地震預測監測交變電磁場觀測臺網的製作方法
2023-12-09 17:46:01
本發明涉及地震預測技術領域,尤其是地震預測監測交變電磁場觀測臺網。
背景技術：
我國地處全球兩大地震帶之間，地震活動頻度高、強度大、震源淺、分布廣，是世界上震災最嚴重的國家之一。據統計，20世紀全球共發生7級以上(含7級)大地震1700多次。
世界各國都在對地震的預測進行堅持不懈地研究。我國從1966年邢臺地震後開始進行地震監測預測研究，其中地球電磁法是重要的地球物理方法，用於地震監測的方法包括：直流電阻率測深法監測、地磁場監測和地電場監測等。
儘管至今尚沒有利用交變電磁場開展地震監測的臺網，但通過流動觀測或臨時的個別測點觀測等，在交變電磁場頻帶範圍已經發現大量異常現象。例如，①最早報導的1971.2.9美國南加州6.4級地震前，大地電磁2個測點的視電阻率變化達60％，周期範圍為0.01～1000s(reddyetal,1976)；
②前蘇聯利用mhd(磁流體發電機原理)方法在伏龍芝實驗場觀測發現,一次4.5級地震前約1個月左右，頻率範圍為8～0.1hz的視電阻率開始減小，震後恢復。
③利用大地電磁流動和重複觀測，對青海共和、甘肅肅南等幾個地震的監測表明，在8.0～0.001hz頻率範圍的視電阻率在地震前後發生了變化。
④通過2個測點的大地電磁觀測表明，在1998年1月10日張北6.2級地震前、後頻率為5～0.5hz範圍的視電阻率出現異常變化，震後回復。
⑤1970.3.30，ogo-6衛星經過一次地震上空時，發現頻率為467、216和100hz的磁場分量出現了脈衝異常。
⑥通過對衛星電磁觀測數據統計，經分析853次地震事件的觀測數據，發現地震事件和異常現象相關的達81％，數據頻率範圍在幾十赫茲到十幾千赫茲。
現有技術---直流電阻率測深法
技術方案：直流電阻率測深法借鑑礦床勘探的電測深方法，在全國已布置了數十個臺站。如圖1，它是通過ab兩端的電極，向地下發送直流電流，通過mn測量電壓值，利用觀測裝置係數，獲得地下的電阻率。研究電阻率隨時間的變化，進行地震監測預測。
缺點：1)由於受地下高阻層屏蔽，勘探深度淺，其反映的地下構造僅幾百米深度，達不到大多數淺源地震10多公裡的深度；2)只能監測地下電阻率變化，不能監測空間電磁場變化；3)觀測的是直流的恆定場，不能觀測交變場；4)往往受到季節變化、天氣變化和場地內接地金屬性設施等非地震因素的影響；5)其直流發射信號源天線ab長度在1km以上，設備笨重、運維困難，並容易對地震臺站其它觀測手段產生影響。
現有技術二--地磁場觀測
技術方案：地磁場觀測利用傳統的地磁觀測方法，也在全國布設了數十個觀測臺。地磁觀測分兩類，一類是觀測基本場，即觀測地球的絕對磁場，主要用於全球地磁場的研究。另一類是利用磁通門儀器觀測變化磁場，但是頻率範圍低，最高採樣率為1hz或者60秒。通過觀測地磁場隨時間的變化，研究地震異常現象。
缺點：1)觀測的是絕對場或者是很低頻帶的磁場，沒有包括出現很多地震異常現象的高於1hz的頻帶範圍的交變電磁場；2)地磁觀測少有分析隨時間變化的交變場成分及其頻譜，且主要反應的是地面以上的磁場，對地下電性及其變化不靈敏；3)由於沒有同步觀測電場，不能監測地下的阻抗或電阻率及其變化；4)由於磁場信號主要來源於地球以上的磁層和電離層，隨機性變化特點明顯，且由於受到其他幹擾影響，往往掩蓋了地震活動引起的異常的識別。
現有技術三--地電場方法
技術方案，近些年在一些地震臺站建設了地電場方法，它是觀測具有一定距離的兩個電極之間的自然電場或電壓，其觀測裝置與圖1的mn測量裝置相似。測量的信號是天然源場，主要是由磁場變化產生的地球感應電場，不同於直流電阻率法觀測人工源信號。觀測信號的最高採樣率1hz，我國地電場臺站通常使用的是分鐘值，有效信號頻帶範圍低於1hz.通過研究觀測電場隨時間的變化，研究地震預測監測。
