高熹微，张 骞，卜玉菲，赵卫红*，郭宇鑫，李 玉

（1. 江苏省地震局高邮地震台，江苏 高邮 225600；2. 江苏省地震局，南京 210014）

0 引言

针对地电台站建设和观测仪器入网，中国地震局和电磁学科技术管理组编制了一系列的行业标准和技术规范[1-7]，提出了明确的技术要求，如地震观测仪器进网技术要求[6]，并给出了相应的测试方法，但未将地电仪器连入经过批准的野外观测场地进行实地测试来验证仪器实际野外观测性能。因此按照地电建设规范[2,5]要求，建设了高邮地电比测平台和平凉地电比测平台，在通过认证和考核后，承担地电学科仪器的台站野外比测工作。从环境适应性、观测一致性、运行稳定性等方面对地电仪器进行对比测试，同时编写地电观测仪器技术比测规范，形成地电学科专业设备台站比测完整的流程和方法，并设置技术指标值来衡量比测仪器，确保地震监测地电学科专业设备的性能稳定和得到高质量的观测数据。

在参考地电行业标准的基础上，编写了地电观测仪器比测技术规范（第一部分：地电阻率仪；第二部分：地电场仪），建立了台站地电仪器比测流程和方法等内容，并将地电场仪和地电阻率仪的《地震监测专业设备定型测试大纲》（https://www.cencc.ac.cn/cenc/_300 647/352 611/index.html）中设立的4个技术指标扩充为8个来分析比测仪器产出数据的稳定性和一致性。针对这8个技术指标设置值是否合理及是否满足现今在用地电仪器观测要求的问题，将ZD9A-Ⅱ和GEF-Ⅱ两种不同型号的仪器连接同一地电场观测装置进行对比观测。利用该试验数据来计算地电场比测规范技术指标值，平凉台ZD8M地电阻率仪对比观测数据计算地电阻率比测规范技术指标值，通过试验数据和历史观测数据计算所得结果，来验证技术指标设置值的合理性，为地电观测仪器比测技术规范编写中技术指标值的制定提供基础支撑。从而为后续的地电台站比测提供依据，并为规范地电观测仪器和产出用于地震监测、预报的高质量地电观测数据提供保障。

1 数据选取

地电场所用数据为2019年10月18日至2020年4月18日期间ZD9A-Ⅱ、GEF-Ⅱ地电场仪连接台上现有的地电场观测装置按照地电学科现行要求进行观测所产出的观测数据。选取2019年12月22—23日的观测数据（图1）进行对比发现，两者对于地电阻率供电干扰的表现方式不一致。在对比观测中将ZD9A-Ⅱ地电场仪作为参考仪器，用以验证目前主流的ZD9A-Ⅱ地电场仪和新型的GEF-Ⅱ地电场仪产出的观测数据计算结果是否满足于技术规范中编写的技术指标值。其中该台GEF-Ⅱ地电场仪已符合中国地震局定型测试大纲要求，通过定型测试。现有地电场观测装置呈L型布设，分别为NS向、EW向和N45°E向3个测道。

图1 ZD9A-Ⅱ与GEF-Ⅱ仪器2 019年12月22—23日观测数据

由于同场地地电阻率供电干扰，高邮地电比测平台运行的地电阻率产出的观测数据量少，因而采用平凉地电比测平台地电阻率观测资料，选取了2019年5月18日至2019年8月15日两台ZD8M地电阻率观测仪按照地电学科现行要求运行产出的NS、EW向两测道观测数据（图2）。从图2中可以看出，两者观测数据差异很小，故以平凉台现运行的ZD8M地电阻率仪作为参考仪器。

图2 地电阻率仪器2019年5月18至2019年8月15日对比观测数据

2 计算方法及结果

2.1 地电场技术指标值

2.1.1 仪器之间同装置观测结果每天的日相关系数r日

求解测道之间的相关系数，是地电场观测数据可靠性的一种检测方法[8]，多台比测仪器在连接同度相关分析的方法[7]，给出r日计算公式（1）～（2）和技术指标值：应不小于0.9，符合率C应大于95%。一观测装置的前提下，其同方位、同极距（同装置）产出的观测数据应具有高度一致的变化趋势，相关系数应呈现高度相关性。因而，设立仪器之间同装置观测结果的日相关系数技术指标和符合率，即求取不同仪器之间同方位、同极距的相关系数，来衡量多台同型号、不同型号比测仪器之间所得的观测数据一致性。引用《地震监测专业设备定型测试大纲》中台站比测地电场仪器之间的相关系数指标值，并结合行业标准DB/T 34-2009附录E中小时尺

