第21卷 第3期地 球 物 理 学 进 展Vol .21 N o .32006年9月(页码:1008～1011)
PROGRE SS I N GEOPHYS ICS
Sep t . 2006
长春地区地表温度日变、年变对地温测量的影响
陈晓冬1, 金 旭1, 管彦武1
, 石 卓1, 高 艺2
(1.吉林大学地球探测科学与技术学院，长春130026; 2.吉林油田测井公司，扶余130084)
摘 要 通过实地观测试验，并采用傅里叶分析法进行理论分析，来研究长春地区地表温度日变、年变对地温测量的影响规律及影响深度，为在长春地区利用浅层地温测量方法研究地质问题提供重要参数信息.地温变化幅度随深度作指数衰减，衰减系数与地表温度周期、热扩散率有关.关键词 浅层地温测量，地表温度，日变，年变，傅里叶级数
中图分类号 P208,P462 文献标识码 A 文章编号 1004-2903(2006)03-1008-04
Th e in flu en c e o f da ily an d annu a l varia t ion o f th e su rface tem pe ra tu re on n ear-su rfac e tem pe ra tu re su rv ey
CHEN X iao-dong 1
, J I N Xu 1
, GUA N Yan -wu 1
, SH I Zhuo 1
, GAO Y i
2
(1.C olle ge of G eoExplor a tion Science and Technolog y ,Jili n Un i vers it y ,Changc hun 130026,C hi na ;
2.Jili n O il C o mpany ,Jili n Fuyu 130084,C hi na )
Ab s tra c t To prov ide i m portant pa ram eter infor m a tion when w e rearch geolog ic prob le m
by nea r-surface te m pera -ture surv ey ,we study influence -law and in fluen ce -dep th of da ily and annua l va ria tion of surfa ce te m pera tu re on geo-tem perature in Changchun ov rva tion sta tion ,and through field obrva tion and Fourier-ana ly sis m ethod.The te m -perature am plitude decreas exponentia lly w ith depth ;decay coefficien t is dependent on te m pera ture period and ther-m a l d iff us iv ity.
K e yw ord s near-surfa ce te m pera ture su rvey ,su rface te m pera ture ,da ily variat ion ,annua l va ria tion ,Fourier ries
收稿日期 2005-11-10; 修回日期 2006-02-20.基金项目 中国地质调查局项目(200120120085)资助.
作者简介 陈晓冬(1973-)，女，内蒙古牙克石人，助教，博士研究生，主要从事固体地球物理学教学与科研工作,(E -m a il :xdc hen @jl u.edu .
c n)
0 引 言
浅层地温测量方法是勘探地热资源、调查地下热结构、研究地质问题的一种地球物理勘探方法，该方法具有操作简单、经济、快速等优点，目前在水文地质、工程地质、地热资源调查等领域得到广泛的
应用
[1～6]
.由于太阳辐射，地表温度随时间发生周期性
宇称守恒变化，并影响浅层地温的分布，为了准确反映所研究地质体的地温分布特点，必须消除地表温度周期性变化产生的影响[7～10].地表温度以多年、年、月、日等周期发生变化，其表现复杂，对地温测量产生的影响及如何消除影响一直是有待于研究和解决的难题.这种变化及影响深度随纬度变化而不同，进行浅层地温测量时，要结合当地的地表温度周期变化情
况来选择合适的钻探深度进行地温测量，尽可能减少干扰.本文通过实地观测试验，并采用傅里叶分析法进行理论分析，来研究长春地区地表温度日变、年变对地温测量的影响规律及影响深度，为在长春地区利用浅层地温测量方法研究地质问题提供重要参数信息，并进行年变影响改正来检验改正方法的合理性.
1 地表温度周期性变化对浅层地温的影响
规律
通常观测到的地表温度数据是离散的、有限的，本文为了利用地温观测数据研究地表温度周期性变化对浅层地温测量影响的规律，对观测数据进行有限傅里叶级数变换，得到表达地表温度随时间周期性变化规律的傅里叶级数函数:
3期
陈晓冬，等：长春地区地表温度日变、年变对地温测量的影响
θ(t)=θ
0+∑
N /2-1
n =1
A n cos
2πnt T +B n sin 2πnt
T
+
A N/22cos 2π(N /2)t
T
,(1)
其中,θ0是周期期间的平均地表温度,A n 和B n 为有限傅里叶级数的系数,T =N Δt 是时间周期，也称第一谐波周期，如一天或一年.
利用傅里叶变换不仅可以获得光滑曲线表达式，还可以将复杂的温度波分解为多个不同时间周期的简谐波
[11]
，来研究不同周期变化的地表温度对
地下温度的影响规律及影响深度.
为了研究地表温度波动的影响，忽略大地热流的影响，将不同周期变化的地表温度函数作为边界条件，并利用一维与时间相关的热传导方程
５θ５t =k ５2
θ
５z
2
来确定不同周期变化的地表温度影响地温的规律[12～14]，即
θ(z ,t)=θ0+Δθ,
(2)
其中,θ(z ,t)是以T/n 时间为周期变化的地表温度引起的地下Z 深度处的温度随时间变化的规律,k 为岩层热扩散率,Δθ为地表温度周期变化对不同深度处地温产生的随时间变化的波动，即消除地表温度波动影响的改正值.公式为
Δθ=A n exp -z
n πk T cos 2πnt T -z
n π
k T +B n exp -z
n πkT s in 2πnt
T
-z
n πk T
.根据上式得到以T/n 时间为周期变化的地表温度传递到不同深度处的温度变化幅度，即
θz =θn e
-z
n π
k T
,(3)
式中θn 、θz 分别为地表和深度z 处温度变化振幅.地温变化幅度随深度作指数衰减，即随着深度的增加，地表温度周期性变化对地温的影响越小.衰减系数与地表温度周期、热扩散率有关，若周期长、热扩散率大，变化幅度和影响深度则大[15].
