基于激光测距与激光干涉的地震前兆监测方法与系统与流程

本发明涉及地震预测预报领域，尤其涉及一种激光对地震震中、震级、发震时间三要素的动态监测预报方法与系统。

背景技术：

激光地震预报是世界级难题，现有的旱震、磁暴、可公度法等理论都很难在临震前期做出地震三要素短期准确预报，到目前为止没有能够实现对短临地震震中、震级、发震时间三要素预报的有效方法。

21世纪初观测到地震前存在预滑、震颤、以及前驱波等现象，地震前地壳岩石圈变形应力过程存在稳态、亚稳态、亚失稳态、失稳态4种状态；在稳态阶段，断层处于弹性变形阶段，只要外力撤除，变形立即恢复；在亚稳态阶段，断层处于偏离线性阶段，外力撤除，一部分应变立即恢复，另一部分以缓慢方式逐步恢复，而局部损伤区无法恢复；进入亚失稳阶段，断层已经处于以释放为主的变形阶段，外载的变量已不足以弥补断层的应力释放水平，断层由准静态释放转变为不可逆转的准动态释放，最终失稳，地震不可避免的发生。

地球表面地壳由几大不同板块组成，软流层以上的地幔部分和地壳共同组成了岩石圈，地壳分为上下两层，上层化学成分以氧、硅、铝为主，平均化学组成与花岗岩相似，称为花岗岩层，亦有人称之为“硅铝层”，下层富含硅和镁，平均化学组成与玄武岩相似，称为玄武岩层，有人称之为“硅镁层”。地壳不同板块岩石圈可以近似看作漂浮于软流层之上，地球自转对地表各板块的离心力作用由赤道向南北两极逐渐减弱，从而各板块之间的相互挤压、周期性冲击等作用也由低纬度到高纬度逐步减弱，大西洋中脊东西方向不断扩张引起两侧板块挤压，也就形成了目前我们常见的地震带分布南北走向明显多于东西走向。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

现有地卫激光测距都是根据地面激光站点对通过上空的在轨卫星发射激光脉冲进行单点测距，激光往返经过大气层返回地面同轴接收器获得卫星的高度信息，通过对不同时间段单站点测距数值的比较得出地面高度随时间的变动信息，这种测距方法得出的结论受因微重力变化卫星轨道变动的影响不能有效反应当地地面高度的实际变动，单通过地卫激光测距监测无法对地壳形变变动是否足以引发地震及发震时间、震中、震级作出准确的判断；对地壳基岩形变进行地电测量的监测方法，受外在环境影响较大而无法作出准确的地震前兆判断，造成地震有效预报的准确率太低，无法在震前做出防灾准备。

地动信号及微断裂信号以弹性应力波形式在地壳岩石层中向四周扩散传播，因地壳岩石圈上下层及地幔上部、莫霍面等所含物质成分不同，这就使得弹性应力波在不同地层物质中传播速度发生了变化，有快有慢，通过现有科技手段对这种微断裂信号的弹性应力波进行监测分析计算也就可以得出弹性应力波的发生方位、距离信息，从而确定可能发生地震的具体区域；通过建立对地动信号及微断裂信号实时监测的地基激光干涉测量系统、对地壳形变及板块运动有效监测的天基多点地卫同步激光测距系统，两者监测到的数据综合分析，可获得地壳形变、地震前兆的更有效信息，从而大幅提高预报准确率，实现对地震发生震中、震级、发震时间三要素的临震快速准确预报。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于激光测距与激光干涉的地震前兆监测方法与系统，该监测系统包括天基多地同步激光测距系统，地基激光干涉测量系统；

其中，天基多地同步激光测距系统包括地面激光发射接收站，载有光学反射器的绕地卫星或高空飞行器；

其中，地基激光干涉测量系统包括设置于地壳基岩位置的激光干涉仪及信息传输通讯系统。

上述方案中，所述基于激光测距与激光干涉的地震前兆监测方法与系统，该系统的子系统天基多地同步激光测距系统中地面激光发射接收站激光发射的脉冲为满足地卫、地空测距精度要求的亚纳秒激光或皮秒激光，激光光束发散角经准制系统压缩后需满足相应距离的测距要求，绕地卫星或高空飞行器上载有的反射器为光学角锥反射器，地面激光站点发射的激光为有效透过大气传输的多波长激光，多波长激光测距用于大气色散引起的激光测距距离误差校正。