将ZD9A-Ⅱ、GEF-Ⅱ所测数据中地电阻率供电时段的干扰数据舍弃。因为同场地观测的地电阻率中存在供电干扰，ZD9A-Ⅱ使用设置的门限来抑制供电干扰[9]，GEF-Ⅱ没有门限设置，因而计算两者的技术指标值时舍弃供电时段的数据。从仪器面板观察，ZD9A-Ⅱ为当前时间观测后，存储为下一分钟观测值；GEF-Ⅱ为当前时间观测后，存储为当前时间的观测值，因而将ZD9A-Ⅱ仪器数据超前1分钟参与计算。考虑同场地地电阻率供电对地磁、地电产生干扰，高邮地电比测平台的地电阻率观测设置为每天工作2～4次不等。这不固定的供电干扰掺杂在地电观测数据中造成一定影响，因而在2019年10月17日停止观测，地电场技术指标计算所选取的数据从2019年10月18日开始。按照公式（1）～（3）计算日相关系数和符合率，得到两套仪器各个方位长极距与长极距、短极距与短极距之间的每日相关系数（图3）。两台仪器共六测道的日相关系数结果在0.8～1.0之间波动（异常点除外），统计六测道计算结果，两种仪器之间的同装置相关系数大于0.9的个数为340，符合率为33.51%。

图3 ZD9A-Ⅱ与GEF-Ⅱ仪器同方位同极距日相关系数

对照图3可看出，在12月22日两台仪器六测道的相关系数低至0.4附近。从图1a～f中可见，两者观测数据并无数据突跳等畸变。根据两者面板观察，两者存储的数据相位应存在1分钟的差异，但从图1a1中可以看出，12月22日23时20—59分的观测数据两者相位一致，两台仪器存在时间差；从图1a2中看出，12月23日两者的观测数据存在着明显的相位差异，其中GEF-Ⅱ仪器每天进行4次自动校时。因而将12月21—23日的ZD9A-Ⅱ仪器观测数据与GEF-Ⅱ仪器观测数据按正常时间序列计算仪器之间同装置相关系数（表1），12月22日正常时间序列计算结果优于超前1分钟计算结果，这说明两种仪器存在时间差。在实际的观测过程中，ZD9A-Ⅱ仪器使用时间长达十年多，虽然定时对两台仪器校时，也难以确保两者的仪器时间完全一致，时间的不同步导致观测数据变化不同步，进而使两者同方位同极距的相关系数低。

表1 ZD9A-Ⅱ与GEF-Ⅱ相关系数计算统计表

为了进一步探究该技术指标值的设置是否合理，采用3台GEF-Ⅱ仪器记录2019年5月8日至2019年6月7日比测期间的观测数据按照公式（1）～（2）计算该技术指标值。考虑地电阻率同场地供电对地电场观测的干扰，选取3台GEF-Ⅱ仪器记录的5月10日中0—1时观测数据（图4），图中5—14分、34—42分时间段分别是台上和比测平台的地电阻率供电时间。从图4可以看出，受供电干扰的3台仪器观测数据变化幅度不一致，且远大于正常数据的变化幅度，形态也略有差异。GEF-Ⅱ仪器产出的分数据是由其秒数据取均值得到，因GEF-Ⅱ仪未进行GPS授时，3台仪器时间难以确保秒同步。因此在供电干扰时段内，3台仪器存在秒值数据上的差异，进而表现分数据供电时段内差异，这种已知的供电干扰影响3台仪器同方位同极距的相关计算结果。因此，为了得到更准确的结果，地电阻率供电时段数据不参与计算。

