CN101915942B - 大地极化自然电场预测地震方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大地极化自然电场预测地震方法，其特征在于，是采用直流电位差计、铜电极、导线或光缆在不同方位和不同长度的MN测量电极点上观测不同深度的大地极化自然电场变化，研究其从地震发育到发生的九个时期的变化规律，并可寻找震源地点及震源深度，利用地壳构造板块挤压过程中产生大地极化自然电场电位差持续升高的特征，包括局部楼梯状升级变化或板块结构错位造成的极性变换的自然电场规律来解释地震的发育发生全过程，可提前一至七天预报地震及火山爆发、海啸爆发等天然地震的新理论新方法。具有操作容易，解释直观，准确率高，可靠性高等特点。

Description

大地极化自然电场预测地震方法及其应用

技术领域：

本发明属于地震科学领域，尤其是一种大地极化自然电场预测地震方法。

背景技术：

现有的测震方法虽多，如地球磁场法、电场、重力场、地应力、地倾斜、地下水位和化学成份变化及各种动植物异常反应等方法。但均存在技术缺陷且处于没有成熟的探索阶段，由于上述方法受到各种自然因素或人工干扰因素或未知因素的影响，以及其本身存在灵敏度不够高，可靠性低、多解性大、抗干扰能力弱等特点。所以无法胜任准确率很高及社会责任重大的测震任务，致使预报地震成为世界难题，导致上级政府不能像台风警报一样及时发布地震预报信息，造成不必要的人民生命财产和国家财产的重大损失。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种具有操作容易、准确率高、解释直观、可靠性高的大地极化自然电场预测地震方法。

本发明的技术解决方案如下：

1、一种大地极化自然电场预测地震方法，其特征是采用直流电位差计、铜电极、导线或光缆在不同方位和不同长度的MN点上观测不同深度的大地极化自然电场，并研究其从地震发育到发生的九个时期的变化规律，用之解释和预测地震活动和引发火山活动、海啸活动的探测方法，具体步骤是：

1)、MN测量电极，采用直径Φ35～Φ50mm，长1.2米至1.5米的紫钢棒，一端车成尖状，另一端用铜螺栓或氧焊接牢固测量电线，电极打入原土1米深左右；

2)、MN测量电极根据极距与探深要求布点，其系数为MN＝1×3.14，探深h≈MN×k的关系，k≈π≈3.14；

3)、每一组MN测量电极测量点设置在中点连接一台物探直流电位差计，如MN＝1km为一组，MN＝5km米为一组，MN＝20km为一组，直至根据需要或地形条件、自然条件设置完所须探测深度的观测点，每组数据都同时同步分别标在透明的和不透明的厘米纸上，形成深度对比曲线图，按深度从上而下将不同深度的曲线顺序排列，通过已知震级的电位差高低资料推断未知的大小震级和震源深度，就可提前做出地震发育发生的九个时期的预警预报；

4)、当某一组MN测量电极的电位差基数上升时，用平行和垂直十字布线法，在同一深度分析曲线图解释电位差同时同步升高的异常反映。

2、如技术方案1的大地极化自然电场预测地震方法，应用于海啸活动的水上探测方法。

3、如技术方案1的大地极化自然电场预测地震方法，应用于引发火山活动的陆上探测方法。

本发明具有操作简单，准确度高，解释直观，可提前预报发生三级以上天然地震或火山地震，海啸地震的测震方法。

附图说明：

图1为本发明的MN测量电极布点示意图。

图2为本发明的某组MN测量电极地震发育曲线图。

图3为本发明的某组MN测量电极180°方位同一深度的电位差异常曲线图。

图4为本发明的某组MN测量电极90°方位同一深度的电位差异常曲线图。

具体实施方式：

本发明的最佳实施例是这样的，参照图1至图4所示，一种大地极化自然电场预测地震方法，其特征是采用直流电位差计、铜电极、导线或光缆在不同方位和不同长度的MN测量电极点上观测不同深度的大地极化自然电场，并研究其从地震发育到发生的九个时期的变化规律，用之解释和预测地震活动和引发火山活动、海啸活动的探测方法，具体步骤是：

