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地震监测方法的研究

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.........................................................................................言 ...................................................震的概念及分类 .......................................震活动的规律 .........................................震的监测 ............................................. 地震监测的概念 .................................... 地震波传播原理 .................................... 地震监测的方法 ....................................磁波的检测 ........................................... 电磁波的分类 ...................................... 环境电磁波测量理论 ................................磁波传输理论 ...............................境电磁波测量仪器原理 .......................选频式宽带辐射测量仪 ......................用环境电磁波测量系统介绍 ............................ 磁辐射分析仪系统 ...................... 基于测量接收机的环境电磁波侧量系统 ............... 基于数字示波器的环境电磁波测量系统 ...............总结与展望 ...........................................................................................>摘要:水库地震台网监测能力是否达到设计目标,对已经建成的水库地震台网是必须回答的问题,根据研究,可以震级紫坪铺、瀑布沟、方法取得了从设计意图到实测数据回答台网监测能力的目的。2.《哈萨克斯坦地震地下流体监测、预测的现状及其震兆异常特征的分析》摘要:40 多年来,哈萨克斯坦地震地下流体观测台网历经初期建网、系统清理、政策调整和优化提高 4 个阶段,站分布、观测项目、析了哈萨克斯坦地震地下流体观测资料的特点,中国大陆地壳运动与强震关系研究》摘要:利用 测结果研究了中国大陆当前地壳运动的空间分布及其所揭示的大区域构造变形背景与趋势;讨论了区域水平运动、应变率场分布与强震地点的关系;通过对昆仑山口西 地震区域水平运动与形变的分析,研究了强震过程的区域形变场变化的主要特征;汶川 震的地下流体与宏观异常及地震预测问题的思考》1摘要:在汶川 震地下流体异常资料的收集整理与宏观前兆异常的现场调查基础上,认真分析目前地震预测的困难与能力之后,认为汶川 震的预测失败并不意味着地震不能预测; 认为汶川 震前前兆异常的数量偏少,但仍有一定规模的地下流体异常与明显的宏观临震异常; 还认为震前作出预测可能困难,出了要改革目前的 "监测、预测、研究三分离"的管理机制和 "专业与地方两条线"的管理体制,要改变地震日常分析预报中 "电脑代替人脑"的工作现状和过早地 "程式化与规范化"的工作模式,要提倡创新性的科学探索,要重视前兆异常的震前调查与落实,电磁卫星和地震预测》摘要:地震前几周、几天、几小时甚至几分钟,电磁场的强度、相位或者谱密度等将发生异常变化,电离层的电子、离子浓度和温度等会发生异常扰动,卫星上也能观测到,它们在确定异常现象发生的地点和时间等方面具有各自的优势,把两种观测相结合,对异常信号进行立体监测,地面观测已经进行了大量的研究和实践,利用卫星进行观测近几年刚刚开始,但已经显示了它监测地震异常的独特能力,引起各方面的高度重视,2008 年新疆于田 震的中期预测》摘要:根据中国地壳运动观测网络工程获得的重力变化及强震活动性,介绍 2008年新藏交界地区(, 