CN110865245B - 断裂扩散电场强度的单孔监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种断裂扩散电场强度的单孔监测系统及方法。本发明的断裂扩散电场强度的单孔监测系统包括一参考电极、若干浅表电极、监测仪器和计算设备，参考电极和不同的至少两个浅表电极构成至少一组监测测道；参考电极安装于基岩面之下的断裂破碎带中，浅表电极安装于断裂上盘或断裂下盘中的浅表土层中，监测仪器检测每组监测测道内参考电极与每个浅表电极所检测的电物理量之间的电物理量差并发送至计算设备；计算设备对每组监测测道进行电物理量等差点的插值，并根据电物理量等差点勾勒出位于浅表土层的断裂扩散电场的等势线。本发明的断裂扩散电场强度的单孔监测系统能够比较准确的监测断裂扩散电场的强度变化。

Description

断裂扩散电场强度的单孔监测系统及方法

技术领域

本发明涉及地电场探测领域，特别是涉及一种断裂扩散电场强度的单孔监测系统及方法。

背景技术

断裂电场是指分布于断裂破碎带中及其附近的电场，如图1所示，断裂电场形成的先决条件是压应力的存在，而这种压应力实则就是断裂两盘块体的相互作用力，其从地震的成因中可以阐明。以应力集中来解释形成断裂电场的压电效应中的压力来源后还需有序排列的压电矿物。而大陆地震震源深度多在5-25km之间的所谓“大陆地震层”内的事实，表明断裂面上的应力集中点主要出现在地表以下5-25km的地壳深部，这一深度正是花岗岩层的分布范围。因此当断裂切割至该深度范围，必然会存在有序排列的石英矿物，当断裂两盘发生应力集中时自然而然就会产生压电效应，这也就是断裂中电场的来源。根据上述原理可知断裂压电部位实质上是断面上阻挠断裂两盘发生相对运动的阻碍部位，同时也是潜在的地震发震震源，即孕震部位。因此断裂电场的强度只与这一阻碍部位的应力相关，而阻碍部位的大小取决于断面的粗糙程度，与断裂的力学性质和运动学性质无关。

如图2所示，孕震部位的压电效应可以被视作“电源”，然而这一电源可能存在于地表之下数乃至十数公里的深度，人类要在地表对该电源进行观测，就必须有“导线”这一概念，这一“导线”就是断裂本身。据现有超深钻资料表明，在陆壳深部依然有着水的存在，而在裂隙发育的断裂内，水可作为电流载体，其良好的导电率可使得产生于断裂深部的压电电流到达浅表地区，从而形成断裂电场。

对于断裂电场不同部位，其强度亦大小不一，越接近“电源”，电场强度越大。相对于断裂带内部，其上下两盘由于裂隙的不发育，导致了其内含水量远小于断裂带本身，使得两盘基本处于绝缘状态。当断裂带中的压电电流传导至地表，会与浅表水接触从而产生“漏电现象”。换而言之，前述各种方法所测得的震前地电异常实质上就是断裂电场在浅表含水层中的辐射作用所形成的“漏电电场”(见图2)，而这种“漏电电场”实质上就是断裂电场在地表部位的延伸。我们将之称为断裂电场的地壳浅部扩散电场，以下简称断裂扩散电场。而现有的自然电场法无法准确检测断裂扩散电场的强度变化。

发明内容

基于此，本发明的目的在于，提供一种断裂扩散电场强度的单孔监测系统及方法，其能够比较准确的监测断裂扩散电场的强度变化。

第一方面，本发明实施例提供了一种断裂扩散电场强度的单孔监测系统，包括：

一参考电极、若干浅表电极、监测仪器和计算设备，所述参考电极和不同的至少两个浅表电极构成至少一组监测测道；

所述参考电极通过探测钻孔安装于基岩面之下的断裂破碎带中；

在一组监测测道内的所述至少两个浅表电极共同安装于断裂上盘或断裂下盘中的浅表土层中，所述至少两个浅表电极不同时位于与断裂破碎带走向一致的直线上，或者，每一个浅表电极与所述参考电极之间的电物理量差的数值大小不同但变化趋势一致；

所述监测仪器与所述参考电极和每组测道内的每一个浅表电极分别连接，并检测每组监测测道内所述参考电极与每个浅表电极所检测的电物理量之间的电物理量差，并将该电物理量差发送至所述计算设备；

所述计算设备根据该电物理量差采用插值法从地表的断裂破碎面沿每组监测测道中所述至少两个浅表电极布置的方向对每组监测测道进行电物理量等差点的插值，并根据每组监测测道的电物理量等差点勾勒出位于浅表土层的断裂扩散电场的等势线。

进一步地，所述监测测道的数量大于1，所述计算设备将不同组监测测道的电物理量等差点互相连接，从而勾勒出位于浅表土层的断裂扩散电场的等势线；

或者，

所述监测测道的数量为1，所述计算设备根据该监测测道的电物理量等差点，沿与断裂破碎带走向一致的方向勾勒出位于浅表土层的断裂扩散电场的等势线。

进一步地，在同一组监测测道内，每个浅表电极在地面的垂直投影与所述参考电极在地面的垂直投影位于同一条直线上；

所述计算设备根据该组监测测道内参考电极与每一个浅表电极之间的物理量差，计算出位于该同一条直线上每两个相邻浅表电极之间的电物理量差；并根据相邻两个浅表电极之间的电物理量差和该两个浅表电极在地面的垂直投影的距离计算出该两个浅表电极在地面的垂直投影之间的单位距离电物理量衰减值；以及根据该单位距离电物理量衰减值在该两个浅表电极在地面的垂直投影之间进行电物理量等差点的插值；

