CN113568035A - 一种地震预报方法及三维地应力与地倾斜综合探测体 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种地震预报方法及三维地应力与地倾斜综合探测体，所述预报方法：在钻探深井中，分别在上段部距钻探深井井口50~200米的位置和钻探深井底部位置选择探测点对地应力进行探测，并作出探测点位置的地应力矢量图，两个探测点的间距为300~1000米；两个地应力矢量图上对应的两条射线相互间呈发散状，顺着两合力的反方向延伸，可找到交汇点，此点就是应力源所在。其优点是：将设备设置在钻探深井中可避免很多地面干扰因素，将地倾斜和地应力两种信息设在同一个观测体内进行综合观测分析，两种信息互为佐证，并在地下不同深度使用两套独立的观测体同步观测找到地应力的来源和指向，能够准确作出地震预报。

Description

一种地震预报方法及三维地应力与地倾斜综合探测体

技术领域

本发明涉及一种地震预报方法及三维地应力与地倾斜综合探测体，属于地震探测预报技术领域。

背景技术

当前我们在地震前兆观测中虽然有地倾斜和地应力手段，但这两种手段均呈现的是独立运行状态，处于一种各自为战的格局，在地震孕育期，各种前兆信息均是交织出现，各种信息并存发生。而对于单一观测台站而言，即使获取到这样那样的信息，常常会出现被动局面，判断不准所获取的信息可信度、真实度如何，出现这种尴尬局面的原因，一是，现行的地倾斜仪器均安装在地表，其所获信息往往会夹杂着各种来自地表的不确定信息，这就为数据应用带来了很大的难度。二是，现行各观测仪器间往往不在同区域，而且各观测数据没有内在关联性，缺少对照、呼应关系，在信息判断上缺少参照依据。

另一方面，在地应力探测中对横向地应力的观测较为容易实现，而对纵向地应力观测难度较大，目前尚未形成一种对横向、纵向应力能同步探测的方法，此局面亟待改变，因为用单一地应力和地表倾斜观测数据是解决不了地震预报所需的一项重要信息——如何判定地应力的来源和指向，获取该项指标对地震预报而言意义重大。掌握了综合地应力及由此产生的地倾斜变化，是获取该项指标的主要途径，进而对认识孕震时期的规律特征也有着积极的作用。

发明内容

本发明的目的是提供一种将地倾斜和地应力两种信息设在同一个观测体内进行综合观测分析，两种信息互为佐证，并在地下不同深度使用两套独立的观测体同步观测找到地应力的来源和指向，从而准确作出地震预报的地震预报方法及三维地应力与地倾斜综合探测体。

本发明的技术方案如下：

一种地震预报方法：在钻探深井中，分别在上段部距钻探深井井口50~200米的位置和钻探深井底部位置选择探测点对地应力进行探测，并作出探测点位置的地应力矢量图，两个探测点的间距为300~1000米；两个地应力矢量图上对应的两条射线相互间呈发散状，顺着两合力的反方向延伸，可找到交汇点，此点就是应力源所在。

所述钻探深井的深度大于420米；

所述地应力是对应位置的横向地应力和纵向应力的合力；

在所述探测点对地倾斜进行探测，如果地倾斜与地应力的作用方向一致，则所探测的地应力可信度高；

所述在探测点对地应力进行探测的设备是三维地应力与地倾斜综合探测体。

上述地震预报方法中所述的一种三维地应力与地倾斜综合探测体，包括第一横向地应力探测机构、第二横向地应力探测机构、纵向应力应变探测机构、地倾斜探测装置，其特征是：第一横向地应力探测机构和第二横向地应力探测机构结构相同，均由电机、安装在电机后端的导向行走定位机构、连接在电机轴上的丝杠、安装在丝杠上的两套悬臂卡紧机构、安装在悬臂卡紧机构顶紧端的压力传感器构成，所述悬臂卡紧机构采用四连杆机构，在四连杆机构的连杆铰接点为悬臂卡紧机构顶紧端安装有嵌入式顶紧锥，两套悬臂卡紧机构相互呈90°上、下垂直分布，每套悬臂卡紧机构外设置有限位框架；第二横向地应力探测机构位于第一横向地应力探测机构下方并保持间距，纵向应力应变探测机构是一套纵向垂直布设的伸缩仪，伸缩仪的重球通过一个碗形支座托举放置在第二横向地应力探测机构之上，纵向应力应变探测机构的位移传感器与第一横向地应力探测机构连接；地倾斜探测装置包括套筒，套筒的顶部与第二横向地应力探测机构固定，套筒底部固结有光电接收盘，第二横向地应力探测机构下端中部连接一圆弧盘，圆弧盘悬挂在套筒中，圆弧盘中心位开有小孔，圆弧盘上放置一钢球，将一细管从钢球中心穿过，并伸出圆弧盘小孔下，细管上端连接电源线，下端悬挂激光发生器。

