CN103439736A - 水平摆地震预测预报仪 - Google Patents

Abstract

一种水平摆地震预测预报仪，包括数据记录系统、箱体、设置在箱体内的多套水平摆监测装置。水平摆监测装置包括上端与箱体顶部固定的摆线、悬挂在摆线下方的摆锤、设置在摆锤下端的激光源、设置在摆锤下方的感光盘、设置在感光盘下方且正对感光盘的摄像装置。感光盘为透光材料制成，激光源的光束朝向正下方且正对准感光盘中心，摄像装置与数据记录系统连接，不同水平监测装置的摆线长度互不相等，不同水平监测装置的摆锤的重量相等。本发明利用不同长度周期的摆线来敏感地震前、震源异常活动所产生的“形变波”，从而可以预测预报1800公里范围内的七级以上的大地震异常。随着地震活动异常能量等级的减小，观测范围同时缩小。

Description

水平摆地震预测预报仪

技术领域

本发明涉及一种地震预测预报装置。

背景技术

现在世界上绝大多数地震仪都是在地震发生后，通过记录地震波从而得到地震的方位、时间和震级。

地震仪分为两种类型，地震仪由三部分组成：拾震器（传感器）、放大器、记录仪。拾震器有两种：垂直摆拾震器、水平摆拾震器。垂直摆拾震器是传感发生地震的纵波，称为P波，水平摆拾震器是传感发生地震的横波，称为S波。还有次生波，也叫面波，称为L波。在今天科技发达的时代有很多种地震仪传感器。

现今使用计算机记录、计算机处理达到自动化程度。已实现网络定位速报地震发生的水平，在很短的时间内，可以完成数据处理。

但是，所有地震仪都无法事先预报地震的发生。为此，急需一种地震预测预报装置来提前预报地震的方位、时间和震级。

发明内容

本发明目的是提供一种水平摆地震预测预报仪，其可以提前预报地震的方位、时间和震级。

本发明的技术解决方案是：

一种水平摆地震预测预报仪，其特殊之处在于：包括数据记录系统、箱体、设置在箱体内的多套水平摆监测装置；所述水平摆监测装置包括上端与箱体顶部固定的摆线、悬挂在摆线下方的摆锤、设置在摆锤下端的激光源、设置在摆锤下方的感光盘、设置在感光盘下方且正对感光盘的摄像装置；所述感光盘为透光材料制成；所述激光源的光束朝向正下方且正对准感光盘中心；所述摄像装置与数据记录系统连接；所述不同水平监测装置的摆线长度互不相等，所述不同水平监测装置的摆锤的重量相等。

上述感光盘上设置有同心圆刻线和/或圆周均分的放射性刻线。

上述不同水平监测装置的摆线长度按等差数列方式分布；所述不同水平监测装置的摆线长度的分布范围为250-3142mm。

上述摆线为多根蚕丝编制而成；所述摆锤为圆柱形，长径比为1∶0.618，采用黄铜材料制成，重量不超过438克。

上述水平摆监测装置的数量为580个。

一种水平摆地震预测预报仪，其特殊之处在于：包括数据记录系统、多个箱体、分别设置在每个箱体内的水平摆监测装置，所述监测装置包括上端与箱体顶部固定的摆线、悬挂在摆线下方的摆锤、设置在摆锤下端的激光源、设置在摆锤下方的感光盘、设置在感光盘下方且正对感光盘的摄像装置；所述感光盘为透光材料制成；所述激光源的光束朝向正下方且正对准感光盘中心；所述摄像装置与数据记录系统连接；所述不同水平监测装置的摆线长度互不相等，所述不同水平监测装置的摆锤的重量相等。

上述感光盘上设置有同心圆刻线和/或圆周均分的放射性刻线。

上述不同水平监测装置的摆线长度按等差数列方式分布；所述不同水平监测装置的摆线长度的分布范围为250-3142mm。

上述摆线为多根蚕丝编制而成；所述摆锤为圆柱形，长径比为1∶0.618，采用黄铜材料制成，重量不超过438克。

上述箱体的数量为580个。

本发明具有如下优点：

1、本发明可预测预报地震的方位、时间和震级。本发明利用不同长度周期的摆线来敏感地震前、震源异常活动所产生的“形变波”，从而可以预测预报1800公里范围内的七级以上的大地震异常。随着地震活动异常能量等级的减小，观测范围同时缩小。

