專利名稱：地震災(zāi)害超前預(yù)警預(yù)報方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種自然災(zāi)害預(yù)報方法及系統(tǒng)，尤其涉及一種地震災(zāi)害超前預(yù)警預(yù)報 方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
地震是一種帶來了巨大災(zāi)難的自然現(xiàn)象，它最突出的特點是突發(fā)性和巨大破壞 力。如果能準確預(yù)測出未來大地震的時間、地點和強度，無疑可以大大降低地震帶來的災(zāi) 害。上世紀60年代以來，地震預(yù)測特別是中、長期預(yù)測取得了一些有意義的進展。在長期預(yù) 測方面，最突出的進展是板塊邊界大地震空區(qū)的確認，然而，短期與臨震預(yù)測進展卻不大。 從觀測地震發(fā)生前的一些微觀前兆，如地殼形變、地下水位變化、地磁和地電異常、地下流 體化學變化等，到地震宏觀異常，如井水大幅度升降、發(fā)渾、變色、變味等異常變化和某些動 物行為異常等，多年來地震學家一直在努力尋找但卻一直未能確定“確定性的地震前兆”。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種地震災(zāi)害超前預(yù)警預(yù)報方法及系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有技術(shù) 存在的不能準確預(yù)報地震災(zāi)害，尤其是不能對地震災(zāi)害準確進行短期和臨震預(yù)測的問題。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的地震災(zāi)害超前預(yù)警預(yù)報方法包括以下步驟在
地震帶斷層中設(shè)置監(jiān)測纜索和力學傳感器以探測地震帶斷層面剪切力變化動態(tài)，所述力學
傳感器和所述監(jiān)測纜索連接以感測所述監(jiān)測纜索的拉張力；根據(jù)下述公式計算地震帶斷層
面剪切力
M其中，P為地震帶斷層面剪切力，M為監(jiān)測纜索 i
的拉張力，a為監(jiān)測纜索的拉張力的加固角，e為地震帶斷層面與水平面夾角，①為斷層 破碎帶各土層內(nèi)摩擦角的加權(quán)平均值，C為斷層破碎帶各土層內(nèi)粘聚力的加權(quán)平均值；當 地震帶斷層面剪切力大于一預(yù)警值時，發(fā)出地震預(yù)警預(yù)報。根據(jù)所述地震災(zāi)害超前預(yù)警預(yù)報方法的一優(yōu)選實施例，其中，還對地震帶斷層中 設(shè)置的所述監(jiān)測纜索施加一預(yù)應(yīng)力。根據(jù)所述地震災(zāi)害超前預(yù)警預(yù)報方法的一優(yōu)選實施例，其中，所述監(jiān)測纜索為分 布于地震帶斷層中多個位置的多個監(jiān)測纜索。根據(jù)所述地震災(zāi)害超前預(yù)警預(yù)報方法的一優(yōu)選實施例，其中，還包括根據(jù)計算的 地震帶斷層面剪切力繪制地震帶斷層面剪切力與時間的關(guān)系曲線以直觀的顯示地震帶斷 層面剪切力的變化。為了實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明提供的地震災(zāi)害超前預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)包括監(jiān)測纜 索穿越地震帶斷層，用于感測地震帶斷層間的剪切力變化動態(tài)；力學傳感器連接于所述 監(jiān)測纜索，用于檢測所述監(jiān)測纜索的拉張力；數(shù)據(jù)采集傳輸裝置連接于所述力學傳感器， 用于采集所述力學傳感器檢測的監(jiān)測纜索的拉張力數(shù)據(jù)并向外傳輸；數(shù)據(jù)接收分析裝置
4連接于所述數(shù)據(jù)采集傳輸裝置，并通過下述公式計算地震帶斷層面剪切力 Ccos cc + sin octs 小
.其中，P為地震帶斷層面剪切力，M為監(jiān)測纜索