上述方案中，所述天基多地同步激光测距系统为地面多站点同步测距，通过位于不同区域的四个以上地面激光发射接收站对载有光学反射器的同一绕地卫星或高空飞行器进行同步激光测距，获得不同区域激光测距站点四个站点位置的精确数值，通过数据算法筛选出三个地面激光发射接收站、与同一绕地卫星或高空飞行器四个位置点组成的数据建立三维立体坐标系，确定各位置点在该三维立体坐标空间的坐标值，对第四个以上的地面激光发射接收站根据该站点测距数据值、地理位置数据及与卫星或高空飞行器观测角数据确定该站点在该三维立体坐标空间的具体坐标值，通过与不同时间段同类测量数据的比对分析获得地面不同激光发射接收站所在地壳板块形变与移位的相对变化信息，通过对该变化的长期数据计算分析可以获得地壳内部及地壳板块间断层的累积存储能量。

上述方案中，所述天基多地同步激光测距系统为地面多站点同步测距，同步是指地面多站点发射的激光需同时到达绕地卫星或高空飞行器，同步时间精度要求需满足因卫星或飞行器相对地面位置变动引起的可接受测距误差；在地球同步轨道上的激光反射卫星相对地面位置变动接近于零，此时地面多点发射的激光同步发射时间精度按地面时间的同时精度即可；近地轨道的激光反射卫星相对地面位置变动绕行速度为数千米每秒，在测距精度要求下不同地面测距站点激光光束同时到达卫星需要达到微秒级时间同步精度，这时地面不同激光发射接收站点的激光脉冲发射时间需按照修正后的时间发射以保证多站点激光脉冲在微秒级精度时间范围内同时到达卫星反射器。

上述方案中，所述基于激光测距与激光干涉的地震前兆监测方法与系统，该系统的子系统地基激光干涉测量系统中激光干涉仪放置于基岩岩层中，激光干涉仪对基岩岩壁形变的监测光路按两个垂直方向布局以获得东西南北四个方位的基岩形变信息，激光干涉仪参考臂固定在基岩洞穴内部基柱上，保持基岩洞穴内部环境稳定以稳定参考臂光路臂长，负责形变监测反馈的激光干涉仪端面反射镜固定在探测方位的基岩岩壁上，激光干涉仪监测臂光路因岩壁形变引起光路臂长及反射角变化，该变化引起监测臂光波相位变化，与参考臂光束汇合后干涉光路中双光束干涉光强强度发生变化，该干涉光强度变化由光电探测器监测，经相关电路转换成电信号后放大，再经由信息传输通讯系统送入总处理数据库进行分析，进而获得地壳岩层中以弹性应力波形式传播的地动信号与微断裂信号信息。

上述方案中，所述地基激光干涉测量系统根据光电探测器对激光光路中光束干涉强度变化的光电转换信号进行数据处理分析，可获得弹性应力波强度、持续时间的数据积分，同时计入弹性应力波生成点距离等参数进行综合分析，得出可能发生的地震震级强度信息、震中位置信息；可能发生的地震震中位置的确认除通过单站点监测获得的同一弹性应力波在地壳不同深度岩层因因岩石成分不同引起的传播速度差异造成的时间延迟间隔计算外，也可由位于两个不同区域的激光干涉仪监测到的应力波传播方向交点得出，每个区域激光干涉仪监测站点通过两垂直方向的应力波监测测量，得出弹性应力波的来源方向，两个不同区域位置监测站点探测到的弹性应力波方位交点即可能发生地震的震中位置；地震发生时间要素的计算可由地震发生前两次探测到的同一区域弹性应力波发生时间间隔，同时计入天基多地同步激光测距系统监测到的震中区域因日月对地引力引起的地壳形变周期因素，分析计算获得确切的发震时间。

