地震预测方法和系统的制作方法

专利名称：地震预测方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种地震预测方法和系统，尤其涉及一种在观察区域中的各个点测量磁场以预测地震的地震预测方法和系统。
背景技术：
由于日本群岛位于火山链上，所以大规模的地震灾害主要出现在东部、东南和南部沿海，而不是整个群岛。为了保护公民的生命和财产不受地震灾害的影响，必须采用不仅用于地震之后恢复的系统、而且用于地震预测的更加适合的测量方法，为此目的，迫切地需要建立一套低成本及高精确度和有效的地震预测技术。
从古代开始，就传说有许多用于预测即将来临的地震的预报器的例子，诸如鲶鱼表现不安的行为或者老鼠增加的活动性。另外，在1995年1月发生的Great Hanshin-Awaji(Kobe)地震和火山爆发之前的几天，当地的无线电业余爱好者观察到了无线电波的异常，而且许多人都目击了一种称为“地震云”的现象。
应当相信这种无线电波异常和“地震云”的出现是由某种形式的地电流影响而产生的，反过来，该地电流是由引起地质构造板块碰撞的压电效应产生的。
已经公开了(例如，日本专利特开平公报No.H11-258353)通过观察由一根细线悬挂的永久磁铁的大量旋转而进行的地震预测。
然而，具有高精确度的通过观察地电流变化的地震预测，将使得在大范围的观察区域上建立大量接近空间的观察设备成为必要。例如，在日本东部沿海地区的地震预测将需要覆盖几百平方公里的观察系统。
由于国家和地方政府目前所面临的财政困难，这种大量观察设备的建立将是一种极大的负担，而且维护和运行该观察系统的成本将使得这样一种系统的实现难以解决。

发明内容
本发明的一个目的是提供一种地震预测的方法和系统，该方法和系统用于在观察区域范围内为数众多的点处低成本地收集磁场数据，而且要在短的时间间隔范围内，从而能够精确地进行地震预测。
在本发明的地震预测方法中，在观察区域范围内为数众多的点处测量磁场，以便估计地电流感应场，从而估计地电流；然后分析在观察区域范围内的地电流的状态和地电流基于时间的变化，以估计地震区域、地震事件发生的时间和地震强度。
另外，从所观察的磁场中除去磁场噪声分量，从多个观察点处的真北方向找到磁场方向的扩散量(the amount of divergence)，从该多个观察点消除这种磁场噪声分量，然后，基于从其已经去除了磁场噪声分量的已观察磁场和被校正到真北的地磁矢量之间的矢量差来估计地电流感应场，从该已观察磁场删除磁场噪声分量。
此外，在地图上绘制已估计的地电流感应场；通过将多个点加入到标注了地磁异常的地图上同时使用右手螺旋规则来估计地电流；以及集中了已估计地电流的区域被估计将是地震区域。
再者，收集在特定观察点的地电流感应场强度的过去数据，并且生成表示基于时间变化的地电流感应场强度变化的图案；然后，将该图案与已存储的过去的地电流感应场强度变化图案进行比较和核对，以估计地震事件发生的时间和地震强度。
本发明的地震预测系统具有诸如机动车辆或者轮船这样的移动单元，每个移动单元携带有磁力线传感器，用于提供表明磁力线方向和强度的输出磁场数据；GPS定位检测器，用于接收GPS卫星的无线电波并且提供表明位置的输出定位数据；以及数据发送器，用于发送这些数据；以及地震预测中心，用于收集由在观察区域中行进的移动单元发送的各个点的这些数据，然后执行地震预测。
另外，该地震预测中心包括数据接收器，用于接收已从所述移动单元通过通信网络和天线发送的数据；数据存储单元，用于保持并存储各种数据，诸如地图数据和已由所述数据接收器接收的数据；地电流感应场估计单元，基于地图数据和已被保持并存储在所述数据存储单元中的数据来估计地电流感应场；地电流估计单元，基于已估计的地电流感应场来估计地电流；地电流感应场强度变化图案生成单元，用于累积地电流感应场强度基于时间的转变(transition)，然后生成变化的图案；以及地震预测单元，用于分析已估计的地电流和该地电流感应场强度的变化图案，以估计地震区域、地震强度和地震事件发生的时间。
作为选择，当移动单元具有车载导航系统时，该车载导航系统的定位数据可以用来代替来自GPS定位检测器的数据。
