CN101887624B - 地震灾害超前预警预报方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种地震灾害超前预警预报方法及系统，该方法包括：在地震带断层中设置监测缆索和力学传感器以探测地震带断层面剪切力，所述力学传感器和所述监测缆索连接以感测所述监测缆索的拉张力；根据下述公式计算地震带断层面剪切力：

其中，P为地震带断层面剪切力，M为监测缆索的拉张力，α为监测缆索的拉张力的加固角，θ为地震带断层面与水平面夹角，Φ为断层破碎带各土层内摩擦角的加权平均值，C为断层破碎带各土层内粘聚力的加权平均值；当地震带断层面剪切力大于一预警值时，发出地震预警预报。本发明在地震断层移动前后均可发出地震预警预报信号，真正实现了地震灾害的超前、实时预警预报。

Description

地震灾害超前预警预报方法及系统

技术领域

本发明涉及一种自然灾害预报方法及系统，尤其涉及一种地震灾害超前预警预报方法及系统。

背景技术

地震是一种带来了巨大灾难的自然现象，它最突出的特点是突发性和巨大破坏力。如果能准确预测出未来大地震的时间、地点和强度，无疑可以大大降低地震带来的灾害。上世纪60年代以来，地震预测特别是中、长期预测取得了一些有意义的进展。在长期预测方面，最突出的进展是板块边界大地震空区的确认，然而，短期与临震预测进展却不大。从观测地震发生前的一些微观前兆，如地壳形变、地下水位变化、地磁和地电异常、地下流体化学变化等，到地震宏观异常，如井水大幅度升降、发浑、变色、变味等异常变化和某些动物行为异常等，多年来地震学家一直在努力寻找但却一直未能确定“确定性的地震前兆”。

发明内容

本发明的目的在于提供一种地震灾害超前预警预报方法及系统，以解决现有技术存在的不能准确预报地震灾害，尤其是不能对地震灾害准确进行短期和临震预测的问题。

为了实现上述目的，本发明提供的地震灾害超前预警预报方法包括以下步骤：在地震带断层中多个位置设置多个监测缆索和力学传感器，以随时探测地震带断层间不同位置的剪切力变化，所述力学传感器和所述监测缆索连接以感测所述监测缆索的拉张力；所述监测缆索分为两组，分别设置在第一断裂带和第二断裂带中；设置在第一断裂带中的一组监测缆索在其外端头安装所述力学传感器，并将其外端头固定在该第一断裂带的相对上盘中，将其内端头固定在该第一断裂带的相对下盘；设置在第二断裂带中的一组监测缆索在其外端头安装所述力学传感器，并将其外端头固定在该第二断裂带的相对上盘中，将其内端头固定在该第二断裂带的相对下盘；所述监测缆索上的拉张力发生变化时，变化后的数值通过安装在监测缆索外端头上的力学传感器进行自动采集，通过无线传输的方式传输到数据采集传输装置上，数据采集传输装置利用无线传输方式将这些数据发送到数据接收分析装置中；

根据下述公式计算地震带断层面剪切力：

$P=\frac{C}{\cos \mathrm{\θ}-\sin \mathrm{\θtg\φ}}+\frac{\cos \mathrm{\α}+\sin \mathrm{\αtg\φ}}{\cos \mathrm{\θ}-\sin \mathrm{\θtg\φ}}M$

其中，P为地震带断层面剪切力，M为监测缆索的拉张力，α为监测缆索的拉张力的加固角，θ为地震带断层面与水平面夹角，Φ为断层破碎带各土层内摩擦角的加权平均值，C为断层破碎带各土层内粘聚力的加权平均值；当地震带断层面剪切力大于一预警值时，发出地震预警预报。。

根据所述地震灾害超前预警预报方法的一优选实施例，其中，还对地震带断层中设置的所述监测缆索施加一预应力。

根据所述地震灾害超前预警预报方法的一优选实施例，其中，还包括根据计算的地震带断层面剪切力绘制地震带断层面剪切力与时间的关系曲线以直观的显示地震带断层面剪切力的变化。

为了实现本发明的目的，本发明提供的地震灾害超前预警预报系统包括：多个监测缆索：穿越地震带断层，用于随时感测地震带断层间不同位置的剪切力变化；多个力学传感器：分别连接于所述监测缆索，用于检测所述监测缆索的拉张力变化动态；其中，所述监测缆索分为两组，分别设置在第一断裂带和第二断裂带中；设置在第一断裂带中的一组监测缆索在其外端头安装所述力学传感器，并将其外端头固定在该第一断裂带的相对上盘中，将其内端头固定在该第一断裂带的相对下盘；设置在第二断裂带中的一组监测缆索在其外端头安装所述力学传感器，并将其外端头固定在该第二断裂带的相对上盘中，将其内端头固定在该第二断裂带的相对下盘；数据采集传输装置：连接于所述力学传感器，用于采集所述力学传感器检测的所述监测缆索的剪切力数据并向外传输；所述监测缆索上的拉张力发生变化时，变化后的数值通过安装在监测缆索外端头上的力学传感器进行自动采集，通过无线传输的方式传输到数据采集传输装置上；数据采集传输装置利用无线传输方式将这些数据发送到数据接收分析装置中；数据接收分析装置：连接于所述数据采集传输装置，数据接收分析装置通过下述公式计算地震带断层面剪切力：