为中心,半径 200 北京地震前的异常次声波》摘要:2观测并研究了 2011 年 10 月 12 日发生在北京海淀区的一次小地震前 4 天,为“N”形脉冲波,布方法对信号进行时频分析发现次声波能量主要集中在 z 结果表明:该地震前异常次声波源的位置与地震发生时震中的位置相差约5 煤矿冲击地压的微地震监测研究》摘要:为了研究煤矿冲击地压与岩层在三维空间破裂之间的关系,进而探索依据岩层破裂规律预测和预报冲击地压的可能性,文中采用自行研制的防爆型微地震定位监测(统,基于定位原理,监测了山东华丰煤矿冲击地压煤层(四层煤)及其解放层(六层煤)开采过程中的岩层破裂过程和二次应力场分布变化的过程,得到了如下结论:冲击地压的发生与岩层破裂密切相关,四层煤下顺槽处于六层煤顶板破裂区的外边缘时,正处于高应力区内,在此处掘进容易引发冲击地压,必须将六层煤下顺槽位置向实体煤侧移动 20 m 以上,或将四层煤下顺槽位置内移 20 m 以上,才能消除四层煤的冲击地压;六层煤和四层煤开采时,工作面前方断层活化的距离分别为 250 m 和 350 m 左右,根据这一距离,及时对断层带进行卸压处理,可以消除由断层带引发的冲击地压;监测显示了工作面周围岩层的三维破裂形态和范围,为矿井确定防水煤柱的高度提供了可靠的依据;监测证明了厚层砾岩的破裂、断层活化、采场附近关键层的破裂是引起冲击地压的主要原因,证明了所研制的硬件和定位软件具有较高的精度和实用性,可以在煤矿和边坡、汶川 震前的流动形变》摘要:分析汶川 震前南北地震带流动水准和流动 测到的形变图像发现:1)流动水准显示汶川地震之前该区域存在一个相对隆起区,量级在 180 )流动 示该区域存在长期显著的压性变形,与隆起变形相配套;3)汶3川大震前没有任何察觉的主要原因:一是孕震区缺少足够的观测手段,难以捕捉到可信的前兆信息,二是缺少 8 地壳介质破裂的尺度理论在研究山丹地震的地震学前兆特征中的应用》摘要:介绍了 地震的地震学前兆(地震空间相关长度和尾波 )震空间相关长度和尾波在震前都呈增长趋势, 别是在造成人员伤亡方面,地震造成的死亡人数占各类自然灾害造成的死亡人数总数的一半以上。地震灾害堪称群灾之首。近年来,全球地震灾害常有发生。从 2008 年的汶川大地震,到去年玉树地震,再到云南地震、日本特大地震,缅甸地震,以及刚发生的四川雅安地震,都带来了巨大的生命财产损失。尽管地震作为地壳正常的运动,但是为了减少这些生命与财产的损失,地震监测仪的出现是必不可少的,一方面地震监测仪可以精确得测得地震发生的方位与震级,从而可以及时的为灾区提供帮助,另外一方面,地震监测仪可以有监警的作用,使居住在地震发生地点的人们做出及时的防范与躲避措施,从而减少不必要的损失。从全球范围来看,地震的发生与地壳活动性断裂有着密切的关系,破坏性地震总体呈带状展布。全球可划分出环太平洋地震带、地中海喜马拉雅地震带、大洋海岭地震带及大陆裂谷系地震带 4 大地震活动带。我国处在环太平洋与地中海 大地震带之间,是全球大陆地震较为频繁、地震灾害严重的国家之一,可见地震监报对于我国来说具有更加重要的现实意义。地震监测是公认的世界性的科学难题,是地球科学的一个宏伟的科学研究目标。如能同 时准确地监测出未来大地震的地点、时间和强度,无疑可以拯救数以万计生活在地震危险区人民的生命;并且,如果能监先采取恰当的防范措施,就有可能最大限度地减轻地震对建筑物等设施的破坏、减少地震造成的经济损失,保障社会的稳定和促进社会的和谐发展。地壳运动的一种特殊形式。地震时,地壳中发生震动的地方称为震源,它在地面铅直投影的地方称为震中,震中到震源的距离叫震源深度。地震按照其成因分为构造地震、火山地震和陷落地震。按震源深度分浅源地震(震源深度 0~70中源地震(震源深度 70~300深源地震(震源深度 300~700按应力状态和介质断裂5特征分单一主震型、主震震界上绝大多数地震是由于地壳构造活动带弹性应变能积聚而突然释放形成的构造地震,约占地震总数的 90%。它分布广、强度大、危害大,震源深度一般为几 几百 大达 700统计,大多数地震是发生在地表以下的数十 的浅源地震,特别是在大陆上,95%以上的地震是浅源地震,破坏性地震也主要是浅源地震。震机制决定了地震活动的规律性。地震监报首先要遵循这个规律,由于地震活动的复杂性,目前对这个规律的研究还不完善,根据近年来学者的研究,综合给出关于地震发生的时间、空间和强度方面若干规律性的特点。