專利名稱：地震前兆監(jiān)測儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本

發(fā)明內(nèi)容
屬于電磁變量的測量儀器技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種地球物理探測裝置，特別是一種根據(jù)天然電磁波場源測報地震信息的地震前兆監(jiān)測裝置。
背景技術(shù)：
在歷史上，各種地質(zhì)構(gòu)造的活動，如地裂縫、地形變、地面抬升或下降、褶皺、斷層和節(jié)理的形成等都與地應(yīng)力的作用有關(guān)，其中最明顯的現(xiàn)象就是地震。一些現(xiàn)代大型工程建筑項目如礦山、隧道、大壩、橋梁等也都直接受地應(yīng)力場的影響。就構(gòu)造地震而言，地震是地殼中的巖石在地應(yīng)力作用下發(fā)生破裂、錯動的產(chǎn)物，而巖石破裂時，又都輻射出一定頻率的電磁波，因此，地震總是與一定頻率的電磁波異常情況有直接關(guān)系。
關(guān)于電磁波的定義，傳統(tǒng)的電學(xué)教科書是這樣敘述的“任何電場的變化在它的周圍空間都會產(chǎn)生變化的磁場，任何磁場的變化在它的周圍空間也都會產(chǎn)生變化的電場，這種變化的電場和變化的磁場交替產(chǎn)生，由近及遠(yuǎn)地向前傳播就叫電磁波。”在物理學(xué)界這種定義是建立在組成物質(zhì)世界的基本單元為“粒子”這一柱石上面的。按照這種傳統(tǒng)定義，實際探測工作中用于接收甚低頻、超低頻段(800～10000Hz)天然電磁波的物探儀器所用的傳感器不是接收電場信號的電場傳感器，就是接收磁場信號的磁場傳感器。但在2000年中國地震局地球物理研究所郝錦綺、錢書清等人作的“巖石破裂的超低頻電磁前兆—零磁空間實驗”中發(fā)現(xiàn)巖石在微破裂之前，儀器在實驗室內(nèi)接收不到屏蔽室外任何頻率的電場信號和磁場信號，所記錄的只是一條光滑的直線，而在巖石破裂時，儀器記錄到的信息是單脈沖和密集的脈沖信號，這個實驗的結(jié)果說明了巖石在破裂時確實產(chǎn)生了脈沖的電磁波。但是地震前兆儀監(jiān)測的天然電磁波在零磁空間實驗室內(nèi)、外卻記錄到了相同的電磁波信號，按實驗前分析的結(jié)果在零磁空間實驗室內(nèi)監(jiān)測時，儀器記錄到的信息應(yīng)該是一條直線，其數(shù)據(jù)應(yīng)該是某一不變的數(shù)據(jù)，但實驗結(jié)果卻不是這樣，顯然，用傳統(tǒng)的電磁波理論解釋不了地震前兆儀監(jiān)測的天然電磁波實驗的結(jié)果。
另外，國內(nèi)外根據(jù)傳統(tǒng)電磁波定義研制的各種地震預(yù)報的裝置和方法目前在短臨預(yù)報方面的研究進(jìn)展也非常緩慢。
上世紀(jì)60年代后期，本發(fā)明設(shè)計者在研究光的“波粒二象性”時，從研究組成電場與磁場的個體單元物質(zhì)的性質(zhì)過程中，發(fā)現(xiàn)了組成物質(zhì)世界的“基本單元”并不是以往科學(xué)界認(rèn)定的“各種點狀的粒子”，而是一條狀如“Ω”的曲線，進(jìn)而提出了“瞬論”假說，對外交流也稱Ω理論，這種理論與國外的“弦論”基本觀點相似，但早于后者的提出時間約15年。按照Ω理論對于電磁波的定義是脫離開輻射源(元)變化的電場空間和磁場看見，以光速沿直線一直向前行進(jìn)的瞬的群體叫電磁波。天然電磁波場源按照其產(chǎn)生的空間部位，可分為天電部分和地電部分兩大類。根據(jù)Ω理論的觀點，電磁場與電磁波是兩種截然不同的物理概念，人們在實際應(yīng)用過程中因為對“電生磁，磁生電”的誤解，常常將二者混為一談。由于渦旋電場的閉合以及位移電場的等效假設(shè)條件的存在，以往人們利用麥克斯韋方程描述電磁場變化規(guī)律時，也就習(xí)慣將其引申到甚低頻或超低頻段的天然電磁波領(lǐng)域來研究其輻射與傳播，以至進(jìn)入誤區(qū)。事實上，通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，來自地下的甚低頻與超低頻段的天然電磁波在穿行大氣層、地殼時基本是按45°角在某些空間范圍內(nèi)以直線方式向前行進(jìn)，而不是以電、磁相互轉(zhuǎn)化的面波方式來傳播，根據(jù)地震前兆來預(yù)報最近幾天發(fā)生的地震應(yīng)用效果，這在很大程度上印證了Ω理論關(guān)于描述電磁波定義的客觀真實性。
