專利名稱：地震預測方法和系統的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種地震預測方法和系統，尤其涉及一種在觀察區(qū)域中的各個點測量磁場以預測地震的地震預測方法和系統。
背景技術：
由于日本群島位于火山鏈上，所以大規(guī)模的地震災害主要出現在東部、東南和南部沿海，而不是整個群島。為了保護公民的生命和財產不受地震災害的影響，必須采用不僅用于地震之后恢復的系統、而且用于地震預測的更加適合的測量方法，為此目的，迫切地需要建立一套低成本及高精確度和有效的地震預測技術。
從古代開始，就傳說有許多用于預測即將來臨的地震的預報器的例子，諸如鯰魚表現不安的行為或者老鼠增加的活動性。另外，在1995年1月發(fā)生的Great Hanshin-Awaji(Kobe)地震和火山爆發(fā)之前的幾天，當地的無線電業(yè)余愛好者觀察到了無線電波的異常，而且許多人都目擊了一種稱為“地震云”的現象。
應當相信這種無線電波異常和“地震云”的出現是由某種形式的地電流影響而產生的，反過來，該地電流是由引起地質構造板塊碰撞的壓電效應產生的。
已經公開了(例如，日本專利特開平公報No.H11-258353)通過觀察由一根細線懸掛的永久磁鐵的大量旋轉而進行的地震預測。
然而，具有高精確度的通過觀察地電流變化的地震預測，將使得在大范圍的觀察區(qū)域上建立大量接近空間的觀察設備成為必要。例如，在日本東部沿海地區(qū)的地震預測將需要覆蓋幾百平方公里的觀察系統。
由于國家和地方政府目前所面臨的財政困難，這種大量觀察設備的建立將是一種極大的負擔，而且維護和運行該觀察系統的成本將使得這樣一種系統的實現難以解決。

發(fā)明內容
本發(fā)明的一個目的是提供一種地震預測的方法和系統，該方法和系統用于在觀察區(qū)域范圍內為數眾多的點處低成本地收集磁場數據，而且要在短的時間間隔范圍內，從而能夠精確地進行地震預測。
在本發(fā)明的地震預測方法中，在觀察區(qū)域范圍內為數眾多的點處測量磁場，以便估計地電流感應場，從而估計地電流；然后分析在觀察區(qū)域范圍內的地電流的狀態(tài)和地電流基于時間的變化，以估計地震區(qū)域、地震事件發(fā)生的時間和地震強度。
另外，從所觀察的磁場中除去磁場噪聲分量，從多個觀察點處的真北方向找到磁場方向的擴散量(the amount of divergence)，從該多個觀察點消除這種磁場噪聲分量，然后，基于從其已經去除了磁場噪聲分量的已觀察磁場和被校正到真北的地磁矢量之間的矢量差來估計地電流感應場，從該已觀察磁場刪除磁場噪聲分量。
此外，在地圖上繪制已估計的地電流感應場；通過將多個點加入到標注了地磁異常的地圖上同時使用右手螺旋規(guī)則來估計地電流；以及集中了已估計地電流的區(qū)域被估計將是地震區(qū)域。
再者，收集在特定觀察點的地電流感應場強度的過去數據，并且生成表示基于時間變化的地電流感應場強度變化的圖案；然后，將該圖案與已存儲的過去的地電流感應場強度變化圖案進行比較和核對，以估計地震事件發(fā)生的時間和地震強度。
本發(fā)明的地震預測系統具有諸如機動車輛或者輪船這樣的移動單元，每個移動單元攜帶有磁力線傳感器，用于提供表明磁力線方向和強度的輸出磁場數據；GPS定位檢測器，用于接收GPS衛(wèi)星的無線電波并且提供表明位置的輸出定位數據；以及數據發(fā)送器，用于發(fā)送這些數據；以及地震預測中心，用于收集由在觀察區(qū)域中行進的移動單元發(fā)送的各個點的這些數據，然后執(zhí)行地震預測。
