CN109541676A - 一种地电阻率和地电场观测台网的计算原理及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种地电阻率和地电场观测台网的计算原理及方法，包括如下步骤：步骤1：地电阻率数据分析主要使用变化速率方法，利用处于正常状态时的观测资料平均值作为背景值，将最近的观测月均值作为研究对象，计算其与正常背景的相对变化；步骤2：地电场数据分析主要使用调和分析方法，利用三角函数对地电场观测资料进行拟合；步骤3：将地电阻率和地电场台网的计算结果分别进行归一化，依据地电阻率先上升后下降的特点以及地电场的波形畸变，对地球介质临界状态进行综合判定，从而进行地震可能发生时间和地点的预测。本发明在计算时使用了地电场观测台网30天的资料，地电阻率13个月的观测资料，降低了计算的时间。
Description
技术领域
本发明涉及地电观测计算技术领域，特别涉及一种地电阻率和地电场观测台网的计算原理及方法。
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。
地震预测中，因在固定的测点上观测地电阻率随时间的变化，一般量级较小。因此，为了比较不同时间的地电阻率变化，不仅要求观测技术达到比物探电法高得多的观测精度，而且在地电阻率变化的理论分析或数值模拟中要有很高的计算精度。
计算过程使用的是地电观测台网(包括地电阻率和地电场)的资料，具体为地电阻率观测台网的月均值和地电场观测台网的时均值，目前中国大陆运行的地电阻率台站有87个、地电场台站有113个。每个地电场观测台站有6个测道(3个长道和3个短道)，而地电阻率台站至少都有2个测道(东西和南北方向)，所使用地电阻率观测资料的时间长度至少为13个月，而地电场观测资料的时间长度为30天，所以计算使用的数据量会比较大，周期较长。
发明内容
发明的目的在于提供一种地电阻率和地电场观测台网的计算原理及方法，本发明在计算时使用了地电场观测台网30天的资料，地电阻率13个月的观测资料，相比较以往，计算使用的数据量大大减少，降低了计算的时间，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种地电阻率和地电场观测台网的计算方法，包括如下步骤：
步骤1：地电阻率数据分析主要使用变化速率方法，利用处于正常状态时的观测资料平均值作为背景值，将最近的观测月均值作为研究对象，计算其与正常背景的相对变化；
步骤2：地电场数据分析主要使用调和分析方法，利用三角函数对地电场观测资料进行拟合，剔除掉观测资料中高频干扰信号的同时，得到信号的周期、位相及振幅信息；
步骤3：将地电阻率和地电场台网的计算结果分别进行归一化，依据地电阻率先上升后下降的特点以及地电场的波形畸变，对地球介质临界状态进行综合判定，从而进行地震可能发生时间和地点的预测。
进一步地，步骤1的具体分析过程如下：
地电阻率观测月均值为ρ均，最近观测月均值为ρ测，计算相对变化σρ：
σρ＝(ρ测-ρ均)/ρ均 (1)
σρ的大小和正负分别反映介质所处的力学性质或状态，当观测值相对于背景值开始增大时，介质可能处于受力压缩初级阶段，介质发生类弹性形变，其对日、月潮汐的响应增强；当观测值相对于背景值开始减小时，介质内部的微裂隙数量随着受力的持续加载而出现增大，大量流体的不断涌入，导致电阻率快速下降，在流体的润滑作用下非常可能导致地震的发生。
进一步地，步骤2的具体分析过程如下：
对于一个数据序列f(x)来讲，从数学上都可以表示成：
上式中a0表示f(x)的平均值，ak可由式进行计算，bk可由式进行计算，k表示谐波的阶数，式计算得到。
进一步地，步骤3地震时间的判定方法使用统计结果，震中位置的判定方法使用交切法和插值法。
进一步地，具体的判定过程是：首先，利用插值方法对我国大陆区域的地电阻率和地电场归一化结果进行插值计算，以不同的颜色表示不同的应力状态；其次，通过颜色汇集区域的大小以及受力状态的强弱来对确定未来可能震中位置。