缺點；1)觀測研究頻率很低的電場，沒有包括已發現很多地震異常高於1hz的交變電磁場；2)由於沒有觀測磁場，所觀測的電場在很大程度上受到地球以上電磁場源影響，對地下電性變化反映不夠靈敏；3)觀測的電場隨機性較強，易受幹擾，影響了地震異常現象的識別；4)由於只觀測電場，無法判別觀測的信號是觀測系統本身產生的還是由於外場的變化造成的。
現有技術四—單點大地電磁流動觀測
技術方案：在美國、中國等利用單個臺站或少數臺站，進行某時間段或流動大地電磁觀測。該方法觀測5個(相互正交的2個水平電場和2個水平磁場分量，以及1個垂直磁場分量)或4個電磁場分量(觀測2個相互正交的水平電場和2個水平磁場分量)的天然源電磁場(圖2)。通過對交變電磁場的頻譜分析得到電磁場的頻譜，進而得到反映低下電性的阻抗和視電阻率等。主要目的是觀測臺站所在區域的地下電阻率變化，研究地震可能引起的地震異常現象。
缺點：1)這些臺站是流動的觀測點，一段時間內進行重複觀測，沒有連續觀測；2)觀測點很少，一般只有一、兩個測點；3)僅觀測天然原信號，容易受到人類活動引起的電磁場幹擾，不利於對可能與地震有關的異常的識別；4)只研究地下電阻率等電性參數的變化，不關注來自空間和地下的電磁場的變化。
技術實現要素：
針對上述現有技術中存在的不足，本發明的目的在於提供一種預測效果顯著的地震預測監測交變電磁場觀測臺網。
地震預測監測交變電磁場觀測臺網，包括電離層、大功率人工源電磁場信號發射源、波導層和臺網，所述人工源電磁場信號發射源和臺網均布設在地球的表面上，所述波導層位於電離層與地球之間，當地震發生時，地震活動激發的電磁場傳播到地面，震源區的電性如電阻率也發生變化，通過在地面的臺網觀測震源區的激發電磁場異常和地下電阻率異常，可以綜合立體分析異常的特點，識別異常的真偽，利用大功率的人工源信號，可以明顯壓制其它幹擾因素的影響。
優選地，所述臺網由若干個臺站組成，其中若干個臺站分布可以是規則的，也可是任意形狀的，或者依據地震分布或構造活動性進行布設。
優選地，所述臺站的接收設備可布置在地震臺站內，也可在地震臺站外的其它地方或者在需要時在空白區觀測。
優選地，所述臺站包括電磁場觀測儀、太陽能電池板、觀測室和觀測量，所述觀測量包括南北向的電場(ex)、磁場(hx)分量，東西向的電場(ey)、磁場(hy)分量和垂直磁場分量(hz)；所述觀測室內設置有觀測主機。
優選地，所述太陽能電池板為電磁場觀測儀提供電源，所述電磁觀測儀通過電纜線連接觀測主機。
優選地，所述南北向的電場(ex)、磁場(hx)分量，東西向的電場(ey)、磁場(hy)分量和垂直磁場分量(hz)均通過電纜線連接電磁觀測儀。
優選地，所述電磁場觀測儀所得到的天然源電磁場有效頻率範圍大於1000～0.001hz，人工源電磁場有效頻率範圍為300～0.1hz及其鄰近頻率；所觀測的數據可以通過有線或無線網絡傳輸到處理和分析部門，實時或準實時對數據進行處理分析。
優選地，所述觀測主機對電磁場觀測儀所觀測的數據進行數據處理分析，所述數據處理分析包括原始時間序列、計算頻譜、計算表阻抗元素、視電阻率等計算，所述原始時間序列依次通過計算頻譜、計算阻抗元素和視電阻率後進行反演。
優選地，所述數據處理分析進一步包括：通過對觀測的電磁場時間序列進行譜分析，可得到每個電磁場分量的頻譜，進而計算反映地下電性的阻抗，以及視電阻率、阻抗相位等參數，這些參數是反映地下電性以及空間電磁場和它們的變化的基本參數，對視電阻率等進行反演，可以得到地下的電性結構，於是觀測臺網可直接監視地下電性結構的異常變化和電磁場空間變化；
由電磁場各分量的頻譜(ex,ey,hx,hy)計算阻抗張量的公式如下。
ex＝zxxhx+zxyhy
ey＝zyxhx+zyyhy
式中，zxx,xxy,zyx,zyy為阻抗張量元素，由阻抗張量元素可用下式計算視電阻率和阻抗相位；
ρij＝0.2t|zij|2φij＝arctan(zij)