2 长春地区地表温度年变对地温影响及改正
为研究长春地区地表温度年变化对浅层地温测量的影响程度及深度，在长春气象站的观测点进行了为期一年的不同深度地温测量，其深度分别为0m 、1m 、2m 、5m 、10m 、20m，数据采集时间间隔是1d ，采样数为365(图1).地表(0m )处的温度变化幅度最大，随着深度的增加，变化幅度逐渐变小,
10m 、20m 深处的地温变化已经非常小，两条温度曲线基本重合且水平.利用有限傅里叶级数变换，从不同深度地温波中提取年周期子波，来研究地表温
度年变化对地下不同深度地温的影响程度.
图1 长春观测点不同深度实测地温年变图F ig.1 Annua l vara tion of geote m pera ture a t d ifferent
depths in Changchun obrva tion sta tion
关于党的歌根据公式(3)，求得地下不同深度地温年变化振幅大小，并与实测不同深度地温年变化振幅进行比较(
表1)，地表温度年变化对浅层地温的影响程度，随着深度的增加而减小;5m 深处地温年变幅度已经很小,10m 、20m 深处可以忽略其对地温测量的影响.
表1 长春观测点地表温度年变对不同深度地温影响Tab le 1 Th e in flu e n ce of ann ua l va ria t ion o f su rfac e t em p e ra tu re on g eo tem p e ra tu re a t d iffe ren t d ep th s
i n C han gch un obs erva t ion s ta t ion
深度(m )1251020理论振幅(℃)
10.486.151.240.090.00实测振幅(℃)
11.14
6.46
0.69
0.48
.40
图2 地下1m 和2m 深处实测地温
子波和改正后地温年变图
F ig.2 Annua l obrved geotem pera ture and
corrected -geotem pera ture a t 1mand
2m depth in the ea rth最励志的电影
9
001
地 球 物 理 学 进 展21卷
图2是地下1m 、2m 深度处实测地温年周期子波与经过年变改正后的地温与时间关系图.地温经过改正已基本平稳，但仍然有一些小的波动，估计是由地表水向下渗透等不确定因素对地温的影响所引起.
3 长春地区地表温度日变对地温影响
由于太阳的辐射，地表温度随着日昼的变化也发生变化，持续一天的地温观测结果会受到地表温度日变化的影响.为了研究长春地区地表温度日变化对浅层地温测量的影响规律，在固定观测点进行不同深度地温日变化观测，深度分别为0m 、1m 、2m，采样时间间隔Δt 为1h ，采样数N 为24(图3).地表面温度日变化起伏较大，在早晚时间，地表的温度偏低，中午时间11点至14点之间温度偏高.在地下1m 和2m 深度处的地温日变化曲线波动很小，与地表温度变化相比较,
几乎是一条水平直线.
图3 长春观测点不同深度实测地温日变图F ig.3 D a ily va ra tion of geotem perature a t d ifferen t
depths in Changchun obrva tion sta tion 表2 长春观测点地表温度日变对不同深度地温的影响振幅(℃)
Tab le 2 Th ei n flu en c e -am p litu d e o f d a ily va ria t io n o f su rfac e t em p e ra tu re on G e o tem p e ra tu re a t va rio u s
d ep th s i n C han gch un o bs erva t ion s ta t io n
课后服务方案
深度0.1m 0.2m 0.3m 0.4m 0.5m 0.6m 1m 2m 1月1日
0.61
0.220.080.030.010.000.000.001月11日1.560.560.200.070.030.010.000.005月1日
2.68
0.970.350.130.050.020.000.005月11日1.170.400.150.060.020.000.000.006月1日
1.55
0.560.200.070.030.010.000.006月11日1.11
0.4
0.14
0.05
0.02
0.010.000.00
提取温度日变子波研究地表温度日变化对浅层
不同深度处地温的影响(表2)，随着深度的增加，地温日变幅度减小，在0.6m 深度处的地温日变幅度基本为0，小于测量精度0.01℃，因此，通过理论计算认定在深于0.6m 深度处进行地温测量时，可以忽略地温日变化的影响.
4 结 论
综上所述，地表温度的周期性变化对浅层地温的测量有一定的影响，岩层热扩散率越大，地表温度变
化周期越长，影响的深度越大.在利用浅层地温测量方法解决地质问题的时候，为了使地温测量数据真实反映地质体的地温分布特点，需要对观测数据进行地表温度周期变化影响改正(公式(2)).地温周期变化幅度随深度作指数衰减，在一定深度处可以忽略这种变化对浅层地温测量产生的影响.在长春地区进行地温测量时，地下10m 深度处可以忽略地表温度年变的影响,0.6m 深度处可以忽略地表温度日变的影响.
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