JP2001281346A

JP2001281346A - 地震の前兆となる微少電磁界異常の検出装置及びその検出方法と波源までの距離の推定方法

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Publication number: JP2001281346A
Application number: JP2000099106A
Authority: JP
Inventors: Iigoru Matobeebu; イーゴルマトベーブ; Masatoshi Tanaka; 正利田中; Eiji Kawai; 栄治川合; Kozo Takahashi; 耕三高橋; Teruo Tejima; 輝夫手島; Yukio Fujinawa; 幸雄藤縄
Original assignee: NATL RESEARCH INST FOR DISASTER PREVENTION; Communications Research Laboratory
Current assignee: NATL RESEARCH INST FOR DISASTER PREVENTION; National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2000-03-31
Filing date: 2000-03-31
Publication date: 2001-10-10
Anticipated expiration: 2020-03-31
Also published as: JP3345644B2

Abstract

(57)【要約】【課題】マグニチュウド（リヒタースケール）６以下
の地震の前兆となる電磁界異常を検出し、異常電磁界の
発生場所を推定し、地震の発生の可能性と発生場所とを
予測することができる地震の前兆となる微少電磁界異常
の検出装置及びその検出方法と波源までの距離の推定方
法を提供することを目的とする。【解決手段】３０ｋＨｚ以下の電磁波を受信して増幅
し、フイルタに通して概略特定の周波数成分の信号に
し、該概略特定の周波数成分の信号をデジタルデータに
変換し、個々の過渡現象よりも長い予め決められた時間
に渡り該デジタルデータの平均値を求め、上記のデジタ
ルデータの平均値の時系列を取得することにより、バッ
クグラウンドノイズとなる連続波成分を相対的に減少さ
せる。また、受信した信号波形自体あるいはその振幅
を、計算値あるいは観測値と比較することにより、波源
までの距離を推定するものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、地震の前兆現象で
ある電磁界の異常を、電磁界観測に基づき検出し、地震
の発生の可能性と発生場所との予測を行なうことを可能
とする地震の前兆となる微少電磁界異常の検出装置及び
その検出方法と波源までの距離の推定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】地震の前兆の異常電磁界によるパルス性
の信号は、これまで数多く観測されており、地震の発生
を予知するためにこの異常電磁界による信号を明瞭に検
出することが求められている。この検出においては、文
献（高橋耕三、中国の地震前兆電波観測の現状と我が国
での観測法の提案、通信総合研究所季報、Ｖｏｌ．３
４、Ｎｏ．１７３、Ｄｅｃ．１９８８、ｐｐ．２４５−
２４９）に記述されている様に、従来は、地震前兆電磁
界の異常を、例えば、周波数１００Ｈｚ以上の電波で観
測する際は、受信電波を検波し、その検波信号の振幅を
平滑化していた。この場合は、検波することにより、パ
ルス性の信号あるいは雑音と連続波の信号あるいは雑音
とは区別なく加算されるため、地震前兆電磁界によるパ
ルス性の情報の多くは失われ、それよりも圧倒的に強い
人工雑音や遠雷による連続波の電磁界にマスクされて、
マグニチュウド（リヒタースケールのマグニチュウド
で、以下ではMと略記する）６程度以下の小規模の地震
の前兆となる電磁界異常による信号の検出は困難であっ
た。

【０００３】また、文献（芳野赳夫、ＶＬＦ以上の周波
数帯に於ける地震先行現象としての電磁界変動の震源地
中、及び上空に於ける電磁波励起機構の解明、Ｃｏｎｄ
ｕｃｔｉｖｉｔｙＡｎｏｍａｌｙ研究会１９９７年論
文集、１９９７年３月、ｐｐ．８２−８９）に記述され
ている様に、地震前兆電磁界を、例えば周波数１００Ｈ
ｚ以上の電波で観測する際でも、検波しないで観測する
ことも可能であるが、この場合も、パルス性の信号ある
いは雑音と連続波の信号あるいは雑音との特性の差があ
ったにも拘わらず、この点に着目して地震前兆となる異
常電磁界による信号を他の雑音から弁別するような手段
は講じられて来なかった。このため、検波しないで観測
する場合も、上記の検波した場合同様、Ｍ６以下程度の
小さい地震前の電磁界異常の検出は困難であった。