1)、MN测量电极，采用直径Φ35～Φ50mm，长1.2米至1.5米的紫钢棒，一端车成尖状，另一端用铜螺栓或氧焊接牢固测量电线，电极打入原土1米深左右，如在水上探测，也要放置水面下1米深左右；

2)、MN测量电极根据极距与探深要求布点，其系数为MN＝1×3.14，探深h≈MN×k的关系，k≈π≈3.14；

3)、每一组MN测量电极测量点设置在中点连接一台物探直流电位差计，如MN＝1km为一组，MN＝5km米为一组，MN＝20km为一组，直至根据需要或地形条件、自然条件设置完所须探测深度的观测点，每组数据都同时同步分别标在透明的和不透明的厘米纸上，形成深度对比曲线图，按深度从上而下将不同深度的曲线顺序排列，通过已知震级的电位差高低资料推断未知的大小震级和震源深度，就可提前做出地震发育发生的九个时期的预警预报；

4)、当某一组MN测量电极的电位差基数上升时，用平行和垂直十字布线法，在同一深度分析曲线图解释电位差同时同步升高的异常反映。

以下是具体实施例中参照附图进一步的论述：

如图1所示，MN测量电极的加工，采用直径Φ35～Φ50mm，长1.2米至1.5米的紫钢棒，一头车成尖状以便锤入原土，一头穿孔用铜锣栓加氧焊接牢测量电线。为了防止日后产生铜绿影响接地电阻，可采取镀金镀银或不锈钢包皮的措施。电极必须要打入原土一米以上，而且要求必须铲除原土上层的表土杂质和碎石等，保持原土干净、无电极松动现象，否则会产生电位差虚高或不稳定现象，造成观测资料不准确不可靠。

MN测量电极的极距与探深关系：通过多年来的经验总结，发现MN测量电极的极距越小探测深度越小，MN极距越大探测越大的规律。经总结得出系数基本上为MN＝1×3.14。即探深h≈MN×k的关系，k≈π≈3.14。

震源的探测设计原则和探测设计：由于地震震源是一个未知深度和未知方位的探测体，我们只知道震源越深，地震烈度越小，破坏性也相对越小；地震震源越浅，地震烈度越大，破坏性也相对越大的关系。以及震源在人口稀少地区工业欠发达地区破坏性较小，但震源在人口密集工业发达地区破坏性相对较大的关系。因此，我们从实用角度来说，应侧重探测浅部几公里至中部几十公里深度的震源；探测几百公里上千公里以上的震源主要是以科研性或辅助性为主，因为探深越大，MN测量电极的极距也越大，受干扰因素也越多抗干扰技术要求相对越高，难度和工作量也相对加大。因此实用型布网多以中浅震源为主，少量为深层震源为辅，当某网点发现某深度有地震异常时，那时才加密网点或加大探深，这样较合理较经济。

探深与MN测量电极的极距设计举例：MN测量极距的设计方案可以有多种多样。但设计探深必须以几公里浅深至几十公里中深为原则。根据MN×3.14探深换算，当MN＝1000米时(即1/2MN＝500米)，探深可达3140米左右，即3公里深度左右；当MN＝10000米时(即1/2MN＝5000米)，探深可达31400米左右，即30公里深度左右，按比例类推，我们就可根据需要设计出不同的探深和MN极距。由于MN测量极距越大，通过的线路越长，受到各种干扰因素如气象、人工电场等因素就越多，所以得到的资料可靠性可能会降低，故在自然条件相对好的情况下可适当布置一些探深几百公里至上千公里或数千里以上的用于研究地幔或地核的MN极距，通常MN测量电极距从1公里到30公里长度时即可探深3公里到100公里以内岩石圈的变化，已经达到我们防震救灾的目的层。

