王 騰，王新安，雍珊珊，謝 崢，郭朝陽，林 科

(北京大學(xué)深圳研究生院，廣東 深圳 518055）

0 引言

我國是個大地震多發(fā)的國家，地震對我國經(jīng)濟社會建設(shè)造成極大的破壞，給人民生命財產(chǎn)造成巨大損失。大地震臨震前兆監(jiān)測是指根據(jù)地震孕育、成長和發(fā)生過程中伴隨發(fā)生的地殼形變、地應(yīng)力、地電、地磁、地溫和地聲等現(xiàn)象或變化進(jìn)行觀察和監(jiān)測，對監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析和判斷以對特定范圍內(nèi)特定時間可能發(fā)生的破壞性地震做出的預(yù)報。在地震來臨時提前給出預(yù)警，為人民爭取更多的時間準(zhǔn)備并逃離，可以極大的降低人民生命財產(chǎn)的損失。長期以來，特別是上世紀(jì)七八十年代，我國采用“群專結(jié)合”的辦法對地震臨陣前兆監(jiān)測進(jìn)行了廣泛而深入的研究和實踐，取得了豐碩的成果[1]。

普遍認(rèn)為，在地震前兆監(jiān)測的手段中，地溫異常的監(jiān)測具有較強的反應(yīng)短臨地震前兆的潛力，特別是經(jīng)過云南瀾滄-耿馬大震的檢驗和在強余震中取得一定的實效[2]。

1 地溫異常與地震

溫度是地球科學(xué)一個非常重要的物理量。一些學(xué)者認(rèn)為地球內(nèi)部的熱狀態(tài)導(dǎo)致密度差異，形成的重力梯度是地殼和上地幔物質(zhì)運動和地震的重要力源，同時溫度的空間分布還對物質(zhì)流變的快慢、大地電磁和重力異常以及地表熱流的高低、地形變化幅度和地殼低速層等有著重要影響[3]。地震產(chǎn)生的熱-破裂模式更是明確將地震的孕育過程分為熱液上升、軟化蠕滑和破裂發(fā)震三個階段[4]，較好地解釋了地震的空間分布，孕震所產(chǎn)生的各種前兆現(xiàn)象以及發(fā)震的構(gòu)造型式。

另一方面，地震的產(chǎn)生伴隨著地殼應(yīng)力的變化，造成巖石的壓電效應(yīng)或地球內(nèi)部溫室氣體的釋放和巖漿及其伴生的熾熱氣體沿裂縫上涌，也會造成震區(qū)及周圍地溫異常和地表熱紅外輻射異常。這種現(xiàn)象屢屢得到驗證，例如1976年唐山7.8級地震伴隨著唐山和昌黎兩個測站的地溫日變率突升1.1℃和1.2℃[5]，而白家疃地溫異常的監(jiān)測結(jié)果表明，1985～1992年間57%的地溫異常變化與此期間發(fā)生在首都圈46%的選出地震有對應(yīng)關(guān)系[6]。廣東省地震局從1990年即著手地溫觀測資料的搜集調(diào)研和方案研究[2、7]，是我國較早系統(tǒng)性開展地溫觀測和現(xiàn)場試驗及資料搜集并進(jìn)行地震短臨預(yù)報和無震判別研究的機構(gòu)。

地殼中的地溫分布按照深度分為四個地溫帶，分別是溫度日變化帶、溫度年變化帶、恒溫帶和增溫帶。一般來說，深度達(dá)到20～30 m后，地層的溫度不再受太陽輻射、天氣和氣候的影響，在同一地區(qū)同一深度地溫保持恒定值。而隨著深度的增加，地溫逐漸增加，在地殼內(nèi)地溫的變化梯度約為3℃/100 m。為避免地表氣候環(huán)境和地下水等對地溫異常監(jiān)測的影響，本文提出地溫異常監(jiān)測系統(tǒng)采用深層 （100 m以下）地溫測量的方法進(jìn)行大地震臨震前兆監(jiān)測。

2 基于單片機的深層地溫傳感器

盡管在地震前地溫異常作為臨震前兆已得到大家的認(rèn)可，但由于地球本身的熱容量很大，地溫變化的幅度并不大，特別是深層地溫。如白家疃井250 m深處地溫正常動態(tài)變化范圍約為15.960 0±0.003 0℃，日均值連續(xù)出現(xiàn)≥0.008 0℃變化時則可能出現(xiàn)地溫前兆異常[8]。同時由于地溫測量傳感器深埋于地下，環(huán)境復(fù)雜施工難度大，而地震臨震地溫異常變化幅度小，這就對臨震地溫異常監(jiān)測傳感元件提出了穩(wěn)定可靠和高分辨率的要求。