【０００４】また、本発明に比較的近い発明としては、
Ｕ．Ｓ．Ｐａｔ．Ｎｏ．（.アメリカ合衆国特許Ｎｏ）
４、８２５，１６５号公報がある。この公報に開示され
た発明では、特に図１に開示された構成が本発明に近
い。その開示された構成は、アンテナと、プリアンプ
と、フイルタと、特定の時間に渡り平均化作用のある整
流回路と、アナログデジタル変換器と、数値演算装置を
備えたものである。この公報には、特定の時間に渡り平
均化作用のある整流回路における平均化時間は、観測し
ている過渡現象が起こる時間よりも短い時間である旨記
述されている。一方、本発明においては、アンテナと、
アンプと、フイルタと、増幅器と、アナログデジタル変
換器と、数値演算装置を備えおり、信号の平均化処理を
以下に説明する様に行なう。特に、本発明の平均化処理
と、上記の発明のそれとは、信号の平均化時間の点で異
なっている。これは、信号の平均化時間は、上記の発明
の場合は、観測している過渡現象が起こる時間よりも短
い時間であるのに対し、本発明の場合は、個々の過渡現
象を直接観測するものでなく、個々の過渡現象の起こる
時間よりも十分に長い時間に渡り平均化するので、この
点において相異するものである。

【０００５】また、地震前兆電磁界の発生源から観測点
までの距離について、従来は、振幅の大きさから経験的
・主観的に、または、多点観測による位相差から求めて
いた。本発明においては、観測信号の波形から波源まで
の距離を求めるので、従来の方法との違いは明らかであ
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の地震の前兆とな
る電磁界異常の検出方法及びその装置では、パルス性の
信号あるいは雑音と連続波の信号あるいは雑音とは弁別
されずに取り扱われて来たため、小規模（Ｍ６以下）の
地震の前兆となる電磁界異常の検出は困難であった。ま
た、地震前兆電磁界の発生源から観測点までの距離につ
いて、従来は、振幅の大きさから経験的・主観的に、ま
たは、多点観測による位相差から求めていたため、正し
く推定していたとは言い難かった。

【０００７】この発明は上記に鑑み提案されたもので、
小規模（Ｍ６以下）の地震の前兆となる電磁界異常を検
出し、異常電磁界の発生場所を推定し、地震の発生の可
能性と発生場所とを予測することができる地震の前兆と
なる微少電磁界異常の検出装置及びその検出方法と波源
までの距離の推定方法を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に記載の発明は、地震の前兆となる微少電
磁界異常の検出装置であり、３０ｋＨｚ以下の電磁波を
受信するアンテナと増幅器とフイルタとアナログデジタ
ル変換器と数値演算処理装置とを備えた受信装置で、数
値演算処理装置は、個々の過渡現象よりも長い予め決め
られた時間に渡り該デジタルデータの平均値を求める処
理をする構成を有することを特徴としている。

【０００９】また、請求項２に記載の発明は、地震の前
兆となる微少電磁界異常の検出方法であり、３０ｋＨｚ
以下の電磁波を受信して増幅し、フイルタに通して概略
特定の周波数成分の信号にし、該概略特定の周波数成分
の信号をデジタルデータに変換し、個々の過渡現象より
も長い予め決められた時間に渡り該デジタルデータの平
均値を求め、上記のデジタルデータの平均値の時系列を
取得する事を特徴としている。

【００１０】また、請求項３に記載の発明は、地震の前
兆となる微少電磁界異常の波源までの距離の推定方法に
関しており、波源からの３０ｋＨｚ以下の電磁波を受信
し、受信した信号波形の、電磁界が正あるいは負の第一
の極値と、該第一の極値との位相がπずれたしかも反対
符号を持った極点の第二の極値の振幅との比を求め、予
め求めておいた波源までの距離と電磁界が正あるいは負
の第一の極値と、該第一の極値との位相がπずれたしか
も反対符号の極点の第二の極値の振幅の比との関係を用
いて、波源までの距離を求めることを特徴としている。