另外，該地震預測中心包括數據接收器，用于接收已從所述移動單元通過通信網絡和天線發(fā)送的數據；數據存儲單元，用于保持并存儲各種數據，諸如地圖數據和已由所述數據接收器接收的數據；地電流感應場估計單元，基于地圖數據和已被保持并存儲在所述數據存儲單元中的數據來估計地電流感應場；地電流估計單元，基于已估計的地電流感應場來估計地電流；地電流感應場強度變化圖案生成單元，用于累積地電流感應場強度基于時間的轉變(transition)，然后生成變化的圖案；以及地震預測單元，用于分析已估計的地電流和該地電流感應場強度的變化圖案，以估計地震區(qū)域、地震強度和地震事件發(fā)生的時間。
作為選擇，當移動單元具有車載導航系統時，該車載導航系統的定位數據可以用來代替來自GPS定位檢測器的數據。
另外，磁力線傳感器和通信設備可以被安裝到觀察區(qū)域范圍內的預先選擇的現有固定結構中，以及該通信設備可以借助于現有的通信網絡，將所述磁力線傳感器輸出的磁場數據和表明該安裝位置的信息傳送到地震預測中心。
此外，磁力線傳感器和GPS定位檢測器例如可以被結合到移動電話中，而且該移動電話可以使用其自己的通信性能將觀察數據傳送到所述地震預測中心。
再者，可以在現有的固定結構中提供加速傳感器，以使得在所述加速傳感器檢測地震運動時傳送磁場數據；或者可以在移動單元或者移動電話中提供加速傳感器，以使得在加速傳感器在至少一個固定時間間隔檢測到平穩(wěn)狀態(tài)時傳送磁場數據。
根據本發(fā)明，通過例如在觀察區(qū)域范圍內行進的機動車輛或者輪船中安裝磁力線傳感器、GPS定位檢測器和數據發(fā)送器，在地震預測中心收集在觀察區(qū)域范圍內的各個點處的磁場數據，同時分析地電流感應場和基于磁場數據估計的地電流，可以以低的設備成本來實現精確的地震預測，而不需要在多個重復的點處安裝測量設備。
另外，通過在觀察區(qū)域范圍內的預先選擇的現有結構中建立磁力線傳感器，然后借助于現有的通信網絡將磁數據傳送到地震預測中心，或者作為選擇，通過在諸如移動電話這樣的設備中建立磁力線傳感器，然后將磁數據傳送到地震預測中心，可以以低的設備成本來收集觀察區(qū)域范圍內的多個重復點處的觀察數據，以實現精確的地震預測。
此外，磁力線傳感器與加速傳感器的一起安裝使得在先于主震的前震發(fā)生時，能夠收集磁場數據從而允許保持在地震預測中有效的觀察數據，在磁力線傳感器與加速傳感器的一起安裝的情況下，在加速傳感器檢測地震動作時自動地發(fā)送觀察數據。


圖1是示出了本發(fā)明一個實施例的框圖；圖2是示出了在地震發(fā)生之前、在地震區(qū)域附近的地電流模型圖；圖3示出了圖1中示出的地震預測中心4的地震預測操作；圖4示出了地電流感應場的估計；圖5示出了地電流估計的一個例子；圖6示出了地電流感應場和已被測量的地電流的一個例子；圖7示出了地電流感應場和已被測量的地電流的一個例子；圖8示出了地電流感應場和已被測量的地電流的一個例子；圖9示出了在地電流感應場強度中變化的圖案的一個例子；具體實施方式
接下來將參考附圖解釋本發(fā)明。
圖1是示出了本發(fā)明實施例的一個框圖，并且示出了一種地震預測系統，該系統使用諸如能夠在陸地或者海洋中移動的機動車輛或者輪船這樣的移動單元1；或者現有的固定結構2，其在觀察區(qū)域中被提前選擇，以在觀察區(qū)域范圍內的多個點處收集觀察數據，并且預測例如地震區(qū)域和地震發(fā)生的時間。
在這種情況下，地震預測系統具有移動單元1，其中例如安裝了磁力線傳感器11和GPS定位檢測器12，并且將觀察數據傳送給地震預測中心4；現有的固定結構2，其中安裝有磁力線傳感器11和通信設備14；通信網絡3，用于將觀察數據傳送到地震預測中心4；以及地震預測中心4，基于在觀察區(qū)域中的多個點的觀察數據來預測地震。