傳統(tǒng)的測溫元件包括水銀溫度計、熱電偶、金屬熱電阻、半導(dǎo)體熱敏電阻、二極管、三極管和石英晶體[9]。其中，石英晶體的諧振頻率隨溫度改變線性變化，其電氣特性穩(wěn)定，是用作地溫測量的理想元件。利用特定材質(zhì)和切割工藝的測溫晶振配合一定的處理電路，可以獲得精度達(dá)0.05℃，分辨率達(dá)0.000 1℃的地溫傳感器[10]。

相較于傳統(tǒng)模擬溫度傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜易受干擾的不足，目前基于單片機和無線通信模塊的新型溫度傳感器系統(tǒng)具有數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的特點，可以定時測量地層深處的溫度進(jìn)行記錄存儲，并遠(yuǎn)程傳輸至數(shù)據(jù)中心進(jìn)行分析。這對于在廣闊地區(qū)如地震帶周圍進(jìn)行分布式地溫異常監(jiān)測具有很好的實用價值。

本文提出如圖1所示基于單片機的深層地溫傳感器，其中測溫晶振選用10 MHz的晶體振蕩器。由于石英晶體高純度的特性，其頻率-溫度特性曲線非常穩(wěn)定，漂移極小，非線性誤差很小。為避免測溫晶振輸出的高頻信號經(jīng)過傳輸后衰減，采用基準(zhǔn)晶振和混頻電路將測溫晶振產(chǎn)生的高頻信號轉(zhuǎn)化為低頻信號。用單片機對該低頻信號進(jìn)行計數(shù)獲得測溫晶振的頻率變化，進(jìn)一步可以用單片機中的算法計算出溫度變化。

單片機的程序存儲在FLASH中，相應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)也可以在FLASH中暫存；可以通過通信串口對單片機進(jìn)行調(diào)試，升級FLASH中的程序以及讀出溫度數(shù)據(jù)或?qū)囟葦?shù)據(jù)通過串口外掛通信模塊發(fā)往數(shù)據(jù)中心進(jìn)行分析。由于串口輸出的是純數(shù)字信號，而且頻率較低，則可以較容易地通過較長的電纜進(jìn)行傳輸同時達(dá)到衰減小抗干擾的目的。同時，可以通過單片機內(nèi)的定時器設(shè)定檢測地溫的時間間隔，在這個時間間隔內(nèi)單片機可進(jìn)入待機狀態(tài)。這樣，一方面節(jié)省了系統(tǒng)功耗增加外部蓄電池的有效使用時間，另一方面也減小了系統(tǒng)自身的熱量散發(fā)對地溫監(jiān)測的影響。

基于上述設(shè)計，該傳感器可以達(dá)到穩(wěn)定性強，分辨率高，調(diào)試方便，易于維護(hù)，節(jié)省功耗的目標(biāo)，適合于對野外深層鉆井內(nèi)的地溫進(jìn)行自動監(jiān)測。

圖1 基于單片機的深層地溫傳感器Fig.1 The proposed geothermic sensor based on MCU

3 分布式地溫監(jiān)測系統(tǒng)及應(yīng)用

采用上述基于單片機的深層地溫傳感器，本文提出了一套分布式地溫監(jiān)測系統(tǒng)。對于每一個監(jiān)測站點，采用鉆井的方式將地溫傳感器放置于地層深處。傳感器用導(dǎo)熱良好的金屬進(jìn)行封裝，并與基巖緊密接觸。通過同軸電纜用蓄電池為傳感器供電，并連接傳感器中的單片機和地表的系統(tǒng)調(diào)試接口及GPRS通信模塊，如圖2所示。圖中鉆孔孔徑應(yīng)達(dá)到100 mm，以方便傳感器的和電纜線的放置；根據(jù)站點地質(zhì)構(gòu)造的不同，鉆孔深度H1應(yīng)達(dá)到100 m以上，避開表層土壤和沉積層（一般由粘土、砂土和礫石組成）達(dá)到巖石層，以避免地下水及其流動對溫度測量和電路系統(tǒng)造成影響；同時，在鉆孔內(nèi)防止封閉套筒以隔絕表層水和空氣，其深度H2應(yīng)在20～30 m。為保證長距離的同軸電纜數(shù)據(jù)傳輸，可在井中適當(dāng)位置增加信號中繼器。