上述方案中，所述基于激光测距与激光干涉的地震前兆监测方法与系统，该监测系统将天基多地同步激光测距系统监测到的不同时间段各站点地壳形变信息、地壳板块移位变化信息与地基激光干涉测量系统监测到的具体区块位置地动信号、微断裂信号综合分析，地基激光干涉测量系统有效补充了天基激光测距系统对海底地壳形变无法测量的缺陷，有效补充了天基激光测距系统对震中、发震时间临震快速预报准确率低的缺陷，天基多地同步激光测距系统对地动信号、微断裂信号产生前后的地壳形变信息做了有效监测补充，避开了太阳、月球引力对地壳影响引发缓慢地震将地壳形变能量有效释放而地基激光干涉测量系统不能有效监测做出的错误预报，从而显著提高对地震发生的震中位置、震级、时间三要素预报准确率。

(三)有益效果

本发明解决了现有地震监测方法无法实现地震三要素准确预报的问题，通过天基多地同步激光测距与地基激光干涉监测结合，对监测到的数据进行综合分析处理，可以得出明确的地震前兆信息，从而实现对地震发生的震中位置、震级、发震时间三要素的准确预报，方便震区人民提前做好防震减灾准备。

附图说明

图1为天基多地同步激光测距系统、地基激光干涉测量系统对地球地壳板块的监测示意图；

图2为地动信号及微断裂信号以弹性应力波形式在地壳岩层中向四周扩散传播的示意图。

图1中：10、载有光学反射器的绕地卫星，11、12、13位于同一地壳板块的地面激光发射接收站，14、15、16位于不同地壳板块的地面激光发射接收站；20、地壳岩层微断裂信号源，21、22、23、24位于地壳不同区域的地基激光干涉测量系统；图2中：1、地壳花岗岩层，2、地壳玄武岩层，v1、v2为弹性应力波在不同岩层中的传播速度。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例作进一步详细描述，但并非是对本发明的实施范围的限定。

图1示意了基于激光测距与激光干涉的地震前兆监测方法与系统，该监测系统包括天基多地同步激光测距系统，地基激光干涉测量系统；

其中，天基多地同步激光测距系统包括地面激光发射接收站，载有光学反射器的绕地卫星或高空飞行器；地基激光干涉测量系统包括设置于地壳基岩位置的激光干涉仪及信息传输通讯系统。

所述基于激光测距与激光干涉的地震前兆监测方法与系统，该系统的子系统天基多地同步激光测距系统中地面激光发射接收站激光发射的脉冲为满足地卫、地空测距精度要求的亚纳秒激光或皮秒激光，激光光束发散角经准制系统压缩后需满足相应距离的测距要求，绕地卫星或高空飞行器上载有的反射器为光学角锥反射器，地面激光站点发射的激光为有效透过大气传输的多波长激光，多波长激光测距用于大气色散引起的激光测距距离误差校正。

所述天基多地同步激光测距系统为地面多站点同步测距，通过位于不同区域的四个以上地面激光发射接收站对载有光学反射器的同一绕地卫星或高空飞行器进行同步激光测距，获得不同区域激光测距站点四个站点位置的精确数值，通过数据算法筛选出三个地面激光发射接收站、与同一绕地卫星或高空飞行器四个位置点组成的数据建立三维立体坐标系，确定各位置点在该三维立体坐标空间的坐标值，对第四个以上的地面激光发射接收站根据该站点测距数据值、地理位置数据及与卫星或高空飞行器观测角数据确定该站点在该三维立体坐标空间的具体坐标值，通过与不同时间段同类测量数据的比对分析获得地面不同激光发射接收站所在地壳板块形变与移位的相对变化信息，通过对该变化的长期数据计算分析可以获得地壳内部及地壳板块间断层的累积存储能量。

所述天基多地同步激光测距系统为地面多站点同步测距，同步是指地面多站点发射的激光需同时到达绕地卫星或高空飞行器，同步时间精度要求需满足因卫星或飞行器相对地面位置变动引起的可接受测距误差；在地球同步轨道上的激光反射卫星相对地面位置变动接近于零，此时地面多点发射的激光同步发射时间精度按地面时间的同时精度即可；近地轨道的激光反射卫星相对地面位置变动绕行速度为数千米每秒，在测距精度要求下不同地面测距站点激光光束同时到达卫星需要达到微秒级时间同步精度，这时地面不同激光发射接收站点的激光脉冲发射时间需按照修正后的时间发射以保证多站点激光脉冲在微秒级精度时间范围内同时到达卫星反射器。