所述计算设备还根据离地表的断裂破碎面最近的两个浅表电极之间的单位距离电物理量衰减值，在该条直线上对地表的断裂破碎面与离其最近的浅表电极之间进行电物理量等差点的插值，并根据离地表的断裂破碎面最远的两个浅表电极之间的单位距离电物理量衰减值，在该条直线上对离地表的断裂破碎面最远的浅表电极远离断裂破碎面的方向进行电物理量等差点的插值。

进一步地，在同一组监测测道内，每个浅表电极在地面的垂直投影与所述参考电极在地面的垂直投影不同时位于同一条直线上；

所述计算设备将该组监测测道内的浅表电极在地面的垂直投影沿断裂破碎带走向一致的方向投影至一条直线上，其中，该条直线经过其中一个浅表电极在地面的垂直投影和所述参考电极在地面的垂直投影；并根据该组监测测道内参考电极与每一个浅表电极之间的电物理量差，计算出位于投影至该同一条直线上的每两个相邻浅表电极之间的电物理量差；以及根据每两个相邻浅表电极之间的电物理量差和该两个浅表电极的投影在该条直线上的距离计算出该两个浅表电极的投影在该条直线上的单位距离电物理量衰减值，并根据该单位距离电物理量衰减值在该条直线上该两个浅表电极的投影之间进行电物理量等差点的插值；

所述计算设备还根据投影后离地表的断裂破碎面最近的两个浅表电极之间的单位距离电物理量衰减值，在该条直线上对地表的断裂破碎面与离其最近的浅表电极之间进行电物理量等差点的插值，并根据投影后离地表的断裂破碎面最远的两个浅表电极之间的单位距离电物理量衰减值，在该条直线上对离地表的断裂破碎面最远的浅表电极远离断裂破碎面的方向进行电物理量等差点的插值。

第二方面，本发明实施例提供了一种断裂扩散电场强度的单孔监测方法，包括如下步骤：

从监测仪器中获取每组监测测道内参考电极与每个浅表电极所检测的电物理量之间的电物理量差，其中，所述参考电极和若干浅表电极中不同的至少两个浅表电极构成至少一组监测测道；所述参考电极通过探测钻孔安装于基岩面之下的断裂破碎带中；在一组监测测道内的所述至少两个浅表电极共同安装于断裂上盘或断裂下盘中的浅表土层中；所述至少两个浅表电极不同时位于与断裂破碎带走向一致的直线上，或者，每一个浅表电极与所述参考电极之间的电物理量差的数值大小不同但变化趋势一致；所述监测仪器与所述参考电极和每组测道内的每一个浅表电极分别连接，并检测每组监测测道内所述参考电极与每个浅表电极所检测的电物理量之间的电物理量差；

根据该电物理量差采用插值法从地表的断裂破碎面沿每组监测测道中所述至少两个浅表电极布置的方向对每组监测测道进行电物理量等差点的插值；

根据每组监测测道的电物理量等差点勾勒出位于浅表土层的断裂扩散电场的等势线。

进一步地，如果所述监测测道的数量大于1，则根据每组监测测道的电物理量等差点勾勒出位于浅表土层的断裂扩散电场的等势线包括：

将每组监测测道的电物理量等差点互相连接，从而勾勒出位于浅表土层的断裂扩散电场的等势线；

或者，

如果所述监测测道的数量为1，则根据每组监测测道的电物理量等差点勾勒出位于浅表土层的断裂扩散电场的等势线包括：

根据该监测测道的电物理量等差点，沿与断裂破碎带走向一致的方向勾勒出位于浅表土层的断裂扩散电场的等势线。

进一步地，在同一组监测测道内，每个浅表电极在地面的垂直投影与所述参考电极在地面的垂直投影位于同一条直线上；则根据该电物理量差采用插值法从地表的断裂破碎面沿每组监测测道中所述至少两个浅表电极布置的方向对每组监测测道进行电物理量等差点的插值，包括：

根据该组监测测道内参考电极与每一个浅表电极之间的物理量差，计算出位于该同一条直线上每两个相邻浅表电极之间的电物理量差；

根据相邻两个浅表电极之间的电物理量差和该两个浅表电极在地面的垂直投影的距离计算出该两个浅表电极在地面的垂直投影之间的单位距离电物理量衰减值；

根据该单位距离电物理量衰减值在该两个浅表电极在地面的垂直投影之间进行电物理量等差点的插值。

进一步地，还包括：

根据离地表的断裂破碎面最近的两个浅表电极之间的单位距离电物理量衰减值，在该条直线上对地表的断裂破碎面与离其最近的浅表电极之间进行电物理量等差点的插值；

根据离地表的断裂破碎面最远的两个浅表电极之间的单位距离电物理量衰减值，在该条直线上对离地表的断裂破碎面最远的浅表电极远离断裂破碎面的方向进行电物理量等差点的插值。

进一步地，在同一组监测测道内，每个浅表电极在地面的垂直投影与所述参考电极在地面的垂直投影不同时位于同一条直线上；则根据该电物理量差采用插值法从地表的断裂破碎面沿每组监测测道中所述至少两个浅表电极布置的方向对每组监测测道进行电物理量等差点的插值，包括：

将该组监测测道内的浅表电极在地面的垂直投影沿断裂破碎带走向一致的方向投影至一条直线上，其中，该条直线经过其中一个浅表电极在地面的垂直投影和所述参考电极在地面的垂直投影；

