一種基於共振包波譜監測數據的地震預測方法與流程
2023-04-27 05:04:36
本發明涉及地震預測預報技術領域，具體地，涉及一種對被監測到的地震前兆信息進行處理的技術，進而預測地震震中、震級和發震時間，並及時在地震發生前進行預警的方法。
背景技術：
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地震是人類千百年來最嚴重的自然災害，人類迫切地希望能夠預報地震。儘管有極少數的地震曾經被預測和預報，但絕大多數的地震仍然無法預測或預報，地震總是不期而遇。
直到錢復業、趙玉林、趙璧如等人發明了HRT波地震預報監測系統(申請號：200820000524.0)，又稱PS100地電儀，通過地電阻率、地電場的測量，利用引潮力產生的諧振共振波(HRT波)，預測地震三要素(震中、震級和發震時間)。PS100地電儀監測到的前兆波是屬於潮汐波，波速低，如快波速度也只有323km/h。該處理技術並非普適性技術，例如不適用於地磁監測到的地震前兆信息的處理。
但是上述方法，由於存在著理論困難，信號不易識別等諸多問題，仍然沒能從根本上解決地震預測的問題，並且，當有多個地震發生時，更是無法識別究竟是從那個震源發出的。
技術實現要素：
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針對上述背景技術所存在的問題，本發明以地震結構爆裂動力學理論，和地震前兆流體動力學理論為基礎進行研究，其中地震前兆流體動力學理論包含磁流體動力學理論。進而提出了一種基於共振包波譜監測數據的地震預測方法。
為此，本發明採用的技術方案是：一種基於共振包波譜監測數據的地震預測方法，包括：
在全球各地建立監測前兆臺，並將各個監測前兆臺通過網絡新信號連成一個整體，連續採集各個監測前兆臺對所在區域產生的共振包的監測數據，所述的共振包包括潮汐波共振包、地磁波共振包、應變波共振包；
利用共振波的波形特徵，將該區域採集到的各條共振波聚合繪製成共振包波譜，同時記錄下各條共振波中快波和慢波分別到達監測前兆臺之間的時間差；
通過計算共振包中各條共振波的周期來預測地震級別，通過共振波的成長波形來預測發震時間，通過共振波中快波和慢波之間的時間差來確定震中距；
將各個監測前兆臺所確定的震中距繪製成對應的直線，各條直線的交匯處即為預期發生地震的震區中心，進而及時發出預警通告；
將各個監測前兆臺採集到的共振包波譜的數據，結合每條共振波中快波和慢波之間的時間差所形成的序列，確定震中距的序列，根據序列的大小進而預測群震，及時發出預警通告。
進一步採取的措施是：所述的潮汐波共振包根據其出現時間和成長時間，計算未知地震的發震時間的步驟具體包括：
從出現潮汐波共振包的當天算起，未知地震的發震時間符合整數規則，將出現第六個潮汐波共振包的當天作為未知地震的發震時間。
優選地，還包括：根據所述的地磁波共振包根據其出現時間和成長時間，計算未知地震的發震時間的步驟具體包括：
從出現地磁波共振包的當天算起，未知地震的發震時間符合整數規則，將出現第六個地磁波共振包的當天作為未知地震的發震時間。
優選地，還包括：根據所述的應變波共振包根據其出現時間和成長時間，計算未知地震的發震時間的步驟具體包括：
從出現應變波共振包的當天算起，未知地震的發震時間符合整數規則，將出現第六個應變波共振包的當天作為未知地震的發震時間。
具體地，所述的共振包波譜呈W/M的波形曲線形態。
所述的快波為傳播速度較快的地磁波，地磁波的傳播速度介於3964km/h——9638km/h。
所述慢波為傳播速度較慢的潮汐波，潮汐波的傳播速度介於126km/h——323km/h。
進一步的措施是，還包括：結合衛星紅外監測數據、氣象因素、水位異常因素和/或同位素異常因素，計算未知地震的震中、震級、發震時間和預警時間。
磁流體動力學是研究等離子體等導流體與電磁場的相互作用的物理學分支。磁流體力學將等離子體作為連續介質處理，要求其特徵尺度遠遠大於粒子的平均自由程、特徵時間遠遠大於粒子的平均碰撞時間，不需考慮單個粒子的運動。由於磁流體力學只關心流體元的平均效果，因此是一種近似描述的方法，能夠解釋等離子體中的大多數現象，廣泛應用於等離子體物理學的研究。更精確的描述方法是考慮粒子速度分布函數的動理學理論。磁流體力學的基本方程是流體力學中的納維-斯託克斯方程和電動力學中的麥克斯韋方程組。