所述基于激光测距与激光干涉的地震前兆监测方法与系统，该系统的子系统地基激光干涉测量系统中激光干涉仪放置于基岩岩层中，激光干涉仪对基岩岩壁形变的监测光路按两个垂直方向布局以获得东西南北四个方位的基岩形变信息，激光干涉仪参考臂固定在基岩洞穴内部基柱上，保持基岩洞穴内部环境稳定以稳定参考臂光路臂长，负责形变监测反馈的激光干涉仪端面反射镜固定在探测方位的基岩岩壁上，激光干涉仪监测臂光路因岩壁形变引起光路臂长及反射角变化，该变化引起监测臂光波相位变化，与参考臂光束汇合后干涉光路中双光束干涉光强强度发生变化，该干涉光强度变化由光电探测器监测，经相关电路转换成电信号后放大，再经由信息传输通讯系统送入总处理数据库进行分析，进而获得地壳岩层中以弹性应力波形式传播的地动信号与微断裂信号信息。

所述地基激光干涉测量系统根据光电探测器对激光光路中光束干涉强度变化的光电转换信号进行数据处理分析，可获得弹性应力波强度、持续时间的数据积分，同时计入弹性应力波生成点距离等参数进行综合分析，得出可能发生的地震震级强度信息、震中位置信息，可能发生的地震震中位置的确认除通过单站点监测获得的同一弹性应力波在地壳不同深度岩层因因岩石成分不同引起的传播速度差异如图2所示，造成弹性应力波到达激光监测干涉仪的时间延迟间隔用来计算外，也可由位于两个不同区域的激光干涉仪监测到的应力波传播方向交点得出，每个区域激光干涉仪监测站点通过两垂直方向的应力波监测测量，得出弹性应力波的来源方向，两个不同区域位置监测站点探测到的弹性应力波方位交点即可能发生地震的震中位置；地震发生时间要素的计算可由地震发生前两次探测到的同一区域弹性应力波发生时间间隔，同时计入天基多地同步激光测距系统监测到的震中区域因日月对地引力引起的地壳形变周期因素，分析计算获得确切的发震时间。

所述基于激光测距与激光干涉的地震前兆监测方法与系统，该监测系统将天基多地同步激光测距系统监测到的不同时间段各站点地壳形变信息、地壳板块移位变化信息与地基激光干涉测量系统监测到的具体区块位置地动信号、微断裂信号综合分析，地基激光干涉测量系统有效补充了天基激光测距系统对海底地壳形变无法测量的缺陷，有效补充了天基激光测距系统对震中、发震时间临震快速预报准确率低的缺陷，天基多地同步激光测距系统对地动信号、微断裂信号产生前后的地壳形变信息做了有效监测补充，避开了太阳、月球引力对地壳影响引发缓慢地震将地壳形变能量有效释放而地基激光干涉测量系统不能有效监测做出的错误预报，从而显著提高对地震发生的震中位置、震级、时间三要素预报准确率。

该系统对地震前兆的具体监测原理过程如下：

1、在不同地壳板块断层两侧设置天基多地同步激光测距系统，地基激光干涉测量系统，如图1所示，图中天基多地同步激光测距系统中地面激光发射接收站11、12、13三个站点设置于同一地壳板块不同区域位置，对地面上空载有光学反射器的卫星进行测距以确定建立由地面三个不容易变化点与卫星所在位置四个点创建的三维立体坐标系，同时位于不同断裂带两侧地壳板块上的地面激光发射接收站14、15、16等站点与11、12、13三个站点同步对同一载有光学反射器的卫星进行测距，通过在卫星10位置点、地面激光发射接收11、12、13站点同步测距建立的三维立体坐标系上确定14、15、16等其他站点的坐标数据，通过不同时间段测距获得的坐标数据分析，可以得出14、15、16等其他站点地面高度及水平位置与11、12、13站点的地面相对变化，从而确定各地壳板块的当前稳定状态，确定太阳、月球、地球三者相对位置在不同季节及运行周期上对各地壳板块应力形变的影响。当然11、12、13三个同一地壳板块中作为坐标系建立的参考点位置及地面高度也会随时间变动，本文中所指的这三个作为基准的参考点每次坐标建立选取前都需要经过相应的算法筛选，而不是固定不变。