另外，在设计MN测量极的极距时，浅部、中部的测量点应设计密一些，深部和超深部测量点设置应疏一些，既便于工作也减少工作量。如地层下部有断裂带、破碎带，最好是平行布置加垂直布置方式以便于分析对比不同深度的变化情况。

MN测量电极的测量点观测方法和地震发育图的解释

每一组MN测量电极的测量点配备一台mv直流电位差计，每个台站最好再备用仪器数部以备应急使用。一般用物探UJ-18型的直流电位差计即可(在没有更新型仪器出现之前可用)，应实行长期观测，不宜中断。如MN₁＝1km为一组，MN₃＝5km米为一组，MN₅＝20km为一组，直至根据需要或地形条件、自然条件设置完所须探测深度的观测点即可。每组都同时同步分别标在透明的和不透明的厘米纸上，形成深度对比曲线图，按深度从上而下将不同深度的曲线顺序排列。

这样，从曲线上可以直观地看到各种不同深度的地震发育过程，当发现某一深层在危险基数异常升高特别快时，在排除气候或干扰后这意味着该层地震发生风险迅速加大，此时应将记录时间加密为每分钟或十分钟一次，应连续不间断观测平行方向和垂直方向的变化。

如图2所示，本发明采用一种新型的大地极化自然电场的探测技术和理论，认为地震活动从发育到发生到再发育有九个时期过程，即：平静期→发育期→警告期→危险期→前震期→主震期→余震期→再平静期→再发育期的九个循环过程期。

地震成因是地壳岩层受挤压超过极限时发生的一种自然现象，地壳岩石受到挤压后密度、热量、磁场、电场、电压等也同时产生新的物理化学变化，其中灵敏度最高的极化自然电场会随之发生变化，实质上，电场变化过程与地震发育的九个过程是同步的一致的。只是表现形式不同而已，一个是表现在地壳岩石受到挤压破坏的物理变形上，一个是表现在地壳岩石受到挤压破坏导致自然电场变化上。即在岩石受到挤压破坏过程中极化自然电场会随之发生强弱变化甚至极性变化，当岩石不断被挤压，会从平静期进入发育期进入警告期再进入危险期到达前震期，自然电位差也会从发育期的低基数升高到警告期危险期和前震期的高异常值基数，前震期小震还会发生正负极性突变现象或锯齿状现象，当异常到达主震期的更高值后，在主震突发时电位差会从最高值降到的最低值甚至负极最低点(如遇到构造板块错位时即一构造板块插到另一构造板块之上或之下时还会造成永久极性相反)。前震期曲线锯齿状突变实质上是地壳岩石受到小极限挤压时的被破坏现象和反弹现象，如果这种曲线反复起伏升降过程持续并呈上升趋势，也往往是反映在小震的同时还有主震或更大地震在后的前兆，主震期是自然电位差基数最高异常值时锯齿状突变或正负极性突变现象。包括造成永久性极性相反现象，其后的余震期是大震后的反弹现象，其极化电位差也与前震期一样有个反复阶段。只有当极化电位差基数相当长时间平稳才算进入再平静期，由于地壳运动和时间推移，或许若干年后会再次进入发育期，即重新进入下一回地震期，由于地震的九个过程产生的自然电位差的起伏变化过程是同步的，我们正是利用这种关联现象和机理来观测了解地震的发育发生全过程，并从中提前预测到地震的发生，解决抗震救灾预警和避免重大工程项目选在危险期地段上造成重大损失。

大地极化自然电场探测地震的机理和应用：本方法主要是针对天然地震和火山爆发地震、海底地震等非人工地震探测，由于上述地震的成因复杂，尤其是浅源性地震对人类危害最大，因而是我们的主要研究和预防对象。本质上这类地震都是由于地壳构造运动或地幔运动而发生的一种地球物理现象，它从发育到发生有其自然规律和上述九个变化周期。也可以说是地壳运动或地幔运动过程中从量变到质变的过程或能量从积聚到释放到再重新取得缓解平衡的周期性过程。其发生过程和发展规律就客观地改变了大地极化自然电场的变化，因而观测大地极化自然电场变化规律和异常为我们提供了预测预报地震的有利条件。