另外，磁力线传感器和通信设备可以被安装到观察区域范围内的预先选择的现有固定结构中，以及该通信设备可以借助于现有的通信网络，将所述磁力线传感器输出的磁场数据和表明该安装位置的信息传送到地震预测中心。
此外，磁力线传感器和GPS定位检测器例如可以被结合到移动电话中，而且该移动电话可以使用其自己的通信性能将观察数据传送到所述地震预测中心。
再者，可以在现有的固定结构中提供加速传感器，以使得在所述加速传感器检测地震运动时传送磁场数据；或者可以在移动单元或者移动电话中提供加速传感器，以使得在加速传感器在至少一个固定时间间隔检测到平稳状态时传送磁场数据。
根据本发明，通过例如在观察区域范围内行进的机动车辆或者轮船中安装磁力线传感器、GPS定位检测器和数据发送器，在地震预测中心收集在观察区域范围内的各个点处的磁场数据，同时分析地电流感应场和基于磁场数据估计的地电流，可以以低的设备成本来实现精确的地震预测，而不需要在多个重复的点处安装测量设备。
另外，通过在观察区域范围内的预先选择的现有结构中建立磁力线传感器，然后借助于现有的通信网络将磁数据传送到地震预测中心，或者作为选择，通过在诸如移动电话这样的设备中建立磁力线传感器，然后将磁数据传送到地震预测中心，可以以低的设备成本来收集观察区域范围内的多个重复点处的观察数据，以实现精确的地震预测。
此外，磁力线传感器与加速传感器的一起安装使得在先于主震的前震发生时，能够收集磁场数据从而允许保持在地震预测中有效的观察数据，在磁力线传感器与加速传感器的一起安装的情况下，在加速传感器检测地震动作时自动地发送观察数据。


图1是示出了本发明一个实施例的框图；图2是示出了在地震发生之前、在地震区域附近的地电流模型图；图3示出了图1中示出的地震预测中心4的地震预测操作；图4示出了地电流感应场的估计；图5示出了地电流估计的一个例子；图6示出了地电流感应场和已被测量的地电流的一个例子；图7示出了地电流感应场和已被测量的地电流的一个例子；图8示出了地电流感应场和已被测量的地电流的一个例子；图9示出了在地电流感应场强度中变化的图案的一个例子；具体实施方式
接下来将参考附图解释本发明。
图1是示出了本发明实施例的一个框图，并且示出了一种地震预测系统，该系统使用诸如能够在陆地或者海洋中移动的机动车辆或者轮船这样的移动单元1；或者现有的固定结构2，其在观察区域中被提前选择，以在观察区域范围内的多个点处收集观察数据，并且预测例如地震区域和地震发生的时间。
在这种情况下，地震预测系统具有移动单元1，其中例如安装了磁力线传感器11和GPS定位检测器12，并且将观察数据传送给地震预测中心4；现有的固定结构2，其中安装有磁力线传感器11和通信设备14；通信网络3，用于将观察数据传送到地震预测中心4；以及地震预测中心4，基于在观察区域中的多个点的观察数据来预测地震。
移动单元1是在观察区域中移动的机动车辆1-1或者轮船1-2，其携带有提供表明磁力线强度和方向的磁场数据的磁力线传感器11；接收GPS卫星的无线电波并且提供定位数据的GPS定位检测器12；以及将观察数据发送到地震预测中心4的数据发送器13。
当移动单元携带车载导航系统时，可以使用该车载导航系统的定位数据，从而可以省略GPS定位检测器12。
可以实时发送观察数据，或者可以提供用于记录观察数据的数据存储装置。当然除了磁场数据和定位数据之外，观察数据还可以包括表明观察时间的数据。
设置用于在观察位置自动传输的观察数据和已提前设定的次数，以允许减少强加于人工操作员的负担。
另外，如果通过网格覆盖(mesh coverage)来观察整个观察区域，则能够获得有效的观察数据。网格覆盖是在用于移动电话的无线电波检测中频繁使用的一种覆盖方法，并且涉及提前准备待被覆盖的区域的地图，在网格图案中投射线，然后沿着这些线在网格图案中移动。
可以被考虑的现有的固定结构2包括在各个住宅以及营业场所安装的电/气/水表；沿着道路设置的自动贩卖机；用于电力线和通信线路的电杆；用于交通信号的电杆；在公共汽车站安装的操作显示装置；以及还包括移动电话基站和PHS基站的建筑物。
通信设备14通过电缆或者无线电将磁场数据连同表明安装位置的信息一起传送到地震预测中心4，该磁场数据是作为磁力线传感器11的输出被提供的。