其中,地震的发生与活动断裂带的特定部位有关、地震活动具有阶段性或周期性、强震活动沿着活动构造带依次迁移或往返跳动、地震区域里强震与弱震、大震与小震之间,往往存在着时空关系以及活断层的活动方式对控震的影响关系等规律。震监测的概念地震监测不是指像“在某地最近要发生大地震”这类含糊的“监测” 、 “监报”或说法。不同时指明地震发生的地点、时间和大小(简称为地震“三要素”)并对其区间加以明确界定的“监测” ,几乎没有什么意义。此外,地震学家还用发震概率来表示监测的可信程度。所以,地震学家把地震监测定义为“同时给出未来地震的位置、大小、时间和概率四种参数” ,每种参数的误差(不确定的范围)小于、等于下列数值:位置:±破裂长度;大小:±0.5 破裂长度或震级±0.5 级;时间:±20 地震复发时间;概率:监测正确次数/(监测正确次数+监测失误次数)。震波传播原理地震波由地震震源发出的在地球介质中传播的弹性波。地球内部存在着地震波速度突变的基干界面、莫霍面和古登堡面,将地球内部分为地壳、地幔和6地核三个圈层。地震震源发出的在地球介质中传播的弹性波。地震发生时,震源区的介质发生急速的破裂和运动,这种扰动构成一个波源。由于地球介质的连续性,这种波动就向地球内部及表层各处传播开去,形成了连续介质中的弹性波。地震被按传播方式分为三种类型:纵波、横波和面波。纵波是推进波,地壳中传播速度为 5.5米/秒,最先到达震中,又称 P 波,它使地面发生上下振动,破坏性较弱。横波是剪切波:在地壳中的传播速度为 米/秒,第二个到达震中,又称 S 波,它使地面发生前后、左右抖动,破坏性较强。面波又称 L 波,是由纵波与横波在地表相遇后激发产生的混合波。其波长大、振幅强,只能沿地表面传播,是造成建筑物强烈破坏的主要因素。P 波的速度比 S 波快,因此最先到达地面,形成地震波中的初波。据初波的震动方向就可以知道震源方向。但初波非常微弱,因为它只能从震源直直地向着地震波接收处地面传播的 P 波,而这部分 P 波携带的能量只占地震波全部能量的一小部分。通过检测 p 波和 s 波的时间差即可得到地震的震级。震监测的方法地震监测的方法有横波( S 波)分裂法、电磁波法、次声波异常法、地应力法、地壳变形法、地磁异常法、地电异常法、小震活动异常法、卫星红外异常法、地热异常法、地下气异常法、地下水异常法、地光异常法、气象异常法、生物异常法、加卸载响应比异常法、电离层电子浓度突降异常法和重力异常法等。本文主要阐述电磁波法检测地震。许多地震学家通过观测发现,地下电能在大震前数小时至数十小时产生相当强的电磁波异常现象,这对临震预报非常重要,说明电磁辐射与地震孕育有一定的客观联系。关于临震电磁辐射源的机理,国内冯竟等认为,震前电磁辐射源是在地球内部,并把电磁辐射现象作为地震临期预报的一种重要手段。研究表明,电磁异常与台站附件的地震具有较高的相关性,地震的震级越大,其相关性越高,电磁异常的起始时间愈早;并且异常的持续时间与震级大小有关等。我国 20 世纪 90 年代以来,加强了电磁波观测台网的建设,分析多种资料,根据地震电磁异常信息的波形、频段、幅值、强度、信号的方向性等来预测发震地点和发震时间等。故电磁波异常方法在地震预报中发挥了重要的作用。另外,这种异常强大的电磁波也会引起电器等的反常现象。如 1995 年 1 月 17 日日本大阪. 72 级地震前,神户所在的兵库县一个家庭的冰箱从 15 日夜间 22:00 左右响声突然增大,而且一直到地震后的 17 日白天才恢复正常。由此可见,只要实时检测某一地区电磁波的变化,就可以检测该地区地壳运动,从而检测地震变化。称电磁辐射)是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动,其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面,有效的传递能量和动量。电磁辐射可以按照频率分类,从低频率到高频率,包括有无线电波、微波、红外线、可见光、紫外光、眼可接收到的电磁辐射,波长大约在 380 至 780 纳米之间,称为可见光。只要是本身温度大于绝对零度的物体,都可以发射电磁辐射,而世界上并不存在温度等于或低于绝对零度的物体。磁波的分类电磁辐射按来源可分为两大类:天然辐射和人工辐射。天然辐射源主要有:来自太阳的电磁波、宇宙射线、地磁场、雷电、火山爆发等;人工辐射源主要有:广播电视发射设备、通讯雷达及导航设备、工、科、医等高频设备、电力系统、交通系统、家用电器等。我们所处的环境充满着各样的电磁波。磁波传输理论电磁波是电磁场的一种运动形态。