本发明提供另一种技术方案：一种地电阻率和地电场观测台网的计算原理，对南北地震带地震事件与固体潮汐进行相关性统计分析后发现，该区域地震事件的发生与固体潮汐有一定的相关性，表现为两者之间在频率域有一致性，说明固体潮汐非常可能是地震事件触发的重要因素之一。
进一步地，依据地电阻率观测的起潮力触发模式和地电场观测对日、月潮汐引力作用的体现，当地球介质处于稳定状态时，地电阻率和地电场观测的波形呈现稳定的规律性变化，日、月潮汐加、卸载过程引起的变化幅度之比为固定值，如果地球介质处于失稳过程的临界状态时，地电阻率和地电场观测的波形则会出现畸变现象，日、月潮汐加、卸载过程中引起的变化幅度会出现减小或增大变化。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提出的地电阻率观测台网的计算原理及方法，利用处于正常状态时的观测资料平均值作为背景值，将最近的观测月均值作为研究对象，计算其与正常背景的相对变化，地电场数据分析主要使用调和分析方法，利用三角函数对地电场观测资料进行拟合，剔除掉观测资料中高频干扰信号的同时，得到信号的周期、位相及振幅信息，将地电阻率和地电场台网的计算结果分别进行归一化，依据地电阻率先上升后下降的特点以及地电场的波形畸变，对地球介质临界状态进行综合判定，从而进行地震可能发生时间和地点的预测，本发明在计算时使用了地电场观测台网30天的资料，地电阻率13个月的观测资料，相比较以往，计算使用的数据量大大减少，降低了计算的时间。
附图说明
图1为本发明的南北地震带潮汐触发地震统计结果图；
图2为本发明的地电阻率观测的起潮力触发模式图；
图3为江苏海安地电场台站2008年11月1-14日波形图；
图4为2017年6月地电阻率和地电场联合计算结果图；
图5为2017年7月地电阻率和地电场联合计算结果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种地电阻率和地电场观测台网的计算原理，对南北地震带地震事件与固体潮汐进行相关性统计分析后发现，该区域地震事件的发生与固体潮汐有一定的相关性(图1)，表现为两者之间在频率域有一致性，说明固体潮汐非常可能是地震事件触发的重要因素之一。
本发明依据地电阻率观测的起潮力触发模式(图2)和地电场观测对日、月潮汐引力作用的体现(图3)，当地球介质处于稳定状态时，地电阻率和地电场观测的波形呈现稳定的规律性变化，日、月潮汐加、卸载过程引起的变化幅度之比为固定值，如果地球介质处于失稳过程的临界状态时，地电阻率和地电场观测的波形则会出现畸变现象，日、月潮汐加、卸载过程中引起的变化幅度会出现减小或增大变化(与正常稳定状态相比较)，计算结果直接反应地球介质稳定状态，对未来地震震中位置和发震时间有一定的指示作用。
一种地电阻率和地电场观测台网的计算方法，包括如下步骤：
步骤1：地电阻率数据分析主要使用变化速率方法，利用处于正常状态时的观测资料(月均值)平均值作为背景值，将最近的观测月均值作为研究对象，计算其与正常背景的相对变化；步骤1的具体分析过程如下：
地电阻率观测月均值为ρ均，最近观测月均值为ρ测，计算相对变化σρ：
σρ＝(ρ测-ρ均)/ρ均 (1)
σρ的大小和正负分别反映介质所处的力学性质或状态，当观测值相对于背景值开始增大时，介质可能处于受力压缩初级阶段，介质发生类弹性形变，其对日、月潮汐的响应增强；当观测值相对于背景值开始减小时，介质内部的微裂隙数量随着受力的持续加载而出现增大，大量流体的不断涌入，导致电阻率快速下降，在流体的润滑作用下非常可能导致地震的发生。
步骤2：地电场数据分析主要使用调和分析方法，利用三角函数对地电场观测资料进行拟合，剔除掉观测资料中高频干扰信号的同时，得到信号的周期、位相及振幅信息；具体分析过程如下：
对于一个数据序列f(x)来讲，从数学上都可以表示成：
上式中a0表示f(x)的平均值，ak可由式进行计算，bk可由式进行计算，k表示谐波的阶数，式计算得到。
步骤3：将地电阻率和地电场台网的计算结果分别进行归一化，依据地电阻率先上升后下降的特点以及地电场的波形畸变，对地球介质临界状态进行综合判定，从而进行地震可能发生时间和地点的预测。
地震时间和震中判定方法：
