CN107144883A - 地震预测监测交变电磁场观测台网 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了地震预测监测交变电磁场观测台网，包括电离层、大功率人工源电磁场信号发射源、波导层和台网，人工源电磁场信号发射源和台网均布设在地球的表面上，波导层位于电离层与地球之间，地震活动激发的电磁场传播到地面，震源区的电性如电阻率也发生变化，通过在地面的台网观测震源区激发的电磁场异常和电阻率变化。本发明有益效果：观测利用对地震最灵敏的交变电磁场频率范围的信号，通过在地震活跃区和重点防御监视区等布设观测台网进行长期连续观测而不是临时或流动观测，既可观测天然源电磁场信号，也可观测人工源电磁场信号，既可观测地下的电性结构及其变化，也可观测空间电磁场及其变化，以实现对地震的综合立体预测监测。
Description
技术领域
本发明涉及地震预测技术领域,尤其是地震预测监测交变电磁场观测台网。
背景技术
我国地处全球两大地震带之间，地震活动频度高、强度大、震源浅、分布广，是世界上震灾最严重的国家之一。据统计，20世纪全球共发生7级以上(含7级)大地震1700多次。
世界各国都在对地震的预测进行坚持不懈地研究。我国从1966年邢台地震后开始进行地震监测预测研究，其中地球电磁法是重要的地球物理方法，用于地震监测的方法包括：直流电阻率测深法监测、地磁场监测和地电场监测等。
尽管至今尚没有利用交变电磁场开展地震监测的台网，但通过流动观测或临时的个别测点观测等，在交变电磁场频带范围已经发现大量异常现象。例如，①最早报道的1971.2.9美国南加州6.4级地震前，大地电磁2个测点的视电阻率变化达60％，周期范围为0.01～1000s(Reddy et al,1976)；
②前苏联利用MHD(磁流体发电机原理)方法在伏龙芝实验场观测发现,一次4.5级地震前约1个月左右，频率范围为8～0.1Hz的视电阻率开始减小，震后恢复。
③利用大地电磁流动和重复观测，对青海共和、甘肃肃南等几个地震的监测表明，在8.0～0.001Hz频率范围的视电阻率在地震前后发生了变化。
④通过2个测点的大地电磁观测表明，在1998年1月10日张北6.2级地震前、后频率为5～0.5Hz范围的视电阻率出现异常变化，震后回复。
⑤1970.3.30，OGO-6卫星经过一次地震上空时，发现频率为467、216和100Hz的磁场分量出现了脉冲异常。
⑥通过对卫星电磁观测数据统计，经分析853次地震事件的观测数据，发现地震事件和异常现象相关的达81％，数据频率范围在几十赫兹到十几千赫兹。
现有技术---直流电阻率测深法
技术方案：直流电阻率测深法借鉴矿床勘探的电测深方法，在全国已布置了数十个台站。如图1，它是通过AB两端的电极，向地下发送直流电流，通过MN测量电压值，利用观测装置系数，获得地下的电阻率。研究电阻率随时间的变化，进行地震监测预测。
缺点：1)由于受地下高阻层屏蔽，勘探深度浅，其反映的地下构造仅几百米深度，达不到大多数浅源地震10多公里的深度；2)只能监测地下电阻率变化，不能监测空间电磁场变化；3)观测的是直流的恒定场，不能观测交变场；4)往往受到季节变化、天气变化和场地内接地金属性设施等非地震因素的影响；5)其直流发射信号源天线AB长度在1km以上，设备笨重、运维困难，并容易对地震台站其它观测手段产生影响。
现有技术二--地磁场观测
技术方案：地磁场观测利用传统的地磁观测方法，也在全国布设了数十个观测台。地磁观测分两类，一类是观测基本场，即观测地球的绝对磁场，主要用于全球地磁场的研究。另一类是利用磁通门仪器观测变化磁场，但是频率范围低，最高采样率为1Hz或者60秒。通过观测地磁场随时间的变化，研究地震异常现象。
缺点：1)观测的是绝对场或者是很低频带的磁场，没有包括出现很多地震异常现象的高于1Hz的频带范围的交变电磁场；2)地磁观测少有分析随时间变化的交变场成分及其频谱，且主要反应的是地面以上的磁场，对地下电性及其变化不灵敏；3)由于没有同步观测电场，不能监测地下的阻抗或电阻率及其变化；4)由于磁场信号主要来源于地球以上的磁层和电离层，随机性变化特点明显，且由于受到其他干扰影响，往往掩盖了地震活动引起的异常的识别。