2、地基激光干涉测量系统设置分布于不同区域位置的地壳基岩中，如图1所示，各干涉测量站点从东西南北四个方位监测地动信号、微断裂信号，图中激光干涉测量站点21、22、23、24等分布在不同地壳板块的不同区域位置，当板块断层边沿位置如20点发生微断裂信号时，该信号弹性应力波向四周扩散，在该弹性应力波到达激光干涉测量监测站点时引起该站点所在基岩岩层形变，激光干涉仪通过监测到的激光干涉光强度变化将该形变的强度、持续时间、地理方位等有效数据信息反馈到数据总处理系统，总处理系统根据多站点的有效数据分析获得可能发生地震的各要素信息，进而通过天基激光同步测距系统、地基激光干涉测量系统及其他地震前兆异常现象对可能发生地震的区域进行进一步密切监测，以作出快速准确的临震预报。

下面结合部分地震案例前兆报道，应用上述基于激光测距与激光干涉的地震前兆监测方法与系统作为监测手段分析震前前兆能被监测到的可行性：

案例一，汶川地震有关周边地区地壳隆起抬高的报道材料，报道一：恩施市白果乡观音塘约8万立方米蓄水突然消失-2008年4月26号早上7点多钟，塘里突然传来轰鸣声，不到5个小时，一池碧水全部不见了。直径近百米，深数十米的池塘现了底，水全部消失。村民表示，1959年出现大干旱时，许多树木都干枯死亡，池塘里的水都没干，没折。”据《白果乡志》记载，这种现象自解放以来出现过3次，时间分别是在1949年、1976年和1989年。这个池塘的四次干涸，分别发生了1950年雅鲁藏布江大地震，8.5级；1976年松潘(离汶川很近)两次7.2级大地震；1989年小金(也紧挨着汶川)6.3级强地震；本次8.0级大地震。报道二，恩施白果乡村观音塘又开始涨水，5月14日，记者接到恩施市白果乡村民报料，称前段时间因不明原因消水的观音塘(本报曾报道)，现在又开始涨水了。记者现场看到，原来已干涸的观音塘，现在的确蓄了不少水，水面距地面仅相差2米左右。附近村民向兴红介绍，观音塘是从5月12日下午开始蓄水的。

案例一的分析：恩施市白果乡处于汶川正东偏南，距离汶川直线距离560km，观音塘大旱不干，说明塘底连有地下河，汶川地震前水漏走，地震后连通的地下河水又开始回流，说明5.12汶川地震前该区域地壳岩石层已经变形上拱数十米，对汶川断层带形成强挤压后应力一直未得到有效释放。2008年4月26日对应农历月为三月二十一，该月为农历小月，初一到二十九共29天，没有三十，月球绕地运行周期为27.3天，白果乡观音塘蓄水消失时间处于月球与地球对地引力夹角接近垂直时，此时月球引力对恩施市所属的东亚太平洋地壳板块为向西的拖拽作用力，对龙门山断层以东的东亚板块兼具向上的牵引作用力，2008年4月26日近黎明时刻太阳引力对龙门山断层以西的欧亚板块为向东的拖拽作用力，对东亚太平洋板块为向上的牵引作用及向西的拖拽作用，太阳引力对东亚太平洋板块的向上牵引作用加大了月球引力拖拽作用的力臂，恩施及周边地区地壳浅层发生预滑上拱隆起，对应的地层预滑深度可能在10～20km(参考汶川地震震源深度14km)，该地壳预滑上拱隆起积蓄的形变能量在4月26日后一直未能得到有效释放。

