地震地球物理觀測臺網地電數據集

王 曉 葉 青 王 軍 范 曄 樊俊屹 劉高川

（中國北京 100045 中國地震臺網中心）

0 引言

我國地震地球物理觀測臺網中地電站網發展至今，先后經歷了模擬觀測、“九五”數字化、“十五”網絡化等多個階段。為便于數據的存儲、轉移和處理，地震地球物理臺網在“九五”時期采用微軟的SQL Server 建設了前兆數字化數據庫系統，將模擬和人工觀測的地電數據納入數據庫實行統一管理。后經過“十五”時期的統一規劃設計，逐步實現了儀器的更新換代（周克昌等，2013）。當前，地電站網在運行觀測臺站131 個，觀測儀器203 套，其中地電阻率儀器92 套，地電場儀器111 套，測項分量數1 332，產出大量觀測數據，匯入我國地球物理觀測臺網中心數據庫形成地電數據集。地電數據集匯集了地震地電阻率和地電場的相關數據和產品，不但可以為地震預測預報的分析研究提供強有力的支撐，也可以為地下電性結構、地球電磁環境等科學研究提供服務。

1 地電站網數據集成

我國地電觀測始于1966 年河北邢臺MS7.2 地震，包括地電阻率觀測和地電場觀測。從第一個地震地電阻率觀測臺站建設以來，觀測儀器更新換代，從DDC 系列、PZ 系列等模擬儀器和數字電壓表（葉青等，2022），到20 世紀90 年代研發數字化ZD8、ZD8A、ZD8A-B 觀測儀器，“九五”以來發展了ZD8B 系列地電儀，經“十五”和“十一五”的發展，ZD8-BI、ZD8M 地電儀成為地電阻率臺站的主流觀測儀器，實現了IP 到臺站的通信功能。地電阻率連續觀測多年，效果良好，在地震預報中發揮了重要作用（趙玉林等，1978，2001；錢復業等，1982；錢家棟，1993；錢家棟等，2013；杜學彬等，2000，2004；張學民等，2009；朱濤，2013；史紅軍等，2014；解滔等，2018）。

地電場觀測最初采用引進的大地電流儀測量地面地電場水平分量，模擬照相記錄（俗稱“土地電”）。“九五”計劃后期，我國發展了數字化地電場測量儀器ZD9、ZD9A 電場儀，投入24 個臺站試觀測。在“十五”和“十一五”期間，地電臺網建設和改造中常規使用ZD9A-II、ZD9A-2B 地電場儀，到目前的GEF-II 儀，均實現了IP 到臺站的通信功能（席繼樓等，2016）。

目前，我國已初步建設完成覆蓋大陸地區各主要構造帶、活動斷裂帶、地震危險區和重點監視區的131 個觀測站組成的地電觀測站網（圖1），開啟了我國地電觀測與應用研究工作的新篇章。

圖1 全國地電臺站分布Fig.1 Distribution of national geoelectrical observation stations

地電站網持續產出地電阻率和地電場2 類觀測數據，經臺站、省地震局、學科中心，匯入國家地球物理臺網中心（以下簡稱國家中心）數據庫形成地電數據集。每類數據均由原始觀測數據、臺站預處理數據和產品數據等組成。原始觀測數據為數據采集器直接采集而未經處理的數據，其中地電阻率數據為小時值，地電場為分鐘值。臺站預處理數據為對突跳、階躍等錯誤數據進行處理后的數據，附帶觀測日志，以記錄數據出現變化的原因，如故障、調零、校準、自然環境變化、觀測環境變化等，以及地震、地電暴等地球物理事件。產品數據由預處理數據經計算所得均值類產品（包括日均值、五日均值、月均值等）和相對均方差、精度、相關系數、差值等數據構成。數據的可靠性和準確性對于其可用性至關重要，國家中心通常利用相對均方差、相關系數和差值等指標來控制數據質量。其中，相對標準差主要用于評價地電阻率數據噪聲水平，數值越小，噪聲水平越低，基本要求是，該指標≤0.3%。地電場數據的觀測精度評價指標主要有相關系數和差值。相關系數用以描述地電場長短極距數據的相關性，理論上，該值越大，長短極距數據相關性越好，觀測數據質量越高。長短極距測道觀測數據的差值月均值越小，觀測數據精度越高。

此外，數據庫中儲存臺站、測點和地電觀測場地的經緯度、高程、編碼、建設報告等基礎信息，幫助科研人員對臺站和數據的全方位掌握。

當前地震地球物理臺網數據庫地電數據集組成即相關信息見表1，其中地電阻率數據集可產出原始數據、預處理數據以及相應產品數據，以攔隆口臺地電阻率觀測為例，原始數據經預處理后，突跳數據被予以刪除，采用預處理數據可計算并產出相對均方差等產品數據，結果見圖2、圖3。地電場數據集原始數據經預處理，除產出均值產品，還可獲取相關系數和差值等產品數據（圖4）。