【００１１】また、請求項４に記載の発明は、地震の前
兆となる微少電磁界異常の波源までの距離の推定方法に
関しており、波源からの３０ｋＨｚ以下の電磁波を受信
し、受信した信号波形と予め求めておいた信号波形との
類似性を評価し、予め求めておいた信号波形を選択し、
予め求めておいた信号波形と波源までの距離との関係を
用いて、波源までの距離を求めることを特徴としてい
る。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明は、以下に説明する原理に
基づくものである。地震の前兆となる電磁界異常は、パ
ルス性信号あるいは雑音を発することが知られており、
人工の信号の多くは連続波であることから、本発明は、
パルス性信号あるいは雑音と、連続波の信号あるいは雑
音との特性の差に着目し、連続波を除去して、パルス性
信号あるいは雑音の一種である地震前兆電磁界を検出す
ることを特徴とするものである。以下に、電界を例に本
発明の理論的背景を説明する。

【００１３】これまでの観測から、地震前兆電界の変化
はパルス性であり、その発生は放電によるものと考えら
れている。この場合の、放電路の方向に沿った電界の変
化の振幅（位相項は省略）は次式で表されることが知ら
れている。

【数１】ここに、ｄｓは放電路長、Ｄは放電路から観測点までの
距離（放電路に垂直）、Ｑは放電量、μ。は透磁率、ｃ
は光速、である。

【００１４】数１で示される電界の変化の振幅を、各項
毎に図示すると図３のようになる。図３は、放電路の方
向に沿った電界の変化の振幅を示す図で、（ａ）は、数
１の第一項に対応するＤ^-3に比例する静電界であり、
（ｂ）は、数１の第二項に対応するＤ^-2に比例する誘導
電界であり、（ｃ）は、数１の第三項に対応するＤ^-1に
比例する放射電界を示す図である。

【００１５】上記の各電界の和である電界の波形は、伝
搬距離Ｄにより、図４のように変化する。図４は、放電
路の方向に沿った電界の波形が、伝搬距離Ｄにより変化
することを示す図である。図４で、遠距離になると数１
の第三項の放射電界が卓越するのは、遠距離になるとD
が大きくなるので上記の数１から当然のことである。

【００１６】ここで、正の電界強度（Ａ⁺）と負の電界
強度（Ａ^-）とに注目すると、次のことが言える。遠距
離にある波源からの信号では、比Ａ⁺／Ａ^-は、概略１に
等しい。しかし、近距離では、無限大に発散する。この
ことから、比Ａ⁺／Ａ^-は、波源までの距離を特徴付ける
パラメータである、と言える。

【００１７】また、比Ａ⁺／Ａ^-が無限大に発散する領域
では、波形自体から波源までの距離を求める。このた
め、この領域で波源までの距離を求めるには、いくつか
の代表的な距離に対する波形を数値計算により、あるい
は、測定値から求めておき、その波形と観測波形との比
較を行なうことによって観測した波形の波源までの距離
を求めることができる。また、上記のいくつかの代表的
な距離と波形との対応をとって、その間の距離を推定す
るためには、既にコンピュータグラフィクスの領域で良
く知られているモーフィング技法を使って、波形間の補
間を行なう。この方法により、比Ａ⁺／Ａ^-が無限大に発
散する領域でも、波源までの距離を求めることができ
る。

【００１８】また、１サイクル以上の成分を持つのは、
下記の理由による。放電により発生する電波は、単一の
周波数成分からなる電波ではなく、多数の周波数成分を
持った電波からなる波束（ＷａｖｅＰａｃｋｅｔ）で
ある。即ち、放電の際には、図３の（ｂ）、（ｃ）と同
じ波形で、異なった振幅と周期を持つ多くの電波が発生
する。このため、各周波数成分の各電波は互いに干渉し
あって、約２λ（ここに、λは波長）以上の伝搬距離で
は、その波形は１サイクル以上の成分を持ち、図４のよ
うになる。