所述第二横向地应力探测机构用软绳与第一横向地应力探测机构连接；

所述导向行走定位机构采用四轮定位机构，由四个导向轮机构组成，导向轮机构由导向轮支撑筒、安装在导向轮支撑筒中导向轮支架、安装在导向轮支撑筒中的顶紧弹簧、安装在导向轮支架外端部的梯形导向轮组成，四个导向轮机构首尾相接呈正方形排列安装在电机尾部外壳上，每个导向轮机构的导向轮支撑筒中部与电机尾部外壳用转轴铰接，相对的导向轮机构的尾部之间用弹簧连接；

所述限位框架与电机外壳固定；

在所述碗形支座外围连接一个支架，支架顶端固定有导向套，伸缩仪的铟钢杆从导向套中穿过；

所述伸缩仪的位移传感器用软绳与第一横向地应力探测机构下部的限位框架的下端连接固定。

本发明的优点是：将设备设置在钻探深井中可避免很多地面干扰因素，借鉴了伸缩仪、地倾斜的工作原理，并将其应用到竖直探井中，将地倾斜和地应力两种信息设在同一个观测体内进行综合观测分析，两种信息互为佐证，并在地下不同深度使用两套独立的观测体同步观测找到地应力的来源和指向，能够准确作出地震预报。

附图说明

图1是本发明的设备上半部分的结构示意图；

图2是本发明的设备下半部分的结构示意图；

图3是四轮定位机构的结构示意图；

图4是光电接收盘的结构示意图；

图5是本发明的地震预报方法的原理图。

图1和图2是相互衔接关系，图2的上端与图1的下端连接。

图中：1-钻探深井，2-第一横向地应力探测机构,3-纵向应力应变探测机构，4-第二横向地应力探测机构，5-地倾斜探测装置，6-第一套探测体，7-第二套探测体，21-导向行走定位机构，22-电机，23-东西向限位框架，24-东西向悬臂卡紧机构, 25-丝杠，26-东西向压力传感器，27-南北向限位框架，28-南北向压力传感器，29-南北向悬臂卡紧机构，31-位移传感器，32-导向套，33-支架，34-铟钢杆，35-伸缩仪的重球，36-碗形支座，51-电源线，52-钢球，53-圆弧盘，54-激光发生器，55-套筒，56-光电接收盘，211-导向轮支撑筒，212-导向轮支架，213-转轴，214-顶紧弹簧，215-梯形导向轮，216-弹簧，561-光电二极管。

具体实施方式

参照附图1、2，本发明的三维地应力与地倾斜综合探测体，包括第一横向地应力探测机构2、第二横向地应力探测机构4、纵向应力应变探测机构3、地倾斜探测装置5，第一横向地应力探测机构和第二横向地应力探测机构结构相同，均由电机22、安装在电机后端的导向行走定位机构21、连接在电机轴上的丝杠25、安装在丝杠上的两套悬臂卡紧机构、安装在悬臂卡紧机构顶紧端的压力传感器构成，所述悬臂卡紧机构采用四连杆机构，在四连杆机构的连杆铰接点为悬臂卡紧机构顶紧端安装有嵌入式顶紧锥，两套悬臂卡紧机构相互呈90°上、下垂直分布，两套悬臂卡紧机构分别是位于上方的东西向悬臂卡紧机构24和位于东西向悬臂卡紧机构下方的南北向悬臂卡紧机构29，在东西向悬臂卡紧机构的顶紧端安装有东西向压力传感器26，在南北向悬臂卡紧机构的顶紧端安装有南北向压力传感器28，在东西向悬臂卡紧机构的两侧设有东西向限位框架23，在南北向悬臂卡紧机构两侧设有南北向限位框架27，东西向限位框架和南北向限位框架均与电机外壳固定；第二横向地应力探测机构位于第一横向地应力探测机构下方并保持间距，纵向应力应变探测机构是一套纵向垂直布设的伸缩仪，伸缩仪的重球35通过一个碗形支座36托举放置在第二横向地应力探测机构之上，在所述碗形支座外围连接一个支架33，支架顶端固定有导向套32，伸缩仪的铟钢杆34从导向套中穿过；伸缩仪的位移传感器31用软绳与第一横向地应力探测机构的南北向限位框架的下端连接固定。地倾斜探测装置包括套筒55，套筒直径12厘米、长4米，套筒的顶部与第二横向地应力探测机构的南北向限位框架的下端连接固定，套筒底部固结有光电接收盘56，第二横向地应力探测机构下端中部连接一圆弧盘53，圆弧盘悬挂在套筒中，圆弧盘中心位开有小孔，圆弧盘上放置一钢球52，将一细管从钢球中心穿过，并伸出圆弧盘小孔下，细管上端连接电源线51，下端悬挂激光发生器54。