流體動力學是流體力學的一個分支，研究作為連續介質的流體在力作用下的運動規律及其與邊界的相互作用。廣義地說，研究內容還包括流體和其他運動形態的相互作用。流體動力學與流體靜力學的差別在於前者研究運動中的流體；流體動力學與流體運動學的差別在於前者考慮作用在流體上的力。流體動力學包括液體動力學和氣體動力學兩大部分。它的研究方法也和流體力學一樣有理論、計算和實驗三種。三種方法取長補短，相互促進。
潮汐波又稱畸形波，是指由由太陽、月球及其他天體的引潮力作用而產生潮汐現象所產生的地球表面的周期性波動。
地磁波是指地球磁場放射出來的放射波，是一種地球所具有的磁性現象，羅盤指南和磁力探礦都是地磁的利用。
應變波是指地應力向外放射出來的應力波，地應力是在漫長的地質年代裡由於地質構造運動等原因使地殼物質產生了內應力效應，這種應力稱為地應力，它是地殼應力的統稱。
本發明充分結合地震結構爆裂動力學理論和地震前兆流體動力學理論，在此基礎上識別地震三要素的信號，任何足以記錄到地震前兆信息的手段，都可以在不同精度和速度上提取到振幅、共振周期等信號。不容易發生誤判，即使有多個地震發生，也能較為準確地識別共振包並獲取究竟是從哪個震源發出的，進而及時進行預報，顯著提升了地震預測和預報的準確性。
附圖說明：
圖1為本發明的方法流程圖；
圖2為2016-01-24阿拉斯加地震前四個監測前兆臺監測到的共振包波譜變化曲線圖；
圖3為2016-01-24阿拉斯加地震的震中源示意圖；
圖4為2016-02-12紐西蘭地震的震中源示意圖；
圖5為2016-04-10監測到的環太平洋地震的群震示意圖。
具體實施方式：
下面結合具體實施例和附圖對本發明進一步說明。
本發明的理論基礎，是把地震看作是地球釋放能量的窗口。地震過程劃分為能量積累、能量觸發和能量爆發三個階段；地震能的儲體是包體，類似於油氣儲體；地震爆發需滿足力學條件，就是地震結構體(包體)的壓力必須超過覆蓋它的巖層的斷裂強度與重力之和；地震包體有其固有的屬性，例如振動周期，振動頻率；地震結構體的能量積聚主要源於其下方，包含深層地殼、地幔，殼幔的構造，它們的包體破裂、高壓高溫流體輸運而輸入的能量，月球和太陽同地球相互作用產生的作用能，也是一方來源，其它遠源作用影響甚微，其對前兆信息的貢獻可以忽略；當地震包體的能量達到臨界狀態，能量的輸入將引起原有裂紋的擴大，產生新的裂紋或是缺陷，於是會產生破裂流和伴生的破裂波；包體的輸入波同包體的破裂波相互疊加，產生共振波，能量強度大幅增加，共振波的周期和頻率均反映包體的固有屬性；地震結構體(包體)不同，共振波的結構也不同，如同化合物不同，紅外光譜不同，如同藉助紅外特徵譜識別不同的化合物那樣，同理，藉助不同的共振波譜稱之為地震包體的「共振包波譜」，進而識別地震構造；地震的三要素——震中、震級、發震時間，以及震源深度，都深藏在共振包波譜之中。共振包內包含的物質是流體，有水，以及其它礦物質，可以看作含等離子體的流體，供能體的破裂和爆裂，共振包的破裂，以及爆裂，由於形成高壓、高溫和高速流動，因而伴生高強度的應力場、電場和磁場的擾動，中心場形成衝擊波，傳遍全球，因而可以被多種前兆儀器監測到，如電測儀器(電阻儀、電位儀、電流儀)，磁測儀器(磁力儀)，力測儀器(應力計、加速度計)，以及其它的儀器(水溫計、地震儀)，地震時高速流動產生的熱和電磁場，亦會向太空輻射，同樣也將被衛星等相應的技術手段監測到。
地震能的釋放需要通道，類似於地下核爆炸存在爆炸煙囪，地震爆發通道的開始形成是地震進入觸發階段的標誌。該通道的最後開通即是地震的爆發，這個時間很短，通常只有數十秒，或是幾秒。地震包體的面積很大，涉及數十，乃至數千平方千米，厚度很薄。而高壓高溫流體的輸入，時間比地震爆發的時間還要短，往往只有數秒。因此，進入地震包體的高壓流體，對於包體的作用，爆炸煙囪形成以及地震的爆發，都是衝擊波。經研究發現，這些波向外傳播的均是衝擊波共振波，具有對應的相等的共振周期。如今已經可以藉助先進的地震前兆監測儀監測到這些共振波。地震運動極其複雜，地震科學發展到今天，理論和監測手段均已成熟；地震的預測預報已經建立在物理定律的基礎上；人類對地震的科學預測和預報已經成為可能了。