根据该组监测测道内参考电极与每一个浅表电极之间的电物理量差，计算出位于投影至该同一条直线上的每两个相邻浅表电极之间的电物理量差；

根据每两个相邻浅表电极之间的电物理量差和该两个浅表电极的投影在该条直线上的距离计算出该两个浅表电极的投影在该条直线上的单位距离电物理量衰减值；

根据该单位距离电物理量衰减值在该条直线上该两个浅表电极的投影之间进行电物理量等差点的插值。

进一步地，还包括：

根据投影后离地表的断裂破碎面最近的两个浅表电极之间的单位距离电物理量衰减值，在该条直线上对地表的断裂破碎面与离其最近的浅表电极之间进行电物理量等差点的插值；

根据投影后离地表的断裂破碎面最远的两个浅表电极之间的单位距离电物理量衰减值，在该条直线上对离地表的断裂破碎面最远的浅表电极远离断裂破碎面的方向进行电物理量等差点的插值。

在本申请实施例中，在断裂破碎带和断裂上盘或下盘中设置至少一组监测测道，监测仪器通过检测位于断裂破碎带中的参考电极与若干浅表电极之间的电物理量差，计算设备根据所述电物理量差采用插值法勾勒出断裂上盘或断裂下盘浅表土层的断裂扩散电场的等势线，由于所述等势线与电场线垂直，且所述等势线疏密程度可以反映电场中电势变化的快慢程度，等势线越密集，则表明电场中的电势经过更短距离降低到下一个等级，说明电场强度越小；等势线越稀疏，则表明电场中的电势经过更长的距离降低到下一个等级，说明电场强度越大，从而在地震监测应用中可以通过实时监测该等势线的疏密程度来监测断裂上盘或断裂下盘浅表土层的断裂扩散电场的强度变化，间接实现了对孕震部位的压电效应所产生的断裂电场强度大小的监测，提高了断裂稳定性评估的准确性。

为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。

附图说明

图1和图2为断裂电场形成的原理示意图；

图3为在一个示例性实施例中示出的本发明断裂扩散电场强度的单孔监测系统的结构示意图；

图4为在一个示例性实施例中示出的本发明断裂扩散电场强度的单孔监测系统内部连接关系示意图；

图5A和图5B为在一个示例性实施例中示出的监测钻孔的布钻位置示意图；

图6为在一个示例性实施例中示出的在断裂破碎带中进行电物理量等差点的插值的原理示意图；

图7为在一个示例性实施例中示出的本发明断裂扩散电场强度的单孔监测系统的结构示意图；

图8为在一个示例性实施例中示出的在断裂破碎带中进行电物理量等差点的插值的原理示意图；

图9为在一个示例性实施例中示出的本发明断裂扩散电场强度的单孔监测系统的结构示意图；

图10为在一个示例性实施例中示出的本发明断裂扩散电场强度的单孔监测方法的流程图；

图11为根据本申请实施例的原理勾勒出的稳定电场区域的断裂扩散电场等势线的示意图；

图12为根据本申请实施例的原理勾勒出的不稳定电场区域的断裂扩散电场等势线的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本发明可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

现有的自然电场法实质上是观测到正是断裂扩散电场这种“漏电现象”，当自然电场法的测道斜切或垂直断裂展布时，电异常才会出现，所以在地表漫无目的的布设土地电测道就是为什么土地电观测不可靠的根本原因。

由于完整岩石的导电率极低，远小于富含自由水的断裂破碎带，可以认为电流在断裂破碎带中的导体就是自由水。而根据电学的基本原理和图2所示模型，可得知断裂电场具备两个主要特征：首先，在断裂破碎带中，在空间位置上离压电点越远的地方，其场强越小，电流值也越小，电压也越小；其次，在地表断裂扩散电场中，断裂电场的强度是由断裂破碎带内向两盘衰减，且破碎带两盘的衰减速度要大于破碎带内。

基于上述原理，当孕震区应力积聚时，实质上就等同于“电源”功率不断增加。因此通过观测断裂带内及一盘上的电场变化幅度(电压差或电流差)，结合各种地质物理量对比背景电场，就可反算出“电源”功率大小，即应力积聚情况。然而，该方法能做到的仅仅在于探测，而无法做到真正的监测。

本申请的提出的一种断裂扩散电场强度的单孔监测系统，可以对断裂扩散电场的强度变化进行监测。

图3和图4为本申请一个实施例中的断裂扩散电场强度的单孔监测系统的结构示意图，在本实施例中，断裂扩散电场强度的单孔监测系统包括一参考电极a、浅表电极b、c、b’、c’、监测仪器e和计算设备f，所述参考电极a用于检测断裂破碎带中的电物理量，所述浅表电极b、c、b’、c’用于检测浅表土层中的电物理量。

在图3以及之后的附图中，两个监测电极之间的连线表明该两个监测电极构成一组监测测道，并不意味着两个监测电极之间通过导线直接连通。

本实施例中的断裂扩散电场强度的单孔监测系统适用于单个监测站的建设上。单个监测站所涉及的范围应限制于空旷空间中肉眼的可视范围之内，例如一所学校，或一个楼盘等范围之内。

本实施例中的断裂扩散电场强度的单孔监测系统所对应的断裂破碎带不止为张性断裂破碎带，而对于逆断层、走滑断层(对应压性及扭性断裂破碎带)而言同样适用，因为断裂电场的产生与断裂的力学性质及运动学性质无关，仅与断面的粗糙程度相关(前文原理中已阐明)。断裂破碎带为控制地形地貌的区域性深大断裂，对于肉眼可见老旧地层错位，或小型控矿裂隙或填充岩脉不做考虑，因为这些断裂、裂隙或断层无法引起大规模的构造地震。

所述参考电极a在地面的垂直投影与浅表电极b和c在地面的垂直投影位于同一条直线上，并构成一组监测测道abc，该组监测测道具体的包括由参考电极a和浅表电极b构成的测道ab和由参考电极a和浅表电极c构成的测道ac；所述参考电极a在地面的垂直投影与浅表电极b’、c’在地面的垂直投影位于另一条直线上，并构成另一组监测测道ab’c’，该组监测测道具体的包括由参考电极a和浅表电极b’构成的测道ab’和由参考电极a和浅表电极c构成的测道ac’。