其中，ρij表示視電阻率，φij表示阻抗相位，下標表示信息xx,xy,yx,或yx，也可以利用觀測的3個磁場分量(hx,hy,hz)計算傾子參數；
由視電阻率和阻抗相位可以定性分析觀測臺站地下電性結構信息和定量反演地下的電阻率結構。
優選地，所述電場(ex)的兩個接地電極之間間距為50—100米，所述電場(ey)的兩個接地電極之間的間距為50—100米，所述磁場(hx)分量、磁場(hy)分量和垂直磁場分量(hz)均採用感應式磁探頭接收磁場信號。
由於採用上述技術方案，本發明有益效果：觀測利用對地震最靈敏的交變電磁場頻率範圍的信號，通過在地震活躍區和重點防禦監視區等布設觀測臺網進行長期連續觀測而不是臨時或流動觀測，既可觀測天然源電磁場信號，也可觀測人工源電磁場信號，既可觀測地下的電性結構及其變化，也可觀測空間電磁場及其變化，以實現對地震的綜合立體監測。
附圖說明
圖1是現有技術的直流電阻率法觀測裝置示意圖；
圖2是現有技術的大地電磁法觀測裝置示意圖；
圖3是本發明的交變電磁場臺網組成示意圖；
圖4是本發明電磁臺網每個臺站的組成示意圖；
圖5是本發明的天然場和人工源場信號的原始時間序列圖；
圖6是本發明的電磁場處理分析過程。
具體實施方式
以下結合附圖對本發明的實施例進行詳細說明，但是本發明可以由權利要求限定和覆蓋的多種不同方式實施。
如圖3並結合圖4至圖6所示，地震預測監測交變電磁場觀測臺網，包括電離層、大功率人工源電磁場信號發射源、波導層和臺網，所述人工源電磁場信號發射源和臺網均布設在地球的表面上，所述波導層位於電離層與地球之間，當地震發生時，地震活動激發的電磁場傳播到地面，震源區的電性如電阻率也發生變化，通過在地面的臺網觀測震源區激發的電磁場異常和地下電阻率異常，以實現立體分析異常的特點，識別異常的真偽。大功率的人工源信號，可以明顯壓制其它幹擾因素的影響；圖3中t：大功率人工源電磁場信號發射源；r：各個臺站組成的臺網，分布可以是規則的，也可是任意形狀的，或者依據地震分布或構造活動性進行布設；wa：人工源電磁場在波導層的傳播路徑，可達數千公裡距離；wn：天然源電磁場傳播到地面的臺網區的路徑；wi：示人工源和天然源電磁場信號向地下轉播；ws：當地震發生時，地震活動激發的電磁場傳播到地面的路徑，震源區的電性如電阻率也發生變化。
圖3顯示，在地面的交變電場臺網可同時觀測天然源電磁場信號，也可觀測人工源電磁場信號。交變電場臺網可以布置在地面數千公裡的範圍。當地震發生時，震源區的電阻率將發生變化，通過在地面的臺網觀測到，震源區也激發電磁場異常，也可通過地面臺網觀測到。由於臺網布設範圍很大，可以綜合分析電磁場異常的空間分布差異和特點。通過觀測地下電阻率異常和地面觀測的電磁場異常，可以立體分析異常的特點，識別異常的真偽。利用大功率的人工源信號，可以明顯壓制其它幹擾因素的影響。
電磁臺網每個臺站的組成示意圖如圖4.觀測臺站接收設備可布置在地震臺站內，也可在地震臺站外的其它地方或者在需要時在空白區觀測。觀測量包括5個分量，即南北向的電場(ex)、磁場(hx)分量，東西向的電場(ey)、磁場(hy)分量，垂直磁場分量(hz)，電場分量測量使用電纜線分別連接儀器和2個相距50—100米的接地電極間電位差的採集信號，磁場採用感應式磁探頭(磁棒)接收磁場信號。為了不間斷連續觀測和防止動力電引起的幹擾，電源用太陽能供電，觀測主機設置在房間或者其它可防風防雨的設施或容器內(稱為觀測室)。
組成臺網的各個臺站的接收設備可同時(同時段、同採樣率)觀測天然源或人工源電磁場信號，為了減少數據存儲量，使用高低不等的採樣率分時段接收電磁場信號，但對低頻天然源信號使用較低的採樣率始終連續不斷觀測，所得到的天然源電磁場有效頻率範圍大於1000～0.001hz，人工源電磁場有效頻率範圍為300～0.1hz。所觀測的數據可以通過有線或無線網絡傳輸到處理和分析部門，實時或準實時對數據進行處理分析。