由於地磁、地電和地應力等異常擾動主要地同地震活動相關，地震前兆波是地幔(殼幔)包體爆裂後向地震結構包體輸送含等離子體的能流，引起地震包體的破裂和塌縮，進而產生共振波，包括潮汐波、地磁波、應變波，匯合形成共振包，以加載波(即快波)和卸載波(即慢波)的形式向外圍介質傳播。無論是地電阻率或是地電場、地磁場，它們的跳躍式變化，也就是所謂的「異常擾動」，均是地震結構體在外源作用下所形成的共振包波譜，共振包波譜呈W/M的波形曲線形態。它們是地震結構體的特型體，地震結構體不同，共振包波譜也不同，在傳播過程中，由於受到障礙物的作用，會發生畸變，但基本形態不變，共振包波譜內潛藏著地震震級、震中和發震時間的信息，及至震源深度的信息等。
地震預報問題的實現，首先需要從理論上突破，揭開地震的機理，破解HRT波的本質，建立以科學的物理模型和數學模型為基礎的識別和預測方法，為了解決現有技術中存在的信號識別能力差，地震預測準確度低的問題，結合圖1所示，本發明提出了一種基於共振包波譜監測數據的地震預測方法，包括以下內容：
在全球各地建立監測前兆臺，並將各個監測前兆臺通過網絡新信號連成一個整體，連續採集各個監測前兆臺對所在區域產生的共振包的監測數據，所述的共振包包括潮汐波共振包、地磁波共振包、應變波共振包；
利用共振波的波形特徵，將該區域採集到的各條共振波聚合繪製成共振包波譜，同時記錄下各條共振波中快波和慢波分別到達監測前兆臺之間的時間差；
通過計算共振包中各條共振波的周期來預測地震級別，通過共振波的成長波形來預測發震時間，通過共振波中快波和慢波之間的時間差來確定震中距；
將各個監測前兆臺所確定的震中距繪製成對應的直線，各條直線的交匯處即為預期發生地震的震區中心，進而及時發出預警通告；
將各個監測前兆臺採集到的共振包波譜的數據，結合每條共振波中快波和慢波之間的時間差所形成的序列，確定震中距的序列，根據序列的大小進而預測群震，及時發出預警通告。
所述的潮汐波共振包根據其出現時間和成長時間，計算未知地震的發震時間的步驟具體包括：
從出現潮汐波共振包的當天算起，未知地震的發震時間符合整數規則，將出現第六個潮汐波共振包的當天作為未知地震的發震時間。
所述的地磁波共振包根據其出現時間和成長時間，計算未知地震的發震時間的步驟具體包括：
從出現地磁波共振包的當天算起，未知地震的發震時間符合整數規則，將出現第六個地磁波共振包的當天作為未知地震的發震時間。
所述的應變波共振包根據其出現時間和成長時間，計算未知地震的發震時間的步驟具體包括：
從出現應變波共振包的當天算起，未知地震的發震時間符合整數規則，將出現第六個應變波共振包的當天作為未知地震的發震時間。
所述的共振包波譜呈W/M的波形曲線形態。
所述的快波為傳播速度較快的地磁波，地磁波的傳播速度介於3964km/h——9638km/h。
所述慢波為傳播速度較慢的潮汐波，潮汐波的傳播速度介於126km/h——323km/h。
還包括：結合衛星紅外監測數據、氣象因素、水位異常因素和/或同位素異常因素，計算未知地震的震中、震級、發震時間和預警時間。
本發明首先需要確定異常擾動信號的歸屬問題。電場信號和磁場信號，均起源于震源，因此具有相似的臉譜。確定磁場擾動信號的歸屬和地震三要素的基本方法和步驟如下：
一、歸屬和震中
1、判識擾動信號的波譜，也就是W/M的基本構型(波形)；
2、讀取該特徵波的快波到達各個監測站的時間(tk)，如果接近相等，便初步確定這一擾動的波源；時間愈是接近的範圍，便是震源的範圍；
3、計算磁場強度，劃分震區範圍，震中一般處於磁強高的區位；
4、觀察波譜的相位，正相和反相，震中一般位於正反相之間的經線或是緯線之間；
5、讀取快波和慢波到達各個檢測前兆臺的時間差(波時差Δt)，由此計算出發出擾動的波源(震中)到該站的距離(震中距ΔX)；由多個監測站的震中距作匯圖，它們交匯之處，便是震中。