的拉張力，a為監(jiān)測纜索的拉張力的加固角，e為地震帶斷層面與水平面夾角，①為斷層 破碎帶各土層內(nèi)摩擦角的加權(quán)平均值，C為斷層破碎帶各土層內(nèi)粘聚力的加權(quán)平均值；當 地震帶斷層面剪切力大于一預(yù)警值時，則該數(shù)據(jù)接收分析裝置發(fā)出地震預(yù)警預(yù)報。根據(jù)所述地震災(zāi)害超前預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)的一優(yōu)選實施例，其中，還包括顯示器連接 于所述數(shù)據(jù)接收分析裝置，用于顯示所述數(shù)據(jù)接收分析裝置計算的地震帶斷層面剪切力。根據(jù)所述地震災(zāi)害超前預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)的一優(yōu)選實施例，其中，還包括應(yīng)力電子顯 示裝置連接于所述數(shù)據(jù)接收分析裝置，用于顯示所述監(jiān)測纜索的拉張力變化動態(tài)。根據(jù)所述地震災(zāi)害超前預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)的一優(yōu)選實施例，其中，所述監(jiān)測纜索為分 布于地震帶斷層中多個位置的多個監(jiān)測纜索。根據(jù)所述地震災(zāi)害超前預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)的一優(yōu)選實施例，其中，所述數(shù)據(jù)接收分析 裝置還用于根據(jù)計算的地震帶斷層面剪切力繪制地震帶斷層面剪切力與時間的關(guān)系曲線， 并將該關(guān)系曲線發(fā)送至所述顯示器顯示。本發(fā)明通過檢測地震發(fā)生之前斷層面剪切力的變化，利用可測拉張力和相應(yīng)函數(shù) 關(guān)系推導出不可測斷層面的剪切力變化過程，通過準確的檢測地震發(fā)生過程中斷層面剪切 力的實際變化，在移動開始發(fā)生階段發(fā)出地震預(yù)警預(yù)報，真正實現(xiàn)了地震災(zāi)害的超前、實時 預(yù)警預(yù)報。由此可知本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的不能對地震災(zāi)害進行短期和臨震預(yù)測的 問題。
圖1為發(fā)震斷層面的力學模型圖；圖2為本發(fā)明的地震災(zāi)害超前預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)優(yōu)選實施例及地震帶斷層的結(jié)構(gòu)示 意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明做進一步詳細說明。地震是地殼板塊力作用下沿斷層運動的一種力學現(xiàn)象，也是一種地震作用力逐步 克服斷層滑面強度直至巖層斷裂釋放能量的一連串力學行為也是發(fā)震斷層面剪切力克服 阻力后，斷層兩盤巖體發(fā)生彈性震動的地球物理現(xiàn)象。本發(fā)明依據(jù)極限力學平衡原理，利用 可測力學量和非可測力學量之間的函數(shù)關(guān)系，即通過發(fā)震斷層面間的剪切力和發(fā)震斷層面 剪切力之間的函數(shù)關(guān)系解決天然力學系統(tǒng)不可測的難題，實現(xiàn)了提前預(yù)報、提前準備和防 災(zāi)避災(zāi)的目的，最大化地降低地震地質(zhì)災(zāi)害對人類的影響。下面結(jié)合圖1和圖2，同時說明本發(fā)明的地震災(zāi)害超前預(yù)警預(yù)報方法及系統(tǒng)的優(yōu) 選實施例，需要提前說明的是，本發(fā)明的方法的實施并不唯一依賴于本發(fā)明提供的系統(tǒng)。為 了使本發(fā)明易于理解，圖2所示的地震帶結(jié)構(gòu)分別為汶川_茂汶斷裂帶6和北川-映秀斷 裂帶5。首先在地震帶斷層中設(shè)置多個監(jiān)測纜索11和監(jiān)測纜索12及與多個監(jiān)測纜索11和 監(jiān)測纜索12分別連接的多個力學傳感器4和力學傳感器3，監(jiān)測纜索11和監(jiān)測纜索12分為兩組，分別設(shè)置在該兩個斷裂帶中，一組監(jiān)測纜索11在其外端頭安裝力學傳感器4，將其 內(nèi)端頭固定在相對穩(wěn)定的下盤內(nèi)，另一組監(jiān)測纜索12外端頭安裝力學傳感器3后嵌入到發(fā) 震斷層下盤2內(nèi)。監(jiān)測纜索11和監(jiān)測纜索12用以感測地震帶斷層間的剪切力，地震帶斷 層間的剪切力變化直接反應(yīng)為監(jiān)測纜索的拉張力變化，力學傳感器3和力學傳感器4則檢 測監(jiān)測纜索12和監(jiān)測纜索11的拉張力。在圖2所示優(yōu)選實施例中，多個監(jiān)測纜索11和監(jiān) 測纜索12分布在斷層的不同位置，隨時探測地震帶斷層間不同位置的剪切力變化，這樣便 于采集更多更準確全面的數(shù)據(jù)以反應(yīng)地震帶斷層的剪切力變化。