宋美萍,張彩艷，張文慧，范 磊，陳軍紅

(1.山西省地震局大同中心地震臺，山西 大同 037000；2.甘肅省地震局嘉峪關(guān)地震臺，甘肅 嘉峪關(guān) 735100；3.山西省地震局太原基準(zhǔn)地震臺，山西 太原 030025；4.山西晉震科技有限公司，山西 太原 030000；5.太原大陸裂谷動力學(xué)國家野外科學(xué)觀測研究站，山西 太原 030025)

0 引言

JZDC-A型大地電場場強觀測系統(tǒng)主要用于地震前大地電場觀測數(shù)據(jù)變化異常的捕捉，為地震短臨預(yù)報提供依據(jù)和研究資料。該設(shè)備具有測量精度高、工作性能穩(wěn)定、性價比高和有人無人值守可選等特點，最大優(yōu)點是全面實現(xiàn)了觀測數(shù)據(jù)的共享。設(shè)備研制標(biāo)準(zhǔn)符合中國地震局“十五”前兆數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)觀測設(shè)備行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可根據(jù)用戶需求采用以太網(wǎng)、本地電纜直接傳輸和無線傳輸方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，還可通過以太網(wǎng)訪問儀器主頁并對設(shè)備遠(yuǎn)程控制。JZDC-A型大地電場測量儀具有高靈敏度、大動態(tài)范圍等性能特點及良好的抗干擾能力和較高的可靠性等，主要用于觀測地電場強度及其時空變化，為地球物理場研究和地震監(jiān)測預(yù)報服務(wù)。

1 系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

1.1 使用條件

工作環(huán)境溫度為-20 ℃～50 ℃，相對濕度不大于80%，電源為AC100 V～240 V 50 Hz交流電源、DC 5 V直流電源。

1.2 地電場儀主要性能指標(biāo)

測量準(zhǔn)確度在±0.005%FS，最大±0.02%FS，噪聲±0.002%FS；測量分辨力10 μV；頻帶范圍DC～0.005 Hz；測量范圍±1 000.000 mV；共模抑制(CMR)為120 dB(1 kΩ Source Imbalance @ 50/60 Hz)；常模抑制(NMR)為60 dB(1 kΩ Source Imbalance @ 50/60 Hz)；測量通道4個；采樣率1次/(分鐘·通道)；通訊接口有兩個計算機串口通訊，一個為調(diào)試串口，另一個為數(shù)據(jù)通訊串口。調(diào)試串口通訊參數(shù)為波特率115 200，N無校驗,8位數(shù)據(jù)位,1個停止位。數(shù)據(jù)通訊串口通訊參數(shù)為9 600，N，8，1；一個網(wǎng)口(10/100自適應(yīng))。符合中國地震局前兆設(shè)備通訊規(guī)程。儀器觀測代碼X341,測量代碼3411,3412,3421,3422。儀器編號X341SXJZ+4位順序號。傳感器接口為高抗干擾設(shè)計，±15 kV ESD保護(hù)，模塊內(nèi)部有瞬態(tài)抑制二極管，可以有效抑制各種浪涌脈沖，保護(hù)模塊，內(nèi)部的數(shù)字濾波也可以很好地抑制來自電網(wǎng)的工頻干擾。提供WEB頁觀測數(shù)據(jù)下載，F(xiàn)TP程序更新服務(wù)，TELNET控制服務(wù)，具有遠(yuǎn)程服務(wù)器自動校時功能。

2 觀測方法

2.1 測量原理

地電場強度矢量是重要的地球物理常量之一(見第35頁圖1)。目前，在進(jìn)行地電場觀測時，按照分量測量、矢量合成的方法，對地表地電場強度進(jìn)行測試。當(dāng)測量得到至少兩個(正交)分量以后，由如下的式1和式2可以計算得到測點O的平均地電場強度值E和方位角α。

在進(jìn)行地電場分量值測量時，一般情況下測量(磁)南北和(磁)東西兩個正交分量；也可以根據(jù)觀測場地條件，在平行和垂直于斷層走向方向進(jìn)行測量[1]。

圖1 地電場矢量示意圖Fig.1 Schematic diagram of geoelectric field vector

(1)

(2)

