地震地球物理观测台网地电数据集

王 晓 叶 青 王 军 范 晔 樊俊屹 刘高川

（中国北京 100045 中国地震台网中心）

0 引言

我国地震地球物理观测台网中地电站网发展至今，先后经历了模拟观测、“九五”数字化、“十五”网络化等多个阶段。为便于数据的存储、转移和处理，地震地球物理台网在“九五”时期采用微软的SQL Server 建设了前兆数字化数据库系统，将模拟和人工观测的地电数据纳入数据库实行统一管理。后经过“十五”时期的统一规划设计，逐步实现了仪器的更新换代（周克昌等，2013）。当前，地电站网在运行观测台站131 个，观测仪器203 套，其中地电阻率仪器92 套，地电场仪器111 套，测项分量数1 332，产出大量观测数据，汇入我国地球物理观测台网中心数据库形成地电数据集。地电数据集汇集了地震地电阻率和地电场的相关数据和产品，不但可以为地震预测预报的分析研究提供强有力的支撑，也可以为地下电性结构、地球电磁环境等科学研究提供服务。

1 地电站网数据集成

我国地电观测始于1966 年河北邢台MS7.2 地震，包括地电阻率观测和地电场观测。从第一个地震地电阻率观测台站建设以来，观测仪器更新换代，从DDC 系列、PZ 系列等模拟仪器和数字电压表（叶青等，2022），到20 世纪90 年代研发数字化ZD8、ZD8A、ZD8A-B 观测仪器，“九五”以来发展了ZD8B 系列地电仪，经“十五”和“十一五”的发展，ZD8-BI、ZD8M 地电仪成为地电阻率台站的主流观测仪器，实现了IP 到台站的通信功能。地电阻率连续观测多年，效果良好，在地震预报中发挥了重要作用（赵玉林等，1978，2001；钱复业等，1982；钱家栋，1993；钱家栋等，2013；杜学彬等，2000，2004；张学民等，2009；朱涛，2013；史红军等，2014；解滔等，2018）。

地电场观测最初采用引进的大地电流仪测量地面地电场水平分量，模拟照相记录（俗称“土地电”）。“九五”计划后期，我国发展了数字化地电场测量仪器ZD9、ZD9A 电场仪，投入24 个台站试观测。在“十五”和“十一五”期间，地电台网建设和改造中常规使用ZD9A-II、ZD9A-2B 地电场仪，到目前的GEF-II 仪，均实现了IP 到台站的通信功能（席继楼等，2016）。

目前，我国已初步建设完成覆盖大陆地区各主要构造带、活动断裂带、地震危险区和重点监视区的131 个观测站组成的地电观测站网（图1），开启了我国地电观测与应用研究工作的新篇章。

图1 全国地电台站分布Fig.1 Distribution of national geoelectrical observation stations

地电站网持续产出地电阻率和地电场2 类观测数据，经台站、省地震局、学科中心，汇入国家地球物理台网中心（以下简称国家中心）数据库形成地电数据集。每类数据均由原始观测数据、台站预处理数据和产品数据等组成。原始观测数据为数据采集器直接采集而未经处理的数据，其中地电阻率数据为小时值，地电场为分钟值。台站预处理数据为对突跳、阶跃等错误数据进行处理后的数据，附带观测日志，以记录数据出现变化的原因，如故障、调零、校准、自然环境变化、观测环境变化等，以及地震、地电暴等地球物理事件。产品数据由预处理数据经计算所得均值类产品（包括日均值、五日均值、月均值等）和相对均方差、精度、相关系数、差值等数据构成。数据的可靠性和准确性对于其可用性至关重要，国家中心通常利用相对均方差、相关系数和差值等指标来控制数据质量。其中，相对标准差主要用于评价地电阻率数据噪声水平，数值越小，噪声水平越低，基本要求是，该指标≤0.3%。地电场数据的观测精度评价指标主要有相关系数和差值。相关系数用以描述地电场长短极距数据的相关性，理论上，该值越大，长短极距数据相关性越好，观测数据质量越高。长短极距测道观测数据的差值月均值越小，观测数据精度越高。

此外，数据库中储存台站、测点和地电观测场地的经纬度、高程、编码、建设报告等基础信息，帮助科研人员对台站和数据的全方位掌握。

当前地震地球物理台网数据库地电数据集组成即相关信息见表1，其中地电阻率数据集可产出原始数据、预处理数据以及相应产品数据，以拦隆口台地电阻率观测为例，原始数据经预处理后，突跳数据被予以删除，采用预处理数据可计算并产出相对均方差等产品数据，结果见图2、图3。地电场数据集原始数据经预处理，除产出均值产品，还可获取相关系数和差值等产品数据（图4）。