2、本发明结构简单，成本低。本发明只需要多个摆线长度不等的水平摆监测装置，就可以组成一套水平摆地震预测预报仪。只需要三套水平摆地震预测预报仪，就可以组成一个跨度千公里左右的地震预测预报网络系统。

附图说明

图1是本发明水平摆地震预测预报仪的结构示意图；

图2是本发明水平摆监测装置的结构示意图；

图3是本发明水平摆监测装置的原理示意图；

图4是本发明摆线的长度分布示意图；

图5至图7是地震预报原理的三种定位方法示意图；

其中：1-数据记录系统、2-箱体、3-水平摆监测装置、4-摆线、5-摆锤、6-激光源、7-感光盘、8-摄像装置；9-同心圆刻线、10-放射性刻线、11-观察窗。

具体实施方式

本发明第一种水平摆地震预测预报仪，包括数据记录系统1、箱体2、设置在箱体内的多套水平摆监测装置3；水平摆监测装置包括上端与箱体顶部固定的摆线4、悬挂在摆线下方的摆锤5、设置在摆锤下端的激光源6、设置在摆锤下方的感光盘7、设置在感光盘下方且正对感光盘的摄像装置8；感光盘为透光材料制成；激光源的光束朝向正下方且正对准感光盘中心；摄像装置与数据记录系统连接；不同水平监测装置的摆线长度互不相等，不同水平监测装置的摆锤的重量相等。

本发明第二种水平摆地震预测预报仪，包括数据记录系统、多个箱体、分别设置在每个箱体内的水平摆监测装置，监测装置包括上端与箱体顶部固定的摆线、悬挂在摆线下方的摆锤、设置在摆锤下端的激光源、设置在摆锤下方的感光盘、设置在感光盘下方且正对感光盘的摄像装置；感光盘为透光材料制成；激光源的光束朝向正下方且正对准感光盘中心；摄像装置与数据记录系统连接；不同水平监测装置的摆线长度互不相等，不同水平监测装置的摆锤的重量相等。

为了方便观测和记录，感光盘上可设置同心圆刻线9和/或圆周均分的放射性刻线10。

不同水平监测装置的摆线长度最好按等差数列方式分布；不同水平监测装置的摆线长度的分布范围为250-3142mm。

摆线为多根蚕丝编制而成；所述摆锤为圆柱形，长径比为1∶0.618，采用黄铜材料制成，重量不超过438克。

水平摆监测装置的数量以580个为最佳。

水平摆的摆线选用蚕丝制成，有较好的柔软性、耐久性、弹性小。最好是多股编制而成的丝线。没有合成的扭力，以免随温度变化，气候变化产生旋转干扰。

水平摆锤的材料，要使用没有带磁性干扰的材料，黄铜加工成圆柱形，长径比采用黄金分割1∶0.618，1.618∶1。重锤总重量极限不得超过438克，水平摆的摆锤是作为唯一的质点是主要的传感器元件。

在水平摆的摆锤下端终点中心安装激光源，以供电的形式获得光束。

感光盘，选用带有兰色深度有机玻璃，可透光作为受光面，接受水平摆的光束。感光数据盘表面以0为中心点刻有360°的刻线。

在感光盘下方安装一架数码高清晰度的监控系统摄像镜头，信息传递给计算机图像，采集能量及方位角参数。

在仪器安装同时按设计要求，同本地区地理东西南北相重合，在计算机显示屏上显示地理位置，上北下南，左西右东，反应出地理的经度、纬度；在显示屏上与我国地理重合是安装仪器的地理原点。

数据处理，对传来的信息，通过分析、解码，获得地震异常的数据。

水平摆地震预测预报仪安装要求：垂直水平。

整体仪器部件装配保持三点一线与感光数据盘面垂直。

仪器尺寸以水平摆的摆线长度而定，250mm-3142mm（按周期长度）各一台成为一套自然周期完整的系统性仪器设备。

本发明原理：

水平摆地震预测预报仪从设计角度和目的，主要是用来观测震前的震源活动能量的仪器，它有两种功能，既是一套地震预测预报的仪器，又是一套波长周期较大的地震仪，主要用来观测将要发生的还未发生的地震活动异常能量。

地震前地质岩层会出现水平方向和垂直方向的活动，不但有微慢的活动，而且地震前地质岩层的活动有一定能量势能，这种活动是来自地质岩层深处，有一种压力在促使地质岩层的活动。地震前呈现出大面积形变活动状态，从观测的数据实践证明，大地震大形变，小地震小形变，在形变过程中会产生相当能量的低频“形变波”。

