CN101074994A - 地震前兆监测仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可根据天然电磁波场源测报地震信息的地震前兆监测仪，由传感器、前置放大器、低通滤波器、50Hz有源滤波器、选频放大检波器和A/D转换数据采集存储传输器等组成，其中传感器是由多个平板式电容传感器组成。实际工作中，通过多个彼此相隔一定距离的监测仪器分别接收来自震源区经地下不同电性界面反射回地表的地震震前电磁波，将这种电磁波转化为电压信号，再对不同方向的电压值进行矢量合成，就可计算出未来发震地点位于各台站的哪个方位角，通过多台交汇可以得出未来发生地震的地面位置、发震时间和震级大小。

Description

地震前兆监测仪

技术领域

本发明内容属于电磁变量的测量仪器技术领域，涉及一种地球物理探测装置，特别是一种根据天然电磁波场源测报地震信息的地震前兆监测装置。

背景技术

在历史上，各种地质构造的活动，如地裂缝、地形变、地面抬升或下降、褶皱、断层和节理的形成等都与地应力的作用有关，其中最明显的现象就是地震。一些现代大型工程建筑项目如矿山、隧道、大坝、桥梁等也都直接受地应力场的影响。就构造地震而言，地震是地壳中的岩石在地应力作用下发生破裂、错动的产物，而岩石破裂时，又都辐射出一定频率的电磁波，因此，地震总是与一定频率的电磁波异常情况有直接关系。

关于电磁波的定义，传统的电学教科书是这样叙述的：“任何电场的变化在它的周围空间都会产生变化的磁场，任何磁场的变化在它的周围空间也都会产生变化的电场，这种变化的电场和变化的磁场交替产生，由近及远地向前传播就叫电磁波。”在物理学界这种定义是建立在组成物质世界的基本单元为“粒子”这一柱石上面的。按照这种传统定义，实际探测工作中用于接收甚低频、超低频段(800～10000Hz)天然电磁波的物探仪器所用的传感器不是接收电场信号的电场传感器，就是接收磁场信号的磁场传感器。但在2000年中国地震局地球物理研究所郝锦绮、钱书清等人作的“岩石破裂的超低频电磁前兆—零磁空间实验”中发现：岩石在微破裂之前，仪器在实验室内接收不到屏蔽室外任何频率的电场信号和磁场信号，所记录的只是一条光滑的直线，而在岩石破裂时，仪器记录到的信息是单脉冲和密集的脉冲信号，这个实验的结果说明了岩石在破裂时确实产生了脉冲的电磁波。但是地震前兆仪监测的天然电磁波在零磁空间实验室内、外却记录到了相同的电磁波信号，按实验前分析的结果：在零磁空间实验室内监测时，仪器记录到的信息应该是一条直线，其数据应该是某一不变的数据，但实验结果却不是这样，显然，用传统的电磁波理论解释不了地震前兆仪监测的天然电磁波实验的结果。

另外，国内外根据传统电磁波定义研制的各种地震预报的装置和方法目前在短临预报方面的研究进展也非常缓慢。

上世纪60年代后期，本发明设计者在研究光的“波粒二象性”时，从研究组成电场与磁场的个体单元物质的性质过程中，发现了组成物质世界的“基本单元”并不是以往科学界认定的“各种点状的粒子”，而是一条状如“Ω”的曲线，进而提出了“瞬论”假说，对外交流也称Ω理论，这种理论与国外的“弦论”基本观点相似，但早于后者的提出时间约15年。按照Ω理论对于电磁波的定义是：脱离开辐射源(元)变化的电场空间和磁场看见，以光速沿直线一直向前行进的瞬的群体叫电磁波。天然电磁波场源按照其产生的空间部位，可分为天电部分和地电部分两大类。根据Ω理论的观点，电磁场与电磁波是两种截然不同的物理概念，人们在实际应用过程中因为对“电生磁，磁生电”的误解，常常将二者混为一谈。由于涡旋电场的闭合以及位移电场的等效假设条件的存在，以往人们利用麦克斯韦方程描述电磁场变化规律时，也就习惯将其引申到甚低频或超低频段的天然电磁波领域来研究其辐射与传播，以至进入误区。事实上，通过实验研究发现，来自地下的甚低频与超低频段的天然电磁波在穿行大气层、地壳时基本是按45°角在某些空间范围内以直线方式向前行进，而不是以电、磁相互转化的面波方式来传播，根据地震前兆来预报最近几天发生的地震应用效果，这在很大程度上印证了Ω理论关于描述电磁波定义的客观真实性。

