技术领域本发明涉及地震监测预警系统及方法，具体为一种地质构造活动性断裂稳定性监测预警和地震灾害超前监测预警系统及预警方法。
背景技术：
地震(活动性断裂)是一种能够给人类社会带来巨大灾难的自然现象，它最突出的特点是猝不及防性和触目惊心的巨大破坏力。近年来，我国地震灾害具有频度高、强度大、分布广、震源浅和灾害重的特点。《国家防灾减灾规划(2006-2020)》提出“到2020年，我国基本具备综合抗御6级左右，相当于各地区地震基本烈度的地震的能力，大中城市和经济发达地区的防震减灾能力达到中等发达国家水平”。而对于地震监测预警这一世界性科学难题，建设与这一国家目标相适应的地震监测预警能力，任务十分紧迫和艰巨。我国是世界上研究地震最早的国家之一，震史记载丰富，已有3000余年的历史。最突出的代表是东汉杰出科学家张衡在公元132年发明的“候风地动仪”，当之无愧成为世界上第一台地震仪，开创了地震观测的先河。纵观地震学发展的历程可将地震监测和预报技术大致分为三个发展时期：(1)第一代地震监测预警技术——震后监测技术该技术的特点是针对地震发生后P波和S波的监测，主要利用地震仪等设备来确定地震发生的时间、地点和强度。第一代地震监测预警技术经历了几十个世纪的漫长历史时期，以我国东汉科学家张衡发明“候风地动仪”开始推算(张衡，公元132年)，先后经历了水银验震器(Feuille,1703年)、摆式验震器(Andreabina,1751年)和电磁地震仪(Palmieri,1856年)观测时代。直到1875年，意大利科学家Fillilipocecchi研发出第一台具有科学意义的地震仪，才实现了对P波和S波的准确测量。第一代地震监测技术虽然能够通过对P波和S波信息的实时采集，判断和计算地震的发生时间、地点和强度，但是由于这种监测技术是在地震发生后所做的一系列监测工作，无震前征兆信息监测，因此无法实现地震超前监测预警的目标。(2)第二代地震监测预警技术——震前征兆监测技术。该技术是通过对震前各种前兆信息的观测来预报地震的发生。第二代地震监测预警技术起源于20世纪60年代中期，日本、美国、中国和苏联等一些地震研究先进国家相继开展了有计划的地震前兆预报研究。进入21世纪后，随着现代科学技术的日益发展，第二代技术已经涵盖了十大类三十多种震前征兆信息的监测，可归纳为几何观测法、物理观测法和地应力观测法。第二代地震监测预警技术已经历了50年的发展历程。第二代地震监测预警技术虽然实现了震前异常信息的观测，能够借此判断和识别地震发生概率，进行地震长期预报，但是这些前兆异常信息不是地震发生的充要条件，即当地震发生前可能出现一些异常前兆信息，但是出现异常前兆信息时，不一定与地震有关。因此，直到21世纪初期，地震灾害预报探索尚缺乏长足的进步。以上地震监测预警技术可归纳为几何观测法、物理观测法和地应力观测法，基本涵盖了震前地表的征兆信息监测，测量结果可作为地震长期预测的参考依据，满足地震发生的充分条件，但是由于其不满足地震发生的必要条件，难以用于短期和临震预报，这是近一个世纪以来无法实现地震超前监测预警的根本原因。因此，要想实现地震超前预警，打破国际地震监测格局中“地震不可预报”的僵局，发展新一代地震监测预警技术迫在眉睫。
技术实现要素：
本发明的一个主要目的在于克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种地震监测预警系统，设置于受监测的变形区和稳定区，所述变形区和稳定区之间为一活动性断层面，所述系统包括多个恒阻大变形锚索和力监测装置；其中，恒阻大变形锚索安装于所述变形区和稳定区，并贯穿所述活动性断层面；力监测装置设置于所述恒阻大变形锚索，以监测所述恒阻大变形锚索在所述活动性断层面受的作用力。根据本发明的一实施方式，所述地震监测预警系统还包括：位移监测装置以及信息传输装置；位移监测装置用以监测所述变形区内多个监测点的位移变化；信息传输装置将所述力监测装置及所述位移监测装置测得的数据传送至数据处理中心。根据本发明的另一实施方式，所述力监测装置包括依次相连的数据采集装置、数据储存装置以及数据传输装置。