地球本身就是一个磁场体和电场体，地壳中到处存在着天然电场和天然磁场，泥土、岩石、地幔、矿体、水体都是电场的介质，我们从这些介质中都能直接探测到电场的变化和存在。

压力和地壳运动时产生地热包括地心地幔发热是主要原因，而发热的良导体(包括水)比发热的非良导体会产生更高的正向电位差。因地壳深处是什么介质目前人类还不很清楚，即使清楚也不能确切某一位置下面就是什么介质。但有一点是人类清楚的，就是介质含水。水在地层深处无处不在，包括岩熔都含有一定比例的水份。所以我们为了证实地热变化与大地自然电场变化是关联的，即通过观测大地自然电场的变化可知道深层地温的变化，而直接观测深层地温变化是不现实的，所以我们特地用地下水(裂隙水)和蒸馏水分别加热做电场变化实验。

将地下水和蒸馏水加热到一定的温度，然后让其自然降温来观测电场变化情况：每10℃纪录一次，下面是二组水样的试验结果：

第一组：裂隙水        第二组：蒸馏水

60℃-84mv             70℃-9mv

50℃-62mv             60℃-5mv

40℃-43mv             50℃--20mv

30℃-33mv             40℃--14mv

25℃-35mv             30℃--22mv

由此看出，在相同的热交换或热辐射条件下，良导体的水会产生较强的正向自然电场。并且良导体的水比非良导体的水产生的电场强得多即电位差高得多，而非良导体的水，只在高温状态时产生强度较弱的正向电场，较低温度时都是产生负向电位差。

由于地壳的运动，不管是板块漂移或地幔熔岩活动都主要受到地球自转和公转的影响，其变化有相当快的也有相当缓慢的也有反复变化的，所以它运动中产生挤压就会产生热量，产生热量就会产生正向自然电场即电位差。这是一种因果关系。虽然自然电场成因比较复杂有不同频率的高低变化和反复变化，但我们预测地震选择容易观察和较稳定的直流或甚直流电场就能达到目的。选择频率从零点几赫到几赫的直流电场，它基数相对稳定所以可靠性高。探测这种直流电场不宜使用不极化电极，如使用不极化电极的话就会过滤掉很多有用的电场信息，可能变成得不偿失或失真。相反，通过观测大地极化自然电场中的直流电场可更接近实际地间接观测地震发育过程和发生前后的电磁物理变化过程，可间接预测和观察地震发生的全过程变化规律，就像医生观察心电图脑电图就能感知心脏或大脑有无异常一样。

如果用地震发育发生前后的九个变化期曲线对应同期同步的极化自然电场变化曲线，就会发现它与极化自然电场的电位差升降变化或极性变化是相互吻合的因果关系，例如：当平静期时极化自然电位差基数也是平稳的，当发育期时极化自然电位差基数是缓慢升高的，当警告期和危险期时，电位差基数已升高较快幅度也相对较大，甚至开始出现小幅度的锯齿状变化。当前震期的时候已发生小震，极化自然电位差会呈较大锯齿状的上升型曲线，当电位差达到主震期的最高点时就是主震要发生的临界点；当电位差曲线在主震期最高点急剧下跌到最低时或对称的负极时就是地震发生时的电位变化，即电位差从最高点到最低点的锯齿状过程就是一次地震活动的时间过程。如电位差再次上升到更高点又跌落到更低点时，说明这次震级比上次预计的主震还大，如电位差只是再次上升只到次高点又跌落到次低点时，说明这次震级比上次主震小些。具有电位差越高地震烈度越大的同步性。我们正是通过已知的电位差高低差资料推断未知的震级的大小就可提前作出预警预报。所以我们要多到地震多发区采集自然电场资料和震级资料做参考，对震级预报预警就更为有利。如发现电位差在某一深层发生正负极长久换位时说明一个大板块插到另一大板块下面导致电场极性换位的结果。如电位差在主震期和余震期正负极始终不变只是反复急剧升降或只是暂时极性相反时，说明岩层只是受到挤碎性破坏成为一般破碎带(断层带)。当极化自然电场电位差曲线又开始平缓恢复到平静期的基数水平说明已经进入再平静期阶段，届时地震活动趋于平息，这是岩层压力释放后进入新稳定期的表现。如电位差基数曲线又再次长时期缓慢升高时，这是地震又进入下一轮再发育期。这种极化自然电场电位差变化过程与地震发育发生和再发育发生的过程是同步的是因果的，基本上同步到不差分秒。实质上是地震活动中地壳或板块受到挤压后才影响了大地极化自然电位差的变化，虽然一个地震周期可能是几十年或几百年或几千年，但不管周期长短，我们都可利用这种同步异常关系来判断我们现在处于那类活动期达到我们观测地震和预报地震的目的。