為了使監(jiān)測纜索11和監(jiān)測纜索12更準確的感測地震帶斷層間的剪切力，在設(shè)置 監(jiān)測纜索11和監(jiān)測纜索12時，對其施加一預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力的初始值可由力學傳感器4和力 學傳感器3測定。力學傳感器3、4和數(shù)據(jù)采集傳輸裝置7連接，在圖2所示優(yōu)選實施例中，力學傳感 器3、4和數(shù)據(jù)采集傳輸裝置7以無線通信的方式連接。數(shù)據(jù)采集傳輸裝置7采集力學傳感 器3、4監(jiān)測的數(shù)據(jù)并將其傳輸至數(shù)據(jù)接收分析裝置9。數(shù)據(jù)接收分析裝置9通過下面所描 述的公式計算地震帶斷層面剪切力，經(jīng)過計算，若地震帶斷層面剪切力大于一預(yù)警值時，數(shù) 據(jù)接收分析裝置9則發(fā)出地震預(yù)警預(yù)報。下面將結(jié)合圖1所示模型詳述數(shù)據(jù)接收分析裝置9所依據(jù)的計算公式的推導過 程，如圖1所示，在發(fā)震斷層面111中，斷層面111上某點的內(nèi)應(yīng)力與剪切力間的函數(shù)關(guān)系 如下Px = -Pcos 0Py = Psin 0Mx = Mcos aMy = Msina式中P——剪切力/kN;Px——剪切力的水平分量/kN ；Py——剪切力的垂直分量/kN ；M——監(jiān)測纜索拉張力/kN ；Mx——拉張力的水平分量/kN ；My——拉張力的垂直分量/kN ；a—拉張力加固角/(。)；6—斷層面與水平面夾角/(° )；X = (Py+My) tg +CC——斷層破碎帶各土層內(nèi)粘聚力的加權(quán)平均值； ——斷層破碎帶各土層內(nèi)摩擦角加權(quán)平均值/(° )。發(fā)生地層錯動的臨界狀態(tài)時Mx+PX+T =0將前式代入，則可得Mcos a -Pcos 0 + (Py+My) tg 小 +C = 0Mcos a -Pcos e + (psin e +Msin a ) tg 小 +C = 0
Mcos a -Pcos e +Psin 9 tg 小 +Msin a tg φ +C = 0 令 則P = kiM+k2對于某一斷層，斷層的上盤1的自重力是體積和容重的常函數(shù)，在斷層巖土體含 水量等性質(zhì)不變的情況下，上盤1的自重力是常量。隨著斷層破壞面的形成和錯動位移的 產(chǎn)生，上盤巖體受斷面上由內(nèi)摩擦力和粘聚力引起的摩阻力逐漸減小，內(nèi)應(yīng)力逐漸增大。內(nèi) 應(yīng)力的變化，可以反應(yīng)斷層上盤1與下盤2之間不可測剪切強度及剪切力的變化，從而反應(yīng) 了斷層穩(wěn)定性的改變。最后，隨著剪切力不斷增大，上盤1和下盤2間開始錯位移動，地震 發(fā)生。本發(fā)明通過力學傳感器對內(nèi)應(yīng)力數(shù)據(jù)的不斷采集，最終計算得到上盤1在移動 前、移動中和移動后所受剪切力與時間的關(guān)系。為了直觀顯示剪切力和時間的關(guān)系，數(shù)據(jù)接 收分析裝置9匯總分析所計算得到的剪切力數(shù)據(jù)，據(jù)以繪制地震帶斷層面剪切力與時間的 關(guān)系曲線，并將此曲線的變化實時顯示在顯示器10上，據(jù)此可清楚地觀察和掌握地震斷層 發(fā)生錯位移動時的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，為地震預(yù)報和預(yù)測提供理論和數(shù)據(jù)依據(jù)。地震災(zāi)害發(fā)生之前的一段時間內(nèi)，由于地震作用力的作用，地震斷層面相對穩(wěn)定 的下盤2和相對活動的上盤1間的平衡被打破，剪切力開始積累，監(jiān)測纜索11和監(jiān)測纜索 12上的拉張力發(fā)生變化，變化后的數(shù)值通過安裝在監(jiān)測纜索11和監(jiān)測纜索12外端頭上的 力學傳感器3和力學傳感器4進行自動采集。接著，采集的數(shù)據(jù)通過線纜傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集 發(fā)射裝置7上，數(shù)據(jù)采集發(fā)射裝置7利用無線傳輸方式將這些數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)接收分析裝 置9中，數(shù)據(jù)接收分析裝置9將接收到的數(shù)據(jù)按推導公式計算、整理后形成各個地震帶上下 盤間錯位移動的剪切力_時間曲線，并在顯示器10上分別顯示。