图4 多台GEF-Ⅱ同装置05月10日0时0—10分观测数据

将3台GEF-Ⅱ观测数据的相关系数计算结果绘制成图5，图中的圆形点为仪器1和仪器2同方位、同极距计算结果，其中仪器之间六测道的日相关系数大于0.9的个数为183，符合率为98.39%；图中三角形点为仪器1和仪器3同方位、同极距计算结果，其中仪器之间六测道的日相关系数大于0.9的个数为179，符合率为96.24%；图中正方形点为仪器2和仪器3同方位、同极距计算结果，其中仪器之间六测道的日相关系数大于0.9的个数为186，符合率为100%。3台GEF-Ⅱ仪器之间的同装置观测结果日相关系数满足于设定的技术指标值。

图5 多台GEF-Ⅱ同装置日相关系数

根据ZD9A-Ⅱ仪器与GEF-Ⅱ仪器观测数据、3台GEF-Ⅱ仪器观测数据的计算结果，分析认为前者所得计算结果不满足于设置的技术指标值的原因在于两种仪器之间的时间差。

2.1.2 仪器之间同装置观测数据差值绝对值的日均值ΔX

连接同一观测装置进行比测的观测仪器，由于仪器本身存在的仪器差的原因，不同仪器产出同装置（同方位、同极距）的观测数据做差值分析，差值应在相对稳定的范围内变化。因此设立仪器之间同装置观测数据差值绝对值的日均值，并给出该技术指标值和符合率，从差值角度来衡量多台仪器观测数据变化趋势，确定仪器是否存在漂移现象。参考《地震监测专业设备定型测试大纲》中台站比测地电场仪器之间的同测道观测数据日差值技术指标值，给出ΔX技术指标值：应不大于0.5 mV/km，符合率C应大于95%，ΔX按公式（4）～（5）计算。

式中：xi、yi为不同仪器的观测数分钟值序列；n为参与计算的数据个数，不大于1 440；NΔX、nΔX分别为ΔX的总个数、ΔX超过0.5 mV/km的总个数。

将ZD9A-Ⅱ、GEF-Ⅱ观测数据，舍弃地电阻率供电时段的干扰数据，按照公式（4）进行计算，得到两套仪器各个方位长极距与长极距、短极距与短极距之间的观测数据差值绝对值的日均值（图6）。统计6个测道的计算结果，两种仪器之间的同装置观测数据差值绝对值的日均值大于0.5的个数为0，符合率为100%，满足于设定的技术指标值。

图6 ZD9A-Ⅱ与GEF-Ⅱ同方位同极距差值绝对值的日均值

2.1.3 同一台比测仪器同一方位不同装置观测结果差值的月均值D月

在理论上，局部区域内地电场是基本稳定的，同一方位不同测道观测数据的变化幅度应该是一致的[10]，这体现观测数据的内在质量及观测仪器的稳定性。同时查看参考仪器的运行稳定程度，设置差值月均值技术指标值。参照现行地电场观测资料质量评比办法，对同台仪器产出的观测数据计算其同方位的长、短极距的差值月均值，D月按公式（6）～（7）计算，D月技术指标值应不大于2 mV/km。

式中：Xi,Yj分别为同一观测方向2个不同装置的地电场分钟观测值；分别为当日0时0分至3时59分的观测值的平均值；n为一天中参与差值计算的地电场分钟值个数；N为1月中参与月平均值计算的天数。

利用ZD9A-Ⅱ与GEF-Ⅱ仪器6个月观测数据按照公式（4）～（5）分别计算，得到其同仪器、同方位、不同装置的差值月均值（表2）。参考仪器ZD9A-Ⅱ观测数据所有方位的差值月均值均小于2 mV/km，这说明观测场地和参考仪器运行稳定，GEF-Ⅱ仪器6个月观测数据所有方位的差值月均值也均小于2 mV/km，两者的计算结果均满足该技术指标设定值。

表2 同仪器同方位不同装置的差值月均值统计表

2.1.4 同一台比测仪器同方位不同极距观测结果的日相关系数r1日

假定同一测量场地的地下介质电性结构是均匀的，地电场布设方式为L型，同一方位分为长、短极距两道观测，则在同方位不同极距正常观测得到的地电场远场变化形态应具有一致性[11-13]。因而，设置同方位不同极距观测结果的日相关系数技术指标和符合率，即计算同台仪器同方位长、短极距的日相关系数，衡量仪器产出的观测数据内在质量，同时也验证参考仪器和观测场地的质量。参照仪器之间同装置观测结果的日相关系数技术指标值，r1日技 术指标值为：应不小于0.9，符合率C应大于95%，按照公式（1）～（3）计算，其中yi、xi为同仪器同方位长、短极距测道的观测数据。