在其他例子中，所述监测测道还可以是一组或更多组，每组监测测道中的浅表电极的数量还可以是大于两个的多个，每组监测测道中的浅表电极在地面的垂直投影也可以是不同时与参考电极在地面的垂直投影位于同一条直线上，只要保证每个浅表电极不同时位于与断裂破碎带走向一致的直线上或者每一个浅表电极与所述参考电极之间的电物理量差的数值大小不同，但变化趋势一致即可。

如图3所示，所述参考电极a通过探测钻孔安装于基岩面之下的断裂破碎带中。为了防止第四系层和风化基岩层的塌陷和浅水层变化对探测钻孔A的影响，探测钻孔A在第四系层、风化基岩层的对应孔段安装有用于防塌陷和隔水的套管。

在一些例子中，所述套管包括钢制层和PVC层，钢制层包覆在PVC层的外周。如图5A和图5B所示，监测钻孔的布钻位置取决于断裂破碎带的产状，断裂产状越高，则开孔位置离断裂破碎带越近。

所述浅表电极b、c、b’、c’安装于断裂上盘或断裂下盘其中一盘中的浅表土层中，所述浅表电极b、c、b’、c’无安装深度要求，在一些例子中，只需简单地埋藏于土层中即可，但电极应避免暴露于地表之上，如能做到人工电磁辐射的隔绝则更佳。

如图5所示，所述监测仪器e通过电缆分别与所述参考电极和每一个浅表电极分别连接，所述监测仪器e中设有电压或电流检测电路，用于实时检测所述参考电极a在断裂破碎带中所检测的电物理量与每一个浅表电极在浅表土层中检测到的电物理量之间的电物理量差，并将该电物理量差发送至所述计算设备f。

所述计算设备f根据该电物理量差采用插值法从断裂破碎带位于地表的断裂破碎面沿每组监测测道中所述至少两个浅表电极布置的方向对每组监测测道进行电物理量等差点的插值，即沿浅表电极b、c的方向和沿浅表电极b’、c’的方向进行电物理量等差点的插值，并根据每组监测测道的电物理量等差点勾勒出位于浅表土层的断裂扩散电场的等势线。其中，图3中沿断裂破碎带布置的虚线即为本申请实施例所勾勒出的断裂扩散电场的等势线。

所述计算设备f可以是计算机或服务器或专用实验设备，所述计算机内安装有分析软件，可以完成对电物理量的插值和浅表土层的断裂扩散电场等势线的勾勒。

所述电物理量等差点可以是在每组监测测道中与断裂破碎面之间的电物理量差相同的点，如果所述监测测道的数量大于1，例如本实施例中的abc和ab’c’两组监测测道，则所述计算设备f将本实施例的两组或其他实施例中的多组监测测道的电物理量等差点互相连接，便可勾勒出位于浅表土层的断裂扩散电场的等势线，在连接电物理量等差点连接范围之外的区域，可以沿与断裂破碎带走向一致的方向补充勾勒出位于浅表土层的断裂扩散电场的等势线。如果不同的电物理量等差点的距离较远，则连接电物理量等差点时，也可以是沿与断裂破碎带走向一致的方向补充勾勒出该两个电物理量等差点之间位于浅表土层的断裂扩散电场的等势线，即所述计算设备f将本实施例的两组或其他实施例中的多组监测测道的电物理量等差点沿与断裂破碎带走向一致的方向互相连接。

在其他例子中，如果所述监测测道的数量为1，由于断裂扩散电场实质上就是断裂电场在地表部位的延伸，因此在地表部位与断裂破碎带相同垂直距离的断裂扩散电场强度理论上相同，所述计算设备可以根据该监测测道的电物理量等差点，沿与断裂破碎带走向一致的方向勾勒出位于浅表土层的断裂扩散电场的等势线。

所述等势线与电场线垂直，且所述等势线疏密程度可以反映电场中电势变化的快慢程度，等势线越密集，则表明电场中的电势经过更短距离降低到下一个等级，说明电场强度越小；等势线越稀疏，则表明电场中的电势经过更长的距离降低到下一个等级，说明电场强度越大。

本申请中的电物理量可以是电流和/或电压，以下以电压进行说明，即上述中的电物理量差为参考电极与各浅表电极之间的电压差，电物理量等差点为电压等差点。

在本申请实施例中，在断裂破碎带和断裂上盘或下盘中设置至少一组监测测道，监测仪器通过检测位于断裂破碎带中的参考电极与若干浅表电极之间的电物理量差，计算设备根据所述电物理量差采用插值法勾勒出断裂上盘或断裂下盘浅表土层的断裂扩散电场的等势线，由于所述等势线与电场线垂直，且所述等势线疏密程度可以反映电场中电势变化的快慢程度，等势线越密集，则表明电场中的电势经过更短距离降低到下一个等级，说明电场强度越小；等势线越稀疏，则表明电场中的电势经过更长的距离降低到下一个等级，说明电场强度越大，从而在地震监测应用中可以通过实时监测该等势线的疏密程度来监测断裂上盘或断裂下盘浅表土层的断裂扩散电场的强度变化，间接实现了对孕震部位的压电效应所产生的断裂电场强度大小的监测，提高了断裂稳定性评估的准确性。