顯然，根據(jù)Ω理論對電磁波的定義，采用一種能夠完全接收天然電磁波的傳感器儀器并通過各儀器站點的多區(qū)域監(jiān)測設(shè)置以及對監(jiān)測數(shù)據(jù)信息的綜合分析判定，對本領(lǐng)域科研人員能夠在更深層面上準(zhǔn)確了解地質(zhì)構(gòu)造的活動情況無疑有著極大的裨益。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于針對本領(lǐng)域存在的問題加以解決，提供一種有理論依據(jù)、設(shè)計方案易于實施、研究手段先進(jìn)合理且預(yù)報效果明顯的地震前兆監(jiān)測儀，同時提供一種利用該監(jiān)測儀測報地震的方法，從而得到對地震前兆信息的數(shù)據(jù)采集、存儲、傳輸與處理的科學(xué)操作模式，達(dá)到容易識震、判震的目的。
為實現(xiàn)上述發(fā)明目的的技術(shù)解決方案是這樣的所提供的地震前兆監(jiān)測儀由設(shè)在信號采集電路板上的傳感器、前置放大器、低通濾波器、50Hz有源濾波器、選頻放大、檢波器以及設(shè)在程序控制電路板上的A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集存儲器組成，其中傳感器的信號輸出端依次通經(jīng)前置放大器、低通濾波器、50Hz有源濾波器后與選頻放大、檢波器的輸入端聯(lián)接，選頻放大、檢波器的輸出端與程序控制電路板上的A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集、存儲器輸入端聯(lián)接。
本發(fā)明設(shè)計者根據(jù)多年對天然電磁波現(xiàn)象的實驗觀察和對Ω理論的潛心研究，發(fā)現(xiàn)甚低頻或超低頻段的天然電磁波在地下介質(zhì)穿行的過程中，接收這部分天然電磁波的最佳型傳感器是一種按一定方位角環(huán)圍布設(shè)并與地面形成不同傾角的平板式電容傳感器，這種平板式電容傳感器可使儀器監(jiān)測到地質(zhì)體受到地應(yīng)力作用后產(chǎn)生的電磁波異常具體來自哪個方位。使用帶有這種傳感器的監(jiān)測儀，本發(fā)明設(shè)計者從地震形成的機(jī)理、地應(yīng)力發(fā)生變化前震源區(qū)產(chǎn)生的天然脈沖電磁波異常傳播途徑和特征入手，通過對儀器應(yīng)接收物理量、數(shù)據(jù)采集形式、輸出方式、異常值與地震三要素(發(fā)生時間、地點、程度)的相關(guān)性運用數(shù)學(xué)方法對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行處理等課題內(nèi)容的多方面分析研討，進(jìn)而提出了根據(jù)天然電磁波場源測報地震信息的方法，其構(gòu)成方案是通過3個以上的彼此相隔在80～2000km距離的配置有平板式電容傳感器的地震前兆監(jiān)測儀分別接收來自震源區(qū)經(jīng)地下不同電性界面反射回地表的地震震前電磁波，將電磁波信號轉(zhuǎn)化為電壓值，然后對不同方向的電壓值進(jìn)行矢量合成，計算出這些電磁波異常(即某天的地震前兆信息)來自監(jiān)測臺站的哪個方位角，之后利用多臺監(jiān)測儀確定的方位角進(jìn)行交匯，利用分析軟件程序?qū)ζ鋽?shù)值進(jìn)行處理，從而確定出未來發(fā)生地震的地面位置，并依據(jù)異常變化的速率和活動的次數(shù)確定未來地震的發(fā)生時間和震級大小。