现有技术三--地电场方法
技术方案，近些年在一些地震台站建设了地电场方法，它是观测具有一定距离的两个电极之间的自然电场或电压，其观测装置与图1的MN测量装置相似。测量的信号是天然源场，主要是由磁场变化产生的地球感应电场，不同于直流电阻率法观测人工源信号。观测信号的最高采样率1Hz，我国地电场台站通常使用的是分钟值，有效信号频带范围低于1Hz.通过研究观测电场随时间的变化，研究地震预测监测。
缺点；1)观测研究频率很低的电场，没有包括已发现很多地震异常高于1Hz的交变电磁场；2)由于没有观测磁场，所观测的电场在很大程度上受到地球以上电磁场源影响，对地下电性变化反映不够灵敏；3)观测的电场随机性较强，易受干扰，影响了地震异常现象的识别；4)由于只观测电场，无法判别观测的信号是观测系统本身产生的还是由于外场的变化造成的。
现有技术四—单点大地电磁流动观测
技术方案：在美国、中国等利用单个台站或少数台站，进行某时间段或流动大地电磁观测。该方法观测5个(相互正交的2个水平电场和2个水平磁场分量，以及1个垂直磁场分量)或4个电磁场分量(观测2个相互正交的水平电场和2个水平磁场分量)的天然源电磁场(图2)。通过对交变电磁场的频谱分析得到电磁场的频谱，进而得到反映低下电性的阻抗和视电阻率等。主要目的是观测台站所在区域的地下电阻率变化，研究地震可能引起的地震异常现象。
缺点：1)这些台站是流动的观测点，一段时间内进行重复观测，没有连续观测；2)观测点很少，一般只有一、两个测点；3)仅观测天然原信号，容易受到人类活动引起的电磁场干扰，不利于对可能与地震有关的异常的识别；4)只研究地下电阻率等电性参数的变化，不关注来自空间和地下的电磁场的变化。
发明内容
针对上述现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种预测效果显著的地震预测监测交变电磁场观测台网。
地震预测监测交变电磁场观测台网，包括电离层、大功率人工源电磁场信号发射源、波导层和台网，所述人工源电磁场信号发射源和台网均布设在地球的表面上，所述波导层位于电离层与地球之间，当地震发生时，地震活动激发的电磁场传播到地面，震源区的电性如电阻率也发生变化，通过在地面的台网观测震源区的激发电磁场异常和地下电阻率异常，可以综合立体分析异常的特点，识别异常的真伪，利用大功率的人工源信号，可以明显压制其它干扰因素的影响。
优选地，所述台网由若干个台站组成，其中若干个台站分布可以是规则的，也可是任意形状的，或者依据地震分布或构造活动性进行布设。
优选地，所述台站的接收设备可布置在地震台站内，也可在地震台站外的其它地方或者在需要时在空白区观测。
优选地，所述台站包括电磁场观测仪、太阳能电池板、观测室和观测量，所述观测量包括南北向的电场(Ex)、磁场(Hx)分量，东西向的电场(Ey)、磁场(Hy)分量和垂直磁场分量(Hz)；所述观测室内设置有观测主机。
优选地，所述太阳能电池板为电磁场观测仪提供电源，所述电磁观测仪通过电缆线连接观测主机。
优选地，所述南北向的电场(Ex)、磁场(Hx)分量，东西向的电场(Ey)、磁场(Hy)分量和垂直磁场分量(Hz)均通过电缆线连接电磁观测仪。
优选地，所述电磁场观测仪所得到的天然源电磁场有效频率范围大于1000～0.001Hz，人工源电磁场有效频率范围为300～0.1Hz及其邻近频率；所观测的数据可以通过有线或无线网络传输到处理和分析部门，实时或准实时对数据进行处理分析。
优选地，所述观测主机对电磁场观测仪所观测的数据进行数据处理分析，所述数据处理分析包括原始时间序列、计算频谱、计算表阻抗元素、视电阻率等计算，所述原始时间序列依次通过计算频谱、计算阻抗元素和视电阻率后进行反演。