如图6所示，图6为本申请实施例中根据参考电极在断裂破碎带中所检测的电物理量与每一个浅表电极在浅表土层中检测到的电物理量之间的电物理量差采用插值法进行电物理量等差点的插值的原理示意图，浅表电极b、c与参考电极a在地面的垂直投影成一条直线，通过监测仪器可以获得测道ab与测道ac之间的电压差ΔUab和ΔUac，两值相减就可以获得ΔUbc即浅表电极b、c之间的电压差，由于浅表电极b、c及参考电极a在地面的垂直投影间的距离(l1、l2)是已知的，那么电极b与电极c在地面的垂直投影之间的距离也是已知，记为l3；在理想状态下，假如电压是匀距变化的，那么这个变量就可以用ΔUbc/l3，获得电压差的衰减变量dU，单位毫伏/米(mV/m)，所述衰减变量dU即为单位距离电物理量衰减值。由于ΔUbc是向量，因此断裂边界即地表的断裂破碎面沿(bc)方向上所有的电压变化都可以通过dU与离开断裂边界的l之间的乘积求得。因此，插值所获得的并不是直接的电场等势线，而是电物理量等差点即电压等差点。

所述插值可以是设定电压差的插值，即相邻两个插值点之间的电压差为设定电压差，以每个插值点与断裂破碎面之间的电压差递增的顺序插值，如果有多组监测测道，则将每组监测测道中与断裂破碎面之间的电压差相同的插值点连接便可勾勒出位于浅表土层的断裂扩散电场的等势线。

在其他例子中，所述插值还可以是设定距离插值，即相邻两个插值点之间的设定距离相同，以每个插值点与断裂破碎面之间的设定距离递增的顺序插值，如果有多组监测测道，则将每组监测测道中与断裂破碎面之间以设定距离插值后，电压差相同的插值点连接便可勾勒出位于浅表土层的断裂扩散电场的等势线。

在图6中，通过设定好的插值距离l，浅表电极bc之间可以用内插法，由于，插值距离l可控，因此各段电压等差线的大小直接取决于ΔUbc，即ΔUab与ΔUac的测量值。dU＝(573mV–422mV)/10m＝15.1mV/m；插值。以2m为间隔插值为例，浅表电极b与c之间的第一个插值点的电压差大小为422mV+15.1mV/m*2m＝452.2mV。

bc之外则是使用外插法，例如，浅表电极b与断裂破碎面之间的第一个插值点的电压差大小为422mV-15.1mV/m*2m＝391.8mV；浅表电极c远离断裂面之外的第一个插值点的电压差大小为573mV+15.1mV/m*2m＝603.2mV。

在其他例子中，与参考电极a之间电压差最小的浅表电极b和与参考电极a之间电压差最大的浅表电极c之间还可能存在其他浅表电极，因此，所述计算设备根据该组监测测道内参考电极与每一个浅表电极之间的电压差，计算出同一条直线上每两个相邻浅表电极之间的电压差；并根据相邻两个浅表电极之间的电压差和该两个浅表电极在地面的垂直投影的距离计算出该两个浅表电极在地面的垂直投影之间的单位距离电物理量衰减值；以及根据该单位距离电物理量衰减值在该两个浅表电极在地面的垂直投影之间进行电物理量等差点的插值。

所述计算设备还根据离地表的断裂破碎面最近的两个浅表电极之间的单位距离电物理量衰减值，在该条直线上对地表的断裂破碎面与离其最近的浅表电极之间进行电压等差点的插值，并根据离地表的断裂破碎面最远的两个浅表电极之间的单位距离电物理量衰减值，在该条直线上对离地表的断裂破碎面最远的浅表电极远离断裂破碎面的方向进行电压等差点的插值。

在其他例子中，衰减变量dU也可能是随距离l改变而变化的，即非匀距变化。那么dU的可以通过微分来进行更准确的计算，这一概念与加速度的微分概念基本一致，不同的是后者是速度随时间的变化。

在一些应用场景中，由于地形的限制等原因，有可能不具备将一组监测测道中的各浅表电极的垂直投影全都布置为与参考电极的垂直投影位于同一直线上，为了解决受地形条件限制无法按一条直线布置参考电极和浅表电极这一问题，本申请还提出另外一种解决方案，如图7所示，在另一个实施例中，本申请的断裂扩散电场的单孔监测系统包括一参考电极a和三个浅表电极b、c、d。三个浅表电极b、c、d与参考电极a组成一组监测测道，三个浅表电极b、c、d不同时位于与断裂破碎带走向一致的直线上，且每一个浅表电极与所述参考电极之间的电物理量差的数值大小不同，与上述实施例中一组监测测道内的浅表电极布置方式不同的是，本实施例中的浅表电极b、c、d不同时与参考电极a位于同一条直线上。

在对本实施例中的电压等差点进行插值时，原理如图8所示，所述计算设备将该组监测测道内的浅表电极在地面的垂直投影沿断裂破碎带走向一致的方向投影至一条直线上，其中，该条直线经过其中一个浅表电极在地面的垂直投影和所述参考电极在地面的垂直投影；例如图8中将浅表电极b投影至参考电极a和浅表电极c所位于的一条直线上，形成一个虚拟的电极b’，基于同样的原理，所述计算设备还将浅表电极d投影至参考电极a和浅表电极c所位于的一条直线上。

所述计算设备根据该组监测测道内参考电极a与每一个浅表电极之间的电物理量差，计算出位于投影至该同一条直线上的每两个相邻浅表电极之间的电物理量差；以及根据每两个相邻浅表电极之间的电物理量差和该两个浅表电极的投影在该条直线上的距离计算出该两个浅表电极的投影在该条直线上的单位距离电物理量衰减值，并根据该单位距离电物理量衰减值在该条直线上该两个浅表电极的投影之间进行电物理量等差点的插值。

所述计算设备还根据投影后离地表的断裂破碎面最近的两个浅表电极之间的单位距离电物理量衰减值，在该条直线上对地表的断裂破碎面与离其最近的浅表电极之间进行电物理量等差点的插值，并根据投影后离地表的断裂破碎面最远的两个浅表电极之间的单位距离电物理量衰减值，在该条直线上对离地表的断裂破碎面最远的浅表电极远离断裂破碎面的方向进行电物理量等差点的插值。

