專利名稱：地震災害超前預警預報方法及系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種自然災害預報方法及系統，尤其涉及一種地震災害超前預警預報 方法及系統。
背景技術：
地震是一種帶來了巨大災難的自然現象，它最突出的特點是突發性和巨大破壞 力。如果能準確預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 害。上世紀60年代以來，地震預測特別是中、長期預測取得了一些有意義的進展。在長期預 測方面，最突出的進展是板塊邊界大地震空區的確認，然而，短期與臨震預測進展卻不大。 從觀測地震發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”。
發明內容
本發明的目的在于提供一種地震災害超前預警預報方法及系統，以解決現有技術 存在的不能準確預報地震災害，尤其是不能對地震災害準確進行短期和臨震預測的問題。為了實現上述目的，本發明提供的地震災害超前預警預報方法包括以下步驟在
地震帶斷層中設置監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，所述力學
傳感器和所述監測纜索連接以感測所述監測纜索的拉張力；根據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為監測纜索 i
的拉張力，a為監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 破碎帶各土層內摩擦角的加權平均值，C為斷層破碎帶各土層內粘聚力的加權平均值；當 地震帶斷層面剪切力大于一預警值時，發出地震預警預報。根據所述地震災害超前預警預報方法的一優選實施例，其中，還對地震帶斷層中 設置的所述監測纜索施加一預應力。根據所述地震災害超前預警預報方法的一優選實施例，其中，所述監測纜索為分 布于地震帶斷層中多個位置的多個監測纜索。根據所述地震災害超前預警預報方法的一優選實施例，其中，還包括根據計算的 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。為了實現本發明的目的，本發明提供的地震災害超前預警預報系統包括監測纜 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；力學傳感器連接于所述 監測纜索，用于檢測所述監測纜索的拉張力；數據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測纜索的拉張力數據并向外傳輸；數據接收分析裝置
4連接于所述數據采集傳輸裝置，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為監測纜索
的拉張力，a為監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 破碎帶各土層內摩擦角的加權平均值，C為斷層破碎帶各土層內粘聚力的加權平均值；當 地震帶斷層面剪切力大于一預警值時，則該數據接收分析裝置發出地震預警預報。根據所述地震災害超前預警預報系統的一優選實施例，其中，還包括顯示器連接 于所述數據接收分析裝置，用于顯示所述數據接收分析裝置計算的地震帶斷層面剪切力。根據所述地震災害超前預警預報系統的一優選實施例，其中，還包括應力電子顯 示裝置連接于所述數據接收分析裝置，用于顯示所述監測纜索的拉張力變化動態。根據所述地震災害超前預警預報系統的一優選實施例，其中，所述監測纜索為分 布于地震帶斷層中多個位置的多個監測纜索。根據所述地震災害超前預警預報系統的一優選實施例，其中，所述數據接收分析 裝置還用于根據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系曲線， 并將該關系曲線發送至所述顯示器顯示。本發明通過檢測地震發生之前斷層面剪切力的變化，利用可測拉張力和相應函數 關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生過程中斷層面剪切 力的實際變化，在移動開始發生階段發出地震預警預報，真正實現了地震災害的超前、實時 預警預報。由此可知本發明解決了現有技術存在的不能對地震災害進行短期和臨震預測的 問題。
圖1為發震斷層面的力學模型圖；圖2為本發明的地震災害超前預警預報系統優選實施例及地震帶斷層的結構示 意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發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震斷層面剪切力克服 阻力后，斷層兩盤巖體發生彈性震動的地球物理現象。本發明依據極限力學平衡原理，利用 可測力學量和非可測力學量之間的函數關系，即通過發震斷層面間的剪切力和發震斷層面 剪切力之間的函數關系解決天然力學系統不可測的難題，實現了提前預報、提前準備和防 災避災的目的，最大化地降低地震地質災害對人類的影響。下面結合圖1和圖2，同時說明本發明的地震災害超前預警預報方法及系統的優 選實施例，需要提前說明的是，本發明的方法的實施并不唯一依賴于本發明提供的系統。為 了使本發明易于理解，圖2所示的地震帶結構分別為汶川_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置多個監測纜索11和監測纜索12及與多個監測纜索11和 監測纜索12分別連接的多個力學傳感器4和力學傳感器3，監測纜索11和監測纜索12分為兩組，分別設置在該兩個斷裂帶中，一組監測纜索11在其外端頭安裝力學傳感器4，將其 內端頭固定在相對穩定的下盤內，另一組監測纜索12外端頭安裝力學傳感器3后嵌入到發 震斷層下盤2內。監測纜索11和監測纜索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為監測纜索的拉張力變化，力學傳感器3和力學傳感器4則檢 測監測纜索12和監測纜索11的拉張力。在圖2所示優選實施例中，多個監測纜索11和監 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據以反應地震帶斷層的剪切力變化。為了使監測纜索11和監測纜索12更準確的感測地震帶斷層間的剪切力，在設置 監測纜索11和監測纜索12時，對其施加一預應力，預應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和數據采集傳輸裝置7連接，在圖2所示優選實施例中，力學傳感 器3、4和數據采集傳輸裝置7以無線通信的方式連接。數據采集傳輸裝置7采集力學傳感 器3、4監測的數據并將其傳輸至數據接收分析裝置9。數據接收分析裝置9通過下面所描 述的公式計算地震帶斷層面剪切力，經過計算，若地震帶斷層面剪切力大于一預警值時，數 據接收分析裝置9則發出地震預警預報。下面將結合圖1所示模型詳述數據接收分析裝置9所依據的計算公式的推導過 程，如圖1所示，在發震斷層面111中，斷層面111上某點的內應力與剪切力間的函數關系 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粘聚力的加權平均值； ——斷層破碎帶各土層內摩擦角加權平均值/(° )。發生地層錯動的臨界狀態時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，在斷層巖土體含 水量等性質不變的情況下，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 產生，上盤巖體受斷面上由內摩擦力和粘聚力引起的摩阻力逐漸減小，內應力逐漸增大。