移動單元1是在觀察區(qū)域中移動的機動車輛1-1或者輪船1-2，其攜帶有提供表明磁力線強度和方向的磁場數據的磁力線傳感器11；接收GPS衛(wèi)星的無線電波并且提供定位數據的GPS定位檢測器12；以及將觀察數據發(fā)送到地震預測中心4的數據發(fā)送器13。
當移動單元攜帶車載導航系統時，可以使用該車載導航系統的定位數據，從而可以省略GPS定位檢測器12。
可以實時發(fā)送觀察數據，或者可以提供用于記錄觀察數據的數據存儲裝置。當然除了磁場數據和定位數據之外，觀察數據還可以包括表明觀察時間的數據。
設置用于在觀察位置自動傳輸的觀察數據和已提前設定的次數，以允許減少強加于人工操作員的負擔。
另外，如果通過網格覆蓋(mesh coverage)來觀察整個觀察區(qū)域，則能夠獲得有效的觀察數據。網格覆蓋是在用于移動電話的無線電波檢測中頻繁使用的一種覆蓋方法，并且涉及提前準備待被覆蓋的區(qū)域的地圖，在網格圖案中投射線，然后沿著這些線在網格圖案中移動。
可以被考慮的現有的固定結構2包括在各個住宅以及營業(yè)場所安裝的電/氣/水表；沿著道路設置的自動販賣機；用于電力線和通信線路的電桿；用于交通信號的電桿；在公共汽車站安裝的操作顯示裝置；以及還包括移動電話基站和PHS基站的建筑物。
通信設備14通過電纜或者無線電將磁場數據連同表明安裝位置的信息一起傳送到地震預測中心4，該磁場數據是作為磁力線傳感器11的輸出被提供的。
在這種情況下，可以實時地執(zhí)行傳輸，或者可以以預定的觀察次數自動地的執(zhí)行傳輸。
當現有的固定結構2已經是用于電力線或通信線路的電桿、用于交通信號的電桿、或者移動電話基站或PHS基站的建筑物時，能夠容易地保證數據傳輸路徑的安全。另外，如果使用諸如應急無線電系統這樣的現有無線通信裝置，則能夠獲得較低的成本。
當使用諸如電/氣/水表這樣的設備時，自動儀表讀取系統可以被用于傳輸。如果使用安裝在公共汽車站的操作顯示裝置，則機動車輛操作管理系統可以被用于傳輸。此外，如果使用自動販賣機，則系統可以被構建為與磁場數據一同傳送自動販賣機的銷售或者庫存信息。
通信網絡3是現有的通信網絡，諸如包括基站這樣的移動通信網絡或者借助于通信衛(wèi)星傳送的衛(wèi)星通信網絡。
地震預測中心4包括數據接收器41，用于通過通信網絡3和天線接收觀察數據；數據存儲單元42，用于保持并存儲諸如觀察數據和地圖數據的各種數據；地電流感應場估計單元43，基于已被保持并存儲在數據存儲單元42中的觀察數據和地圖數據來估計地電流感應場；地電流估計單元44，基于估計地電流感應場的結果來估計地電流；地電流感應場強度變化圖案生成單元45，用于累積地電流感應場強度基于時間的轉變，并生成變化的圖案；以及地震預測單元46，用于分析地電流的估計結果和地電流感應場強度的變化圖案，從而預測地震區(qū)域、地震強度和地震發(fā)生的時間。
圖2示出了在地震發(fā)生之前、在地震區(qū)域附近的地電流模型。
在這種情況下，板塊A和板塊B在相互碰撞的方向上移動，從而彼此擠壓。點C是地震區(qū)域，在點C處，板塊A和板塊B之間的邊界面中的局部壓力正在發(fā)生增效作用(building)。
在該地震區(qū)域C處，集中了大量的應力，而且極高的應力狀態(tài)正在起作用，以及這種應力隨著板塊的移動逐漸增大。在這種狀態(tài)持續(xù)的過程中，假定在地震區(qū)域C中通過壓電效應產生了電壓，而巖體內的電荷流入地震區(qū)域C中。
此外假定巖體內的電荷流(地電流)跟隨在巖體內具有良好導電性的多個點，并且像河流一樣從各個方向流動。通常，由于大多數地震區(qū)域是在地下，所以大多數電荷在地下流動，而且假定電荷很少在地表流動。