為了分別顯示各監(jiān)測纜索11和監(jiān)測纜索12的拉張力，本發(fā)明的地震災(zāi)害超前預(yù) 警預(yù)報系統(tǒng)優(yōu)選實施例還包括多個應(yīng)力電子顯示裝置8，數(shù)據(jù)接收分析裝置9隨時將拉張 力數(shù)值發(fā)送到對應(yīng)的應(yīng)力電子顯示裝置8上，應(yīng)力電子顯示裝置8清楚的顯示其所對應(yīng)的 應(yīng)力傳感器4所檢測到的監(jiān)測纜索的拉張力值。當發(fā)震斷層面上剪切力值逐漸積累到一定程度時，即超過設(shè)定的預(yù)警值時，數(shù)據(jù) 接收分析裝置9發(fā)出預(yù)警預(yù)報，表示發(fā)震斷層面上的剪切力已經(jīng)接近斷層面上巖土體抗剪 切強度，有發(fā)生地震的危險，此刻，地表仍然沒有發(fā)生位移。當剪切力值大于斷層面上巖土 體抗剪強度后，斷層面上盤1和下盤2沿著斷層面發(fā)生相對位移，地震發(fā)生，斷層面上盤1 和下盤2在水平方向上左右運動，此刻斷層面出露地表部分才發(fā)生較大的相對位移，這時 造成重大人員傷亡和財產(chǎn)損失地震災(zāi)害在短時間內(nèi)已經(jīng)發(fā)生。綜上所述，本發(fā)明通過實時檢測并計算分析地震斷層面剪切力變化特征，準確的 反應(yīng)發(fā)震斷層內(nèi)部應(yīng)力變化特征，從而實現(xiàn)地震災(zāi)害的超前實時預(yù)警預(yù)報。由技術(shù)常識可知，本發(fā)明可以通過其它的不脫離其精神實質(zhì)或必要特征的實施方 案來實現(xiàn)。因此，上述公開的實施方案，就各方面而言，都只是舉例說明，并不是僅有的。所 有在本發(fā)明范圍內(nèi)或在等同于本發(fā)明的范圍內(nèi)的改變均被本發(fā)明包含。
權(quán)利要求
一種地震災(zāi)害超前預(yù)警預(yù)報方法，其特征在于，包括以下步驟在地震帶斷層中設(shè)置監(jiān)測纜索和力學傳感器以探測地震帶斷層面剪切力，所述力學傳感器和所述監(jiān)測纜索連接以感測所述監(jiān)測纜索的拉張力；根據(jù)下述公式計算地震帶斷層面剪切力 <mrow><mi>P</mi><mo>=</mo><mfrac> <mi>C</mi> <mrow><mi>cos</mi><mi>θ</mi><mo>-</mo><mi>sin</mi><mi>θtgφ</mi> </mrow></mfrac><mo>+</mo><mfrac> <mrow><mi>cos</mi><mi>α</mi><mo>+</mo><mi>sin</mi><mi>αtgφ</mi> </mrow> <mrow><mi>cos</mi><mi>θ</mi><mo>-</mo><mi>sin</mi><mi>θtgφ</mi> </mrow></mfrac><mi>M</mi> </mrow>其中，P為地震帶斷層面剪切力，M為監(jiān)測纜索的拉張力，α為監(jiān)測纜索的拉張力的加固角，θ為地震帶斷層面與水平面夾角，Φ為斷層破碎帶各土層內(nèi)摩擦角的加權(quán)平均值，C為斷層破碎帶各土層內(nèi)粘聚力的加權(quán)平均值；當?shù)卣饚鄬用婕羟辛Υ笥谝活A(yù)警值時，發(fā)出地震預(yù)警預(yù)報。
1. 一種地震災(zāi)害超前預(yù)警預(yù)報方法，其特征在于，包括以下步驟 在地震帶斷層中設(shè)置監(jiān)測纜索和力學傳感器以探測地震帶斷層面剪切力，所述力學傳 感器和所述監(jiān)測纜索連接以感測所述監(jiān)測纜索的拉張力； 根據(jù)下述公式計算地震帶斷層面剪切力其中，P為地震帶斷層面剪切力，M為監(jiān)測纜索的拉張力，α為監(jiān)測纜索的拉張力的加 固角，θ為地震帶斷層面與水平面夾角，Φ為斷層破碎帶各土層內(nèi)摩擦角的加權(quán)平均值，C 為斷層破碎帶各土層內(nèi)粘聚力的加權(quán)平均值；當?shù)卣饚鄬用婕羟辛Υ笥谝活A(yù)警值時，發(fā)出地震預(yù)警預(yù)報。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地震災(zāi)害超前預(yù)警預(yù)報方法，其特征在于，還對地震帶斷層 中設(shè)置的所述監(jiān)測纜索施加一預(yù)應(yīng)力。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地震災(zāi)害超前預(yù)警預(yù)報方法，其特征在于，所述監(jiān)測纜索為 分布于地震帶斷層中多個位置的多個監(jiān)測纜索。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地震災(zāi)害超前預(yù)警預(yù)報方法，其特征在于，還包括根據(jù)計算 的地震帶斷層面剪切力繪制地震帶斷層面剪切力與時間的關(guān)系曲線以直觀的顯示地震帶 斷層面剪切力的變化。
