2009-2020 年內(nèi)蒙古滿洲里站地電場儀分鐘采樣數(shù)據(jù)集

王喜珍，陸穎哲，鄧娜，馬玉立

1. 中國地震局地球物理研究所，北京 100081

2. 內(nèi)蒙古自治區(qū)滿洲里地磁臺，內(nèi)蒙古滿洲里 021400

3. 湖北省地震局，武漢 430071

4. 中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心，北京 100190

引 言

地電場作為地球物理場量，是大地電磁場的重要組成部分。大地電場是由固體地球外部，特別是電離層中的各種電流體系與地球介質(zhì)相互作用，在地球內(nèi)部產(chǎn)生的感應(yīng)電場（感應(yīng)電流場）。通過大地電場監(jiān)測，可以獲取空間電流體系性質(zhì)特征，了解其與地球介質(zhì)的相互作用機理[1-2]。地震孕育過程異常機理研究結(jié)果表明，巖石變形過程在亞失穩(wěn)階段，微裂隙活動會引起電阻率和電磁場變化，具有較為明顯的震前異常特征。地震前地電場異常主要表現(xiàn)為快速大幅度的自然電場變化、日變化“波形畸變”、地電場脈沖交替變化等顯著的短臨異常。通過監(jiān)測地下介質(zhì)電性變化和電磁場變化，分析地震前后地電異常，探索地電異常與孕震的關(guān)系，可為地震預(yù)測預(yù)報提供重要支撐[3-6]。

地電場的觀測與研究始于19 世紀中葉。1865 年在英國的格林威治天文臺，建立了第一個地電觀測點。我國在1966 年3 月8 日邢臺6.8 級地震以后，在全國范圍內(nèi)開展了包括地電場在內(nèi)的多種前兆手段觀測與研究，在唐山7.8 級地震、海城7.3 級地震、松潘7.2 級地震、汶川地震、玉樹地震等中強以上地震前，均記錄到了比較典型的地電場變化[7-8]。

實施“十五”地震網(wǎng)絡(luò)項目、地震背景場項目等計劃后，我國已建立了世界上獨具特色的規(guī)?；⒁?guī)范化運行的主要包括地電阻率、地電場、電磁擾動等觀測手段的地電觀測網(wǎng)絡(luò)。地電站網(wǎng)由83 個地電阻率和112 個地電場觀測站構(gòu)成，主要圍繞大型活動斷裂帶分布，重點分布在南北地震帶、華北地區(qū)和東北地區(qū)等地震多發(fā)區(qū)，在新疆和華東南地區(qū)也有少量分布。

滿洲里地磁臺位于祖國北部邊疆滿洲里市南郊，始建于1976 年，1983 年開始投入觀測，1984年納入國家地磁一類臺，隸屬內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局。臺站觀測場地占地面積250 000 m2。臺站位于天山-興蒙斷褶系北興安嶺斷褶帶內(nèi)，新構(gòu)造單元屬大興安嶺隆起額爾古納次級隆起西南扎賚諾爾丘陵山地內(nèi)，滿洲里-達石莫中新生代斷陷盆地的東北角。斷陷盆地接受了下白堊紀大磨拐組煤系和第四紀松散堆積。盆地內(nèi)第四系厚度約8-30 米，最厚達60 余米。兩側(cè)斷裂均為右旋平移正斷層，長度70 余公里，走向約50°向盆地內(nèi)傾斜。臺站距東側(cè)斷裂約30 公里。斷陷盆地兩側(cè)基巖裸露，分布燕山早期花崗體和上侏羅紀及少量的寒武系額爾古納組。地震臺周圍的基本構(gòu)造格架由額爾古納次級隆起、海拉爾盆地構(gòu)成。

滿洲里地磁臺是我國地磁老八臺之一，觀測環(huán)境好，觀測儀器工作狀態(tài)穩(wěn)定，觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量高，從1993-1997 年連續(xù)五年取得了全國地磁評比第一名，獲得國家地磁觀測最高獎項“司南杯”?！笆濉逼陂g，新增安裝BBVS-60 寬頻帶數(shù)字化地震儀開展測震觀測，新建大地電場觀測場地，新增安裝ZD9AⅡ數(shù)字化地電場儀開展大地電場觀測。逐步形成了集地磁、地電、測震等多種觀測手段的綜合性地磁觀測臺，臺站現(xiàn)有觀測設(shè)備9 臺套。臺站ZD9AⅡ數(shù)字化地電場儀電極按照“多方向、多極距”觀測方法布設(shè)測量線路，分別在南北向和東西向各布設(shè)3 個電極，長極距分別為500 m、500 m、707 m，短極距分別為250 m、250 m、353 m。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 數(shù)據(jù)采集