圖1為本發(fā)明所述地震前兆監(jiān)測儀結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖2為圖1中傳感器的一種實施例結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖3圖2中A-A視向結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為圖1中前置放大器和低通濾波器的電路聯(lián)接圖。
圖5為圖1中50Hz有源濾波器和選頻放大檢波器的電路聯(lián)接圖。
具體實施例方式
參見附圖，本發(fā)明所述地震前兆監(jiān)測儀的原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。儀器用±15V直流電壓供電，儀器內(nèi)部含有兩塊電路板，第一塊為信號采集電路板I，第二塊為程序控制電路板II。信號采集電路板I上設(shè)有傳感器1、前置放大器2、低通濾波器3、50Hz有源濾波器4、選頻放大、檢波器5，程序控制電路板II上設(shè)有A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集、存儲器6，傳感器1的信號輸出端依次通經(jīng)前置放大器2、低通濾波器3、50Hz有源濾波器4后與選頻放大檢波器5的輸入端聯(lián)接，選頻放大、檢波器5的輸出端與A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集、存儲器6的輸入端聯(lián)接。
該監(jiān)測儀中所用的傳感器1的結(jié)構(gòu)如圖2和3所示，它由9個平板式電容傳感器組成，其中一個傳感器為與地面平行設(shè)置的中心傳感器1a，其余8個傳感器為周邊傳感器1b，它們依次按平面45°角均勻布設(shè)在中心傳感器1a周圍(圖2)，并且根據(jù)距離實際情況與地面成3°～86°不同的傾角(圖3)。儀器中的傳感器1也可由33個平板式電容傳感器組成，其中一個傳感器為與地面平行設(shè)置的中心傳感器1a，其余32個傳感器為周邊傳感器1b，各周邊傳感器1b依次按平面11.25°角均勻布設(shè)在中心傳感器1a周圍，并且根據(jù)距離實際情況與地面成3°～86°不同的傾角。一旦確定下來，就不再改變，直到地震發(fā)生。這種平板式電容傳感器與地面夾角可調(diào)的監(jiān)測儀器用于對未來發(fā)震地點做近區(qū)監(jiān)測，稱為近區(qū)地震前兆監(jiān)測儀，近區(qū)地震前兆監(jiān)測儀一般距離監(jiān)測的震源區(qū)20～150km，臺站之間的距離可以在300km范圍之內(nèi)。
實際工作中，這種地震前兆監(jiān)測儀還有另外一種形式，稱為遠(yuǎn)區(qū)臺站監(jiān)測儀。遠(yuǎn)區(qū)臺站使用的監(jiān)測儀器傳感器，各周邊傳感器1b中的8方位或32方位平板式電容傳感器與地面成45°固定的傾角，永遠(yuǎn)不變，遠(yuǎn)區(qū)臺站使用的儀器1b之間的距離一般在500～3000km。
該監(jiān)測儀中前置放大器2和低通濾波器3的電路如圖4所示，前置放大器2的放大倍數(shù)可調(diào)，一般在10倍左右，低通濾波器3只允許小于20Hz的電磁波通過。該監(jiān)測儀中50Hz有源濾波器4和選頻放大、檢波器5的電路如圖5所示，其中選頻放大、檢波器5中包括14.5Hz、6.5Hz和1.6Hz三個通道選頻電路(圖5中標(biāo)號R、B、C三個電路結(jié)構(gòu)一致的部分)。本發(fā)明中設(shè)在程序控制電路板上的A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集、存儲器6可采用型號為80C196的單片機(jī)。使用時通過上述監(jiān)測儀器采集的數(shù)據(jù)自動傳到微機(jī)后，在微機(jī)中有專門處理程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，每天的數(shù)據(jù)可以得出16張圖和7張數(shù)據(jù)表，工作人員對這些圖件和數(shù)據(jù)分析后，就可以判斷出最近幾天那個方向?qū)⒁l(fā)生地震，然后將發(fā)震方向輸入到交匯程序可以確定出未來發(fā)震地點，將異常參數(shù)輸入到震級計算程序后，可以計算出未來震級。