在这种情况下，可以实时地执行传输，或者可以以预定的观察次数自动地的执行传输。
当现有的固定结构2已经是用于电力线或通信线路的电杆、用于交通信号的电杆、或者移动电话基站或PHS基站的建筑物时，能够容易地保证数据传输路径的安全。另外，如果使用诸如应急无线电系统这样的现有无线通信装置，则能够获得较低的成本。
当使用诸如电/气/水表这样的设备时，自动仪表读取系统可以被用于传输。如果使用安装在公共汽车站的操作显示装置，则机动车辆操作管理系统可以被用于传输。此外，如果使用自动贩卖机，则系统可以被构建为与磁场数据一同传送自动贩卖机的销售或者库存信息。
通信网络3是现有的通信网络，诸如包括基站这样的移动通信网络或者借助于通信卫星传送的卫星通信网络。
地震预测中心4包括数据接收器41，用于通过通信网络3和天线接收观察数据；数据存储单元42，用于保持并存储诸如观察数据和地图数据的各种数据；地电流感应场估计单元43，基于已被保持并存储在数据存储单元42中的观察数据和地图数据来估计地电流感应场；地电流估计单元44，基于估计地电流感应场的结果来估计地电流；地电流感应场强度变化图案生成单元45，用于累积地电流感应场强度基于时间的转变，并生成变化的图案；以及地震预测单元46，用于分析地电流的估计结果和地电流感应场强度的变化图案，从而预测地震区域、地震强度和地震发生的时间。
图2示出了在地震发生之前、在地震区域附近的地电流模型。
在这种情况下，板块A和板块B在相互碰撞的方向上移动，从而彼此挤压。点C是地震区域，在点C处，板块A和板块B之间的边界面中的局部压力正在发生增效作用(building)。
在该地震区域C处，集中了大量的应力，而且极高的应力状态正在起作用，以及这种应力随着板块的移动逐渐增大。在这种状态持续的过程中，假定在地震区域C中通过压电效应产生了电压，而岩体内的电荷流入地震区域C中。
此外假定岩体内的电荷流(地电流)跟随在岩体内具有良好导电性的多个点，并且像河流一样从各个方向流动。通常，由于大多数地震区域是在地下，所以大多数电荷在地下流动，而且假定电荷很少在地表流动。
假定地震区域C的岩体一断裂，地电流就立即随着渐增的速度上升，并且同时伴随着岩体的断裂，压电电压随着应力的释放而消失，而地电流也就立即消失了。
因此，作为地震预报器的地电流的出现和变化，以及对地电流方向和强度的观察使得能够进行地震预测。
由于地电流不在地表流动，所以直接检测这些电流是有问题的，而由地电流引起的感应场(地电流感应场)会在地表出现，因此，对地表磁场的方向和强度的检测能够进行地电流感应场方向和强度的预测。
观察地电流感应场最简单的方法是观察由磁针指明的方向。在地电流感应场的影响下，磁针指明了从标准的地磁方向扩散的方向，而且在除了地磁和地电流感应场之外再没有磁性的情况下，磁针能够成为最简单和最经济的观察手段。
第二种方法提供了比通过使用磁力线传感器的磁针更加精确的观察手段。
第三种方法通过组合使用磁力线传感器和GPS定位检测器能够得到甚至更高的精确度。
作为选择，磁针和GPS定位检测器的组合使用能够获得用于地震预测的有效数据。磁针所指的北与真北(true north)不对准，而且众所周知的是这种磁北(magnetic north)每年都会轻微地偏移。因此，借助于GPS卫星来寻找真北，并且通过持续观察磁针所指的北与真北的差别，能够获得地震预测的有效数据。
然而，为了提高地电流感应场的观察数据的精确度，必须从观察数据中去除由除了地电流之外的其他因素产生的磁场噪声分量。
由除了地电流之外的其他因素引起的磁场噪声主要来源于由直流电产生的磁场，该直流电在接近于铁路线的各个观察点的架空电力线上流动。在这种磁场中的变化特征上是短期的微小变化，随着火车的接近，磁场强度会增加，而随着火车的远离，磁场强度会下降。
由伴随太阳活动性的德林杰现象引起的地磁暴。这些干扰的特征是在短的时间间隔内出现并消失。
由地下金属矿石引起的磁场。这些场的特征在于恒定不变的电平。
为了消除由除了地电流之外的其他因素产生的磁场噪声分量，可以以固定的时间间隔在固定的观察点对磁场进行观察，分析在这些磁场中的变化图案的特征，然后通过软件来提取和删除磁场噪声分量。