內 應力的變化，可以反應斷層上盤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 了斷層穩定性的改變。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 發生。本發明通過力學傳感器對內應力數據的不斷采集，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系。為了直觀顯示剪切力和時間的關系，數據接 收分析裝置9匯總分析所計算得到的剪切力數據，據以繪制地震帶斷層面剪切力與時間的 關系曲線，并將此曲線的變化實時顯示在顯示器10上，據此可清楚地觀察和掌握地震斷層 發生錯位移動時的數據統計，為地震預報和預測提供理論和數據依據。地震災害發生之前的一段時間內，由于地震作用力的作用，地震斷層面相對穩定 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，監測纜索11和監測纜索 12上的拉張力發生變化，變化后的數值通過安裝在監測纜索11和監測纜索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，采集的數據通過線纜傳輸到數據采集 發射裝置7上，數據采集發射裝置7利用無線傳輸方式將這些數據發送到數據接收分析裝 置9中，數據接收分析裝置9將接收到的數據按推導公式計算、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。為了分別顯示各監測纜索11和監測纜索12的拉張力，本發明的地震災害超前預 警預報系統優選實施例還包括多個應力電子顯示裝置8，數據接收分析裝置9隨時將拉張 力數值發送到對應的應力電子顯示裝置8上，應力電子顯示裝置8清楚的顯示其所對應的 應力傳感器4所檢測到的監測纜索的拉張力值。當發震斷層面上剪切力值逐漸積累到一定程度時，即超過設定的預警值時，數據 接收分析裝置9發出預警預報，表示發震斷層面上的剪切力已經接近斷層面上巖土體抗剪 切強度，有發生地震的危險，此刻，地表仍然沒有發生位移。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沿著斷層面發生相對位移，地震發生，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生較大的相對位移，這時 造成重大人員傷亡和財產損失地震災害在短時間內已經發生。綜上所述，本發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 反應發震斷層內部應力變化特征，從而實現地震災害的超前實時預警預報。由技術常識可知，本發明可以通過其它的不脫離其精神實質或必要特征的實施方 案來實現。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 有在本發明范圍內或在等同于本發明的范圍內的改變均被本發明包含。
權利要求
一種地震災害超前預警預報方法，其特征在于，包括以下步驟在地震帶斷層中設置監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測纜索連接以感測所述監測纜索的拉張力；根據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為監測纜索的拉張力，α為監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摩擦角的加權平均值，C為斷層破碎帶各土層內粘聚力的加權平均值；當地震帶斷層面剪切力大于一預警值時，發出地震預警預報。
1. 一種地震災害超前預警預報方法，其特征在于，包括以下步驟 在地震帶斷層中設置監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 感器和所述監測纜索連接以感測所述監測纜索的拉張力； 根據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為監測纜索的拉張力，α為監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摩擦角的加權平均值，C 為斷層破碎帶各土層內粘聚力的加權平均值；當地震帶斷層面剪切力大于一預警值時，發出地震預警預報。
2.根據權利要求1所述的地震災害超前預警預報方法，其特征在于，還對地震帶斷層 中設置的所述監測纜索施加一預應力。
3.根據權利要求1所述的地震災害超前預警預報方法，其特征在于，所述監測纜索為 分布于地震帶斷層中多個位置的多個監測纜索。
4.根據權利要求1所述的地震災害超前預警預報方法，其特征在于，還包括根據計算 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。
5.一種地震災害超前預警預報系統，其特征在于，包括監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測纜索，用于檢測所述監測纜索的拉張力變化動態；數據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 測纜索的剪切力數據并向外傳輸；數據接收分析裝置連接于所述數據采集傳輸裝置，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為監測纜索的拉張力，α為監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摩擦角的加權平均值，C 為斷層破碎帶各土層內粘聚力的加權平均值；當地震帶斷層面剪切力大于一預警值時，則 該數據接收分析裝置發出地震預警預報。
6.根據權利要求5所述的地震災害超前預警預報系統，其特征在于，還包括顯示器連 接于所述數據接收分析裝置，用于顯示所述數據接收分析裝置計算的地震帶斷層面剪切力 變化。
7.根據權利要求5所述的地震災害超前預警預報系統，其特征在于，還包括應力電子 顯示裝置連接于所述數據接收分析裝置，用于顯示所述監測纜索的拉張力變化。
8.根據權利要求5所述的地震災害超前預警預報系統，其特征在于，所述監測纜索為 分布于地震帶斷層中多個位置的多個監測纜索。
9.根據權利要求6所述的地震災害超前預警預報系統，其特征在于，所述數據接收分 析裝置還用于根據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系曲線，并將該關系曲線發送至所述顯示器顯示。
全文摘要
本發明公開一種地震災害超前預警預報方法及系統，該方法包括在地震帶斷層中設置監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測纜索連接以感測所述監測纜索的拉張力；根據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為監測纜索的拉張力，α為監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摩擦角的加權平均值，C為斷層破碎帶各土層內粘聚力的加權平均值；當地震帶斷層面剪切力大于一預警值時，發出地震預警預報。本發明在地震斷層移動前后均可發出地震預警預報信號，真正實現了地震災害的超前、實時預警預報。
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 優先權日2010年7月21日
發明者何滿潮, 孫曉明, 張斌, 李德建, 楊曉杰, 陶志剛 申請人:中國礦業大學(北京)