利用本發(fā)明所述方法和裝置進(jìn)行震情分析的程序是一、監(jiān)測儀器每20秒采集一次數(shù)據(jù)，其采集過程是首先對傳感器1a進(jìn)行采集，也就是對三個頻點所對應(yīng)的地下三個深度5km、7km、10km分別進(jìn)行采樣，每次采集100×256個數(shù)據(jù)，求出平均值和最大值，這時儀器內(nèi)部只保留最后的平均值和差值(最大值—平均值)，三個深度保留6個數(shù)據(jù)；之后再對傳感器1b采集(8方位或32方位)，一個方位一個傳感器，每個傳感器采集256個數(shù)據(jù)，求出平均值作為一個數(shù)據(jù)保留，八方位(32方位)保留8個數(shù)據(jù)(32個數(shù)據(jù))，一天采集3×60×24次。這些數(shù)據(jù)自動保存在微機(jī)中，然后利用數(shù)據(jù)處理程序?qū)γ刻斓臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理，其中對八個方位(或32個)方位的數(shù)據(jù)利用下面的公式進(jìn)行矢量合成，計算出異常來自哪個方向α＝tg-1[a×cos45÷(a×sin45+b)]式中α為計算的象限角，a為E、W、S、N方向傳感器的電壓值，b為NE、NW、SW、SE方向傳感器的電壓值，之后將象限角再轉(zhuǎn)化為方位角。查找上一天或近幾天來世界上發(fā)生Ms5.0以上、國內(nèi)發(fā)生Ms4.0以上的地震位于探測臺站方位角，再研究監(jiān)測到的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得出該方向出現(xiàn)多大異常將要發(fā)生幾級地震。工作人員將上述意見填寫在某臺站異常參數(shù)與震例對應(yīng)表中。這樣進(jìn)行研究可以得出觀測臺站最近幾天哪個方向?qū)⒁l(fā)生幾級地震的信息。
二、利用交匯程序輸入各監(jiān)測臺站分析的未來發(fā)震方位角，可以交匯出未來發(fā)震地點，綜合研究后，進(jìn)而判斷出未來發(fā)生地震的可疑地面位置。
三、將出現(xiàn)的異常參數(shù)與該方向不久前發(fā)生的震例輸入到震級計算程序中，通過震級計算，可以得出未來發(fā)生地震的震級的大小，程序中利用下面的公式對震級進(jìn)行計算EMs=(Vm·TV0×D0)÷0.8n×L3]]>(未來發(fā)震地點≤1500km)或EMs=(Vm·TV0×D0)÷0.8n×[1500+(L-1500)÷3]3]]>(未來發(fā)震地點＞1500km)式中字母Vm為異常日異常電壓最大值；V0為某地震發(fā)生前儀器監(jiān)測的電壓值；D0為某地震發(fā)生時釋放的能量，T為異常日區(qū)域應(yīng)力場系數(shù)；L為未來發(fā)震地點距監(jiān)測臺站的距離；n為震源區(qū)產(chǎn)生的電磁波在地殼中經(jīng)過n次反射到達(dá)監(jiān)測臺站的次數(shù)。
四、將確定的發(fā)震方向、地點、時間及震級等震情研究結(jié)果向有關(guān)部門通報。
從2003年9月至今，全國MDCB法電磁波聯(lián)網(wǎng)預(yù)報地震協(xié)作組工作人員每周均利用廊坊、西安、黃島等地設(shè)置的本發(fā)明監(jiān)測儀，通過最近7天的觀測資料預(yù)報下一周國內(nèi)外即將發(fā)生的地震，據(jù)對2003年9月～2005年9月兩年期間103次地震預(yù)報的統(tǒng)計結(jié)果看預(yù)報將震地區(qū)662個，實際發(fā)震地區(qū)444個，預(yù)報地區(qū)成功率為67.1％，預(yù)報方向2603個，實際發(fā)震方向1919個，成功率為73.7％。特別是兩次蘇門達(dá)臘大地震、巴基斯坦地震、江西九江地震等我們的工作人員都提前1～6天做出了預(yù)測，取得了很好的使用效果。