地震前地质岩层产生的低频“形变波”，它的频率很低，初步认为每分钟在十几次到几十次的波动范围内。这种低频“形变波”出现的时间很短，大约有几十分钟时间，有时出现的时间更短。

在大地震发生前的震中区，有水平方向和垂直方向的晃动现象出现，在较远地区就是一种低频“形变波”向外传播。

低频“形变波”作用在水平摆上受迫振动都有一个从低到高的这种现象过程，也就说地震波或是低频“形变波”到达时都是从相应的摆长开始受迫振动，逐步上升到短摆摆长的反应。

首先我们把任何一个水平摆的摆长的长度看作是一个圆面上的任义一点，以摆长作为圆面的半径长度。当这个圆面以O点为中心，在外力作用下开始转动，这时最大半径一点的转动时速最大，力距最大。而最小半径的一点时速最小力距也最小。因此最小的半径一点，在任何时间内从正反两个方向的转动，都小于长摆半径一点的时速。圆面在转动时或停止时最小半径一点始终都是后转动，先停止。最大摆长的半径一点先转动后停止。因而外力作用在水平摆上有一个具体能量振动传播的时差。波是一种物理量用力的形式表现出来，所以力的反应与几何形状距离的条件所决定。

低频“形变波”对水平摆的作用从长摆到短摆的反应，是一个时间与能量距离周期的受迫振动的关系，再说明一点就是长摆到短摆在波动力的作用下，有一个其中相应的周期频率和相应的周期摆长开始切入，这是一个摆长的起点的摆动，跟大地传来的“形变波”的波长形状有密切关系，有一个向短摆摆长方向排列摆动，另一个向长摆方向摆动。这种现象都是从大地传来一种波动力作用在水平摆上的表现。

由于地壳块体的运动，特别是垂直运动促使地表岩层发生形变的一种现象。为了观测方便一般分为垂直形变和水平形变两种。

强烈地震前，由于地应力的积累加强和集中，震中区及其附近地区地质岩层出现异常变化，发现大地震发生前有突变现象。这种急剧变化是平时的几十倍，甚至更大。在有些地区会出现暂时停止或反方向加速回转运动状态，从上升变为急剧下降或从下降转变为急剧上升的大异常现象。这种现象一般在大地震发生前几小时到几十小时出现，出现突变异常后预兆就是大地震（强破坏性地震）将要来临。意味着将要发生大震的可靠预知的信号。对地震预测预报特别是对临震预报有着可靠重要的指导意义。大地震前地质岩层形变发生突变，是地震活动发生在地震的震源深处，从震源深处向地面扩展形成垂直方向对地面的岩层压力加大，促使地面方向地质岩层形变。

在地震发生前地震震源深处就会发生急烈的膨胀产生巨大的压力，这个压力在岩层深处向地面方向扩张，由于所有的方向压力点增大到一定程度后，地面地质岩层比任何一个方向的承受压力能力都小，这是压力的突破口，地表地质岩层承受不了这种巨大向上的压力只有断裂形成地震释放能量。

在观测过程中，反应现象是一种，震源膨胀压力向地面岩层最薄弱的方向突破，这个方向有释放压力能量的发展空间，地表地质岩层受到压力增大就会形成向上升起。给观测者一种感觉大地在逐步隆起，如鼓包一样大面积形变的形势表现出来。在压力挤压过程中有一个急剧膨胀的速度，并且带有一种节奏是以每分钟十几次到几十次的波动上升压力对地表岩层突破。这种现象是一个周期和半周期向地面方向运动状态。深源地震反应的是全周期的表现，就是震源压力作用在地表岩层出现上升后有一个小幅回落现象特征。浅源地震只是在震源压力作用下上升，停止，再上升是半周期活动状态。

由于巨大的压力向地面岩层扩张，初步估计地面岩层每平方米承受的压力有几百万吨至几千万吨向地面岩层伸展作用。在地震发生的同时释放能量的瞬间，地面岩层承受的压力超过几佰万倍甚至更大，这种现象不排除地震震源深处产生膨胀的原因，有其它物质在高压高温特定的条件下有裂变的可能起到一定的辅助作用（如地下水的受到温度的影响就会体积增大）。