地震时间的判定方法使用的是统计结果，当两种手段的联合结果出现异常后，通常在20天内可能发生地震，而震中位置的判定方法使用的是交切法和插值法，交切法就是使用两种观测手段确定的异常范围相互重叠的原理，当两种手段同时出现异常时，异常的可信度高；插值法主要是为了克服台站分布不均匀的缺点而采用一种数学补救措施。
具体判定过程是：首先，利用插值方法对我国大陆区域的地电阻率和地电场归一化结果进行插值计算，以不同的颜色表示不同的应力状态；其次，通过颜色汇集区域的大小以及受力状态的强弱(颜色深浅)来对确定未来可能震中位置。
本发明的应用实例为：
对2017年九寨沟地震的回溯性检验结果，从图像结果上可以明显看出，随着发震时间的邻近，利用地电阻率和地电场观测联合判定的异常区域有逐渐缩小，并逐步向震中位置移动的现象(图4和图5)。图4利用的资料截止到2017年6月30日，其结果反映2017年7月份的地震趋势；图5利用的资料截止2017年7月31日，其结果反映2017年8月份的地震趋势。
本发明所附图使用了地电场观测台网30天的资料(2017年7月2日至31日)，地电阻率13个月的观测资料(2016年月至2017年7月)，数据格式仅以江苏海安地电阻率观测数据和河北大柏舍地电场观测数据为例在附录中进行了展示，如表1和表2。
表1为计算使用的地电阻率数据(以江苏海安台为例)
| Date | Station | 电阻率(NS) | 电阻率(EW) |
| 2016-10-01 | [32028]海安 | 9.799 | 9.829 |
| 2016-11-01 | [32028]海安 | 9.803 | 9.837 |
| 2016-12-01 | [32028]海安 | 9.806 | 9.839 |
| 2017-01-01 | [32028]海安 | 9.811 | 9.842 |
| 2017-02-01 | [32028]海安 | 9.815 | 9.843 |
| 2017-03-01 | [32028]海安 | 9.816 | 9.843 |
| 2017-04-01 | [32028]海安 | 9.818 | 9.842 |
| 2017-05-01 | [32028]海安 | 9.821 | 9.839 |
| 2017-06-01 | [32028]海安 | 9.812 | 9.833 |
| 2017-07-01 | [32028]海安 | 9.807 | 9.829 |
| 2017-08-01 | [32028]海安 | 9.803 | 9.83 |
| 2017-09-01 | [32028]海安 | 9.805 | 9.835 |
| 2017-10-01 | [32028]海安 | 9.807 | 9.839 |
| 2017-11-01 | [32028]海安 | 9.812 | 9.839 |
| 2017-12-01 | [32028]海安 | 9.817 | 9.84 |
| 2018-01-01 | [32028]海安 | 9.823 | 9.844 |
| 2018-02-01 | [32028]海安 | 9.828 | 9.846 |
| 2018-04-01 | [32028]海安 | 9.834 | 9.854 |
| 2018-05-01 | [32028]海安 | 9.834 | 9.85 |
| 2018-06-01 | [32028]海安 | 9.825 | 9.846 |
| 2018-07-01 | [32028]海安 | 9.82 | 9.845 |
| 2018-08-01 | [32028]海安 | 9.818 | 9.846 |
| 2018-09-01 | [32028]海安 | 9.823 | 9.848 |
表2为计算使用的地电场数据(以河北大柏舍台为例)