显然，根据Ω理论对电磁波的定义，采用一种能够完全接收天然电磁波的传感器仪器并通过各仪器站点的多区域监测设置以及对监测数据信息的综合分析判定，对本领域科研人员能够在更深层面上准确了解地质构造的活动情况无疑有着极大的裨益。

发明内容

本发明的目的在于针对本领域存在的问题加以解决，提供一种有理论依据、设计方案易于实施、研究手段先进合理且预报效果明显的地震前兆监测仪，同时提供一种利用该监测仪测报地震的方法，从而得到对地震前兆信息的数据采集、存储、传输与处理的科学操作模式，达到容易识震、判震的目的。

为实现上述发明目的的技术解决方案是这样的：所提供的地震前兆监测仪由设在信号采集电路板上的传感器、前置放大器、低通滤波器、50Hz有源滤波器、选频放大、检波器以及设在程序控制电路板上的A/D转换、数据采集存储器组成，其中：传感器的信号输出端依次通经前置放大器、低通滤波器、50Hz有源滤波器后与选频放大、检波器的输入端联接，选频放大、检波器的输出端与程序控制电路板上的A/D转换、数据采集、存储器输入端联接。

本发明设计者根据多年对天然电磁波现象的实验观察和对Ω理论的潜心研究，发现甚低频或超低频段的天然电磁波在地下介质穿行的过程中，接收这部分天然电磁波的最佳型传感器是一种按一定方位角环围布设并与地面形成不同倾角的平板式电容传感器，这种平板式电容传感器可使仪器监测到地质体受到地应力作用后产生的电磁波异常具体来自哪个方位。使用带有这种传感器的监测仪，本发明设计者从地震形成的机理、地应力发生变化前震源区产生的天然脉冲电磁波异常传播途径和特征入手，通过对仪器应接收物理量、数据采集形式、输出方式、异常值与地震三要素(发生时间、地点、程度)的相关性运用数学方法对异常数据进行处理等课题内容的多方面分析研讨，进而提出了根据天然电磁波场源测报地震信息的方法，其构成方案是：通过3个以上的彼此相隔在80～2000km距离的配置有平板式电容传感器的地震前兆监测仪分别接收来自震源区经地下不同电性界面反射回地表的地震震前电磁波，将电磁波信号转化为电压值，然后对不同方向的电压值进行矢量合成，计算出这些电磁波异常(即某天的地震前兆信息)来自监测台站的哪个方位角，之后利用多台监测仪确定的方位角进行交汇，利用分析软件程序对其数值进行处理，从而确定出未来发生地震的地面位置，并依据异常变化的速率和活动的次数确定未来地震的发生时间和震级大小。

附图说明

图1为本发明所述地震前兆监测仪结构的示意图。

图2为图1中传感器的一种实施例结构的示意图。

图3图2中A-A视向结构示意图。

图4为图1中前置放大器和低通滤波器的电路联接图。

图5为图1中50Hz有源滤波器和选频放大检波器的电路联接图。

具体实施方式

参见附图，本发明所述地震前兆监测仪的原理结构如图1所示。仪器用±15V直流电压供电，仪器内部含有两块电路板，第一块为信号采集电路板I，第二块为程序控制电路板II。信号采集电路板I上设有传感器1、前置放大器2、低通滤波器3、50Hz有源滤波器4、选频放大、检波器5，程序控制电路板II上设有A/D转换、数据采集、存储器6，传感器1的信号输出端依次通经前置放大器2、低通滤波器3、50Hz有源滤波器4后与选频放大检波器5的输入端联接，选频放大、检波器5的输出端与A/D转换、数据采集、存储器6的输入端联接。