【００１９】また、一般に、複数の周波数帯で観測すれ
ば、観測周波数帯の数に応じて伝搬距離の推定精度が上
がる。さらに、複数の観測点で観測することにより、そ
の発信源をよく知られた方法で求めることができる。こ
れは、各観測点を中心とし、距離を半径として円を描
き、その交点を発生点と推定する方法である。ただし、
観測点が２点の場合は、一意的には求まらない。

【００２０】以下、本発明の方法を、上記の原理を基に
説明する。人工雑音の多くは減衰振動する連続波であ
り、その長時間に渡る時間積分は図１（a）のように零
となる。また、パルス性雑音も、図４に示す様に、約５
λ以上離れると、減衰する連続波となり、この場合もま
た、その時間積分は図１（a）のように零となる。ま
た、５λ以内の近距離からのパルス性雑音であっても、
家電機器のモーターやスイッチでの放電から発する雑音
の様に、独立した類似の多数の雑音が発生している場合
は、個々の波形は図１（ｂ）のように時間積分が零にな
らなくても、負に大きく振れる波形と、正に大きく振れ
る波形の数はほぼ等しいことが多いから、近距離の家電
機器等からの総合的なパルス性雑音も、ある程度の時間
にわたって積分すれば、その積分値は零に近づく。

【００２１】一方、地震前のパルスは、ほぼ同時に発生
するのではなく、時系列的に発生することが良く知られ
ており、その地震前のパルスの発生は、正に振れる波形
か負に振れる波形かであり、それぞれが偶発的なもので
なく、一連のメカニズムで発生すると推定される。震源
域から約４λ以内の地震の前兆となる単一のパルス波形
は図１（ｂ）の様に、負または正に大きくずれて、その
積分値は零でないが、複数のパルス波形を含む積分値も
零でなくなる。これは、震源域から約４λ以内でおこ
り、例えば、３ｋＨｚで観測している場合は、震源域ま
での距離が４００ｋｍ以下ならば、この様な波形が観測
される。

【００２２】なおパルスの頻度については、例えば、北
海道東方沖地震（１９９４年１０月４日発生、Ｍ＝８．
１）の際には、１秒間に数回の頻度でパルス性の信号あ
るいは雑音が観測されており、他の地震の場合でも、地
震前の震源域では、１秒間に数回程度の頻度で放電が起
きているものと推定されている。

【００２３】上記の現象は、文献（佐尾和夫、空電、成
山堂書店、１９８１年、ｐｐ．１５−１７）に記載され
ている雷放電による電界の観測の場合に類似している。
雷の観測では良く知られている様に、雷放電による電界
は、波源が遠く、波長の約５倍以上の距離にある遠雷で
は、受信電界は交流の輻射電界が支配的となり、積分値
は零に近づく。これとは逆に、波源が近く、波長の約４
倍以下の距離にある近接雷では、受信電界はパルス状の
誘導電界が支配的で、前述の積分値は零とならない。近
接雷では、積分値は零とならないが、雷の電界のパルス
幅が約１０μｓであるから、例えば１５分＝９００秒間
の積分値の時間平均は、最大値の約１億分の１になる。

【００２４】以下、本発明の実施の形態を図面に基づい
て説明する。図２は地震の前兆となる微少電磁界異常の
検出装置１００である。

【００２５】アンテナ１で受信された電界は、フイルタ
２及び増幅器３で、特定の周波数帯のみが増幅され、ア
ナログデジタル（ＡＤ）変換器４でデジタル信号に変換
され、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）５に読み込まれ
処理される。即ち、電界は、ＰＣ５で一定時間毎、例え
ば約１５分間毎に、時間積分され、正負の面積が等しい
連続波は除去され、近距離（約４λ以下の距離）のパル
ス性雑音のみが記録され、必要に応じて、記録媒体６に
出力される。この他、処理結果は、デジタルアナログ
（ＤＡ）変換器７に入力され、その出力はアナログレコ
ーダ８に記録される。