假定地震區(qū)域C的巖體一斷裂，地電流就立即隨著漸增的速度上升，并且同時伴隨著巖體的斷裂，壓電電壓隨著應力的釋放而消失，而地電流也就立即消失了。
因此，作為地震預報器的地電流的出現和變化，以及對地電流方向和強度的觀察使得能夠進行地震預測。
由于地電流不在地表流動，所以直接檢測這些電流是有問題的，而由地電流引起的感應場(地電流感應場)會在地表出現，因此，對地表磁場的方向和強度的檢測能夠進行地電流感應場方向和強度的預測。
觀察地電流感應場最簡單的方法是觀察由磁針指明的方向。在地電流感應場的影響下，磁針指明了從標準的地磁方向擴散的方向，而且在除了地磁和地電流感應場之外再沒有磁性的情況下，磁針能夠成為最簡單和最經濟的觀察手段。
第二種方法提供了比通過使用磁力線傳感器的磁針更加精確的觀察手段。
第三種方法通過組合使用磁力線傳感器和GPS定位檢測器能夠得到甚至更高的精確度。
作為選擇，磁針和GPS定位檢測器的組合使用能夠獲得用于地震預測的有效數據。磁針所指的北與真北(true north)不對準，而且眾所周知的是這種磁北(magnetic north)每年都會輕微地偏移。因此，借助于GPS衛(wèi)星來尋找真北，并且通過持續(xù)觀察磁針所指的北與真北的差別，能夠獲得地震預測的有效數據。
然而，為了提高地電流感應場的觀察數據的精確度，必須從觀察數據中去除由除了地電流之外的其他因素產生的磁場噪聲分量。
由除了地電流之外的其他因素引起的磁場噪聲主要來源于由直流電產生的磁場，該直流電在接近于鐵路線的各個觀察點的架空電力線上流動。在這種磁場中的變化特征上是短期的微小變化，隨著火車的接近，磁場強度會增加，而隨著火車的遠離，磁場強度會下降。
由伴隨太陽活動性的德林杰現象引起的地磁暴。這些干擾的特征是在短的時間間隔內出現并消失。
由地下金屬礦石引起的磁場。這些場的特征在于恒定不變的電平。
為了消除由除了地電流之外的其他因素產生的磁場噪聲分量，可以以固定的時間間隔在固定的觀察點對磁場進行觀察，分析在這些磁場中的變化圖案的特征，然后通過軟件來提取和刪除磁場噪聲分量。
圖3示出了地震預測中心4的地震預測操作。首先，地電流感應場估計單元43在觀察點從已觀察的磁場數據中刪除磁場噪聲分量(步驟101)；然后，如圖4所示，在觀察點從磁場的真北方向找到擴散量，從該多個觀察點消除磁場噪聲分量(步驟102)；以及基于已觀察磁場N1和被校正到真北的地磁矢量N之間的矢量差來估計地電流感應場N2，其中，從該已觀察磁場N1已經刪除了所述磁場噪聲分量(步驟103)。然后，如圖5所示，將結果繪制到地圖上(步驟104)。
接下來，地電流估計單元44校正在地圖上的多個點，在該地圖上，地磁中的異常如圖5所示被標注，進而基于右手螺旋規(guī)則來估計地電流(步驟105)。
地電流感應場強度變化圖案生成單元45收集在特定觀察點的地電流感應場強度的過去數據，并且生成表示基于時間變化的地電流感應場強度變化圖案(步驟106)。
地震預測單元46分析已由地電流估計單元44估計的地電流感應場強度變化圖案和地電流的分布，搜索諸如地電流被集中的點這樣的非自然區(qū)域，進而估計地震區(qū)域。地震預測單元46進一步將已產生的地電流感應場強度變化圖案與過去的地電流感應場強度變化圖案進行比較和核對，以估計地震發(fā)生的時間和地震強度(步驟107)。
例如，當地電流感應場和地電流被繪制到圖6所示觀察區(qū)域的地圖上時，可以估計地震區(qū)域就是在觀察區(qū)域中的地電流被集中的點處，而且能夠估計在緊挨著觀察區(qū)域下方的淺層處的大規(guī)模地震。