如图3、图4所示，当某一组MN测量电极的电位差基数上升时，用平行180°和垂直90°十字布线法，在同一深度分析曲线图解释电位差同时同步升高的异常反映。大地极化自然电场预测预报地震必须要长期观测记录不同深度的地壳运动和地幔运动变化过程中产生的自然电场变化活动。如利用地壳或地幔运动过程中与自然电场的同步变化规律，当观测到某一层深度有基值升高异常时，就要重点跟踪观测，重点是深度在5～50公里深度的地震发育层(尤其是5～30公里发育层)，并要对比其它深度的地层有无异常现象，所以，研究大地极化自然电场的变化规律更直观更同步更准确，在辨别干扰因素或减少多解性或减少异常假像方面相对更为有利，可以为地震预报提供更理想更直接更准确的可靠平台。

这样，从曲线上可以直观地看到各种不同深度的地震发育过程，当发现某一深层在危险基数异常升高特别快时，在排除气候或干扰后这意味着该层地震发生风险迅速加大，此时应将记录时间加密为每分钟或十分钟一次，应连续不间断观测平行方向和垂直方向的变化。

十字布线加上MN测量电极的观测多点设置的好处是能够同时观测不同深度不同方向的地震发育差异，同时可排除局部MN极距受到干扰后异常升高的假异常，对于因自然或人工干扰造成电位差迅速升高的现象都属假异常，真正的地震异常，在平行和垂直十字布线的同一深度必须有电位差同时同步升高的异常反映。见图2中，极化自然电位差必须有某一层深度的警告期基数缓慢升高到危险期的情况下再快猛升高到前震期的过程。一切从平静期基数跨过发育期警告期突然升高的到危险期或前震期的异常都不是自然地震异常。只能解释为乌云雷雨的天气之类的干扰异常或人工造成的地震异常或山崩地陷造成的或大陨石撞击造成的地震异常。另外，当深部某一层产生地震异常时，相对比它浅层的电位差也会跟随小幅升高。这是受到电场辐射影响的缘故，而比它深度大的电位差一般则不受异常影响，电位差基数基本不变。这对我们区别掌握自然地震资料的可靠性判断震源深度是非常有利的。

调整观测震源的方法：探测震源的位置意义非常重大，如某个MN测量电极捕捉到震源的极化自然电场较快升高的信息后，震源以上的地层MN测量电极观测点可能会产生不同程度的电位差升高现象。但震源以下的地层MN测量电极电位差则不会升高或升高不大。我们正好利用这种现象分界震源的深浅，这对防震工作具有积极的意义，太深震源的地震对地表影响相对极小，较浅的震源对地表影响相对较大。既可用来提前防范有害地震又能区分真假异常，当发现真异常以后，可十字布线或用加密极距或剖面探测法来寻找更准确的震源位置。