参照附图3，所述导向行走定位机构采用四轮定位机构，由四个导向轮机构组成，导向轮机构由导向轮支撑筒211、安装在导向轮支撑筒中导向轮支架212、安装在导向轮支撑筒中的顶紧弹簧214、安装在导向轮支架外端部的梯形导向轮215组成，四个导向轮机构首尾相接呈正方形排列安装在电机尾部外壳上，每个导向轮机构的套筒中部与电机尾部外壳用转轴213铰接，相对的导向轮机构的尾部之间用弹簧216连接。

参照附图4，所述光电接收盘56是用光电二极管561组装而成，多个光电二极管布设在光电接收盘上的多个同心圆周上，每个光电二极管单独连接组成一个回路。

本发明的三维地应力与地倾斜综合探测体的设计思路是：先在钻探深井1的井壁上形成两个固定体（每个固定体是由一套卡紧机构来实现），利用固定体的牢固作用，安装相应的设备。本发明的两个固定体分别是的第一横向地应力探测机构2和第二横向地应力探测机构4，单个横向地应力探测机构的长度约1.5米，分别由两台电机及四个悬臂卡紧机构组成，每个固定体利用悬臂卡紧机构的顶紧作用，将四个压力传感器和机构牢牢固定在井壁上。探测体总长约35米，第一横向地应力探测机构和第二横向地应力探测机构是悬挂固定在探井的空中，两个横向地应力探测机构中间有约30米的跨距，在此间距内安装纵向应力应变探测机构，在下固定体的下部悬挂一套激光探测装置，用于掌握探井在大地形变活动中所出现的倾斜状况。

本发明的方法是：在钻探深井中，分别在上段部距钻探深井井口200米的位置和钻探深井底部位置选择探测点对地应力进行探测，并作出探测点位置的地应力矢量图，两个探测点的间距为1000米；两个地应力矢量图上对应的两条射线相互间呈发散状，顺着两合力的反方向延伸，可找到交汇点，此点就是应力源所在。

参照附图5，按照本发明的方法，应在钻探深井中安装两套三维地应力与地倾斜综合探测体，第一套探测体6安装在钻探深井的距离井口1240米的位置，第二套探测体7安装在钻探深井的距离井口200米的位置，两套设备相距约1000米。

三维地应力与地倾斜综合探测体的设备安装：

先在钻探深井的井口上方设立一个高约6米高的竖立井架，用钢丝绳将第一套探测体放到预定的位置后逐个开启电机固定。由于单个探测体的长度在35米，直接下放难度较大，因此用链（软绳）连接方式对上、下两个固定体进行连接，使整个装置成软连接状下放。当下放到预定点后，先紧固好下面的固定体，然后再将上固定体多放一定尺度（为两者间，留有空余量），使两点间不能形成直接的作用力传递。考虑到铟钢杆过长安装中的不便，将其断成四截，每截在下放过程中再用连接套逐段连接。在探测体下放的过程中，由于每个固定体的电机后端安装有导向行走定位机构，导向行走定位机构的导向轮支架在顶紧弹簧的作用下推动梯形导向轮与钻探深井的井壁贴紧，四个梯形导向轮均匀分布，沿井壁下行，使得探测体能够以设定的方位下放，当下放到位后启动电机，四个梯形导向轮会形成四个反向作用力矩，限制设备横向转动，能够确保电机有足够的反作用力来支持电机转动。电机转动带动丝杠25旋转，带动东西向悬臂卡紧机构在东西向限位框架限定的区域内向外扩张，使得其顶紧端的嵌入式顶紧锥嵌入井壁内, 同时南北向悬臂卡紧机构在南北向限位框架限定的区域内向外扩张，使得其顶紧端的嵌入式顶紧锥嵌入井壁内，顶紧端安装压力传感器，四个压力传感器以东西、南北方向布设，并以嵌入的方式顶紧靠牢到井壁。