所觀測的天然場和人工源場信號的原始時間序列如圖5。橫坐標表示時間，縱坐標表示信號幅度，圖中顯示電磁場5分量4個頻率的人工源信號和它們之間和之外的天然源信號，人工源信號幅度大於天然原信號。5個分量自上到下為ex,ey,hx,hy,hz，在1.5小時內發射了4個頻率的人工源信號。
通過對觀測的電磁場時間序列進行譜分析，可得到每個電磁場分量的頻譜，進而計算反映地下電性的阻抗，以及視電阻率、阻抗相位等參數，這些參數是反映地下電性以及空間電磁場和它們的變化的基本參數。對視電阻率等進行反演，可以得到地下的電性結構，於是觀測臺網可直接監視地下電性結構的異常變化和電磁場空間變化(電磁場處理分析過程見圖6)。
由電磁場各分量的頻譜(ex,ey,hx,hy)計算阻抗張量的公式如下。
ex＝zxxhx+zxyhy
ey＝zyxhx+zyyhy
式中，zxx,xxy,zyx,zyy為阻抗張量元素。由阻抗張量元素可用下式計算視電阻率和阻抗相位。
ρij＝0.2t|zij|2φij＝arctan(zij)
其中，ρij表示視電阻率，φij表示阻抗相位，下標表示信息xx,xy,yx,或yx。也可以利用觀測的3個磁場分量(hx,hy,hz)計算傾子參數。
由視電阻率和阻抗相位可以定性分析觀測臺站地下電性結構信息和定量反演地下的電阻率結構。
本技術方案—地震預測監測交變電磁場觀測臺網，是利用至今認為最有可能首先取得地震預測突破性進展的電磁觀測方法，並觀測利用對地震最靈敏的交變電磁場頻率範圍的信號，通過在地震活躍區和重點防禦監視區等布設觀測臺網進行長期連續觀測而不是臨時或流動觀測，既可觀測天然源電磁場信號，也可觀測人工源電磁場信號，既可觀測地下的電性結構及其變化，也可觀測空間電磁場及其變化，以實現對地震的綜合立體監測。我們所進行的初步工作，是世界上第一個具有一定規模的交變電磁場臺網，並取得了一些有益效果。
本技術方案，與衛星觀測相結合，可以開展地面觀測和衛星觀測數據及其異常的對比，也可利用衛星觀測地面人工發射的電磁場信號，進行對比。該技術方案，可以用於地下資源和地殼深部構造的觀測研究，也可以開展通信領域的交叉學科研究和應用。
本技術方案進一步發展的方向可包括：擴大臺網分布範圍，儘可能覆蓋所有強地震活躍區和重點監視區，對人工源信號，可改進發射設備，向高頻和低頻兩端擴展頻率範圍，可採用不同形式的發射源，如磁流體發射機、核能供電發射機，而接收臺網方案基本不變。
交變電磁場臺網是針對現有方法的缺點提出的，其優勢包括(1)既可以觀測地下電性結構及其連續變化，深度可達大多數地震震源深度以下，甚至可達地殼以下，也可以在地面監測來自空間和地下的電磁場變化，構成真正的立體觀測；(2)觀測的交變電磁場頻帶範圍很寬，目前高頻段達到數千赫茲，低頻段可達1000秒以下，涵蓋了以前發現地震異常現象的主要頻段及其鄰近頻段；(3)觀測以臺網式進行，在數千公裡範圍很多臺站同時觀測，可比較不同地區(地震區和遠離地震地區)電磁異常數據特點，有利於捕捉地震異常出現的地點和空間分布及其時間變化特徵；(4)既可以觀測天然源電磁場，也可以觀測人工源電磁場。目前大功率人工源電磁場僅美國、俄羅斯和中國具有，其信號通過地球和電離層之間的波導層傳播至數千公裡之外，頻帶範圍為300～0.1hz，未來技術的發展可使頻帶更寬；(5)觀測人工源信號，可以很大程度的壓制幹擾信號的影響，突出有用信號，提高對地震異常現象的識別和捕捉能力；(6)臺網長期連續觀測，可以對各不同時間(白天和夜間，不同日期，不同季節，有震和無震時間等)的數據進行對比，有利於比較識別地震異常現象的真實性，有利於識別和捕捉地震異常現象的時間和空間分布特點。
以上所述僅為本發明的優選實施例，並非因此限制本發明的專利範圍，凡是利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本發明的專利保護範圍內。