在一个示例性的实施例中，如图9所示，本实施例中的断裂扩散电场强度的单孔监测系统不止对断裂上盘或断裂下盘中的一盘进行监测，而是对断裂上盘和断裂下盘同时进行监测。本实施例中，断裂上盘和断裂下盘分别布置若干的浅表电极，其中，浅表电极的布置要求和数量与前述实施例中在断裂上盘或断裂下盘其中一盘进行监测时的若干浅表电极的布置要求和数量相同，优选的，断裂上盘和断裂下盘所布置的浅表电极如图9中对称布置。计算设备从地表的断裂破碎面沿每组监测测道中所述至少两个浅表电极布置的方向对每组监测测道进行电物理量等差点的插值，并根据每组监测测道的电物理量等差点勾勒出位于浅表土层的断裂扩散电场的等势线也与上述实施例中的实现方式相同，因此不在赘述。

基于与上述实施例中的断裂扩散电场强度的单孔监测系统相同的原理，本发明还提供一种断裂扩散电场强度的单孔监测方法，如图10所示，该方法由上述实施例中的计算设备执行包括如下步骤：

步骤S101：从监测仪器中获取每组监测测道内参考电极与每个浅表电极所检测的电物理量之间的电物理量差；

其中，所述参考电极和若干浅表电极中不同的至少两个浅表电极构成至少一组监测测道；所述参考电极通过探测钻孔安装于基岩面之下的断裂破碎带中；在一组监测测道内的所述至少两个浅表电极共同安装于断裂上盘或断裂下盘中的浅表土层中；所述至少两个浅表电极不同时位于与断裂破碎带走向一致的直线上，或者，每一个浅表电极与所述参考电极之间的电物理量差的数值大小不同但变化趋势一致；所述监测仪器与所述参考电极和每组测道内的每一个浅表电极分别连接，并检测每组监测测道内所述参考电极与每个浅表电极所检测的电物理量之间的电物理量差；

步骤S102：根据该电物理量差采用插值法从地表的断裂破碎面沿每组监测测道中所述至少两个浅表电极布置的方向对每组监测测道进行电物理量等差点的插值；

步骤S103：根据每组监测测道的电物理量等差点勾勒出位于浅表土层的断裂扩散电场的等势线。

在一个可选的实施例中，如果所述监测测道的数量大于1，则根据每组监测测道的电物理量等差点勾勒出位于浅表土层的断裂扩散电场的等势线包括：

将每组监测测道的电物理量等差点互相连接，从而勾勒出位于浅表土层的断裂扩散电场的等势线；

或者，

如果所述监测测道的数量为1，则根据每组监测测道的电物理量等差点勾勒出位于浅表土层的断裂扩散电场的等势线包括：

根据该监测测道的电物理量等差点，沿与断裂破碎带走向一致的方向勾勒出位于浅表土层的断裂扩散电场的等势线。

在一个可选的实施例中，在同一组监测测道内，每个浅表电极在地面的垂直投影与所述参考电极在地面的垂直投影位于同一条直线上；则根据该电物理量差采用插值法从地表的断裂破碎面沿每组监测测道中所述至少两个浅表电极布置的方向对每组监测测道进行电物理量等差点的插值，包括：

根据该组监测测道内参考电极与每一个浅表电极之间的物理量差，计算出位于该同一条直线上每两个相邻浅表电极之间的电物理量差；

根据相邻两个浅表电极之间的电物理量差和该两个浅表电极在地面的垂直投影的距离计算出该两个浅表电极在地面的垂直投影之间的单位距离电物理量衰减值；

根据该单位距离电物理量衰减值在该两个浅表电极在地面的垂直投影之间进行电物理量等差点的插值。

在一个可选的实施例中，还包括：

根据离地表的断裂破碎面最近的两个浅表电极之间的单位距离电物理量衰减值，在该条直线上对地表的断裂破碎面与离其最近的浅表电极之间进行电物理量等差点的插值；

根据离地表的断裂破碎面最远的两个浅表电极之间的单位距离电物理量衰减值，在该条直线上对离地表的断裂破碎面最远的浅表电极远离断裂破碎面的方向进行电物理量等差点的插值。

在一个可选的实施例中，在同一组监测测道内，每个浅表电极在地面的垂直投影与所述参考电极在地面的垂直投影不同时位于同一条直线上；则根据该电物理量差采用插值法从地表的断裂破碎面沿每组监测测道中所述至少两个浅表电极布置的方向对每组监测测道进行电物理量等差点的插值，包括：

将该组监测测道内的浅表电极在地面的垂直投影沿断裂破碎带走向一致的方向投影至一条直线上，其中，该条直线经过其中一个浅表电极在地面的垂直投影和所述参考电极在地面的垂直投影；

根据该组监测测道内参考电极与每一个浅表电极之间的电物理量差，计算出位于投影至该同一条直线上的每两个相邻浅表电极之间的电物理量差；

根据每两个相邻浅表电极之间的电物理量差和该两个浅表电极的投影在该条直线上的距离计算出该两个浅表电极的投影在该条直线上的单位距离电物理量衰减值；

根据该单位距离电物理量衰减值在该条直线上该两个浅表电极的投影之间进行电物理量等差点的插值。

在一个可选的实施例中，还包括：

根据投影后离地表的断裂破碎面最近的两个浅表电极之间的单位距离电物理量衰减值，在该条直线上对地表的断裂破碎面与离其最近的浅表电极之间进行电物理量等差点的插值；

根据投影后离地表的断裂破碎面最远的两个浅表电极之间的单位距离电物理量衰减值，在该条直线上对离地表的断裂破碎面最远的浅表电极远离断裂破碎面的方向进行电物理量等差点的插值。