圖3詳細(xì)闡述了本文了提出的地溫傳感器系統(tǒng)地下傳感器模塊和地面控制與通信模塊的結(jié)構(gòu)圖。如圖所示，地下傳感器模塊只對采集信號做簡單的濾波后經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，用RS485串行通信協(xié)議通過同軸電纜傳輸至地面；在地面控制與通信模塊中，采用微控制器配合數(shù)字信號處理器對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，一方面進(jìn)行本地存儲，另一方面通過無線通信模塊發(fā)送至遠(yuǎn)端服務(wù)器。整個系統(tǒng)通過市電和蓄電池兩級電源進(jìn)行供電，以保證系統(tǒng)在沒有市電時也可以工作。

圖2 基于地溫傳感器的地震臨震前兆監(jiān)測站點Fig.2 The observation system for portent before earthquake based on the proposed geothermic sensor

圖3 （a）地下傳感器模塊；（b）地面控制與通信模塊Fig.3 (a)The underground temperature sensors；(b)the control and communication modules on ground surface

圖4 分布式地溫監(jiān)測系統(tǒng)平臺架構(gòu)Fig.4 The platform architecture of the proposed distributed geothermic monitoring system

監(jiān)測站點的選址應(yīng)在地殼運動較強烈的地區(qū)，如活動構(gòu)造、深大斷裂帶附近，歷史上地震多發(fā)背景區(qū)和和有中長期地震預(yù)報的地區(qū)[7]。同時，要避開河流湖泊和農(nóng)田水利設(shè)施。區(qū)別于傳統(tǒng)地震監(jiān)測臺站占地面積大，造價成本高，靈活性差不易維護(hù)的特點，本文所提出的傳感器系統(tǒng)及鉆井要求具有占地面積小（1 m2以內(nèi)）、工程成本較低（每個站點應(yīng)小于10萬元）的優(yōu)勢。為密切監(jiān)控地震斷裂帶的深層溫度異常，需要在斷裂帶周圍密集設(shè)置監(jiān)測臺站（每100 km2左右設(shè)置一個站點），形成分布式的地溫監(jiān)測系統(tǒng)，如圖4所示。

各監(jiān)測站點通過自身外掛的GPRS模塊通過移動無線基站同數(shù)據(jù)中心保持?jǐn)?shù)據(jù)通信，將定時監(jiān)測的溫度數(shù)據(jù)傳遞至數(shù)據(jù)中心（機房）進(jìn)行綜合分析和判斷。數(shù)據(jù)中心根據(jù)地震斷裂帶周圍廣泛的地域平面內(nèi)不同監(jiān)測站點的地溫異常情況及異常幅度分布，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)和相關(guān)經(jīng)驗，可以對該地區(qū)未來數(shù)月乃至數(shù)天可能發(fā)生的地震特別是大地震的震級和地理位置進(jìn)行自動判斷，并根據(jù)情況發(fā)出預(yù)警信息。同時，監(jiān)測室可以對數(shù)據(jù)中心進(jìn)行管理并通過人工實時監(jiān)測對發(fā)生地溫異常的區(qū)域進(jìn)行重點關(guān)注，如提高地溫監(jiān)測的頻率和精度，進(jìn)行鄰近區(qū)域綜合分析和對比等。

在上述的分布式地震前兆監(jiān)測系統(tǒng)中，因為單片機的使用及其靈活性，還可以加入方便地加入對地殼應(yīng)力 （形變）、地電阻率、地磁場以及地聲進(jìn)行檢測的傳感器。這樣就可以通過綜合的地震臨震前兆觀測數(shù)據(jù)對地溫異常數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和判斷，并進(jìn)一步確定可能發(fā)生的破壞性地震的發(fā)生時間、震中位置和震級。

4 結(jié)束語

地溫異常的監(jiān)測具有較強的反應(yīng)短臨地震前兆的潛力，通過分析了現(xiàn)有的地溫測量傳感技術(shù)，提出了一種基于測溫晶振和單片機的用于大地震臨震前兆監(jiān)測的深層地溫傳感器，具有穩(wěn)定性強，分辨率高，調(diào)試方便，易于維護(hù)，節(jié)省功耗的特點。應(yīng)用該傳感器提出了一種低成本的分布式地溫監(jiān)測系統(tǒng)和方法，使得結(jié)合其他手段進(jìn)行地震三要素預(yù)測成為可能。

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