$P=\frac{C}{\cos \mathrm{\θ}-\sin \mathrm{\θtg\φ}}+\frac{\cos \mathrm{\α}+\sin \mathrm{\αtg\φ}}{\cos \mathrm{\θ}-\sin \mathrm{\θtg\φ}}M;$

其中，P为地震带断层面剪切力，M为监测缆索的拉张力，α为监测缆索的拉张力的加固角，θ为地震带断层面与水平面夹角，Φ为断层破碎带各土层内摩擦角的加权平均值，C为断层破碎带各土层内粘聚力的加权平均值；当地震带断层面剪切力大于一预警值时，则该数据接收分析装置发出地震预警预报。

根据所述地震灾害超前预警预报系统的一优选实施例，其中，还包括显示器：连接于所述数据接收分析装置，用于显示所述数据接收分析装置计算的地震带断层面剪切力。

根据所述地震灾害超前预警预报系统的一优选实施例，其中，还包括应力电子显示装置：连接于所述数据接收分析装置，用于显示所述监测缆索的拉张力变化动态。

根据所述地震灾害超前预警预报系统的一优选实施例，其中，所述数据接收分析装置还用于根据计算的地震带断层面剪切力绘制地震带断层面剪切力与时间的关系曲线，并将该关系曲线发送至所述显示器显示。

本发明通过检测地震发生之前断层面剪切力的变化，利用可测拉张力和相应函数关系推导出不可测断层面的剪切力变化过程，通过准确的检测地震发生过程中断层面剪切力的实际变化，在移动开始发生阶段发出地震预警预报，真正实现了地震灾害的超前、实时预警预报。由此可知本发明解决了现有技术存在的不能对地震灾害进行短期和临震预测的问题。

附图说明

图1为发震断层面的力学模型图；

图2为本发明的地震灾害超前预警预报系统优选实施例及地震带断层的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

地震是地壳板块力作用下沿断层运动的一种力学现象，也是一种地震作用力逐步克服断层滑面强度直至岩层断裂释放能量的一连串力学行为也是发震断层面剪切力克服阻力后，断层两盘岩体发生弹性震动的地球物理现象。本发明依据极限力学平衡原理，利用可测力学量和非可测力学量之间的函数关系，即通过发震断层面间的剪切力和发震断层面剪切力之间的函数关系解决天然力学系统不可测的难题，实现了提前预报、提前准备和防灾避灾的目的，最大化地降低地震地质灾害对人类的影响。

下面结合图1和图2，同时说明本发明的地震灾害超前预警预报方法及系统的优选实施例，需要提前说明的是，本发明的方法的实施并不唯一依赖于本发明提供的系统。为了使本发明易于理解，图2所示的地震带结构分别为汶川-茂汶断裂带6和北川-映秀断裂带5。首先在地震带断层中设置多个监测缆索11和监测缆索12及与多个监测缆索11和监测缆索12分别连接的多个力学传感器4和力学传感器3，监测缆索11和监测缆索12分为两组，分别设置在该两个断裂带中，一组监测缆索11在其外端头安装力学传感器4，将其内端头固定在相对稳定的下盘内，另一组监测缆索12外端头安装力学传感器3后嵌入到发震断层下盘2内。监测缆索11和监测缆索12用以感测地震带断层间的剪切力，地震带断层间的剪切力变化直接反应为监测缆索的拉张力变化，力学传感器3和力学传感器4则检测监测缆索12和监测缆索11的拉张力。在图2所示优选实施例中，多个监测缆索11和监测缆索12分布在断层的不同位置，随时探测地震带断层间不同位置的剪切力变化，这样便于采集更多更准确全面的数据以反应地震带断层的剪切力变化。

为了使监测缆索11和监测缆索12更准确的感测地震带断层间的剪切力，在设置监测缆索11和监测缆索12时，对其施加一预应力，预应力的初始值可由力学传感器4和力学传感器3测定。

力学传感器3、4和数据采集传输装置7连接，在图2所示优选实施例中，力学传感器3、4和数据采集传输装置7以无线通信的方式连接。数据采集传输装置7采集力学传感器3、4监测的数据并将其传输至数据接收分析装置9。数据接收分析装置9通过下面所描述的公式计算地震带断层面剪切力，经过计算，若地震带断层面剪切力大于一预警值时，数据接收分析装置9则发出地震预警预报。