2008年5月12日14时28分(北京时间)，农历四月初八，太阳运行至汶川地区正上方，对地震断层带西部的欧亚板块、印度洋板块形成方向向东的牵引力，对断层带东部的东亚板块、太平洋板块形成方向向西的牵引，因断层西部位置板块岩石层较厚，主要作用以断层东部地壳变形加速隆起为主，中午时分后月球对太平洋板块的牵引作用力由向东转为向西，同时月球对太平洋板块的垂直引力升力作用引起地壳上升形变增大了另一侧太阳引力对东亚太平洋板块的作用力矩，在太阳引力的牵引作用下太平洋板块带动东亚板块向西川藏断层带挤压，断层带西部的欧亚板块、印度洋板块向东俯压，已经长期变形的断层东部地壳累积形变强度超过该区域板块强形变点耐受度，发生板块岩石层折断断裂，从而引发汶川大地震。汶川龙门山断裂带沿线的岩石板块断裂后，东亚板块、太平洋板块与欧亚板块、印度洋板块长期相互运动挤压形变所需的进动空间得到释放，恩施市所属的这部分地壳岩石层上拱隆起形变在获得进动空间后逐渐回落至原高度附近，观音塘池塘才又获得连通的地下河水回流。

对于汶川地震震前发生的恩施市所属地壳岩石层预滑上拱隆起形变，都可以通过基于激光测距与激光干涉的地震前兆监测方法与系统监测到，再参考初七、初八时太阳、月球对地位置产生的引力合力会引发更大的地壳形变，从农历三月二十一到四月初八对地激光测距与激光干涉的持续监测，理论上可以取得地震发震前各要素的临震快速预报。

案例二，唐山地震前有关地壳形变的报道材料：1976年唐山滦县高坎公社，在7月27日这天，村民发现平常可以打到的水，怎么用绳子吊上桶去够都够不到！取来井绳，回来继续打水，下降的水又回升了。在附近的其他村子，有些池塘的水莫名其妙地不见了，而有些地方则腾起水柱。唐山东南的海岸线上7月下旬起，北戴河一带的渔民就感到疑惑：原来一向露出海面的礁石，怎么被海水吞没了呢？海滩上过去能晒三张渔网的地方，怎么如今只能晒一张渔网了呢？海滨浴场淋浴用的房子进了海水。常年捕鱼的海区，也比过去深了。唐山东南的海岸线上，浪涛在发出动人心魄的喧响。7月下旬起，北戴河一带的渔民就感到疑惑：原来一向露出海面的礁石，怎么被海水吞没了呢？海滩上过去能晒三张渔网的地方，怎么如今只能晒一张渔网了呢？海滨浴场淋浴用的房子进了海水，常年捕鱼的海区，也比过去深了。距唐山较近的蔡家堡至大神堂海域，渔民们似乎不太相信自己的眼睛，那从来是碧澄澄的海水，为什么变得一片浑黄？唐山地区丰润县杨官林公社一口深约五十多米的机井，从中旬起，水泥盖板上的小孔“嗤嗤”地向外冒气。7月25日、26日，喷气达到高潮，20米外能听见响声，气孔上方，小石块都能在空气中悬浮。

案例二的分析：唐山地处华北地震带，唐山地震前的河北邢台地震与渤海湾地震、辽宁海城地震给唐山塌陷型地震的触发提供了必要的地壳断层空隙滑动空间，唐山地震发震时间1976年7月28日3时42分53.8秒，农历时间为七月初二，此时太阳、月球位于地球的同一侧，唐山时间夜间时唐山所处地壳板块背对太阳、月球，此时太阳、月球对唐山地区所属地壳板块的两侧板块合力作用为引力拉伸，即对唐山两侧的地壳板块分别形成东侧向东、西侧向西的拉伸力，对唐山地区所处的地壳岩层作用力为向下，这样唐山所处地壳区域的薄弱环节因历史上地壳运动形成的地下断层空隙区无有效支撑而断裂下沉，发生塌陷型地震。

唐山地震震前的当地及周边地面高低变化及地壳岩石形变进入亚失稳态，已通过上述报道记载材料充分反映，井水忽高忽低、机井冒气、海水变深等等现象，通过天基多地同步激光测距系统监测可以明确反馈出当地地壳形变信息，通过地基激光干涉测量系统可以确定地壳形变是否已进入亚失稳状态，结合震前太阳、月球引力合力对岩石造成预断裂引起的明确激光干涉测量监测信息，相信完全能够作出地震发震前的快速预报。

依次类推，日本311地震、宁夏海原地震的分析类同汶川地震，河北邢台地震、陕西华县地震、郯城地震的分析类同唐山地震。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应当指出的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原理之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。