对于方法实施例而言，由于其与前述的系统实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见系统实施例的部分说明即可。

在本申请实施例的断裂扩散电场强度的单孔监测系统及方法中，在断裂破碎带和断裂上盘或下盘中设置至少一组监测测道，监测仪器通过检测位于断裂破碎带中的参考电极与若干浅表电极之间的电物理量差，计算设备根据所述电物理量差采用插值法勾勒出断裂上盘或断裂下盘浅表土层的断裂扩散电场的等势线，由于所述等势线与电场线垂直，且所述等势线疏密程度可以反映电场中电势变化的快慢程度，等势线越密集，则表明电场中的电势经过更短距离降低到下一个等级，说明电场强度越小；等势线越稀疏，则表明电场中的电势经过更长的距离降低到下一个等级，说明电场强度越大，从而在地震监测应用中可以通过实时监测该等势线的疏密程度来监测断裂上盘或断裂下盘浅表土层的断裂扩散电场的强度变化，间接实现了对孕震部位的压电效应所产生的断裂电场强度大小的监测，提高了断裂稳定性评估的准确性。

图11和图12为根据本申请的本申请实施例的断裂扩散电场强度的单孔监测系统及方法在监测区域中所勾勒出的断裂扩散电场等势线的示意图。在监测区域中，各条断裂之间的断裂电场和扩散电场是大小不一的，这取决于其地质背景。然而，如果监测区域中的各条断裂的断裂电场或扩散电场在一定时间内没有发生场强等电学指标(电场强度、电势强弱、电流大小等)的持续增强，我们可以判断该区域就目前而言是基本稳定的。图11中的断裂电场及断裂扩散电场，我们称之为正常电场。而如图12所示，当某区域中某一条断裂的监测数值在持续时间内不断加强时，且确认非人为因素的扰动，那么可以说明该断裂就目前而言具备了活动性，且活动性随时间的推移而不断增加。根据断裂电场和断裂扩散电场的形成原理，这种活动性主要表现在对该断裂的扩散电场进行监测的电学指标(电场强度、电势强弱、电流大小等)时，其量级会提高或电场范围会增大(图12电场中等势线的扩大或数值不断升高)。我们将这种断裂电场场强随时间推移而升高的现象称之为异常电场。其次，由于区域中各条断裂相互切割，断裂异常电场可能只出现在某一条断裂的其中一段。

根据上述原理，我们可以通过对区域中各断裂的不同部位，设置包括多个实时监测电极的断裂电场监测站。通过大量的监测站组成监测网，获取监测区域内每一条断裂的断裂扩散电场，并将其等势线实时地勾画于监测系统的中的断裂展布图上，就可以知道区域内哪一条断裂的断裂电场较强，哪一条较弱，及其场强大小的实时变化。由此来评估区域中断裂的活动性，并获得区域地壳的稳定性。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本发明旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种断裂扩散电场强度的单孔监测系统，其特征在于，包括：

一参考电极、若干浅表电极、监测仪器和计算设备，所述参考电极和不同的至少两个浅表电极构成至少一组监测测道；

所述参考电极通过探测钻孔安装于基岩面之下的断裂破碎带中；

在一组监测测道内的所述至少两个浅表电极共同安装于断裂上盘或断裂下盘中的浅表土层中，所述至少两个浅表电极不同时位于与断裂破碎带走向一致的直线上，或者，每一个浅表电极与所述参考电极之间的电物理量差的数值大小不同但变化趋势一致；

所述监测仪器与所述参考电极和每组测道内的每一个浅表电极分别连接，并检测每组监测测道内所述参考电极与每个浅表电极所检测的电物理量之间的电物理量差，并将该电物理量差发送至所述计算设备；

所述计算设备根据该电物理量差采用插值法从地表的断裂破碎面沿每组监测测道中所述至少两个浅表电极布置的方向对每组监测测道进行电物理量等差点的插值，并根据每组监测测道的电物理量等差点勾勒出位于浅表土层的断裂扩散电场的等势线；

其中，在同一组监测测道内，每个浅表电极在地面的垂直投影与所述参考电极在地面的垂直投影位于同一条直线上；

所述计算设备根据该组监测测道内参考电极与每一个浅表电极之间的物理量差，计算出位于该同一条直线上每两个相邻浅表电极之间的电物理量差；并根据相邻两个浅表电极之间的电物理量差和该两个浅表电极在地面的垂直投影的距离计算出该两个浅表电极在地面的垂直投影之间的单位距离电物理量衰减值；以及根据该单位距离电物理量衰减值在该两个浅表电极在地面的垂直投影之间进行电物理量等差点的插值；

所述计算设备还根据离地表的断裂破碎面最近的两个浅表电极之间的单位距离电物理量衰减值，在该条直线上对地表的断裂破碎面与离其最近的浅表电极之间进行电物理量等差点的插值，并根据离地表的断裂破碎面最远的两个浅表电极之间的单位距离电物理量衰减值，在该条直线上对离地表的断裂破碎面最远的浅表电极远离断裂破碎面的方向进行电物理量等差点的插值；

或者，

在同一组监测测道内，每个浅表电极在地面的垂直投影与所述参考电极在地面的垂直投影不同时位于同一条直线上；

所述计算设备将该组监测测道内的浅表电极在地面的垂直投影沿断裂破碎带走向一致的方向投影至一条直线上，其中，该条直线经过其中一个浅表电极在地面的垂直投影和所述参考电极在地面的垂直投影；并根据该组监测测道内参考电极与每一个浅表电极之间的电物理量差，计算出位于投影至该同一条直线上的每两个相邻浅表电极之间的电物理量差；以及根据每两个相邻浅表电极之间的电物理量差和该两个浅表电极的投影在该条直线上的距离计算出该两个浅表电极的投影在该条直线上的单位距离电物理量衰减值，并根据该单位距离电物理量衰减值在该条直线上该两个浅表电极的投影之间进行电物理量等差点的插值；