利用ZD9A-Ⅱ与GEF-Ⅱ仪器6个月的观测数据，得到其同仪器、同方位、不同极距的日相关系数和符合率，统计计算结果见图7。ZD9A-Ⅱ所有方位长、短极距之间的日相关系数大于0.9的个数为533，符合率96.56%；GEF-Ⅱ所有方位长、短极距之间的日相关系数大于0.9的个数为551，符合率99.82%。两者求得结果均满足设置的技术指标值。

图7 ZD9A-Ⅱ、GEF-Ⅱ同方位不同极距的日相关系数

2.2 地电阻率技术指标值

2.2.1 小时观测值3倍相对均方差的日均值K(σn1)日

地电阻率观测数据为小时观测值，每次观测多个数值，取其平均作为该小时的观测值，同时产出该次测量的均方差值。目前ZD8M地电阻率仪中产出的均方差已乘以3，即小时观测值3倍均方差。在此基础上求取其相对均方差，取其平均值，得到小时观测值3倍相对均方差的日均值用来分析仪器的稳定性，同时利用参考仪器的结果来确保观测场地的稳定。将小时观测值3倍相对均方差的日均值作为技术指标，指标值设置为应不大于0.3%，以此来分析参考仪器和比测仪器每次观测内所得到的数据的离散程度。用参考仪器的结果确保观测场地稳定的基础下，查看比测仪器的运行稳定程度。引用《地震监测专业设备定型测试大纲》中台站比测地电阻率仪器的小时观测值3倍相对均方差的日均值的技术指标值，给出K(σn1)日技术指标值：应不大于0.3%。K(σn1)日按公式（8）～（9）计算。

式中：n为 每天观测次数，一般为24；K(σn1)i为第i小时观测值的3倍相对均方差。

将参考仪器和比测仪器小时观测值3倍相对均方差的日均值计算结果绘制成图8。从图中可看出，参考仪器和比测仪器的NS向计算结果和EW向计算结果在小范围内波动，处于0.07%以下。表明两者产出观测数据稳定，同时两者的计算结果均小于0.3%，满足设置的技术指标值。

图8 小时观测值3倍相对均方差的日均值

2.2.2 观测值日均值的3倍相对实验标准偏差K日

比测台站的环境需稳定、优良，在此基础上建设地电台站比测观测装置，再经过相关认证和考核，形成比测平台，因而比测平台的观测环境是处于相对稳定的状态。在相对稳定状态下的观测场地内，地电阻率仪产出的观测数据也应在一定范围内出现波动。因此，设立观测值日均值的3倍相对实验标准偏差，以考察比测仪器观测的稳定性，同时利用参考仪器的该技术指标值来体现观测场地的环境。观测值日均值的3倍相对实验标准偏差K日按 公式（10）计算，K日应不大于0.3%。

式中：n为每天观测次数，一般为24；ρsi为第i小时ρs观测值；是ρs日均值。

将两者观测数据按照公式（10）计算，结果绘制成图9。从图中可见，参考仪器和比测仪器的NS向观测值日均值3倍相对实验标准偏差处于0.05%以下，EW向观测值日均值3倍相对实验标准偏差处于0.04%以下。两者仪器所得结果皆小于0.3%，满足于该技术指标的设置值。

图9 观测值日均值的3倍相对实验标准偏差

2.2.3 月观测精度kσn

在仪器长时间观测期间内，为确定日与日之间的观测数据波动是否能在稳定的范围内，因此以日为单位，求取参考仪器的月观测精度，作为观测场地的稳定性依据；再求取比测仪器各个测道的月观测精度，衡量比测仪器的稳定性。kσn按公式（11）计算，kσn应不大于0.3%。