下面将结合图1所示模型详述数据接收分析装置9所依据的计算公式的推导过程，如图1所示，在发震断层面111中，断层面111上某点的内应力与剪切力间的函数关系如下：

P_x＝-Pcosθ

P_y＝Psinθ

M_x＝Mcosα

M_y＝Msinα

式中：

P——剪切力/kN；

P_x——剪切力的水平分量/kN；

P_y——剪切力的垂直分量/kN；

M——监测缆索拉张力/kN；

M_x——拉张力的水平分量/kN；

M_y——拉张力的垂直分量/kN；

α——拉张力加固角/(°)；

θ——断层面与水平面夹角/(°)；

τ＝(Py+My)tgφ+C

C——断层破碎带各土层内粘聚力的加权平均值；

φ——断层破碎带各土层内摩擦角加权平均值/(°)。

发生地层错动的临界状态时：

Mx+Px+τ＝0

将前式代入，则可得：

Mcosα-Pcosθ+(Py+My)tgφ+C＝0

Mcosα-Pcosθ+(psinθ+M sinα)tgφ+C＝0

Mcosα-Pcosθ+Psinθtgφ+Msinαtgφ+C＝0

$P=\frac{C}{\cos \mathrm{\θ}-\sin \mathrm{\θtg\φ}}+\frac{\cos \mathrm{\α}+\sin \mathrm{\αtg\φ}}{\cos \mathrm{\θ}-\sin \mathrm{\θtg\φ}}M$

令： $k_1=\frac{\cos \mathrm{\α}+\sin \mathrm{\αtg\φ}}{\cos \mathrm{\θ}-\sin \mathrm{\θtg\φ}}$ $k_2=\frac{C}{\cos \mathrm{\θ}-\sin \mathrm{\θtg\φ}}$

则P＝k₁M+k₂

对于某一断层，断层的上盘1的自重力是体积和容重的常函数，在断层岩土体含水量等性质不变的情况下，上盘1的自重力是常量。随着断层破坏面的形成和错动位移的产生，上盘岩体受断面上由内摩擦力和粘聚力引起的摩阻力逐渐减小，内应力逐渐增大。内应力的变化，可以反应断层上盘1与下盘2之间不可测剪切强度及剪切力的变化，从而反应了断层稳定性的改变。最后，随着剪切力不断增大，上盘1和下盘2间开始错位移动，地震发生。

本发明通过力学传感器对内应力数据的不断采集，最终计算得到上盘1在移动前、移动中和移动后所受剪切力与时间的关系。为了直观显示剪切力和时间的关系，数据接收分析装置9汇总分析所计算得到的剪切力数据，据以绘制地震带断层面剪切力与时间的关系曲线，并将此曲线的变化实时显示在显示器10上，据此可清楚地观察和掌握地震断层发生错位移动时的数据统计，为地震预报和预测提供理论和数据依据。

地震灾害发生之前的一段时间内，由于地震作用力的作用，地震断层面相对稳定的下盘2和相对活动的上盘1间的平衡被打破，剪切力开始积累，监测缆索11和监测缆索12上的拉张力发生变化，变化后的数值通过安装在监测缆索11和监测缆索12外端头上的力学传感器3和力学传感器4进行自动采集。接着，采集的数据通过线缆传输到数据采集发射装置7上，数据采集发射装置7利用无线传输方式将这些数据发送到数据接收分析装置9中，数据接收分析装置9将接收到的数据按推导公式计算、整理后形成各个地震带上下盘间错位移动的剪切力-时间曲线，并在显示器10上分别显示。

为了分别显示各监测缆索11和监测缆索12的拉张力，本发明的地震灾害超前预警预报系统优选实施例还包括多个应力电子显示装置8，数据接收分析装置9随时将拉张力数值发送到对应的应力电子显示装置8上，应力电子显示装置8清楚的显示其所对应的应力传感器4所检测到的监测缆索的拉张力值。

当发震断层面上剪切力值逐渐积累到一定程度时，即超过设定的预警值时，数据接收分析装置9发出预警预报，表示发震断层面上的剪切力已经接近断层面上岩土体抗剪切强度，有发生地震的危险，此刻，地表仍然没有发生位移。当剪切力值大于断层面上岩土体抗剪强度后，断层面上盘1和下盘2沿着断层面发生相对位移，地震发生，断层面上盘1和下盘2在水平方向上左右运动，此刻断层面出露地表部分才发生较大的相对位移，这时造成重大人员伤亡和财产损失地震灾害在短时间内已经发生。

综上所述，本发明通过实时检测并计算分析地震断层面剪切力变化特征，准确的反应发震断层内部应力变化特征，从而实现地震灾害的超前实时预警预报。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (7)