MN测量电极的防干扰处理：MN测量电极的防干扰处理非常重要，直接关系到测量数据的准确性和精确度和真伪度，关系到地震预报的可靠性甚至成败问题。

自然界的雨、乌云、雷电等恶劣天气是最大的干扰源(雪天因南方没有经历尚不明确)比人工的高压线、低压线、接地线、地下电缆、无线电、通信线路等还厉害得多。由于MN测量电极的两极的漫长电线会被感应，产生感应电动势和感应电流，当严重时会产生烧毁仪器影响地震数据的连续观测效果，造成真假异常难辨，最担心的最难处理的是这类天气现象，因天气有时与地震有同步的可能性，所以，除及时与气象部门加强联系外，平时积累各个地震时期的基数资料是非常关键和重要的。由于基数值是数年数月以上的积累升高过程，与一时一日的基数升高是有明显区别的。当有这类天气现象时，往往可排除与地震同步的可能性，只有在基数到达危险期4或前震期5之后遇上这种天气异常加上十字测深时同一深层电位差同步异常时才考虑地震的可能性。

MN测量电极的防干扰措施主要是：①MN测量电极位置不能设置在高压线、低压线、变压器、电视台、无线电台、雷达、供电站等有干扰环境附近；②电极位置附近不要使用电器或微波炉等有辐射电场的电器；③不宜使用有放射性物质的器材或材料；④电极不能打在腐殖土、松土、煤渣、煤炭、沙土、石头等地方；⑤一定要清除好上层的浮土，把电极打在原土里，深度在1米至1.5米之间，但MN测量电极深度要统一；电极最好设置在竖井或保护罩中，以获得保护和方便维护管理。

MN测量电极导线的防干扰处理要求：①MN测量电极接地电阻越小越好，得到的观测数据会相对准确可靠，但导线长度较长，中间难免遇到天气变化干扰和其它人工干扰，所以导线要求是全铜的或银的带屏蔽功能导线，并且套上二层塑料管，深埋地下1.5米以上，尽量避免受到自然气候雷电和人工电场等干扰；②导线也可采用光缆和光电转换等通信技术，这样可以较少地受到沿途的天气干扰和人工电磁波干扰；③为了增加观测点资料的可靠性，采取铜导线和光缆两联观测对比，加上天气预告和现场气象观察报告，使资料数据的可靠性成倍提高；④观测站设在MN测量电极的中点，可方便不同方向和多组MN测量电极点测量，有利寻找震源位置，也方便查线查干扰等管理工作。

Claims (3)

1.一种大地极化自然电场预测地震方法，其特征在于，是采用直流电位差计、铜电极、导线或光缆在不同方位和不同长度的MN极上观测不同深度的大地极化直流自然电场，并研究其从地震发育到发生的九个时期的变化规律，用之解释和预测地震活动和引发火山活动、海啸活动的探测方法，具体步骤是：

1)、MN测量电极，采用直径Φ35～Φ50mm，长1.2米至1.5米的紫钢棒，一端车成尖状，另一端用铜螺栓或氧焊接牢固测量电线，电极打入原土1米深左右；

2)、MN测量电极根据极距与探深要求布点，按探深h≈MN×K设计，K系数为：K≈3.14或K≈π；

3)、每一组MN测量电极测量点设置，在中点连接一台物探直流电位差计，如MN＝1km为一组，MN＝5km米为一组，MN＝20km为一组，直至根据需要或地形条件、自然条件设置完所须探测深度的观测点，每组数据都同时同步分别标在透明的和不透明的厘米纸上，形成深度对比曲线图，按深度从上而下将不同深度的曲线顺序排列，通过已知震级的电位差异常资料推断未知的大小震级和震源深度，就可提前做出地震发育发生的九个时期的预警预报；

4)、当某一组MN测量电极的电位差基数上升到异常值时，用平行和垂直十字布线法，在同一深度分析曲线图解释电位差升高异常与地震同时同步的发育异常，进而预测地震活动规律。

2.如权利要求1的大地极化自然电场预测地震方法，其特征在于，所述的大地极化自然电场预测地震方法也可应用于海啸活动的水上探测和预警。

3.如权利要求1的大地极化自然电场预测地震方法，其特征在于，所述的大地极化自然电场预测地震方法可应用于引发火山活动的陆上探测和预警。

Images