表1 地電數據集基本信息Table1 Basic information of the geoelectrical dataset

圖2 攔隆口臺地電阻率觀測NS 分量2022 年4 月原始觀測與預處理數據Fig.2 Original and preprocessed data of NS component of thegeoelectrical resistivity observation at Lanlongkou station in April 2022

圖3 攔隆口臺地電阻率觀測NS 分量2022 年4 月相對均方差Fig.3 Relative mean square error of NS component of the geoelectrical resistivity observation at Lanlongkou station in April 2022

圖4 金銀灘臺地電場長極距NS 分量2022 年4 月日均值、相關系數和差值產品Fig.4 Daily mean value,correlation coefficient,and difference of NS component of the geoelectrical field long polar distance observation at Jinyintan station in April,2022

2 數據集獲取

國家中心針對地震臺站、省地震局、地電學科的用戶開發“地電站網運行管理與產品服務平臺”。該平臺采用一級部署、三級應用的管理模式，主要功能包括站網監控、臺網管理、質量評估、產品制作與服務、系統管理等。通過該平臺，用戶可對地震系統所轄地電臺站進行監控管理、數據服務，包括對基礎信息、觀測數據、觀測報告、專業產品等的使用和管理。目前，該平臺已在全國地震系統運行使用，工作效率和服務水平得以提升。

地震系統外的用戶可以通過“國家地震科學數據中心”網站（http://data.earthquake.cn）申請獲得相應數據集（李麗等，2021）。該數據中心由國家中心和專業分中心組成，涵蓋國內測震、強震動、地球物理場等觀測臺網產出的數據和產品，中國援建境外臺站部分觀測數據，工程震害預測、地球空間觀測、活斷層探察等學科專業數據。用戶可通過在線和離線2 種方式獲取所需數據。

3 數據集應用前景

地電阻率是地下探測范圍內介質電阻率的綜合反映，中強地震前構造應力作用下介質變形誘發的微裂隙活動會引起地電阻率的變化，地震發生時，地應力變化會直接引起地殼巖石電阻率的變化。地電場在地表的分布，不僅取決于外部場源，還取決于地下介質電性結構及其變化（譚大誠等，2014；席繼樓等，2016）。地電場的異常變化，可能動態反映了應力應變、構造活動、裂隙發育、電解質運移等地下介質動力學過程。

使用地電觀測數據集，可進行以下研究：

（1）分析地電阻率震前相對變化、歸一化速率變化（杜學彬等，2010，2017；劉君等，2013；史紅軍等，2014；李姜等，2019；王同利等，2022）、地電場地震響應地震電信號（馬欽忠，2008；席繼樓等，2016）等，研究地震前兆異常。

（2）開展固定臺網的地電連續觀測，分析總結地電阻率和地電場正常背景變化規律（趙國澤，2003；戴勇等，2013；張國苓等，2016；解滔等，2019；葉青等，2007），應用于地球電磁環境變化監測及國民經濟建設、生命線工程建設等領域。

（3）地電阻率和地電場非正常變化的特征識別及影響因素分析（方煒等，2010；趙文舟等，2022），為地震異常識別提供參考依據，為地震預報預測提供更為精確的觀測資料。

（4）深入分析并研究井下地電阻率、交流地電阻率、垂直地電場等觀測技術和觀測方法，以應對各種地表環境干擾，為提高地電映震效能提供技術支撐（解滔等，2019；葉青等，2022；王曉等，2022）。

（5）根據區域地質狀況和大地電流資料，探測地下電性結構，應用于金屬探礦、煤田、石油、水文等物探普查工作（Kantas，1956；KaBNH，1959；王俊業，2002）。

（6）利用地電場觀測數據及臺址電阻率測深結果，分析大地電流時空分布特點，并結合區域構造、水文地質條件、氣候環境等因素，研究其物理機制及與構造斷裂的關系（陳志敏等，2015；章鑫等，2017）。

（7）地電場數據可應用于高壓直流輸電影響、地電暴期間地電場擾動、地電脈動與地磁脈動相關研究等領域（章鑫等，2016）。

此外，地電阻率、地電場可與電磁場聯合研究三維正反演問題，地下分層各向異性介質電磁響應等，推進地下三度體電性結構的探測與解釋，對經濟建設、資源勘探等具有重要意義。

4 結束語

我國地震地球物理觀測臺網地電站網主要分布于地震活動區/帶周邊及附近區域，依托該站網獲取的地電數據集包含主要構造帶、重點監視區的珍貴數據資料，在電磁環境監測、地震預測預報、國防建設、工程物探等各方面均具有重要的研究價值和廣闊的應用前景。隨著國民經濟的快速發展，觀測環境日益惡化，地電觀測所面臨的挑戰越來越大，地電數據集的質量控制方法、應對環境干擾的新型觀測技術和觀測方法的研究和推廣也越來越迫切。今后，將致力于推進新技術、新方法的研究及應用，并聯合電磁場、形變、流體等其他地球物理監測手段，多學科多手段融合，共同為地震監測預報、地球動力學、電磁環境監測等科學研究服務。