1.一种地震灾害超前预警预报方法，其特征在于，包括以下步骤：

在地震带断层中多个位置设置多个监测缆索和力学传感器，以随时探测地震带断层间不同位置的剪切力变化，所述力学传感器和所述监测缆索连接以感测所述监测缆索的拉张力；

所述监测缆索分为两组，分别设置在第一断裂带和第二断裂带中；

设置在第一断裂带中的一组监测缆索在其外端头安装所述力学传感器，并将其外端头固定在该第一断裂带的相对上盘中，将其内端头固定在该第一断裂带的相对下盘；

设置在第二断裂带中的一组监测缆索在其外端头安装所述力学传感器，并将其外端头固定在该第二断裂带的相对上盘中，将其内端头固定在该第二断裂带的相对下盘；

所述监测缆索上的拉张力发生变化时，变化后的数值通过安装在监测缆索外端头上的力学传感器进行自动采集，通过无线传输的方式传输到数据采集传输装置上，数据采集传输装置利用无线传输方式将这些数据发送到数据接收分析装置中；

根据下述公式计算地震带断层面剪切力：

$P=\frac{C}{\cos \mathrm{\θ}-\sin \mathrm{\θtg\φ}}+\frac{\cos \mathrm{\α}+\sin \mathrm{\αtg\φ}}{\cos \mathrm{\θ}-\sin \mathrm{\θtg\φ}}M$

其中，P为地震带断层面剪切力，M为监测缆索的拉张力，α为监测缆索的拉张力的加固角，θ为地震带断层面与水平面夹角，Φ为断层破碎带各土层内摩擦角的加权平均值，C为断层破碎带各土层内粘聚力的加权平均值；

当地震带断层面剪切力大于一预警值时，发出地震预警预报。

2.根据权利要求1所述的地震灾害超前预警预报方法，其特征在于，还对地震带断层中设置的所述监测缆索施加一预应力。

3.根据权利要求1所述的地震灾害超前预警预报方法，其特征在于，还包括根据计算的地震带断层面剪切力绘制地震带断层面剪切力与时间的关系曲线以直观的显示地震带断层面剪切力的变化。

4.一种地震灾害超前预警预报系统，其特征在于，包括：

多个监测缆索：穿越地震带断层，用于随时感测地震带断层间不同位置的剪切力变化；

多个力学传感器：分别连接于所述监测缆索，用于检测所述监测缆索的拉张力变化动态；其中，所述监测缆索分为两组，分别设置在第一断裂带和第二断裂带中；设置在第一断裂带中的一组监测缆索在其外端头安装所述力学传感器，并将其外端头固定在该第一断裂带的相对上盘中，将其内端头固定在该第一断裂带的相对下盘；设置在第二断裂带中的一组监测缆索在其外端头安装所述力学传感器，并将其外端头固定在该第二断裂带的相对上盘中，将其内端头固定在该第二断裂带的相对下盘；

数据采集传输装置：连接于所述力学传感器，用于采集所述力学传感器检测的所述监测缆索的剪切力数据并向外传输；所述监测缆索上的拉张力发生变化时，变化后的数值通过安装在监测缆索外端头上的力学传感器进行自动采集，通过无线传输的方式传输到数据采集传输装置上；数据采集传输装置利用无线传输方式将这些数据发送到数据接收分析装置中；

数据接收分析装置：连接于所述数据采集传输装置，数据接收分析装置通过下述公式计算地震带断层面剪切力：

$P=\frac{C}{\cos \mathrm{\θ}-\sin \mathrm{\θtg\φ}}+\frac{\cos \mathrm{\α}+\sin \mathrm{\αtg\φ}}{\cos \mathrm{\θ}-\sin \mathrm{\θtg\φ}}M;$

其中，P为地震带断层面剪切力，M为监测缆索的拉张力，α为监测缆索的拉张力的加固角，θ为地震带断层面与水平面夹角，Φ为断层破碎带各土层内摩擦角的加权平均值，C为断层破碎带各土层内粘聚力的加权平均值；当地震带断层面剪切力大于一预警值时，则该数据接收分析装置发出地震预警预报。

5.根据权利要求4所述的地震灾害超前预警预报系统，其特征在于，还包括显示器：连接于所述数据接收分析装置，用于显示所述数据接收分析装置计算的地震带断层面剪切力变化。

6.根据权利要求4所述的地震灾害超前预警预报系统，其特征在于，还包括应力电子显示装置：连接于所述数据接收分析装置，用于显示所述监测缆索的拉张力变化。

7.根据权利要求5所述的地震灾害超前预警预报系统，其特征在于，所述数据接收分析装置还用于根据计算的地震带断层面剪切力绘制地震带断层面剪切力与时间的关系曲线，并将该关系曲线发送至所述显示器显示。

Images