此外，當地電流感應場和地電流被繪制到圖7所示的觀察區(qū)域的地圖上時，能夠估計鄰近觀察區(qū)域外部的淺層處的地震區(qū)域。
此外，當地電流感應場和地電流被繪制到圖8所示的觀察區(qū)域的地圖上時，能夠估計在觀察區(qū)域外部很遠的淺層處、或者在多個接近的淺層點中的地震區(qū)域。
圖9示出了在地電流感應場強度中變化的圖案的一個例子。在這種情況下，地電流感應場強度是一個相對值。
典型地，在接近于地震區(qū)域的巖體一崩裂就達到的彈性極限的點處，地電流隨著壓電電壓的快速上升而迅速提高。然后觀察地電流的滯留，該滯留與在塑性變形之前的壓電電壓飽和同時發(fā)生，接下來，壓電電壓隨著與巖體崩裂同時產生的壓力的釋放而消失，而地電流也在瞬間消失。
另外，地電流中基于時間的轉變僅通過巖體的可塑性和兩個板塊相對的矢量速度來規(guī)定，而與觀察點到地震區(qū)域的距離沒有關系；以及由于地電流感應場通過地電流產生，所以通過固定觀察點來觀察地電流感應場強度基于時間的轉變能夠估計地電流基于時間的轉變。
在這種情況下，存儲地震區(qū)域包圍的過去的地電流感應場強度變化圖案使得能夠提取地電流感應場強度變化圖案，直到一出現地震區(qū)域的塑性變形(出現了地震)為止，該地震區(qū)域在特定的相同板塊邊界面中出現。因此，如果可以指定在觀察范圍內的已估計地震區(qū)域的板塊，則與過去的地電流感應場強度變化圖案進行的比較和核對使得能夠估計已估計的時間和地震強度，直到巖體出現了塑性變形(出現了地震)為止。
另外，表明地電流感應場強度中變化的曲線函數的轉變點可以被設置，然后，基于接近于巖體彈性極限的點處的地電流感應場強度，來估計巖體出現塑性變形(地震出現)的時間。此外，能夠估計地電流感應場強度達到的最大值，然后根據該最大值來估計等效的地震強度。
在上述說明中，磁力線傳感器被安裝到機動車輛、輪船和現有的固定結構中，并且收集觀察區(qū)域范圍內的各個點的磁場數據；但是作為另一個例子，磁力線傳感器和GPS定位檢測器可以結合到移動電話或者移動終端中，然后可以使用它們自己的通信性能來發(fā)送觀察數據。在這種情況下，可以周期性地自動發(fā)送觀察數據，以及如果沒有繳納傳輸費用，則可以基于寬頻帶從多個點收集觀察數據，而不會給用戶施加任何經濟負擔。
作為選擇，如果加速傳感器與磁力線傳感器一起被安裝到現有的固定結構中，則可以在主震之前的前震發(fā)生時收集磁場數據、和當加速傳感器檢測地震動作時自動傳送的觀察數據，從而可以獲得用于地震預測的有效數據。
再者，如果加速傳感器與磁力線傳感器一起被結合到諸如機動車輛或者輪船這樣的移動單元中、以及移動電話或者便攜式終端中，則可以在加速傳感器檢測至少一個固定時間間隔的穩(wěn)定狀態(tài)時自動傳送觀察數據。
如上面說明中所描述的，通過在觀察區(qū)域中的多個點處收集磁場數據、估計地電流感應場、基于已被估計的地電流感應場來估計地電流、然后分析這些估計結果，可以精確地預測地震。
權利要求
1.一種地震預測方法，其中基于在觀察區(qū)域范圍內的各個點處觀察的磁場來估計地電流感應場和地電流；以及分析在所述觀察區(qū)域范圍內的基于地電流時間和地電流狀態(tài)的變化，來估計地震區(qū)域、地震事件的發(fā)生時間和地震強度。
2.根據權利要求1的地震預測方法，其中從所觀察的磁場中除去在觀察點處的磁場噪聲分量；從多個觀察點處的真北方向找到磁場方向的擴散量，其中從該多個觀察點已經消除所述磁場噪聲分量；以及基于從其已經刪除所述磁場噪聲分量的已觀察磁場和被校正到真北的地磁矢量之間的矢量微分來估計所述地電流感應場。
3.根據權利要求1或2的地震預測方法，其中在地圖上繪制所述已估計的地電流感應場；以及通過將多個點加入到標注了地磁異常的地圖上同時使用右手螺旋規(guī)則來估計所述地電流。