电与磁可说是一体两面,变动的电会产生磁,变动的磁则会产生电。变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分离的统一的场,这就是电磁场,而变化的电磁场在空间的传播形成了电磁波,电磁的变动就如同微风轻拂水面产生水波一般,因此被称为电磁波,也常称为电波。电磁波频率低时,主要借由有形的导电体才能传递。原因是在低频的电振荡中,磁电之间的相互变化比较缓慢,其能量几乎全部返回原电路而没有能量辐射出去;电磁波频率高时即可以在自由空间内传递,也可以束缚在有形的导电体内传递。在自由空间内传递的原因是在高频率的电振荡中,磁电互变甚快,能量不可能全部返回原振荡电路,于是电能、磁能随着电场与磁场的周期变化以电8磁波的形式向空间传播出去,不需要介质也能向外传递能量,这就是一种辐射。举例来说,太阳与地球之间的距离非常遥远,但在户外时,我们仍然能感受到和煦阳光的光与热,这就好比是“电磁辐射借由辐射现象传递能量”的原理一样。电磁波为横波。电磁波的磁场、电场及其行进方向三者互相垂直。振幅沿传播方向的垂直方向作周期性交变,其强度与距离的平方成反比,波本身带动能量,任何位置之能量功率与振幅的平方成正比。其速度等于光速 c(每秒3×10 的 8 次方米) 。在空间传播的电磁波,距离最近的电场(磁场)强度方向相同,其量值最大两点之间的距离,就是电磁波的波长 λ,电磁每秒钟变动的次数便是频率 f。三者之间的关系可通过公式 c=λf。通过不同介质时,会发生折射、反射、绕射、散射及吸收等等。电磁波的传播有沿地面传播的地面波,还有从空中传播的空中波以及天波。波长越长其衰减也越少,电磁波的波长越长也越容易绕过障碍物继续传播。电磁波的计算c=λ速(这是一个常量,c 约等于 3*10^8m/s)单位:m/长单位:率单位:境电磁波测量仪器原理电磁辐射的测量按测量场所分为作业环境、特定公众暴露环境、一般公众暴露环境测量。按测量参数分为电场强度、磁场强度和电磁场功率密度等测量。对于不同的测量应选用不同类型的仪器和天线,以期获取最佳的测量结果。测量仪器根据测量目的分为非选频式宽带辐射测量仪和选频式辐射测量仪。无论是非选频式宽带辐射测量仪还是选频式辐射测量仪,基本构造都是由天线(传感器)及主机系统两部分组成。(1)很窄频率范围的信号进来,滤除其余频率的信号,选频式测量仪器的灵敏度较非选频式的高很多。根据所测量信号频谱的不同,选频式射频辐射测量仪器也按检波方式分为两大类,一类采用峰值检波,测量广播电视及通信等频谱较窄的辐射源;另一类采用准峰值检波,测量火花放电等频谱范围很宽的电磁脉冲源。除场强仪(或称干扰场强仪)外,可用9接收天线和频谱仪或测量接收机组成的测量系统经校准后,用于环境电磁辐射测量。工作原理: 式中:E——待测场的场强值,;F——天线系数,—场强仪的读数,电缆损耗,被测场是脉冲信号时,不同带宽值 不同。此时需要归一化于 1宽的场: 式中:选用带宽,量宽带信号环境辐射峰值场强时,要选用尽量宽的带宽"相应平均功率密度为: 式中:Q——脉冲信号占空比;——平均功率密度。磁兼容、电磁干扰测量。选频式仪器由于其采用扫频方式,所以测量时间很长,不适用于非周期信号测量,主要用于各类无线电干扰(即动态范围很宽,能分别显示各频率的场强,不需要显示复合场强)测量。选频式宽带辐射测量仪非选频式宽带辐射仪器主要由主机和各类全向型探头组成。适用于周期和非周期信号的环境电磁波测量,了解某一特定空间内电磁辐射的综合场强和空间分布,评价电磁辐射强度是否对该空间内的人员和设备产生影响。主要测量场强10相对比较大的电场强度。热电偶性探头工作原理。采取三条相互垂直的热电偶结点阵作为电场测量探头,提供了和热电偶元件切线方向场强平方成正比的直流输出。待测场强为: 22所得场强为复合场强,与极化方向无关。沿热电偶元件直线方向分布的热电偶结点阵,保证了探头有极宽的频带。沿 x,y,z 三个方向分布的热电偶元件的最大尺寸应小于最高工作频率波长的 1/4,以免产生谐振。使用非选频式宽带辐射测量仪实施环境监测时,为了确保环境监测的质量,应对这类仪器电性能提出基本要求;各向同性误差小于 统频率响应不均匀度小于 3敏度:m,校准精度:士 于环境电磁辐射测量的非选频仪器种类很多,常见的这类仪器有宽带电磁场强计、电磁辐射监测仪、辐射危害计等。磁辐射分析仪系统意大利 司生产的电磁辐射测量产品,通过各种全向型探头接收各种频率的电磁波,由主机进行运算,能够快速显示 X、Y、Z 三个方向的绝对值、百分比和总数。