优选地，所述数据处理分析进一步包括：通过对观测的电磁场时间序列进行谱分析，可得到每个电磁场分量的频谱，进而计算反映地下电性的阻抗，以及视电阻率、阻抗相位等参数，这些参数是反映地下电性以及空间电磁场和它们的变化的基本参数，对视电阻率等进行反演，可以得到地下的电性结构，于是观测台网可直接监视地下电性结构的异常变化和电磁场空间变化；
由电磁场各分量的频谱(Ex,Ey,Hx,Hy)计算阻抗张量的公式如下。
Ex＝Zxx Hx+ZxyHy
Ey＝Zyx Hx+ZyyHy
式中，Zxx,Xxy,Zyx,Zyy为阻抗张量元素，由阻抗张量元素可用下式计算视电阻率和阻抗相位；
ρij＝0.2T|Zij|2φij＝arctan(Zij)
其中，ρij表示视电阻率，φij表示阻抗相位，下标表示信息xx,xy,yx,或yx，也可以利用观测的3个磁场分量(Hx,Hy,Hz)计算倾子参数；
由视电阻率和阻抗相位可以定性分析观测台站地下电性结构信息和定量反演地下的电阻率结构。
优选地，所述电场(Ex)的两个接地电极之间间距为50—100米，所述电场(Ey)的两个接地电极之间的间距为50—100米，所述磁场(Hx)分量、磁场(Hy)分量和垂直磁场分量(Hz)均采用感应式磁探头接收磁场信号。
由于采用上述技术方案，本发明有益效果：观测利用对地震最灵敏的交变电磁场频率范围的信号，通过在地震活跃区和重点防御监视区等布设观测台网进行长期连续观测而不是临时或流动观测，既可观测天然源电磁场信号，也可观测人工源电磁场信号，既可观测地下的电性结构及其变化，也可观测空间电磁场及其变化，以实现对地震的综合立体监测。
附图说明
图1是现有技术的直流电阻率法观测装置示意图；
图2是现有技术的大地电磁法观测装置示意图；
图3是本发明的交变电磁场台网组成示意图；
图4是本发明电磁台网每个台站的组成示意图；
图5是本发明的天然场和人工源场信号的原始时间序列图；
图6是本发明的电磁场处理分析过程。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
如图3并结合图4至图6所示，地震预测监测交变电磁场观测台网，包括电离层、大功率人工源电磁场信号发射源、波导层和台网，所述人工源电磁场信号发射源和台网均布设在地球的表面上，所述波导层位于电离层与地球之间，当地震发生时，地震活动激发的电磁场传播到地面，震源区的电性如电阻率也发生变化，通过在地面的台网观测震源区激发的电磁场异常和地下电阻率异常，以实现立体分析异常的特点，识别异常的真伪。大功率的人工源信号，可以明显压制其它干扰因素的影响；图3中T：大功率人工源电磁场信号发射源；R：各个台站组成的台网，分布可以是规则的，也可是任意形状的，或者依据地震分布或构造活动性进行布设；Wa：人工源电磁场在波导层的传播路径，可达数千公里距离；Wn：天然源电磁场传播到地面的台网区的路径；Wi：示人工源和天然源电磁场信号向地下转播；Ws：当地震发生时，地震活动激发的电磁场传播到地面的路径，震源区的电性如电阻率也发生变化。
图3显示，在地面的交变电场台网可同时观测天然源电磁场信号，也可观测人工源电磁场信号。交变电场台网可以布置在地面数千公里的范围。当地震发生时，震源区的电阻率将发生变化，通过在地面的台网观测到，震源区也激发电磁场异常，也可通过地面台网观测到。由于台网布设范围很大，可以综合分析电磁场异常的空间分布差异和特点。通过观测地下电阻率异常和地面观测的电磁场异常，可以立体分析异常的特点，识别异常的真伪。利用大功率的人工源信号，可以明显压制其它干扰因素的影响。
电磁台网每个台站的组成示意图如图4.观测台站接收设备可布置在地震台站内，也可在地震台站外的其它地方或者在需要时在空白区观测。观测量包括5个分量，即南北向的电场(Ex)、磁场(Hx)分量，东西向的电场(Ey)、磁场(Hy)分量，垂直磁场分量(Hz)，电场分量测量使用电缆线分别连接仪器和2个相距50—100米的接地电极间电位差的采集信号，磁场采用感应式磁探头(磁棒)接收磁场信号。为了不间断连续观测和防止动力电引起的干扰，电源用太阳能供电，观测主机设置在房间或者其它可防风防雨的设施或容器内(称为观测室)。