5.一種地震災(zāi)害超前預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)，其特征在于，包括監(jiān)測纜索穿越震帶斷層，用于感測地震帶斷層面剪切力變化；力學傳感器連接于所述監(jiān)測纜索，用于檢測所述監(jiān)測纜索的拉張力變化動態(tài)；數(shù)據(jù)采集傳輸裝置連接于所述力學傳感器，用于采集所述力學傳感器檢測的所述監(jiān) 測纜索的剪切力數(shù)據(jù)并向外傳輸；數(shù)據(jù)接收分析裝置連接于所述數(shù)據(jù)采集傳輸裝置，并通過下述公式計算地震帶斷層 面剪切力 其中，P為地震帶斷層面剪切力，M為監(jiān)測纜索的拉張力，α為監(jiān)測纜索的拉張力的加 固角，θ為地震帶斷層面與水平面夾角，Φ為斷層破碎帶各土層內(nèi)摩擦角的加權(quán)平均值，C 為斷層破碎帶各土層內(nèi)粘聚力的加權(quán)平均值；當?shù)卣饚鄬用婕羟辛Υ笥谝活A(yù)警值時，則 該數(shù)據(jù)接收分析裝置發(fā)出地震預(yù)警預(yù)報。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的地震災(zāi)害超前預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)，其特征在于，還包括顯示器連 接于所述數(shù)據(jù)接收分析裝置，用于顯示所述數(shù)據(jù)接收分析裝置計算的地震帶斷層面剪切力 變化。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的地震災(zāi)害超前預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)，其特征在于，還包括應(yīng)力電子 顯示裝置連接于所述數(shù)據(jù)接收分析裝置，用于顯示所述監(jiān)測纜索的拉張力變化。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的地震災(zāi)害超前預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)，其特征在于，所述監(jiān)測纜索為 分布于地震帶斷層中多個位置的多個監(jiān)測纜索。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的地震災(zāi)害超前預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)接收分 析裝置還用于根據(jù)計算的地震帶斷層面剪切力繪制地震帶斷層面剪切力與時間的關(guān)系曲線，并將該關(guān)系曲線發(fā)送至所述顯示器顯示。
全文摘要
本發(fā)明公開一種地震災(zāi)害超前預(yù)警預(yù)報方法及系統(tǒng)，該方法包括在地震帶斷層中設(shè)置監(jiān)測纜索和力學傳感器以探測地震帶斷層面剪切力，所述力學傳感器和所述監(jiān)測纜索連接以感測所述監(jiān)測纜索的拉張力；根據(jù)下述公式計算地震帶斷層面剪切力其中，P為地震帶斷層面剪切力，M為監(jiān)測纜索的拉張力，α為監(jiān)測纜索的拉張力的加固角，θ為地震帶斷層面與水平面夾角，Φ為斷層破碎帶各土層內(nèi)摩擦角的加權(quán)平均值，C為斷層破碎帶各土層內(nèi)粘聚力的加權(quán)平均值；當?shù)卣饚鄬用婕羟辛Υ笥谝活A(yù)警值時，發(fā)出地震預(yù)警預(yù)報。本發(fā)明在地震斷層移動前后均可發(fā)出地震預(yù)警預(yù)報信號，真正實現(xiàn)了地震災(zāi)害的超前、實時預(yù)警預(yù)報。
文檔編號G01V1/00GK101887624SQ201010231920
公開日2010年11月17日 申請日期2010年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月21日
發(fā)明者何滿潮, 孫曉明, 張斌, 李德建, 楊曉杰, 陶志剛 申請人:中國礦業(yè)大學(北京)