根据这种有一定能量的低频“形变波”的直线传播的特性，申请人发明了本专利。

从大量观测数据统计，每次地震前单摆的振幅异常角度没有超过3度。单摆公式： $T=2\mathrm{\π}\sqrt{\frac{L}{g}}$

需要注意的是：

1、水平摆在地震波及区域观测地震异常，如果有相当能量的地震同时发生，水平摆就会有一定的摆动幅度，用水平摆观测地震异常会受到地震波干扰。

2、没有地震发生时，水平摆都是静止状态。

3、如果没有地震发生的同时，水平摆出现有方向性的摆动，说明在摆动的切线两端其中有一个方向的地区将要有地震发生。

4、在出现的地震异常后，如果方向不好确定，说明与震中越近，相对远距离地震异常，比较稳定，并且有一定方向性。

5、这种地质岩层的缓慢活动低频能量波地震仪是观测不到的。地质岩层较慢的活动并不是均匀的活动状态，而且带有一种较低的频率性质能量波向外传播。

水平摆在周期性的外力作用下的摆动是受迫振动，受迫振动：就是系统性周期性地在外力能量势能作用下的一个振幅过程。

水平摆受迫振动的振幅状态量：是波动力的周期频率与水平摆的固有的周期相差越大，系统从外界吸收能量的效果就越低，水平摆做受迫振动的振幅状态量就越小。波动力的周期频率与水平摆的固有的周期相差越小，从外界吸收能量的效果就越高，水平摆做受迫振动的振幅状态量就增大。当波动力的周期频率与水平摆的固有的周期相同时，水平摆受迫振动的振幅状态量就最大，此时能量的吸收的效果就最高。共振：波动力的周期频率等于水平摆的固有周期时受迫振动的振幅状态量就越大，这种现象叫做共振。T_波动=T_固有，(f_波动=f_固有)。

水平摆在静止的状态下，排除一切人为的干扰和环境干扰，水平摆不会无缘无故的摆动。只有受大地从外界传来的波动力才有相应的摆动现象。

地震发生前地震带的地下岩层深处，地震震源压力膨胀作用在垂直向上，对地面岩层方向造成大地形变，会产生一种较低的低频“波”，现在把这种波称为低频“形变波”。“形变波”的能量很小，“形变波”出现的时间没有规律性，只有在地震前地震带的地质岩层出现，因为测点是固定位置，地震的区域在不断的距离变化也在发生变化。所以就没有固定的周期频率，只是作用在水平摆上一种驱动现象，这种低频“形变波”有一定能量势能，这种能量势能出现时一次又一次的叠加在水平摆上驱动水平摆的摆动，每次出现在水平摆的固有周期上从低到高排列摆动，“形变波”从长摆到短摆做驱动水平摆摆动的现象是逐步上升，上升一个波次固有的周期需要10分钟左右，时间不等。在共振的状态下，“形变波”的周期频率在水平摆固有的周期上不再上升，只是单个单摆表现，这时水平摆共振状态量最大，这是一个远距离大地震异常现象。

水平摆的摆动每次都是从平衡状态逐步加大到最大一个相应位移，不是一下就摆动起来（突然摆动只有在地震的同时受到地震波的驱动才能有这种现象）。对一个水平摆来讲，从0.00mm到十几个mm逐渐加大到一个自然幅度，达到这次能量最大值后，又逐渐减弱和衰减下来，最后回复基本静止的平衡状态，这是一个具有能量的异常过程，作用在水平摆上的振幅大小与发生地震的释放能量成正比。根据振幅大小可计算出将要发生地震释放的能量等级。

地震预报原理：

1、三点定位法：参见图5，已知：各个观测点出现大地震异常时都同时有一个共振周期摆长，利用固有的周期换算距离定位，AD、BD、CD、等于各地区的观测点共振周期波长也等于水平摆的单位比例长度。

1·以A为原点AD长为半径画弧在地图上相交于D点。

2·以B为原点BD长为半径画弧在地图上相交于D点。

3·以C为原点CD长为半径画弧在地图上相交于D点。

三弧相交于D点，这就是地震活动区域，地震将要发生在这个的地区。

2、地震异常单摆摆动方向三点定位法：

参见图6，以单摆位移幅度方向经过放大处理延长，A、B、C三个观测点画出三条延长射线相交一点D定位。通过(地球仪即地震定位仪)上画投影切线实现。因为我们的地球表面不是一个理想的桌面，根据波有直线传播特性。波在地球上是沿水平方向传播为主要途径，所以在地图(地球)上必须画切线完成。