组成台网的各个台站的接收设备可同时(同时段、同采样率)观测天然源或人工源电磁场信号，为了减少数据存储量，使用高低不等的采样率分时段接收电磁场信号，但对低频天然源信号使用较低的采样率始终连续不断观测，所得到的天然源电磁场有效频率范围大于1000～0.001Hz，人工源电磁场有效频率范围为300～0.1Hz。所观测的数据可以通过有线或无线网络传输到处理和分析部门，实时或准实时对数据进行处理分析。
所观测的天然场和人工源场信号的原始时间序列如图5。横坐标表示时间，纵坐标表示信号幅度，图中显示电磁场5分量4个频率的人工源信号和它们之间和之外的天然源信号，人工源信号幅度大于天然原信号。5个分量自上到下为Ex,Ey,Hx,Hy,Hz，在1.5小时内发射了4个频率的人工源信号。
通过对观测的电磁场时间序列进行谱分析，可得到每个电磁场分量的频谱，进而计算反映地下电性的阻抗，以及视电阻率、阻抗相位等参数，这些参数是反映地下电性以及空间电磁场和它们的变化的基本参数。对视电阻率等进行反演，可以得到地下的电性结构，于是观测台网可直接监视地下电性结构的异常变化和电磁场空间变化(电磁场处理分析过程见图6)。
由电磁场各分量的频谱(Ex,Ey,Hx,Hy)计算阻抗张量的公式如下。
Ex＝Zxx Hx+ZxyHy
Ey＝Zyx Hx+ZyyHy
式中，Zxx,Xxy,Zyx,Zyy为阻抗张量元素。由阻抗张量元素可用下式计算视电阻率和阻抗相位。
ρij＝0.2T|Zij|2 φij＝arctan(Zij)
其中，ρij表示视电阻率，φij表示阻抗相位，下标表示信息xx,xy,yx,或yx。也可以利用观测的3个磁场分量(Hx,Hy,Hz)计算倾子参数。
由视电阻率和阻抗相位可以定性分析观测台站地下电性结构信息和定量反演地下的电阻率结构。
本技术方案—地震预测监测交变电磁场观测台网，是利用至今认为最有可能首先取得地震预测突破性进展的电磁观测方法，并观测利用对地震最灵敏的交变电磁场频率范围的信号，通过在地震活跃区和重点防御监视区等布设观测台网进行长期连续观测而不是临时或流动观测，既可观测天然源电磁场信号，也可观测人工源电磁场信号，既可观测地下的电性结构及其变化，也可观测空间电磁场及其变化，以实现对地震的综合立体监测。我们所进行的初步工作，是世界上第一个具有一定规模的交变电磁场台网，并取得了一些有益效果。
本技术方案，与卫星观测相结合，可以开展地面观测和卫星观测数据及其异常的对比，也可利用卫星观测地面人工发射的电磁场信号，进行对比。该技术方案，可以用于地下资源和地壳深部构造的观测研究，也可以开展通信领域的交叉学科研究和应用。
本技术方案进一步发展的方向可包括：扩大台网分布范围，尽可能覆盖所有强地震活跃区和重点监视区，对人工源信号，可改进发射设备，向高频和低频两端扩展频率范围，可采用不同形式的发射源，如磁流体发射机、核能供电发射机，而接收台网方案基本不变。
交变电磁场台网是针对现有方法的缺点提出的，其优势包括(1)既可以观测地下电性结构及其连续变化，深度可达大多数地震震源深度以下，甚至可达地壳以下，也可以在地面监测来自空间和地下的电磁场变化，构成真正的立体观测；(2)观测的交变电磁场频带范围很宽，目前高频段达到数千赫兹，低频段可达1000秒以下，涵盖了以前发现地震异常现象的主要频段及其邻近频段；(3)观测以台网式进行，在数千公里范围很多台站同时观测，可比较不同地区(地震区和远离地震地区)电磁异常数据特点，有利于捕捉地震异常出现的地点和空间分布及其时间变化特征；(4)既可以观测天然源电磁场，也可以观测人工源电磁场。目前大功率人工源电磁场仅美国、俄罗斯和中国具有，其信号通过地球和电离层之间的波导层传播至数千公里之外，频带范围为300～0.1Hz，未来技术的发展可使频带更宽；(5)观测人工源信号，可以很大程度的压制干扰信号的影响，突出有用信号，提高对地震异常现象的识别和捕捉能力；(6)台网长期连续观测，可以对各不同时间(白天和夜间，不同日期，不同季节，有震和无震时间等)的数据进行对比，有利于比较识别地震异常现象的真实性，有利于识别和捕捉地震异常现象的时间和空间分布特点。