纵向应力应变探测机构的工作原理：

在两固定体的跨距间，布设纵向应力应变探测机构，该探测机构总长约30米，该探测机构就相当于一套纵向垂直布设的伸缩仪。为了保障“伸缩仪”能始终保持垂直状态，考虑到钻井环境的特殊条件，设备在安装中不能像地面那样可进行随时调整，而且还要适应观测中出现的各种变化，需有自行调整的功能。因此其结构与地面伸缩仪结构在底部和顶部有明显的不同。首先，底部做为固定端，不是固定在第二横向地应力探测机构电机的框架上，而是采用托碗加重球方式，将其呈托举状；其次，铟钢杆需导向套导向。为了保证位移传感器的垂直度，位移传感器不是直接固定在第一横向地应力探测机构的南北向限位框架上，而是由框架伸出吊绳，由吊绳垂吊位移传感器。这样设计可使铟钢杆与位移传感器始终保持垂直，能有效防止铟钢杆误出现倾斜与位移传感器内壁发生蹭壁现象，确保了观测精度的正常持续。

地倾斜探测装置的工作原理：

正常情况时，激光发生器的光束会集中在光电接收盘的中央，当有地倾斜时，在其倾斜微量达到一定值后，钢球会在圆弧盘内出现晃动，其摆幅的不同，光束射到光电接收盘上的落地就不同。假设光束偏移0.4cm（0.4cm的偏移量完全在激光技术的精确等级范围内），依据三角函数关系计算，tgβ=0.4/400=1.74×10^-5,则钢球有1.74×10^-5度的倾斜变化就可在该装置上得到显示。

光电接收盘是用光电二极管组装而成，多个光电二极管布设在光电接收盘上的多个同心圆周上共布设有10圈，每一圈间距0.4cm，共有400多个二极管每个二极管单独连接组成一个回路。光束射点位置不同，所接通的二级管就不同，由此就可知道倾斜的方向和角度。

三维地应力的获取：

能知道某位置处的横向、纵向地应力，就可以获取其三维地应力情况。在本发明的设计方案中，横向地应力是通过压力传感器直接获取，纵向地应力虽然不是直接获取，但通过知道上下两固定体间的应力应变，结合钻探时获取的岩层样本，由试验室获取其弹性模量值，这样就可大体得出应力的大小（精确上会有一定的偏差，但定量无疑）。

如果地下深处有应力源传递，那么其在横向作用时必然会对固定体的压力传感器产生增加量，依据这个量值与纵向应力值做个矢量图，其合力就是地应力的方向。

参照附图5，上下两套探测体所测出的合力，因其位置不同所获取的作用力大小会不同，这样两条射线性必呈发散状，顺着两合力的反方向延伸，就可找到交汇点，此点就是应力源所在。能确定到地下应力场源的方位及其应力指向，通过观测该应力场源量值的增减变化（两条线夹交的变化情况，应力增大夹角也变大），可做为判定是孕震现象还是一般的应力变化的一项重要依据。若怀疑是孕震现象，此法可初步确定出震源深度及位置，在此基础上结合地震地质相关知识，判断发震的可能性更有说服力。

在一套仪器上同时安装应力探测与倾斜观测其优势在于可将两者的观测结果做为相互佐证的依据，当观测到的地倾斜与地应力的作用方向一致时（既倾斜方向与地应力作用方向相同），说明此时的信息绝对来源于地下深处，可信度高。加之没有了地表的各种不确定因素的干扰和固体潮的作用影响（越往深固体潮作用越弱），数据的分析应用清晰明了。

由于地下深处地应力较强，探测区间信号强，本探测体不需像地面那样将精度设的较高，这对仪器运行、维护都较为有利。

地倾斜的探测方式：

假设在地下某处有应力场形成，其在大地应力的作用下形成了抬升并带有东西向倾斜的状态，这时在探测体上的反应是东端向上、西端向下倾斜。此时在圆弧盘内的钢球出现的是向西端摆动的动作，光束点是向东端偏离状态。依据光束点在接收盘上照射位置的不同，其产生的电流回路不同，就可准确的定出西倾角度值。

由于此种方式获取的地倾斜与地应力作用是紧密相连，再结合纵向地应变的变化情况，若“伸缩仪”记录到的应力应变是负值，且是持续增加，就可证实地表是在被抬升中出现了西倾。

地倾斜与地应力是相伴而生的，地倾斜的方向、快慢与地应力活动紧密相关，掌握到它们相互作用、依赖的关系对分析判定地震发震时刻有着至关重要的作用。从以往的经验积累中获知，孕震时期的地倾斜量值是个持续的过程，经过一定时期的积累，到发震时其量值会达到3~5度的倾斜量，用这些经验值与已获得的观测值做比较，去预测发震时刻是一种有效的途径。