所述计算设备还根据投影后离地表的断裂破碎面最近的两个浅表电极之间的单位距离电物理量衰减值，在该条直线上对地表的断裂破碎面与离其最近的浅表电极之间进行电物理量等差点的插值，并根据投影后离地表的断裂破碎面最远的两个浅表电极之间的单位距离电物理量衰减值，在该条直线上对离地表的断裂破碎面最远的浅表电极远离断裂破碎面的方向进行电物理量等差点的插值。

2.根据权利要求1所述的断裂扩散电场强度的单孔监测系统，其特征在于：

所述监测测道的数量大于1，所述计算设备将不同组监测测道的电物理量等差点互相连接，从而勾勒出位于浅表土层的断裂扩散电场的等势线；

或者，

所述监测测道的数量为1，所述计算设备根据该监测测道的电物理量等差点，沿与断裂破碎带走向一致的方向勾勒出位于浅表土层的断裂扩散电场的等势线。

3.一种断裂扩散电场强度的单孔监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

从监测仪器中获取每组监测测道内参考电极与每个浅表电极所检测的电物理量之间的电物理量差，其中，所述参考电极和若干浅表电极中不同的至少两个浅表电极构成至少一组监测测道；所述参考电极通过探测钻孔安装于基岩面之下的断裂破碎带中；在一组监测测道内的所述至少两个浅表电极共同安装于断裂上盘或断裂下盘中的浅表土层中；所述至少两个浅表电极不同时位于与断裂破碎带走向一致的直线上，或者，每一个浅表电极与所述参考电极之间的电物理量差的数值大小不同但变化趋势一致；所述监测仪器与所述参考电极和每组测道内的每一个浅表电极分别连接，并检测每组监测测道内所述参考电极与每个浅表电极所检测的电物理量之间的电物理量差；

根据该电物理量差采用插值法从地表的断裂破碎面沿每组监测测道中所述至少两个浅表电极布置的方向对每组监测测道进行电物理量等差点的插值；

根据每组监测测道的电物理量等差点勾勒出位于浅表土层的断裂扩散电场的等势线；

其中，在同一组监测测道内，每个浅表电极在地面的垂直投影与所述参考电极在地面的垂直投影位于同一条直线上；则根据该电物理量差采用插值法从地表的断裂破碎面沿每组监测测道中所述至少两个浅表电极布置的方向对每组监测测道进行电物理量等差点的插值，包括：

根据该组监测测道内参考电极与每一个浅表电极之间的物理量差，计算出位于该同一条直线上每两个相邻浅表电极之间的电物理量差；

根据相邻两个浅表电极之间的电物理量差和该两个浅表电极在地面的垂直投影的距离计算出该两个浅表电极在地面的垂直投影之间的单位距离电物理量衰减值；

根据该单位距离电物理量衰减值在该两个浅表电极在地面的垂直投影之间进行电物理量等差点的插值；

根据离地表的断裂破碎面最近的两个浅表电极之间的单位距离电物理量衰减值，在该条直线上对地表的断裂破碎面与离其最近的浅表电极之间进行电物理量等差点的插值；

根据离地表的断裂破碎面最远的两个浅表电极之间的单位距离电物理量衰减值，在该条直线上对离地表的断裂破碎面最远的浅表电极远离断裂破碎面的方向进行电物理量等差点的插值；

或者，

在同一组监测测道内，每个浅表电极在地面的垂直投影与所述参考电极在地面的垂直投影不同时位于同一条直线上；则根据该电物理量差采用插值法从地表的断裂破碎面沿每组监测测道中所述至少两个浅表电极布置的方向对每组监测测道进行电物理量等差点的插值，包括：

将该组监测测道内的浅表电极在地面的垂直投影沿断裂破碎带走向一致的方向投影至一条直线上，其中，该条直线经过其中一个浅表电极在地面的垂直投影和所述参考电极在地面的垂直投影；

根据该组监测测道内参考电极与每一个浅表电极之间的电物理量差，计算出位于投影至该同一条直线上的每两个相邻浅表电极之间的电物理量差；

根据每两个相邻浅表电极之间的电物理量差和该两个浅表电极的投影在该条直线上的距离计算出该两个浅表电极的投影在该条直线上的单位距离电物理量衰减值；

根据该单位距离电物理量衰减值在该条直线上该两个浅表电极的投影之间进行电物理量等差点的插值；

根据投影后离地表的断裂破碎面最近的两个浅表电极之间的单位距离电物理量衰减值，在该条直线上对地表的断裂破碎面与离其最近的浅表电极之间进行电物理量等差点的插值；

根据投影后离地表的断裂破碎面最远的两个浅表电极之间的单位距离电物理量衰减值，在该条直线上对离地表的断裂破碎面最远的浅表电极远离断裂破碎面的方向进行电物理量等差点的插值。

4.根据权利要求3所述的一种断裂扩散电场强度的单孔监测方法，其特征在于：

如果所述监测测道的数量大于1，则根据每组监测测道的电物理量等差点勾勒出位于浅表土层的断裂扩散电场的等势线包括：

将每组监测测道的电物理量等差点互相连接，从而勾勒出位于浅表土层的断裂扩散电场的等势线；

或者，

如果所述监测测道的数量为1，则根据每组监测测道的电物理量等差点勾勒出位于浅表土层的断裂扩散电场的等势线包括：

根据该监测测道的电物理量等差点，沿与断裂破碎带走向一致的方向勾勒出位于浅表土层的断裂扩散电场的等势线。

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