本數(shù)據(jù)集采用的觀測儀器為中國地震局地震預(yù)測研究所研制的ZD9A-II 型地電場儀[6]。該設(shè)備由電極和數(shù)據(jù)采集器組成（圖1），電極深埋于地下。電極是地電場觀測系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，它是一種特殊的傳感器，利用不同導(dǎo)電介質(zhì)之間形成界面，在界面產(chǎn)生極化電位原理，觀測土壤中電極所在位置的電位。利用不同電極之間的電位差，計算所在介質(zhì)中的電場強度?！癦D9A-Ⅱ地電場儀”是我國自主研制的具有高靈敏度、大動態(tài)范圍、良好抗干擾能力和較高可靠性的監(jiān)測設(shè)備，用于觀測地表地電場強度及其時空變化規(guī)律的數(shù)字化、自動化的專用觀測儀器，為地球物理場研究和地震檢測預(yù)測研究服務(wù)?！癦D9A-II 地電場儀”采用雙模塊并行工作方式，即數(shù)據(jù)測量模塊和數(shù)據(jù)處理（網(wǎng)絡(luò)功能）模塊，兩個模塊利用不同的控制系統(tǒng)獨立進行工作。其中數(shù)據(jù)測量模塊完成地電場信號的濾波處理、模數(shù)轉(zhuǎn)換和量綱轉(zhuǎn)換等工作，測量結(jié)果以十六進制補碼的方式進行存儲；數(shù)據(jù)處理（網(wǎng)絡(luò)功能）模塊完成數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、存儲處理、Web 服務(wù)、FTP 服務(wù)和 TCP/IP 數(shù)據(jù)通信等工作。該設(shè)備數(shù)據(jù)采集的采樣率為每分鐘1 次，共有6 個輸出通道。觀測數(shù)據(jù)在設(shè)備中的存儲容量可達1 個月以上。

圖1 滿洲里地磁臺ZD9A-II 型地電場儀

1.2 測量準確度校準與標定

地電場儀在投入使用前和使用一段時間后需進行準確度校準和標定，以此消除中心偏離，提高數(shù)據(jù)格值的準確度，從而保障觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量。測量準確度校準與標定包括零點校準、滿刻度校準、準確度標定。

1.2.1 零點校正

以零輸入信號（短路信號）為標準信號，通過逐步逼近進行校準。具體方法為：將儀器的所有輸入端短路。在穩(wěn)定約半分鐘以后，按照顯示提示進行操作，待零點值校準完成后，循環(huán)顯示校準以后的零點測量數(shù)據(jù)。

1.2.2 滿刻度校準

以0.01 級的飽和標準電池（BC3 或BC9）作為標準信號，通過逐步逼近法進行校準。20℃時，飽和標準電池的輸出參考值為1.01862 V；在0℃～40℃之間，飽和標準電池的修正值可通過儀器說明書獲得。具體方法為：根據(jù)儀器說明書操作，在按鍵后進入滿刻度校準啟動界面，將儀器的所有輸入端與飽和標準電池相連接。在穩(wěn)定約半分鐘以后，按照提示繼續(xù)操作，操作完成以后循環(huán)顯示校準以后的滿刻度測量數(shù)據(jù)。

1.2.3 準確度標定

以0.01 級直流電位差計（UJ25 或UJ34）為標準信號，檢測地電場儀的測量誤差是否在最大允許誤差范圍之內(nèi)。在標定之前，需要利用標準滿刻度值對直流電位差計（UJ25 或UJ34）的工作電流進行調(diào)整。具體方法為：根據(jù)儀器說明書操作，進入標定測量菜單，將儀器的所有輸入端與已經(jīng)準備好的直流電位差計相連接。調(diào)整直流電位差計工作電流，直流電位差計的輸出刻度盤設(shè)置為當前滿刻度標準值，旋轉(zhuǎn)工作電流調(diào)節(jié)旋鈕，使得儀器的測量顯示數(shù)據(jù)與輸出刻度盤設(shè)置的數(shù)值一致。按照說明書附錄表的順序給出標準信號，待顯示數(shù)據(jù)穩(wěn)定以后，記錄儀器對該標準信號的測量顯示結(jié)果，計算每一個標定值的測量誤差。如果標定結(jié)果滿足最大允許誤差的指標要求，則標定結(jié)束；否則，需要重新對零點和滿刻度值進行校準，然后再執(zhí)行標定操作。