3、波速时差三点定位法：根据波在直线传播是最短距离：

参见图7，“形变波”传播到A的测点的时间是2012年9月12日12时18分30秒。“形变波”传播到B的测点的时间是2012年9月12日12时18分30秒。因为AB两点波速时差相等，可以在AB两点作垂直平分线，“形变波”传播到C点的时间是2012年9月12日12时18分45秒，在C点可以通过波的传播时差减去波速平均值(波速平均为1km/S)，以单摆的位移振幅方向，在单摆的位移直线上向AB直线方向移动15km(地图比例尺1Cm等于60公里)，以C为园心以波速差为半径画园，EF是质点位移摆幅方向是地质岩层活动能量状态量，EC是距离是波的时差，这个E点与B点的波速时差相等，可以在E点和B点两点作垂直平分线与AB的垂直平分线相交于D点。这就是地震异常活动区域，地震将要发生的地区。

地震预测预报三要素：

1、什么地方发生地震：水平摆地震预测预报仪；测得要发生的地震的震中就在这条被测的直线上。

2、地震的强度震级有多大：水平摆地震预测预报仪；测得异常振幅将要发生的地震的震级是n级。

3、什么时间发生地震：一般从发出预报后6小时至一个星期。

关于发生地震的时间问题：是一个具有实践经验的推测，地震将要发生的时间，取决地震带的地质岩层的构造质量。从异常到发生地震，取决于地震震源压力能量膨胀速度，有一个规律性时间分布，脆性岩层发生地震的时间一般都在24小时以内。弹性岩层质量高的，地震发生的时间和异常出现的时间与脆性岩层相比要晚的多，从出现异常到发生地震的时间是一个星期。大多数地震都发生在3日之内，少数地震发生在6日之内，极个别未发生新地震的地区没有旁震的影响下，特殊地质构造也有10天的时间发生地震的情况。

从地震预报的三要素条件都已满足，所以就能正确的预测预报地震的发生。

Claims (10)

1.一种水平摆地震预测预报仪，其特征在于：包括数据记录系统、箱体、设置在箱体内的多套水平摆监测装置；所述水平摆监测装置包括上端与箱体顶部固定的摆线、悬挂在摆线下方的摆锤、设置在摆锤下端的激光源、设置在摆锤下方的感光盘、设置在感光盘下方且正对感光盘的摄像装置；所述感光盘为透光材料制成；所述激光源的光束朝向正下方且正对准感光盘中心；所述摄像装置与数据记录系统连接；所述不同水平监测装置的摆线长度互不相等，所述不同水平监测装置的摆锤的重量相等。

2.根据权利要求1所述的水平摆地震预测预报仪，其特征在于：所述感光盘上设置有同心圆刻线和/或圆周均分的放射性刻线。

3.根据权利要求1或2所述的水平摆地震预测预报仪，其特征在于：所述不同水平监测装置的摆线长度按等差数列方式分布；所述不同水平监测装置的摆线长度的分布范围为250-3142mm。

4.根据权利要求3所述的水平摆地震预测预报仪，其特征在于：所述摆线为多根蚕丝编制而成；所述摆锤为圆柱形，长径比为1∶0.618，采用黄铜材料制成，重量不超过438克。

5.根据权利要求4所述的水平摆地震预测预报仪，其特征在于：所述水平摆监测装置的数量为580个。

6.一种水平摆地震预测预报仪，其特征在于：包括数据记录系统、多个箱体、分别设置在每个箱体内的水平摆监测装置，所述监测装置包括上端与箱体顶部固定的摆线、悬挂在摆线下方的摆锤、设置在摆锤下端的激光源、设置在摆锤下方的感光盘、设置在感光盘下方且正对感光盘的摄像装置；所述感光盘为透光材料制成；所述激光源的光束朝向正下方且正对准感光盘中心；所述摄像装置与数据记录系统连接；所述不同水平监测装置的摆线长度互不相等，所述不同水平监测装置的摆锤的重量相等。

7.根据权利要求6所述的水平摆地震预测预报仪，其特征在于：所述感光盘上设置有同心圆刻线和/或圆周均分的放射性刻线。

8.根据权利要求6或7所述的水平摆地震预测预报仪，其特征在于：所述不同水平监测装置的摆线长度按等差数列方式分布；所述不同水平监测装置的摆线长度的分布范围为250-3142mm。

9.根据权利要求8所述的水平摆地震预测预报仪，其特征在于：所述摆线为多根蚕丝编制而成；所述摆锤为圆柱形，长径比为1∶0.618，采用黄铜材料制成，重量不超过438克。

10.根据权利要求9所述的水平摆地震预测预报仪，其特征在于：所述箱体的数量为580个。

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