图3示出了地震预测中心4的地震预测操作。首先，地电流感应场估计单元43在观察点从已观察的磁场数据中删除磁场噪声分量(步骤101)；然后，如图4所示，在观察点从磁场的真北方向找到扩散量，从该多个观察点消除磁场噪声分量(步骤102)；以及基于已观察磁场N1和被校正到真北的地磁矢量N之间的矢量差来估计地电流感应场N2，其中，从该已观察磁场N1已经删除了所述磁场噪声分量(步骤103)。然后，如图5所示，将结果绘制到地图上(步骤104)。
接下来，地电流估计单元44校正在地图上的多个点，在该地图上，地磁中的异常如图5所示被标注，进而基于右手螺旋规则来估计地电流(步骤105)。
地电流感应场强度变化图案生成单元45收集在特定观察点的地电流感应场强度的过去数据，并且生成表示基于时间变化的地电流感应场强度变化图案(步骤106)。
地震预测单元46分析已由地电流估计单元44估计的地电流感应场强度变化图案和地电流的分布，搜索诸如地电流被集中的点这样的非自然区域，进而估计地震区域。地震预测单元46进一步将已产生的地电流感应场强度变化图案与过去的地电流感应场强度变化图案进行比较和核对，以估计地震发生的时间和地震强度(步骤107)。
例如，当地电流感应场和地电流被绘制到图6所示观察区域的地图上时，可以估计地震区域就是在观察区域中的地电流被集中的点处，而且能够估计在紧挨着观察区域下方的浅层处的大规模地震。
此外，当地电流感应场和地电流被绘制到图7所示的观察区域的地图上时，能够估计邻近观察区域外部的浅层处的地震区域。
此外，当地电流感应场和地电流被绘制到图8所示的观察区域的地图上时，能够估计在观察区域外部很远的浅层处、或者在多个接近的浅层点中的地震区域。
图9示出了在地电流感应场强度中变化的图案的一个例子。在这种情况下，地电流感应场强度是一个相对值。
典型地，在接近于地震区域的岩体一崩裂就达到的弹性极限的点处，地电流随着压电电压的快速上升而迅速提高。然后观察地电流的滞留，该滞留与在塑性变形之前的压电电压饱和同时发生，接下来，压电电压随着与岩体崩裂同时产生的压力的释放而消失，而地电流也在瞬间消失。
另外，地电流中基于时间的转变仅通过岩体的可塑性和两个板块相对的矢量速度来规定，而与观察点到地震区域的距离没有关系；以及由于地电流感应场通过地电流产生，所以通过固定观察点来观察地电流感应场强度基于时间的转变能够估计地电流基于时间的转变。
在这种情况下，存储地震区域包围的过去的地电流感应场强度变化图案使得能够提取地电流感应场强度变化图案，直到一出现地震区域的塑性变形(出现了地震)为止，该地震区域在特定的相同板块边界面中出现。因此，如果可以指定在观察范围内的已估计地震区域的板块，则与过去的地电流感应场强度变化图案进行的比较和核对使得能够估计已估计的时间和地震强度，直到岩体出现了塑性变形(出现了地震)为止。
另外，表明地电流感应场强度中变化的曲线函数的转变点可以被设置，然后，基于接近于岩体弹性极限的点处的地电流感应场强度，来估计岩体出现塑性变形(地震出现)的时间。此外，能够估计地电流感应场强度达到的最大值，然后根据该最大值来估计等效的地震强度。
在上述说明中，磁力线传感器被安装到机动车辆、轮船和现有的固定结构中，并且收集观察区域范围内的各个点的磁场数据；但是作为另一个例子，磁力线传感器和GPS定位检测器可以结合到移动电话或者移动终端中，然后可以使用它们自己的通信性能来发送观察数据。在这种情况下，可以周期性地自动发送观察数据，以及如果没有缴纳传输费用，则可以基于宽频带从多个点收集观察数据，而不会给用户施加任何经济负担。
作为选择，如果加速传感器与磁力线传感器一起被安装到现有的固定结构中，则可以在主震之前的前震发生时收集磁场数据、和当加速传感器检测地震动作时自动传送的观察数据，从而可以获得用于地震预测的有效数据。
再者，如果加速传感器与磁力线传感器一起被结合到诸如机动车辆或者轮船这样的移动单元中、以及移动电话或者便携式终端中，则可以在加速传感器检测至少一个固定时间间隔的稳定状态时自动传送观察数据。
如上面说明中所描述的，通过在观察区域中的多个点处收集磁场数据、估计地电流感应场、基于已被估计的地电流感应场来估计地电流、然后分析这些估计结果，可以精确地预测地震。