1.3 數(shù)據(jù)處理

本數(shù)據(jù)集為地電場原始觀測數(shù)據(jù)。為了提高觀測數(shù)據(jù)的可靠性，在電極布設(shè)時按照“多方向、多極距”觀測方法布設(shè)測量線路，在南北和水平兩個正交的觀測方向進行測量，每個測向布設(shè)2 個以上極距的測量線路。通過對同一測向不同測道觀測數(shù)據(jù)進行時域相關(guān)分析研究，驗證觀測數(shù)據(jù)的可靠性和觀測結(jié)果的內(nèi)在質(zhì)量。地電場儀電極安裝要求場地大，環(huán)境要求相對較高，在觀測數(shù)據(jù)中可能存在環(huán)境干擾，如人工工頻電磁場、高壓輸電、軌道交通、金屬管網(wǎng)、同臺觀測的其他設(shè)備干擾等[9-13]（見圖2、圖3）。

圖2 高壓直流輸電線路干擾形態(tài)

圖3 同臺地電阻率觀測干擾形態(tài)

地震局節(jié)點站數(shù)據(jù)處理軟件主要對數(shù)據(jù)時間、缺記等進行自動校驗，缺記數(shù)據(jù)用缺省值自動填補，不符合規(guī)范的數(shù)據(jù)更正為符合規(guī)范的數(shù)據(jù)，確保觀測數(shù)據(jù)符合子午工程數(shù)據(jù)規(guī)范要求。

中國地震局根據(jù)不同干擾源產(chǎn)生的干擾特征開發(fā)了干擾形態(tài)識別和處理技術(shù)，這些技術(shù)已集成在中國地震前兆臺網(wǎng)管理軟件中，目前主要包括輸電線路、地電阻率、人工工頻電場、雷雨、外線路漏電等。臺站工作人員通過地電數(shù)據(jù)處理模塊對地電觀測數(shù)據(jù)進行日常預(yù)處理。

1.4 數(shù)據(jù)傳輸

臺站觀測數(shù)據(jù)通過子午工程臺站管理軟件匯集到臺站數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，并在本地存儲。臺站工作人員對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理后，通過臺站管理軟件數(shù)據(jù)上傳模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至地震局節(jié)點站。地震局節(jié)點站進行數(shù)據(jù)分析與質(zhì)量評估后，通過子午工程數(shù)據(jù)中心統(tǒng)一配置的HJclient 客戶端數(shù)傳軟件將數(shù)據(jù)上傳至子午工程數(shù)據(jù)中心（圖4）。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸軟件界面

1.5 數(shù)據(jù)發(fā)布

地電場原始觀測數(shù)據(jù)分別在滿洲里地磁臺、內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局、國家地電臺網(wǎng)中心、中國地震局地球物理研究所地震局節(jié)點站以及子午工程數(shù)據(jù)中心存儲，根據(jù)各自職責開展數(shù)據(jù)共享與發(fā)布。滿洲里地磁臺、內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局、國家地電臺網(wǎng)中心根據(jù)中國地震局的有關(guān)規(guī)定進行數(shù)據(jù)發(fā)布。地震局節(jié)點站以及子午工程數(shù)據(jù)中心（data.meridianproject.ac.cn）按照子午工程有關(guān)協(xié)議規(guī)定發(fā)布數(shù)據(jù)。子午工程數(shù)據(jù)中心為對外發(fā)布的主要渠道，包括原始數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)波形以及其他中間產(chǎn)品，用戶可通過子午工程數(shù)據(jù)中心認證后下載本數(shù)據(jù)集。

2 數(shù)據(jù)樣本描述

2.1 文件名

本數(shù)據(jù)集地電場原始數(shù)據(jù)文件根據(jù)子午工程數(shù)據(jù)文件交換接口命名，格式為“MZL_GEM01_DED_L11_01D_yyyymmddhhmmss.dat”。其中MZL 為滿洲里地磁臺在子午工程中的臺站代碼；GEM 為儀器地電場儀代碼；01D 表示原始數(shù)據(jù)，每天一個文件；yyyymmddhhmmss 為文件起始記錄時間，記錄時間為北京時。

2.2 數(shù)據(jù)格式

本數(shù)據(jù)集地電場原始數(shù)據(jù)格式采用中國地震局行業(yè)標準地電場儀地電數(shù)據(jù)格式，具體說明如下（表1）：

數(shù)據(jù)文件由數(shù)據(jù)項組成，每個數(shù)據(jù)項由時間和觀測值組成。時間為4 位表示，2 位小時值，2 位分鐘值，不足4 位的用“0”補充。觀測值為6 個地電場強度觀測值，每個觀測值為7 位數(shù)表示，其中4 個整數(shù)位，2 個小數(shù)位?？罩涤谩?999”代替。時間、數(shù)據(jù)值之間以及數(shù)據(jù)值之間均采用“ ”（1 位空格）為分隔符。數(shù)據(jù)項數(shù)據(jù)采樣的時間精度為1 分鐘，每分鐘采用數(shù)據(jù)占用一行。每天數(shù)據(jù)文件共有1440行數(shù)據(jù)。一個完整記錄項的格式碼為1440(I4,X,f7.2,X,f7.2,X,f7.2,X,f7.2,X,f7.2,X,f7.2,X)，其中數(shù)字為數(shù)據(jù)占有位數(shù)。

