度水溫觀測(cè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)陣，將40個(gè)較低靈敏度的溫度傳感器布設(shè)到長(zhǎng)1 000 m、寬500 m的溫泉出露條帶，以開(kāi)展臺(tái)陣觀測(cè)實(shí)驗(yàn)。水溫觀測(cè)儀為DT-TTC無(wú)線溫度測(cè)量?jī)x，量程為-50～300 ℃，儀器分辨力為0.1 ℃。在經(jīng)歷了多個(gè)5.0級(jí)以上地震后，預(yù)報(bào)人員對(duì)該臺(tái)陣的預(yù)報(bào)效能進(jìn)行了評(píng)估：在周邊顯著地震事件發(fā)生前，未發(fā)現(xiàn)臺(tái)陣觀測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)顯著變化；龍陵水溫臺(tái)陣觀測(cè)數(shù)據(jù)在云南震情跟蹤中未能發(fā)揮預(yù)期作用，此后將龍陵水溫觀測(cè)臺(tái)陣歸入試驗(yàn)性項(xiàng)目，觀測(cè)數(shù)據(jù)不再納入質(zhì)量評(píng)價(jià)體系。為查找深層原因并提出改進(jìn)方案，本文將從監(jiān)測(cè)角度對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.2 數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)

龍陵低精度水溫觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)中40個(gè)臺(tái)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)總體可分為4類：巨幅變化數(shù)據(jù)、完全受日變控制的數(shù)據(jù)、日變小的數(shù)據(jù)及相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。為對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行量化分析，對(duì)各測(cè)點(diǎn)記錄數(shù)據(jù)的本底噪聲、日變及干擾強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。圖5為龍陵各臺(tái)站的本底噪聲強(qiáng)度、歷史地震前水溫前兆異常強(qiáng)度(絕對(duì)值)與水溫傳感器的分辨力曲線，從圖中可以判斷各臺(tái)站記錄數(shù)據(jù)中的主要信號(hào)成分。

圖5 本底噪聲、水溫異常幅度與DT-TTC分辨力對(duì)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(qiáng)度(絕對(duì)值)分布曲線為圖1中分布曲線取絕對(duì)值(正值)的結(jié)果，從圖中可以看出，龍陵水溫臺(tái)陣40個(gè)測(cè)點(diǎn)水溫觀測(cè)探頭的分辨力為0.1 ℃，除少數(shù)幅度很大的異常信號(hào)(如1976年龍陵7.3級(jí)、7.4級(jí)地震前龍陵臺(tái)水溫變化)外，無(wú)法檢測(cè)到分辨力線左側(cè)大部分的地震前兆異常信號(hào)，因此記錄數(shù)據(jù)的主要信號(hào)成分為分辨力下限右側(cè)的本底噪聲、日變、干擾及漂移。由此說(shuō)明需要對(duì)龍陵臺(tái)陣進(jìn)行改造，改造內(nèi)容包括2個(gè)方面：提高水溫傳感器的檢測(cè)靈敏度；將水溫探頭安裝到更深位置，降低噪聲和干擾信號(hào)幅度。

4 結(jié) 語(yǔ)

良好的觀測(cè)質(zhì)量和觀測(cè)效果是儀器與環(huán)境的綜合體現(xiàn)，不僅與儀器本身有關(guān)，同時(shí)也與觀測(cè)場(chǎng)地的環(huán)境條件有關(guān)。水溫傳感器分辨力的選擇必須與環(huán)境條件相匹配，分辨力過(guò)高和過(guò)低均會(huì)造成觀測(cè)資源的浪費(fèi)。云南32個(gè)在網(wǎng)水溫觀測(cè)點(diǎn)配置的SZW型傳感器及其他水溫傳感器均能有效監(jiān)測(cè)到各測(cè)點(diǎn)的本底噪聲，同時(shí)也能監(jiān)測(cè)到云南5.0級(jí)以上地震前可能出現(xiàn)的水溫異常信號(hào)。但當(dāng)前云南井水溫觀測(cè)點(diǎn)的環(huán)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(fā)揮，需要全面改進(jìn)觀測(cè)條件。另外，龍陵水溫臺(tái)陣水溫傳感器分辨力過(guò)低，除少量巨幅異常外很難檢測(cè)到大多數(shù)的地震前兆異常，必須提高水溫傳感器的分辨力，同時(shí)將水溫探頭安裝到更深位置，以降低噪聲和干擾信號(hào)的幅度，從而達(dá)到預(yù)期的監(jiān)測(cè)效果。