该监测仪中所用的传感器1的结构如图2和3所示，它由9个平板式电容传感器组成，其中一个传感器为与地面平行设置的中心传感器1a，其余8个传感器为周边传感器1b，它们依次按平面45°角均匀布设在中心传感器1a周围(图2)，并且根据距离实际情况与地面成3°～86°不同的倾角(图3)。仪器中的传感器1也可由33个平板式电容传感器组成，其中一个传感器为与地面平行设置的中心传感器1a，其余32个传感器为周边传感器1b，各周边传感器1b依次按平面11.25°角均匀布设在中心传感器1a周围，并且根据距离实际情况与地面成3°～86°不同的倾角。一旦确定下来，就不再改变，直到地震发生。这种平板式电容传感器与地面夹角可调的监测仪器用于对未来发震地点做近区监测，称为近区地震前兆监测仪，近区地震前兆监测仪一般距离监测的震源区20～150km，台站之间的距离可以在300km范围之内。

实际工作中，这种地震前兆监测仪还有另外一种形式，称为远区台站监测仪。远区台站使用的监测仪器传感器，各周边传感器1b中的8方位或32方位平板式电容传感器与地面成45°固定的倾角，永远不变，远区台站使用的仪器1b之间的距离一般在500～3000km。

该监测仪中前置放大器2和低通滤波器3的电路如图4所示，前置放大器2的放大倍数可调，一般在10倍左右，低通滤波器3只允许小于20Hz的电磁波通过。该监测仪中50Hz有源滤波器4和选频放大、检波器5的电路如图5所示，其中选频放大、检波器5中包括14.5Hz、6.5Hz和1.6Hz三个通道选频电路(图5中标号R、B、C三个电路结构一致的部分)。本发明中设在程序控制电路板上的A/D转换、数据采集、存储器6可采用型号为80C196的单片机。使用时通过上述监测仪器采集的数据自动传到微机后，在微机中有专门处理程序对数据进行处理，每天的数据可以得出16张图和7张数据表，工作人员对这些图件和数据分析后，就可以判断出最近几天那个方向将要发生地震，然后将发震方向输入到交汇程序可以确定出未来发震地点，将异常参数输入到震级计算程序后，可以计算出未来震级。

利用本发明所述方法和装置进行震情分析的程序是：

一、监测仪器每20秒采集一次数据，其采集过程是：首先对传感器1a进行采集，也就是对三个频点所对应的地下三个深度5km、7km、10km分别进行采样，每次采集100×256个数据，求出平均值和最大值，这时仪器内部只保留最后的平均值和差值(最大值—平均值)，三个深度保留6个数据；之后再对传感器1b采集(8方位或32方位)，一个方位一个传感器，每个传感器采集256个数据，求出平均值作为一个数据保留，八方位(32方位)保留8个数据(32个数据)，一天采集3×60×24次。这些数据自动保存在微机中，然后利用数据处理程序对每天的数据进行处理，其中对八个方位(或32个)方位的数据利用下面的公式进行矢量合成，计算出异常来自哪个方向

α＝tg^-1[a×cos45÷(a×sin45+b)]

式中：α为计算的象限角，a为E、W、S、N方向传感器的电压值，b为NE、NW、SW、SE方向传感器的电压值，之后将象限角再转化为方位角。查找上一天或近几天来世界上发生Ms5.0以上、国内发生Ms4.0以上的地震位于探测台站方位角，再研究监测到的异常数据进行分析，可以得出该方向出现多大异常将要发生几级地震。工作人员将上述意见填写在某台站异常参数与震例对应表中。这样进行研究可以得出观测台站最近几天哪个方向将要发生几级地震的信息。