权利要求
1.一种地震预测方法，其中基于在观察区域范围内的各个点处观察的磁场来估计地电流感应场和地电流；以及分析在所述观察区域范围内的基于地电流时间和地电流状态的变化，来估计地震区域、地震事件的发生时间和地震强度。
2.根据权利要求1的地震预测方法，其中从所观察的磁场中除去在观察点处的磁场噪声分量；从多个观察点处的真北方向找到磁场方向的扩散量，其中从该多个观察点已经消除所述磁场噪声分量；以及基于从其已经删除所述磁场噪声分量的已观察磁场和被校正到真北的地磁矢量之间的矢量微分来估计所述地电流感应场。
3.根据权利要求1或2的地震预测方法，其中在地图上绘制所述已估计的地电流感应场；以及通过将多个点加入到标注了地磁异常的地图上同时使用右手螺旋规则来估计所述地电流。
4.根据权利要求1或2或3的地震预测方法，其中估计集中了所述已估计地电流的区域将是地震区域。
5.根据权利要求1或2的地震预测方法，其中收集在特定观察点的地电流感应场强度的过去数据，并且生成表示基于时间变化的地电流感应场强度变化的图案；以及然后将该图案与已存储的过去的地电流感应场强度变化图案进行比较和核对，以估计地震事件发生的所述时间和地震强度。
6.一种地震预测系统，包括诸如机动车辆或者轮船这样的移动单元，每个移动单元携带磁力线传感器，用于提供表明磁力线方向和强度的输出磁场数据；GPS定位检测器，用于接收GPS卫星的无线电波并且提供表明位置的输出定位数据；以及数据发送器，用于发送所述数据；以及地震预测中心，用于收集由在观察区域中行进的所述移动单元发送的各个点的所述数据，然后执行地震预测。
7.根据权利要求6的地震预测系统，所述地震预测中心包括数据接收器，用于接收已从所述移动单元通过通信网络和天线发送的数据；数据存储单元，用于保持并存储各种数据，诸如地图数据和已由所述数据接收器接收的数据；地电流感应场估计单元，基于地图数据和已被保持并存储在所述数据存储单元中的数据来估计地电流感应场；地电流估计单元，基于所述已估计的地电流感应场来估计地电流；地电流感应场强度变化图案生成单元，用于累积所述地电流感应场强度基于时间的转变，然后生成变化的图案；以及地震预测单元，用于分析已估计的所述地电流和所述地电流感应场强度的所述变化图案，以估计地震区域、地震强度和地震事件发生的时间。
8.根据权利要求6的地震预测系统，其中当所述移动单元具有车载导航系统时，所述车载导航系统的定位数据用来代替来自所述GPS定位检测器的数据。
9.根据权利要求6的地震预测系统，其中所述磁力线传感器和通信设备被安装到观察区域范围内的预先选择的现有固定结构中；以及所述通信设备借助于现有的通信网络，将所述磁力线传感器输出的磁场数据和表明该安装位置的信息传送到所述地震预测中心。
10.根据权利要求6的地震预测系统，其中所述磁力线传感器和GPS定位检测器被结合到移动电话或者移动单元中；以及所述移动电话使用其自己的通信性能将观察数据传送到所述地震预测中心。
11.根据权利要求9的地震预测系统，其中提供加速传感器，并且在所述加速传感器检测地震运动时传送所述磁场数据。
12.根据权利要求6或10的地震预测系统，其中提供加速传感器，并且在所述加速传感器检测至少一个固定时间间隔的平稳状态时传送所述磁场数据。
全文摘要
机动车辆(1－1)或者轮船(1－2)每个都携带磁力线传感器(11)、GPS定位检测器(12)和数据发送器(13)，并且在将各个点的磁场数据和定位数据发送到地震预测中心(4)的观察区域中行进。该地震预测中心(4)的地电流感应场估计单元(43)基于其接收和收集的观察数据来估计地电流感应场。地电流估计单元(44)基于估计地电流感应场的结果来估计地电流。地电流感应场强度变化图案生成单元(45)生成表明地电流感应场的强度基于时间而变化的图案。地震预测单元(46)分析该地电流分布的状态以及在该地电流感应场的强度中变化的图案，并且估计地震区域、地震强度和地震事件的发生时间。
文档编号G01V3/00GK1701243SQ20048000097
公开日2005年11月23日 申请日期2004年8月18日 优先权日2003年8月27日
发明者四方田朋也, 吉田敏夫 申请人:恩益禧慕百霖株式会社