2.2 地電場電極布設(shè)方法

在實際應(yīng)用中，一般按照“多方向、多極距”觀測方法布設(shè)測量線路，即在2個以上的觀測方向進(jìn)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(jìn)行時域相關(guān)分析研究，可以驗證觀測數(shù)據(jù)的可靠性，檢驗觀測結(jié)果的內(nèi)在質(zhì)量[2-3]。根據(jù)不同的觀測場地條件，即觀測場地和觀測室的不同位置，可以采用如圖2所示的任一種方式布設(shè)測量裝置，其目的是使觀測室能夠盡可能靠近公共電極(O電極)，便于施工和管理。也可以采用其他方式進(jìn)行觀測裝置布設(shè)，如十字交叉或平行測道方式等。

圖2 測量裝置布設(shè)圖Fig.2 Layout of measuring device

3 軟件系統(tǒng)功能

系統(tǒng)運行主界面、主要功能分別如圖3、圖4所示。

圖3 大地電場測量儀客戶端系統(tǒng)主窗口Fig.3 Main window of client system of geoelectric field measuring instrument

圖4 系統(tǒng)主要功能Fig.4 Main functions of the system

4 軟件系統(tǒng)主要功能菜單

4.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集為系統(tǒng)的主要功能，實現(xiàn)對觀測儀參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、通訊日志填報的功能，通過該功能完成對觀測儀的設(shè)置。設(shè)置項目有網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、表述參數(shù)、測量參數(shù)，同時還可對儀器直接控制，如，重啟、校時等。這些參數(shù)直接影響儀器產(chǎn)出的數(shù)據(jù)大小。根據(jù)觀測點連接方式不同，需在不同的窗口中進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。在菜單“串口觀測儀數(shù)據(jù)采集”窗口中，以串口直連方式的參數(shù)設(shè)置，網(wǎng)絡(luò)方式的觀測點，需在服務(wù)器上的TCP/IP通訊單元中進(jìn)行設(shè)置(見第36頁圖5)。

圖5 數(shù)據(jù)采集設(shè)置界面Fig.5 Data acquisition setting interface

4.2 數(shù)據(jù)顯示

觀測數(shù)據(jù)顯示分圖形方式與數(shù)據(jù)方式(見第36頁圖6、圖7)。圖形方式是在坐標(biāo)上以折線圖形顯示觀測值，可同時顯示北南長、北南短、東西長、東西短4個值的折線圖；數(shù)據(jù)方式是將窗口分為兩部分，上部分以

圖6 圖形顯示窗口Fig.6 Graphic display window

圖7 數(shù)據(jù)顯示窗口Fig.7 Data display window

折線圖顯示，下部分以表格形式顯示。該方式只能顯示1個數(shù)值，不能同時顯示4個值。不論是圖形方式還是數(shù)據(jù)方式顯示，都需選擇進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢，選擇觀測點、數(shù)據(jù)日期范圍、數(shù)據(jù)種類(分鐘值、時均值、日均值)。

5 實際應(yīng)用

該系統(tǒng)已在靈石縣、交口縣、文水縣地震局等單位安裝觀測。十年來，儀器運行穩(wěn)定，維護(hù)較少；觀測數(shù)據(jù)真實、完整率高。如圖8所示，為該系統(tǒng)產(chǎn)出的靈石縣和文水縣地震局觀測數(shù)據(jù)波形。

圖8 系統(tǒng)產(chǎn)生的觀測數(shù)據(jù)波形Fig.8 Data wave of the system

6 結(jié)語

JZDC-A型大地電場場強觀測系統(tǒng)研發(fā)完成后，分別在山西省和遼寧省等地進(jìn)行安裝、運行。結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有高靈敏度、大動態(tài)范圍、性能穩(wěn)定、良好的抗干擾能力和有人無人值守可選等特點，能實現(xiàn)觀測數(shù)據(jù)共享。研制標(biāo)準(zhǔn)符合中國地震局“十五”前兆數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)觀測設(shè)備行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可根據(jù)用戶需求采用以太網(wǎng)、本地電纜直接傳輸和無線傳輸方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過以太網(wǎng)訪問儀器主頁并可對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。操作系統(tǒng)人性化、功能強、操作簡單，可自動生成各類圖件、報表。目前，為地方地震區(qū)域監(jiān)測已提供近十年的觀測數(shù)據(jù)，運用效果良好。