二、利用交汇程序输入各监测台站分析的未来发震方位角，可以交汇出未来发震地点，综合研究后，进而判断出未来发生地震的可疑地面位置。

三、将出现的异常参数与该方向不久前发生的震例输入到震级计算程序中，通过震级计算，可以得出未来发生地震的震级的大小，程序中利用下面的公式对震级进行计算

$E_{\mathrm{Ms}}=(\frac{V_m\·T}{V_0}\×D_0)\÷{0.8}^n\×L^3$ (未来发震地点≤1500km)

或 $E_{\mathrm{Ms}}=(\frac{V_m\·T}{V_0}\×D_0)\÷{0.8}^n\×{[1500+(L-1500)\÷3]}^3$ (未来发震地点＞1500km)

式中字母V_m为异常日异常电压最大值；V₀为某地震发生前仪器监测的电压值；D₀为某地震发生时释放的能量，T为异常日区域应力场系数；L为未来发震地点距监测台站的距离；n为震源区产生的电磁波在地壳中经过n次反射到达监测台站的次数。

四、将确定的发震方向、地点、时间及震级等震情研究结果向有关部门通报。

从2003年9月至今，全国MDCB法电磁波联网预报地震协作组工作人员每周均利用廊坊、西安、黄岛等地设置的本发明监测仪，通过最近7天的观测资料预报下一周国内外即将发生的地震，据对2003年9月～2005年9月两年期间103次地震预报的统计结果看：预报将震地区662个，实际发震地区444个，预报地区成功率为67.1％，预报方向2603个，实际发震方向1919个，成功率为73.7％。特别是两次苏门达腊大地震、巴基斯坦地震、江西九江地震等我们的工作人员都提前1～6天做出了预测，取得了很好的使用效果。

Claims (6)

1、一种根据天然电磁波场源测报地震信息的地震前兆监测仪，其特征在于它由设在信号采集电路板(I)上的传感器(1)、前置放大器(2)、低通滤波器(3)、50Hz有源滤波器(4)、选频放大、检波器(5)以及设在程序控制电路板(II)上的A/D转换、数据采集、存储器(6)组成，传感器(1)的信号输出端依次通经前置放大器(2)、低通滤波器(3)、50Hz有源滤波器(4)后与选频放大、检波器(5)的输入端联接，选频放大、检波器(5)的输出端与程序控制电路板(II)上的A/D转换、数据采集、存储器(6)输入端联接。

2、如权利要求1所述的地震前兆监测仪，其特征在于所说的传感器(1)是由9个平板式电容传感器组成，其中一个传感器为与地面平行设置的中心传感器(1a)，其余8个传感器为周边传感器(1b)，它们均匀布设在中心传感器(1a)周围，并且与地面成3°～86°夹角。

3、如权利要求1所述的地震前兆监测仪，其特征在于所说的传感器(1)是由33个平板式电容传感器组成，其中一个传感器为与地面平行设置的中心传感器(1a)，其余32个传感器为周边传感器(1b)，它们均匀布设在中心传感器(1a)周围，并且与地面成3°～86°夹角。

4、如权利要求1所述的地震前兆监测仪，其特征在于所说的传感器(1)由8个分别按45°间隔均匀成圆周式排列的并与地面成45°倾角的相同的平板式电容传感器组成。

5、如权利要求1所述的地震前兆监测仪，其特征在于所说的传感器(1)由32个分别按11.25°间隔均匀成圆周式排列的并与地面成45°倾角的相同的平板式电容传感器组成。

6、利用权利要求1所述的地震前兆监测仪预报地震信息的方法，其特征在于通过3个以上的彼此相隔在80～2000km距离的地震前兆监测仪分别接收来自震源区经地下不同电性界面反射回地表的地震震前电磁波，监测仪将电磁波信号转化为电压值，然后对不同方向的电压值进行矢量合成，计算出这些电磁波异常来自监测台站哪个方位角，之后利用多台监测仪确定的方位角进行交汇，从而得出未来发生地震的地面位置，依据异常变化的速率和活动的次数确定未来地震的发生时间和震级大小。

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