综上所述，本发明提出的地电阻率观测台网的计算原理及方法，利用处于正常状态时的观测资料平均值作为背景值，将最近的观测月均值作为研究对象，计算其与正常背景的相对变化，地电场数据分析主要使用调和分析方法，利用三角函数对地电场观测资料进行拟合，剔除掉观测资料中高频干扰信号的同时，得到信号的周期、位相及振幅信息，将地电阻率和地电场台网的计算结果分别进行归一化，依据地电阻率先上升后下降的特点以及地电场的波形畸变，对地球介质临界状态进行综合判定，从而进行地震可能发生时间和地点的预测，本发明在计算时使用了地电场观测台网30天的资料，地电阻率13个月的观测资料，相比较以往，计算使用的数据量大大减少，降低了计算的时间。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种地电阻率和地电场观测台网的计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：地电阻率数据分析主要使用变化速率方法，利用处于正常状态时的观测资料平均值作为背景值，将最近的观测月均值作为研究对象，计算其与正常背景的相对变化；
步骤2：地电场数据分析主要使用调和分析方法，利用三角函数对地电场观测资料进行拟合，剔除掉观测资料中高频干扰信号的同时，得到信号的周期、位相及振幅信息；
步骤3：将地电阻率和地电场台网的计算结果分别进行归一化，依据地电阻率先上升后下降的特点以及地电场的波形畸变，对地球介质临界状态进行综合判定，从而进行地震可能发生时间和地点的预测。
2.根据权利要求1所述的一种地电阻率和地电场观测台网的计算原理及方法，其特征在于，步骤1的具体分析过程如下：
地电阻率观测月均值为ρ均，最近观测月均值为ρ测，计算相对变化σρ：
σρ＝(ρ测-ρ均)/ρ均 (1)
σρ的大小和正负分别反映介质所处的力学性质或状态，当观测值相对于背景值开始增大时，介质可能处于受力压缩初级阶段，介质发生类弹性形变，其对日、月潮汐的响应增强；当观测值相对于背景值开始减小时，介质内部的微裂隙数量随着受力的持续加载而出现增大，大量流体的不断涌入，导致电阻率快速下降，在流体的润滑作用下非常可能导致地震的发生。
3.根据权利要求1所述的一种地电阻率和地电场观测台网的计算原理及方法，其特征在于，步骤2的具体分析过程如下：
对于一个数据序列f(x)来讲，从数学上都可以表示成：
上式中a0表示f(x)的平均值，ak可由式进行计算，bk可由式进行计算，k表示谐波的阶数，振幅由式计算得到。
4.根据权利要求1所述的一种地电阻率和地电场观测台网的计算原理及方法，其特征在于，步骤3地震时间的判定方法使用统计结果，震中位置的判定方法使用交切法和插值法。
5.根据权利要求4所述的一种地电阻率和地电场观测台网的计算原理及方法，其特征在于，具体的判定过程是：首先，利用插值方法对我国大陆区域的地电阻率和地电场归一化结果进行插值计算，以不同的颜色表示不同的应力状态；其次，通过颜色汇集区域的大小以及受力状态的强弱来对确定未来可能震中位置。
6.一种根据权利要求1-5所述的地电阻率和地电场观测台网的计算原理，其特征在于，对南北地震带地震事件与固体潮汐进行相关性统计分析后发现，该区域地震事件的发生与固体潮汐有一定的相关性，表现为两者之间在频率域有一致性，说明固体潮汐非常可能是地震事件触发的重要因素之一。
7.根据权利要求6所述的一种地电阻率和地电场观测台网的计算原理，其特征在于，依据地电阻率观测的起潮力触发模式和地电场观测对日、月潮汐引力作用的体现，当地球介质处于稳定状态时，地电阻率和地电场观测的波形呈现稳定的规律性变化，日、月潮汐加、卸载过程引起的变化幅度之比为固定值，如果地球介质处于失稳过程的临界状态时，地电阻率和地电场观测的波形则会出现畸变现象，日、月潮汐加、卸载过程中引起的变化幅度会出现减小或增大变化。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN110031890A (zh) * | 2019-04-22 | 2019-07-19 | 北京市地震局 | 地电阻率观测地震预测时空分析方法 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
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