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.地震预测监测交变电磁场观测台网，其特征在于：包括电离层、大功率人工源电磁场信号发射源、波导层和台网，所述人工源电磁场信号发射源和台网均分布在地球的表面上，所述波导层位于电离层与地球之间，当地震发生时，地震活动激发的电磁场传播到地面，震源区的电性如电阻率也发生变化，通过在地面的台网观测震源区激发的电磁场异常和震源区及其邻区的电阻率变化，以实现对观测数据进行全方位立体分析，通过大面积分布的台网观测大功率人工源信号，在压制干扰提升数据质量的同时，提高识别和捕捉地震异常的能力，提高对地震异常发生地点和时间的预测监测能力。
2.根据权利要求1所述的地震预测监测交变电磁场观测台网，其特征在于：所述台网由若干个台站组成，其中若干个台站分布可以是规则的，也可是任意形状的，或者依据地震分布或构造活动性进行布设。
3.根据权利要求2所述的地震预测监测交变电磁场观测台网，其特征在于：所述台站的接收设备可布置在地震台站内，也可在地震台站外的其它地方或者在需要时在空白区观测。
4.根据权利要求2所述的地震预测监测交变电磁场观测台网，其特征在于：所述台站包括电磁场观测仪、太阳能电池板、观测室和观测量，所述观测量包括南北向的电场(Ex)、磁场(Hx)分量，东西向的电场(Ey)、磁场(Hy)分量和垂直磁场分量(Hz)；所述观测室内设置有观测主机。
5.根据权利要求4所述的地震预测监测交变电磁场观测台网，其特征在于：所述太阳能电池板为电磁场观测仪提供电源，所述电磁场观测仪通过电缆线连接观测主机。
6.根据权利要求4所述的地震预测监测交变电磁场观测台网，其特征在于：所述南北向的电场(Ex)、磁场(Hx)分量，东西向的电场(Ey)、磁场(Hy)分量和垂直磁场分量(Hz)均通过电缆线连接电磁场观测仪。
7.根据权利要求4所述的地震预测监测交变电磁场观测台网，其特征在于：所述电磁场观测仪所得到的天然源电磁场有效频率范围大于1000～0.001Hz，人工源电磁场有效频率范围为300～0.1Hz及其邻近频率；所观测的数据可以通过有线或无线网络传输到处理和分析部门，实时或准实时对数据进行处理分析。
8.根据权利要求4所述的地震预测监测交变电磁场观测台网，其特征在于：所述观测主机对电磁场观测仪所观测的数据进行数据处理分析，所述数据处理分析方法及其过程依次包括：原始时间序列分析、电磁场频谱、阻抗元素、视电阻率和阻抗相位等的计算。
9.根据权利要求4所述的地震预测监测交变电磁场观测台网，其特征在于,所述数据处理进一步分析包括：通过对观测的电磁场时间序列进行谱分析，可得到每个电磁场分量的频谱，进而计算反映地下电性的阻抗，以及视电阻率、阻抗相位参数，这些参数是反映地下电性以及空间电磁场和它们的变化的基本参数，对视电阻率等进行反演，可以得到地下的电性结构，于是观测台网可直接监视地下电性结构及其异常变化和电磁场空间变化；
由电磁场各分量的频谱(Ex,Ey,Hx,Hy)计算阻抗张量的公式如下，
Ex＝Zxx Hx+ZxyHy
Ey＝Zyx Hx+ZyyHy
式中，Zxx,Xxy,Zyx,Zyy为阻抗张量元素，由阻抗张量元素可用下式计算视电阻率和阻抗相位；
ρij＝0.2T|Zij|2 φij＝arctan(Zij)
其中，ρij表示视电阻率，φij表示阻抗相位，下标表示信息xx,xy,yx,或yx，也可以利用观测的3个磁场分量(Hx,Hy,Hz)计算倾子参数；
由视电阻率和阻抗相位可以定性分析观测台站地下电性结构信息和定量反演地下的电阻率结构。
10.根据权利要求4所述的地震预测监测交变电磁场观测台网，其特征在于：所述电场(Ex)的两个接地电极之间间距为5 0—100米，所述电场(Ey)的两个接地电极之间间距为50—100米，所述磁场(Hx)分量、磁场(Hy)分量和垂直磁场分量(Hz)均采用感应式磁探头接收磁场信号。
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