權(quán)利要求
1.一種根據(jù)天然電磁波場源測報地震信息的地震前兆監(jiān)測儀，其特征在于它由設(shè)在信號采集電路板(I)上的傳感器(1)、前置放大器(2)、低通濾波器(3)、50Hz有源濾波器(4)、選頻放大、檢波器(5)以及設(shè)在程序控制電路板(II)上的A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集、存儲器(6)組成，傳感器(1)的信號輸出端依次通經(jīng)前置放大器(2)、低通濾波器(3)、50Hz有源濾波器(4)后與選頻放大、檢波器(5)的輸入端聯(lián)接，選頻放大、檢波器(5)的輸出端與程序控制電路板(II)上的A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集、存儲器(6)輸入端聯(lián)接。
2.如權(quán)利要求1所述的地震前兆監(jiān)測儀，其特征在于所說的傳感器(1)是由9個平板式電容傳感器組成，其中一個傳感器為與地面平行設(shè)置的中心傳感器(1a)，其余8個傳感器為周邊傳感器(1b)，它們均勻布設(shè)在中心傳感器(1a)周圍，并且與地面成3°～86°夾角。
3.如權(quán)利要求1所述的地震前兆監(jiān)測儀，其特征在于所說的傳感器(1)是由33個平板式電容傳感器組成，其中一個傳感器為與地面平行設(shè)置的中心傳感器(1a)，其余32個傳感器為周邊傳感器(1b)，它們均勻布設(shè)在中心傳感器(1a)周圍，并且與地面成3°～86°夾角。
4.如權(quán)利要求1所述的地震前兆監(jiān)測儀，其特征在于所說的傳感器(1)由8個分別按45°間隔均勻成圓周式排列的并與地面成45°傾角的相同的平板式電容傳感器組成。
5.如權(quán)利要求1所述的地震前兆監(jiān)測儀，其特征在于所說的傳感器(1)由32個分別按11.25°間隔均勻成圓周式排列的并與地面成45°傾角的相同的平板式電容傳感器組成。
6.利用權(quán)利要求1所述的地震前兆監(jiān)測儀預(yù)報地震信息的方法，其特征在于通過3個以上的彼此相隔在80～2000km距離的地震前兆監(jiān)測儀分別接收來自震源區(qū)經(jīng)地下不同電性界面反射回地表的地震震前電磁波，監(jiān)測儀將電磁波信號轉(zhuǎn)化為電壓值，然后對不同方向的電壓值進(jìn)行矢量合成，計算出這些電磁波異常來自監(jiān)測臺站哪個方位角，之后利用多臺監(jiān)測儀確定的方位角進(jìn)行交匯，從而得出未來發(fā)生地震的地面位置，依據(jù)異常變化的速率和活動的次數(shù)確定未來地震的發(fā)生時間和震級大小。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可根據(jù)天然電磁波場源測報地震信息的地震前兆監(jiān)測儀，由傳感器、前置放大器、低通濾波器、50Hz有源濾波器、選頻放大檢波器和A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集存儲傳輸器等組成，其中傳感器是由多個平板式電容傳感器組成。實際工作中，通過多個彼此相隔一定距離的監(jiān)測儀器分別接收來自震源區(qū)經(jīng)地下不同電性界面反射回地表的地震震前電磁波，將這種電磁波轉(zhuǎn)化為電壓信號，再對不同方向的電壓值進(jìn)行矢量合成，就可計算出未來發(fā)震地點位于各臺站的哪個方位角，通過多臺交匯可以得出未來發(fā)生地震的地面位置、發(fā)震時間和震級大小。
文檔編號G01V3/12GK101074994SQ20061004281
公開日2007年11月21日 申請日期2006年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月16日
發(fā)明者王文祥, 楊武洋 申請人:北京舜論科技有限公司