【００２６】以下に第一の実施形態として、上記の図２
に示した装置を用いた第一の観測例を示す。観測周波数
帯は８０Ｈｚ〜１０ｋＨｚ、ＡＤ変換器のサンプリング
レートは２５ｋＨｚ、アンテナは垂直微小ダイポール
で、素材はチタン、素子アンテナの長さは５１５ｍｍで
ある。この装置の感度は、０．２５ｍＶ／ｍであった。
この装置の設置された観測点は北緯３５゜４２´、東経
１４０゜５１´、高度は約６０ｍである。１９９９年３
月１日〜２日（ＵＴ）に渡る観測により、図５に示した
波形を得た。図５の縦軸は下の数２により積分された値
に比例する値、横軸は時刻である。

【数２】ここに、Ｅ（ｘ）はアンテナ位置での垂直電界、ｔは時
刻で、上式は電界を９００秒間積分することを示す。ま
た、図５において、大きく負側に落ち込んだ波形が現れ
ることが、地震の前兆だと考えられ、これに対応する地
震の、発生時刻は１９９９年３月２日０７時１２分（Ｕ
Ｔ）であり、震源は北緯３５゜４０´、東経１４２゜０
４´、深さ約６８ｋｍ、マグニチュウド（リヒタースケ
ール）は６．２である。ここで、上記の積分は９００秒
に限る必要はなく、１ｍ秒から６０分程度まで状況に応
じて最適な値を設定するのが望ましい。

【００２７】また、第二の実施形態として、この装置を
用いて、１９９８年１１月２３日〜２４日（ＵＴ）に渡
り観測した第二の観測例を説明する。この観測により得
られた波形を図６に示す。図６においても、大きく負側
に落ち込んだ波形が現れることが、地震の前兆だと考え
られ、これに対応する地震の発生時刻は１９９８年１１
月２４日０５時３５分（ＵＴ）であり、震源は、北緯３
５゜５９´、東経１４１゜４１´で、深さ約３３ｋｍ
で、マグニチュウド（M）は４．６である。この様に、
従来の装置では困難であったマグニチュウド（M）6以下
の地震の前兆となる微少電磁界異常の検出が、本発明に
よって可能になった。

【００２８】次に、第三の実施形態として、波形から、
波源までの距離を求めることについて説明する。図７
は、波源の同じ信号を波崎、千倉、相良の各地点で観測
した電界の変化を示す図である。これらの信号の開始点
の時間差から、波源と波崎、千倉、相良の各地点との距
離は、それぞれ７０ｋｍ、７０ｋｍ、１９０ｋｍである
ことが分かっている。上記したように、比Ａ⁺／Ａ^-が波
源までの距離のパラメータになることは、図８から分か
る。図８は、比Ａ⁺／Ａ^-を横軸に、波源までの距離を縦
軸にとって、図７のデータからの値をプロットした図で
ある。この図においては、プロット数は充分とは言えな
いが、さらにプロット数を増やして最小二乗法により補
間式を得ることにより、推定精度を改善する事が可能で
ある。

【００２９】また、本発明は、上記の前兆となる微少電
磁界異常の検出以外の利用目的でも用いる事ができるこ
とは明らかである。例えば、一般的なパルス性雑音の検
出と、発生源の推定に適用できることは明らかであり、
特に例えば、雷の発生の検出と、発生場所の推定にも用
いる事ができる。

【００３０】

【発明の効果】この発明は上記した構成からなるので、
以下に説明するような効果を奏することができる。

【００３１】請求項１および２に記載の発明では、３０
ｋＨｚ以下の電磁波を受信して増幅し、フイルタに通し
て概略特定の周波数成分の信号にし、該概略特定の周波
数成分の信号をデジタルデータに変換し、個々の過渡現
象よりも長い予め決められた時間に渡り該デジタルデー
タの平均値を求め、上記のデジタルデータの平均値の時
系列を取得する事を特徴とする方法及び装置を開示した
ので、圧倒的に強い人工雑音や遠雷の電磁界にマスクさ
れてこれまで検出の困難であったマグニチュウド６程度
以下の小規模の地震の地震前兆電磁界による情報を得る
ことができる様になり、従って、M＝６以下の一部の地
震にたいしては、電磁界の異常を検出して地震の予知を
行なうことができるようになった。