4.根據權利要求1或2或3的地震預測方法，其中估計集中了所述已估計地電流的區(qū)域將是地震區(qū)域。
5.根據權利要求1或2的地震預測方法，其中收集在特定觀察點的地電流感應場強度的過去數據，并且生成表示基于時間變化的地電流感應場強度變化的圖案；以及然后將該圖案與已存儲的過去的地電流感應場強度變化圖案進行比較和核對，以估計地震事件發(fā)生的所述時間和地震強度。
6.一種地震預測系統，包括諸如機動車輛或者輪船這樣的移動單元，每個移動單元攜帶磁力線傳感器，用于提供表明磁力線方向和強度的輸出磁場數據；GPS定位檢測器，用于接收GPS衛(wèi)星的無線電波并且提供表明位置的輸出定位數據；以及數據發(fā)送器，用于發(fā)送所述數據；以及地震預測中心，用于收集由在觀察區(qū)域中行進的所述移動單元發(fā)送的各個點的所述數據，然后執(zhí)行地震預測。
7.根據權利要求6的地震預測系統，所述地震預測中心包括數據接收器，用于接收已從所述移動單元通過通信網絡和天線發(fā)送的數據；數據存儲單元，用于保持并存儲各種數據，諸如地圖數據和已由所述數據接收器接收的數據；地電流感應場估計單元，基于地圖數據和已被保持并存儲在所述數據存儲單元中的數據來估計地電流感應場；地電流估計單元，基于所述已估計的地電流感應場來估計地電流；地電流感應場強度變化圖案生成單元，用于累積所述地電流感應場強度基于時間的轉變，然后生成變化的圖案；以及地震預測單元，用于分析已估計的所述地電流和所述地電流感應場強度的所述變化圖案，以估計地震區(qū)域、地震強度和地震事件發(fā)生的時間。
8.根據權利要求6的地震預測系統，其中當所述移動單元具有車載導航系統時，所述車載導航系統的定位數據用來代替來自所述GPS定位檢測器的數據。
9.根據權利要求6的地震預測系統，其中所述磁力線傳感器和通信設備被安裝到觀察區(qū)域范圍內的預先選擇的現有固定結構中；以及所述通信設備借助于現有的通信網絡，將所述磁力線傳感器輸出的磁場數據和表明該安裝位置的信息傳送到所述地震預測中心。
10.根據權利要求6的地震預測系統，其中所述磁力線傳感器和GPS定位檢測器被結合到移動電話或者移動單元中；以及所述移動電話使用其自己的通信性能將觀察數據傳送到所述地震預測中心。
11.根據權利要求9的地震預測系統，其中提供加速傳感器，并且在所述加速傳感器檢測地震運動時傳送所述磁場數據。
12.根據權利要求6或10的地震預測系統，其中提供加速傳感器，并且在所述加速傳感器檢測至少一個固定時間間隔的平穩(wěn)狀態(tài)時傳送所述磁場數據。
全文摘要
機動車輛(1－1)或者輪船(1－2)每個都攜帶磁力線傳感器(11)、GPS定位檢測器(12)和數據發(fā)送器(13)，并且在將各個點的磁場數據和定位數據發(fā)送到地震預測中心(4)的觀察區(qū)域中行進。該地震預測中心(4)的地電流感應場估計單元(43)基于其接收和收集的觀察數據來估計地電流感應場。地電流估計單元(44)基于估計地電流感應場的結果來估計地電流。地電流感應場強度變化圖案生成單元(45)生成表明地電流感應場的強度基于時間而變化的圖案。地震預測單元(46)分析該地電流分布的狀態(tài)以及在該地電流感應場的強度中變化的圖案，并且估計地震區(qū)域、地震強度和地震事件的發(fā)生時間。
文檔編號G01V3/00GK1701243SQ20048000097
公開日2005年11月23日 申請日期2004年8月18日 優(yōu)先權日2003年8月27日
發(fā)明者四方田朋也, 吉田敏夫 申請人:恩益禧慕百霖株式會社