在本发明的三维地应力与地倾斜综合探测体中，是以观测井壁的倾斜变化来判定大地的形变特征，不论大地出现怎样形变（起伏、扭曲、滑移、错动），其在探测井壁上必会留下相应的“痕迹”。掌握到了井壁的“痕迹”也就知道了大地的变化情况，其观测到的地倾斜是直观的形变，非固体潮式的弹性形变，对于地震预报而言其直观明显可信度更高。

在本发明中能直接探明大地的应力出处，倾斜的动向，在地震预报时，就可大致确定出发震地点，再通过倾斜量值变化的持续时间确定发震时刻，这样在地震预报中，就可获知地震三要素中的两项。

Claims (10)

1.一种地震预报方法，其特征是：在钻探深井中，分别在上段部距钻探深井井口50~200米的位置和钻探深井底部位置选择探测点对地应力进行探测，并作出探测点位置的地应力矢量图，两个探测点的间距为300~1000米；两个地应力矢量图上对应的两条射线相互间呈发散状，顺着两合力的反方向延伸，可找到交汇点，此点就是应力源所在。

2.根据权利要求1所述的地震预报方法，其特征是：所述钻探深井的深度大于420米。

3.根据权利要求1所述的地震预报方法，其特征是：所述地应力是对应位置的横向地应力和纵向应力的合力。

4.根据权利要求1所述的地震预报方法，其特征是：在所述探测点对地倾斜进行探测，如果地倾斜与地应力的作用方向一致，则所探测的地应力可信度高。

5.根据权利要求1所述的地震预报方法，其特征是：所述在探测点对地应力进行探测的设备是三维地应力与地倾斜综合探测体。

6.一种根据权利要求5所述的地震预报方法中的三维地应力与地倾斜综合探测体，其特征是：包括第一横向地应力探测机构、第二横向地应力探测机构、纵向应力应变探测机构、地倾斜探测装置，其特征是：第一横向地应力探测机构和第二横向地应力探测机构结构相同，均由电机、安装在电机后端的导向行走定位机构、连接在电机轴上的丝杠、安装在丝杠上的两套悬臂卡紧机构、安装在悬臂卡紧机构顶紧端的压力传感器构成，所述悬臂卡紧机构采用四连杆机构，在四连杆机构的连杆铰接点为悬臂卡紧机构顶紧端安装有嵌入式顶紧锥，两套悬臂卡紧机构相互呈90°上、下垂直分布，每套悬臂卡紧机构外设置有限位框架；第二横向地应力探测机构位于第一横向地应力探测机构下方并保持间距，纵向应力应变探测机构是一套纵向垂直布设的伸缩仪，伸缩仪的重球通过一个碗形支座托举放置在第二横向地应力探测机构之上，纵向应力应变探测机构的位移传感器与第一横向地应力探测机构连接；地倾斜探测装置包括套筒，套筒的顶部与第二横向地应力探测机构固定，套筒底部固结有光电接收盘，第二横向地应力探测机构下端中部连接一圆弧盘，圆弧盘悬挂在套筒中，圆弧盘中心位开有小孔，圆弧盘上放置一钢球，将一细管从钢球中心穿过，并伸出圆弧盘小孔下，细管上端连接电源线，下端悬挂激光发生器。

7.根据权利要求6所述的三维地应力与地倾斜综合探测体，其特征是：所述第二横向地应力探测机构用软绳与第一横向地应力探测机构连接。

8.根据权利要求6所述的三维地应力与地倾斜综合探测体，其特征是：所述导向行走定位机构采用四轮定位机构，由四个导向轮机构组成，导向轮机构由导向轮支撑筒、安装在导向轮支撑筒中导向轮支架、安装在导向轮支撑筒中的顶紧弹簧、安装在导向轮支架外端部的梯形导向轮组成，四个导向轮机构首尾相接呈正方形排列安装在电机尾部外壳上，每个导向轮机构的导向轮支撑筒中部与电机尾部外壳用转轴铰接，相对的导向轮机构的尾部之间用弹簧连接。

9.根据权利要求6所述的三维地应力与地倾斜综合探测体，其特征是：在所述碗形支座外围连接一个支架，支架顶端固定有导向套，伸缩仪的铟钢杆从导向套中穿过。

10.根据权利要求6所述的三维地应力与地倾斜综合探测体，其特征是：所述伸缩仪的位移传感器用软绳与第一横向地应力探测机构下部的限位框架的下端连接固定。

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