表1 地電場原始觀測數(shù)據(jù)格式

序號 數(shù)據(jù)項中文名稱 數(shù)據(jù)項英文名稱記錄格式物理單位（中英文）無效缺省值數(shù)值范圍13北東向短極距地電場強度值（NES）Intensity of the NE geo-electric field in short pole pitch F7.2毫伏/千米(mV/km)9999 -2000～2000... ... . ... ... ...

本數(shù)據(jù)集地電場原始數(shù)據(jù)格式樣例如圖5 和圖6 所示。

圖5 地電場觀測原始數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)格式樣例

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評估

3.1 日常觀測質(zhì)量控制

為了規(guī)范地電臺站日常運行與維護管理，中國地震局編制了《地震前兆臺網(wǎng)運行管理辦法（修訂）》、《電磁臺網(wǎng)運行管理細則》，以提高臺站儀器運行效率和觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量。

在日常運行中，臺站運行與維護人員按照上述規(guī)范性文件進行觀測、日志編制、數(shù)據(jù)處理以及其他校驗校正工作。在波形異常時，要啟動原因排查工作，確定干擾源，采取有效防范措施，以保障觀測數(shù)據(jù)的客觀性。同時在運行維護中，加強巡查，及時發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，提高觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

圖6 地電場觀測原始數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)波形圖

3.2 觀測質(zhì)量評估

在一天的分鐘值觀測數(shù)據(jù)中，選取至少8 小時的數(shù)據(jù)，分析長、短極距的觀測結(jié)果變化規(guī)律是否一致，變化幅度是否相當。如果不一致，則需要重新核對測量線路的架設(shè)和標示是否正確，信號線路連接是否可靠等。對于與地電阻率同臺工作的臺站，當按照門限控制的方式進行地電阻率供電干擾濾除時，若仍能記錄到比較明顯的供電干擾信號，則需要適當調(diào)整或重新設(shè)置門限控制參數(shù)，包括加寬控制時段和降低門限值等。如果有一整天的完整觀測數(shù)據(jù)，還應(yīng)分析同測向長、短極距觀測數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)。新裝儀器的相關(guān)系數(shù)基本上在0.9 以上，若小于0.6 則應(yīng)檢查原因。

中國地震局系統(tǒng)內(nèi)地電觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量評價由國家地電臺網(wǎng)中心按照《數(shù)字地電臺網(wǎng)觀測資料質(zhì)量評比辦法》有關(guān)規(guī)定進行。評比分為月評比和年評比兩個層次。在評比過程中對各儀器存在的問題均有明確的反饋和處理建議。

4 數(shù)據(jù)使用方法和建議

本數(shù)據(jù)集為地電場原始觀測數(shù)據(jù)，可以用來開展地震預(yù)測預(yù)報、磁暴、空間環(huán)境和勘探等方面的研究。

本數(shù)據(jù)集未做預(yù)處理，可能存在環(huán)境干擾，如高壓輸電、人工工頻電場、外電路漏電等，在使用時應(yīng)對可能的干擾形態(tài)特征有所了解。

致 謝

感謝國家地電臺網(wǎng)中心對數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的指導(dǎo)，感謝子午工程運維團隊在數(shù)據(jù)采集、處理中所做的工作，感謝子午工程辦公室對本系統(tǒng)運維的協(xié)調(diào)與支持。本數(shù)據(jù)論文的完成得到了國家科技基礎(chǔ)條件平臺-國家空間科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://www.nssdc.ac.cn）的大力支持和幫助。

數(shù)據(jù)作者分工職責

王喜珍（1972—），男，山西嵐縣人，博士，副研，研究方向為地球物理數(shù)據(jù)處理。主要承擔工作：總體負責，主要包括數(shù)據(jù)采集、質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)管理、傳輸與共享等。

陸穎哲（1983—），男，內(nèi)蒙古自治區(qū)滿洲里市人大專，助理工程師，研究方向為地震前兆數(shù)據(jù)分析與處理。主要承擔工作：儀器維護、地磁數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)傳輸及數(shù)據(jù)處理。

鄧娜（1973—），女，湖北武漢人，學(xué)士，高工，研究方向為地磁、地電觀測與研究。主要承擔工作：地電數(shù)據(jù)處理。

馬玉立（1978—），女，北京人，碩士，高工，研究方向為工程管理。主要承擔工作：數(shù)據(jù)管理與數(shù)據(jù)發(fā)布。