表1 地电数据集基本信息Table1 Basic information of the geoelectrical dataset

图2 拦隆口台地电阻率观测NS 分量2022 年4 月原始观测与预处理数据Fig.2 Original and preprocessed data of NS component of thegeoelectrical resistivity observation at Lanlongkou station in April 2022

图3 拦隆口台地电阻率观测NS 分量2022 年4 月相对均方差Fig.3 Relative mean square error of NS component of the geoelectrical resistivity observation at Lanlongkou station in April 2022

图4 金银滩台地电场长极距NS 分量2022 年4 月日均值、相关系数和差值产品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 数据集获取

国家中心针对地震台站、省地震局、地电学科的用户开发“地电站网运行管理与产品服务平台”。该平台采用一级部署、三级应用的管理模式，主要功能包括站网监控、台网管理、质量评估、产品制作与服务、系统管理等。通过该平台，用户可对地震系统所辖地电台站进行监控管理、数据服务，包括对基础信息、观测数据、观测报告、专业产品等的使用和管理。目前，该平台已在全国地震系统运行使用，工作效率和服务水平得以提升。

地震系统外的用户可以通过“国家地震科学数据中心”网站（http://data.earthquake.cn）申请获得相应数据集（李丽等，2021）。该数据中心由国家中心和专业分中心组成，涵盖国内测震、强震动、地球物理场等观测台网产出的数据和产品，中国援建境外台站部分观测数据，工程震害预测、地球空间观测、活断层探察等学科专业数据。用户可通过在线和离线2 种方式获取所需数据。

3 数据集应用前景

地电阻率是地下探测范围内介质电阻率的综合反映，中强地震前构造应力作用下介质变形诱发的微裂隙活动会引起地电阻率的变化，地震发生时，地应力变化会直接引起地壳岩石电阻率的变化。地电场在地表的分布，不仅取决于外部场源，还取决于地下介质电性结构及其变化（谭大诚等，2014；席继楼等，2016）。地电场的异常变化，可能动态反映了应力应变、构造活动、裂隙发育、电解质运移等地下介质动力学过程。

使用地电观测数据集，可进行以下研究：

（1）分析地电阻率震前相对变化、归一化速率变化（杜学彬等，2010，2017；刘君等，2013；史红军等，2014；李姜等，2019；王同利等，2022）、地电场地震响应地震电信号（马钦忠，2008；席继楼等，2016）等，研究地震前兆异常。

（2）开展固定台网的地电连续观测，分析总结地电阻率和地电场正常背景变化规律（赵国泽，2003；戴勇等，2013；张国苓等，2016；解滔等，2019；叶青等，2007），应用于地球电磁环境变化监测及国民经济建设、生命线工程建设等领域。

（3）地电阻率和地电场非正常变化的特征识别及影响因素分析（方炜等，2010；赵文舟等，2022），为地震异常识别提供参考依据，为地震预报预测提供更为精确的观测资料。

（4）深入分析并研究井下地电阻率、交流地电阻率、垂直地电场等观测技术和观测方法，以应对各种地表环境干扰，为提高地电映震效能提供技术支撑（解滔等，2019；叶青等，2022；王晓等，2022）。

（5）根据区域地质状况和大地电流资料，探测地下电性结构，应用于金属探矿、煤田、石油、水文等物探普查工作（Kantas，1956；KaBNH，1959；王俊业，2002）。

（6）利用地电场观测数据及台址电阻率测深结果，分析大地电流时空分布特点，并结合区域构造、水文地质条件、气候环境等因素，研究其物理机制及与构造断裂的关系（陈志敏等，2015；章鑫等，2017）。

（7）地电场数据可应用于高压直流输电影响、地电暴期间地电场扰动、地电脉动与地磁脉动相关研究等领域（章鑫等，2016）。

此外，地电阻率、地电场可与电磁场联合研究三维正反演问题，地下分层各向异性介质电磁响应等，推进地下三度体电性结构的探测与解释，对经济建设、资源勘探等具有重要意义。

4 结束语

我国地震地球物理观测台网地电站网主要分布于地震活动区/带周边及附近区域，依托该站网获取的地电数据集包含主要构造带、重点监视区的珍贵数据资料，在电磁环境监测、地震预测预报、国防建设、工程物探等各方面均具有重要的研究价值和广阔的应用前景。随着国民经济的快速发展，观测环境日益恶化，地电观测所面临的挑战越来越大，地电数据集的质量控制方法、应对环境干扰的新型观测技术和观测方法的研究和推广也越来越迫切。今后，将致力于推进新技术、新方法的研究及应用，并联合电磁场、形变、流体等其他地球物理监测手段，多学科多手段融合，共同为地震监测预报、地球动力学、电磁环境监测等科学研究服务。