平均模式有算术平均,均方根(手动时间及空间平均。其主机重量只有 带方便,目前国内大多数环保部门采用该系统进行电磁环境监测。由于这类仪器采用非选频方式,所以其灵敏度不高,如电场强度典型值为 1V/m 以上。因此,该类仪器一般用于对辐射强度较高的标准中,如 88((电磁辐射防护规定》 。统主要采用其主机和 场测量探头。场探头频率范围:70 3辨率:m,频率口 l 句应:士 感性 m,绝对误差士 于测量接收机的环境电磁波侧量系统测量电磁波时,先将仪器调谐于某个测量频率厂,该频率经高频衰减器和高频放大器后进入混频器,与本振频率 混频,产生很多混频信号。经过中频滤波频。中频信号经中频衰减器、中频放大器后由包011络检波器进行包络检波,滤去中频得到低频信号 。再进一步加权检波,根据)(峰值(有效值(平均值(准峰值(这)(系统采用德国 司的 量接收机系统(频率范围: 4相应的接收天线构成的电磁辐射测量系统"由于这类系统采用选频方式,因此灵敏度可以很高(跟选择的中频带宽相关)。但是扫描时间相对较长,用于周期性信号测量,对单次脉冲无法测量。根据电磁场理论,当电偶极子或环形偶极子中经过高频电流时,在其周围会产生一交变电磁场。当测量距离: 时,以电偶极子为例:辐射电场或磁场正比于电偶极子2量,即:中:I——流过偶极子的电流,A;D——偶极距长,m;此时波阻抗 z=E/H=2 。在工程中将电偶极子或磁偶极子予以工程化实施,专门设计一个便于辐射的装置,称为天线装置,本系统使用 双脊喇叭天线,电缆采用 于数字示波器的环境电磁波测量系统示波器本质上是一种图形显示设备,它描绘电信号的图形曲线,在示波器的显示范围内,可以稳定、明亮和清晰地显示任何频率的波形。其波形是信号随时12间的变化过程:垂直(Y)轴表示电压,水平(X)轴表示时间。数字示波器首先对预处理(衰减和放大)的被测信号按照设定的采样率进行采样,然后经过模数转换器(A/D)把被测电压转换为数字信息,存入 后将存储在 的数字化信号恢复成模拟信号,并由显示器显示。目前数字示波器完全能够实现对亚娜窄脉冲信号采集;触发信号的获取和选择在辐射场实验中很重要,触发信号过晚或者过早,都可能导致待测信号计录不完整,通过利用数字示波器的预触发或快帧等先进功能,能够有效地捕获单次信号。由于近几年数字示波器技术的飞速发展,对射频微波频段的电磁波信号和调制脉冲信号直接采样成为可能。数字示波器的实时取样是所有的取样点通过响应示波器的一次触发而获得,即它是采用一次触发完成一个波形的全部取样点的采集,它的优点是可以获得瞬态波形(单次信号)。本系统采用 字存储示波器,其带宽 大采样率 20s、存储深度 过由天线接收信号通过电缆传输到示波器,利用示波器的多种触发方式,可以准确,快速获取波形数据,最后再进行后期处理。为了减小测量中因设备不同引起的误差,本系统采用和测量接收机系统相同的天线和电缆。系统框图如下图所示:们可以实时监测某地电磁波的变化,从而分析判断出此地地质变化情况,加以分析,得出对当地地震的检测。但此种方法仅能作大致评估,无法准确预测。要对地震进行相对准确的检测,要依靠科技进步、依靠科学家群体,强化对地震及其前兆的观测,坚持地震预测科学试验——地震预测试验场,系统地开展基础性、综合性的对地球内部及对地震的观测、探测与研究计划并加强国内合作与国际合作。13以上是对地震检测系统的初步设计,可行性有待进一步研究。参考文献【1】陈运泰.2007.地震预测现状与前景.见:中国科学院(主编):2007 科学发展报告[M].北京:科学出版社,1 73~182【2】李海英,顾尚义,吴志强. 矿山废弃土地复垦技术研究进展[J]. 矿业工程, 2007, 5(2):43- 46.【3】吴言忠,邢志良. 采煤塌陷区土地复垦的综合利用研究[J]. 农业与技术, 2007, 27(13):75- 76【4】史同广,张明亮,郑国强,等. 采煤沉陷区土地利用格局动态及复垦对策[J]. 水土保持研究, 2007, 14(3):283- 286.【5】刘祁,赵瑞平,徐有才. 煤矿塌陷土地复垦与绿色植被治理途径的探讨[C]//2006 国际土地复垦学术研讨会会议论文集. 北京: 煤炭工业出版社, 2006:329- 334.
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本文标题:地震监测方法的研究
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