式中：n为 每月观测的天数；ρsi为 每天ρs的日均值；的ρs月均值。

两者观测数据的月观测精度计算结果见表3，可看出参考仪器和比测仪器的NS向和EW向月观测精度都小于0.1%，满足于该技术指标值设置值0.3%。

表3 月观测精度统计表

两台仪器连接相同的观测装置，根据地电阻率观测原理，产出的数据应一致。但由于两台仪器的仪器差存在，其两者的观测数据应在一定范围内波动，因此设立仪器之间观测差值绝对值的平均值，其应不大于（0.2%测值+0.04 Ω·m），符合率C应大于95%，以此来考察比测仪器是否存在漂移。两台仪器中一台为平凉台现行仪器，其产出数据在全国地电资料评比中多次获得佳绩，因此其产出的数据可靠性较高，故将其作为参考仪器与另一台仪器对比分析。引用《地震监测专业设备定型测试大纲》中台站比测地电阻率仪器中被测仪器和参考仪器观测数据日均值差值的技术指标值，各个测道的和符合率公式（12）～（14）计算，应不大于（0.2%测值+0.04 Ω·m），符合率C应大于95%。式中：n为 一天内比测仪器观测次数；ρsij、ρsik为第j、k台仪器第i次的观测值；Δρsijk为为第i次比测仪器j和k观测值的差值；分别为的总个数、未达到要求（0.2%测值+0.04 Ω·m）的总个数。

将参考仪器的同时段观测值的平均值作为测值得到具体的技术指标值，然后得到参考仪器与比测仪器每天的观测数据差值绝对值的平均值，两者进行比较（图10）。从图中可见，两者NS向和EW向的差值绝对值的平均值远远小于其技术指标设置值。

图10 仪器之间观测值差值绝对值的平均值

3 结果

按照地电观测仪器比测技术规范中的计算方法，对地电场、地电阻率观测数据进行计算，并与其中设置的技术指标值比较，得到以下结论：

1）从仪器之间同装置的数据形态和差值、仪器的长短极距的数据形态和差值考虑，设立地电场仪4个技术指标和技术指标值，并给出计算方法。利用ZD9A-Ⅱ、GEF-Ⅱ地电场仪和多台GEF-Ⅱ地电场仪的观测数据，按照计算方法得到4个地电场仪技术指标值，与设定的技术指标值对比，其满足于地电台站比测技术规范中的设置值，分析认为地电台站比测技术规范中地电场的技术指标值设置合理，能够用于地电场仪台站比测，能够满足于现今地电场仪器的观测水平。

2）从仪器之间同装置的数据差值、仪器的观测精度考虑，设立地电阻率仪4个技术指标和技术指标值，并给出具体的计算方法。利用平凉比测平台两台ZD8M地电阻率仪的观测数据，按照计算方法得到4个地电阻率仪技术指标值，与设定的技术指标值对比，其满足于地电台站比测技术规范中的设置值，分析认为地电台站比测技术规范中地电阻率仪的技术指标设置合理，能够用于地电阻率仪台站比测，能够满足于现今地电阻率仪器的观测水平。

4 分析与讨论

1）在计算仪器之间同装置观测结果每天的日相关系数时，ZD9A-Ⅱ、GEF-Ⅱ地电场仪所得到的结果不满足于该技术指标设置值，查看其观测数据两者相位存在滞后，分析认为两台地电场仪时间不同步是导致计算结果不佳的主要原因，也可能是ZD9A-Ⅱ、GEF-Ⅱ地电场仪的工作原理、仪器结构的差异造成，如频率范围不同，这有待后续进一步研究。在台站比测中多台地电场仪之间同装置的日相关系数是基于观测数据形态的高度一致性，需要多台地电场仪观测时间同步，只有在确保时间一致的前提下，仪器之间所得数据相位才会保持一致。在以后的台站比测中，参考仪器应是经实验室的定期检测，或是参考仪器和比测仪器都增加GPS对时模块，确保时间的准确性和一致性。

2）通过对现有所得的资料分析，地电台站比测技术规范中地电场仪和地电阻率仪的技术指标值设置合理，能为地电观测仪器技术比测规范技术指标的编写和地电观测仪器台站比测提供依据与支撑，从而为规范地电观测仪器台站比测和产出用于地震监测、预报的高质量地电观测数据提供保障。由于试验条件所限，用于分析的观测数据样本不多，所提出的技术指标值可能存在一定的局限性。在后续研究中，还需多研究更多的技术指标和其对应值，以此来更全面地衡量比测仪器。

致谢感谢应急管理部国家自然灾害防治研究院胡哲高级工程师的对本文的指导，感谢甘肃省平凉台提供本文中所用的地电阻率观测数据。