二、震級
對於已經確定歸屬的地震共振包，讀取其共振周期，便可以依據震級-共振周期公式，計算震級。
三、地震爆發時間
對於已經確定歸屬的地震共振包，從最初出現的那天起算，地震約在第7天爆發；地磁共振包波圖最為神奇處，地震能量釋放通道，即爆炸煙囪，從共振包出現開始，共振包波譜的W/M的波形曲線形態會隨這時間成長而越長越高，約在地震前一天形成尖角，隨後出現高頻共振波，預示地震將在數小時後爆發。
四、群震
慢波到達觀測站，通常是多個地震形成的簇。在快波傳播過程中，遇到慢波將發生疊加，振幅出現大幅度增加(正相)，或是減小(反相)。無論快波或是慢波，共振周期是相等的。利用波時差簇，可以預測群震。
本地震前兆的臉譜技術，非常適合採用電子計算機，特別是群震臉譜的識別和計算，採用計算機比之普通計算器計算，既快又準，效率高。
實施例一、
阿拉斯加地震(2016-01-24-10:30:3059.658/-153.452)(7.1級)。圖2所示即為阿拉斯加地震前出現的共振包波譜示意圖。
磁場強度
2016-01-20，鄰近的三個臺站，出現高磁場強度：BRW(H)，1078NT；DED(H)，898.2NT；CMO(H)，1295NT。這樣高的磁場強度是相當罕見的。因此判定阿拉斯加地震一定會爆發。
震級和發震時間
地震震級：由01-20波圖，求得共振周期2.035h，依周期-震級公式，算得7.157級。本方法預測時，定為7.2級。
美國地磁臺，2016-01-16，已經出現阿拉斯加地震的前兆信號，20日出現超強信息，估計這一地震將在24或25日爆發。
7.1級的阿拉斯加地震，於2016-01-24-10:30:30爆發，震中為59.658/-153.452。
阿拉斯加(01-24)7.1級地震的「源」。阿拉斯加地震已經被預測到。依據磁強波圖，讀取波時差後，計算出震中距，這樣便獲得了源圖，見圖3所示。
依據多個地震的源圖，經系統處理，獲得了地磁共振波快慢波速的結果：
快波速度——9368km/h；慢波速度——3964km/h。比潮汐波共振包的波速快得多，潮汐波共振包對應的波速為323km/h、128km/h。
實施例二、
按照共振包波譜的W/M技術，2016-02-12對紐西蘭將要發生的地震進行了預測：震級6.4；震中-46.5/163；爆發時間初七至初九。預測的紐西蘭震中位置，見圖4所示。
紐西蘭地震於2016-02-15(農曆大年初八)爆發，震級6.2，震中-49.1/164.5。預測同實際很接近。依據震前6.843h的共振包圖進行計算，震級應為6.295級。可見，於地震前一天，震中位置已經完全確定，依各要素計算後更加接近實際情況。
實施例三、
2016年-04-10，對環太平洋地震進行為期一周的預測，這些地震將在一周內爆發。這些地震的震級，大於或約等於5級以上的地震，震中位置如圖5所示。對於一些信號強的地震進行了重點計算，如緬甸地震，預測震中為21N/96E；震級6.6-7.1。緬甸地震於2016-04-13-13:55:17爆發，震級7.2(中國)，6.9(美國)；震中23.1N/94.9E。預測日本地震的震中為30N/133E，震級7.1級；日本地震，2016-04-1516:25:06，爆發，震級：美國7.0，中國7.3；震中32.8N/130.7E。4月15日，靠近南美的美國地磁臺，BOU,FRD,BSL,SJG，均出現了強地磁信號，尤其BSL和SJG最強，預測震中的經度應在這兩個地震臺之間，後經證實，所標示的地震都在一周內爆發了。
本發明的基於共振包波譜監測數據的地震預測方法，還具有以下優點：
(1)以建築在物理力學定律的地震理論作為指導，即使是單一監測手段，例如PS100地電儀，亦可以對地震的震中、震級、發震時間作出預測預報，可以在不同精度上提取到振幅、共振周期等信號，而匯集于波源，不容易發生誤判，顯著提高了地震預測的可靠性，實現防災、減災的目的。
(2)本發明的技術方法，所獲取的共振包信息可以覆蓋全球，有利於形成全球的信息共享，實現共同防治地震災害，造福人類。