【００３２】また、請求項３に記載の発明では、波源か
らの３０ｋＨｚ以下の電磁波を受信し、受信した信号波
形の振幅を、計算値あるいは観測値と比較することによ
り、波源までの距離を推定できるようになった。

【００３３】また、請求項４に記載の発明では、請求項
３の方法により波源までの距離を推定できないほど近距
離に有る波源までの距離を、波形の特徴から推定できる
ようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】連続波を時間積分したときと地震前兆電波を時
間積分したときの差を説明するための図であり、（ａ）
は比較的遠距離に有る波源からのパルス信号波形で、
（ｂ）は比較的近距離に有る波源からのパルス信号波形
でる。

【図２】微少電磁界信号の検出装置のブロックダイアグ
ラムを示す図である。

【図３】放電路の方向に沿った電界の変化の振幅を示す
図で、（ａ）は、数１の第一項に対応するＤ^-3に比例す
る静電界を、（ｂ）は、数１の第二項に対応するＤ^-2に
比例する誘導電界を、（ｃ）は、数１の第三項に対応す
るＤ^-1に比例する放射電界を示す図である。

【図４】放電路の方向に沿った電界の波形が、伝搬距離
により変化することを示すための図である。

【図５】第一の観測例を示す図である。

【図６】第二の観測例を示す図である。

【図７】波源の同じ信号を波崎、千倉、相良の各地点で
観測した電界の変化を示す図である。

【図８】比Ａ⁺／Ａ^-を横軸に、波源までの距離を縦軸に
とって、観測値からの値をプロットした図である。

【符号の説明】

１アンテナ２フイルタ３増幅器４ＡＤ変換器５パーソナルコンピュータ（ＰＣ）６記録媒体７ＤＡ変換器８アナログレコーダ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者田中正利千葉県銚子市天王台10033番地 (72)発明者川合栄治茨城県鹿嶋市平井1359−12−321 (72)発明者高橋耕三東京都東久留米市滝山７−14−７ (72)発明者手島輝夫福島県双葉郡川内村大字下川内字貝ノ坂20 (72)発明者藤縄幸雄茨城県土浦市中村南６−５−１Ｆターム(参考） 9A001 HH35 JJ73 KK19

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】３０ｋＨｚ以下の電磁波を受信するアン
テナと増幅器とフイルタとアナログデジタル変換器と数
値演算処理装置とを備えた受信装置で、数値演算処理装
置は、個々の過渡現象よりも長い予め決められた時間に
渡り該デジタルデータの平均値を求める処理をする構成
を有することを特徴とする、地震の前兆となる微少電磁
界異常の検出装置。
【請求項２】３０ｋＨｚ以下の電磁波を受信して増幅
し、フイルタに通して概略特定の周波数成分の信号に
し、該概略特定の周波数成分の信号をデジタルデータに
変換し、個々の過渡現象よりも長い予め決められた時間
に渡り該デジタルデータの平均値を求め、上記のデジタ
ルデータの平均値の時系列を取得する事を特徴とする地
震の前兆となる微少電磁界異常の検出方法。
【請求項３】波源からの３０ｋＨｚ以下の電磁波を受
信し、受信した信号波形の、電磁界が正あるいは負の第
一の極値と、該第一の極値との位相がπずれたしかも反
対符号を持った極点の第二の極値の振幅との比を求め、
予め求めておいた波源までの距離と電磁界が正あるいは
負の第一の極値と、該第一の極値との位相がπずれたし
かも反対符号の極点の第二の極値の振幅の比との関係を
用いて、波源までの距離を求めることを特徴とする波源
までの距離の推定方法。
【請求項４】波源からの３０ｋＨｚ以下の電磁波を受
信し、受信した信号波形と予め求めておいた信号波形と
の類似性を評価し、予め求めておいた信号波形を選択
し、予め求めておいた信号波形と波源までの距離との関
係を用いて、波源までの距離を求めることを特徴とする
波源までの距離の推定方法。