根据本发明的另一实施方式，还包括锚墩，所述数据采集装置、数据储存装置以及数据传输装置均设置于所述锚墩。根据本发明的另一实施方式，所述位移监测装置包括设置于所述变形区的多个位移测量装置和设置于所述稳定区的多个位移基站；所述位移测量装置包括监测预警装置和数据发射装置，所述监测预警装置通过测量与所述多个位移基站之间的距离，并通过换算得出其位移的数据，所述数据发射装置将所述数据通过所述信息传输装置传送至所述数据处理中心。本发明进一步提供了一种地震监测预警方法，其中受监测的区域包括变形区和稳定区，所述变形区和稳定区之间为一活动性断层面，所述方法包括如下步骤：在所述变形区和稳定区设置多个恒阻大变形锚索，所述恒阻大变形锚索贯穿所述活动性断层面；通过所述恒阻大变形锚索监测所述活动性断层面受的作用力；以及将监测到的所述活动性断层面受的作用力传送至一数据处理中心。根据本发明的一实施方式，所述恒阻大变形锚索设置于穿过所述活动性断层面的监测孔内，所述恒阻大变形锚索包括锚固段和自由段，所述锚固段设置于所述监测孔内，所述自由段伸出所述监测孔，并与一力监测装置相连。根据本发明的另一实施方式，所述锚固段的长度为所述恒阻大变形锚索总长度的5％～10％。根据本发明的另一实施方式，所述地震监测预警方法还包括在所述变形区设置多个监测点，监测所述多个监测点的位移变化；以及将监测到的所述多个监测点的位移变化传送至所述数据处理中心。根据本发明的另一实施方式，还包括通过以设置于所述稳定区的多个位移基站为参照，监测所述监测点的位移变化。本发明一实施方式的地震监测预警系统，采用恒阻大变形锚索穿过活动性断层面，通过恒阻大变形锚索反映活动性断层面所受的地震作用力，并进一步通过力监测装置测量该作用力的大小及变化，大大提高了地震灾害监测预警的科学性和可靠性。本发明另一实施方式的地震监测预警系统结合多种震前征兆监测信息，真正实现地震全过程点-面状监测相结合、几何监测-力学监测相结合、浅部监测-深部监测相结合的目标，最终达到地震时间和震区空间上的超前监测预警技术要求。附图说明图1为本发明一实施方式的地震监测预警系统的结构示意图；图2A为本发明一实施方式的地震监测预警系统的牛顿力监测装置在地质构造变化发生前的状态示意图；图2B为本发明一实施方式的地震监测预警系统的牛顿力监测装置在地质构造变化发生时的状态及地形变化示意图；图2C为本发明一实施方式的地震监测预警系统的牛顿力监测装置在地质构造变化发生后的状态及地形变化示意图；图3A、图3B为本发明一实施方式的地震监测预警系统的位移监测装置的分布示意图；图4为本发明一实施方式的地震监测预警系统的信息传输装置的结构示意图；图5为本发明一实施方式的地震监测预警系统的数据处理中心的监测数据耦合分析软件的分析技术途径。具体实施方式体现本发明特征与优点的典型实施方式将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。地震灾害监测区按照变形特征可被分为两个区域：地质构造内里作用下地壳发生变形的区域，称之为变形区100；不受地质构造作用力影响，相对稳定的区域，称之为稳定区200，变形区100、稳定区200大致以活动性断层面110为界。如图1至5所示，本发明一实施方式的地震监测预警系统，设置于受监测的变形区100和稳定区200，变形区100和稳定区200以活动性断层面110为界。所述地震监测预警系统可包括多个恒阻大变形锚索11和力监测装置，各个恒阻大变形锚索11均安装于变形区100和稳定区200，并贯穿活动性断层面110；力监测装置设置于恒阻大变形锚索11，以监测恒阻大变形锚索11在活动性断层面110所受的作用力。本发明一实施方式的地震监测预警系统，采用恒阻大变形锚索11穿过活动性断层面110，通过恒阻大变形锚索11反映活动性断层面110所受的地震作用力，并进一步通过力监测装置测量该作用力的大小及变化，大大提高了地震灾害监测预警的科学性和可靠性。进一步地，本发明另一实施方式的地震监测预警系统还可包括位移监测装置和信息传输装置，位移监测装置用以监测变形区100内多个监测点的位移变化；信息传输装置用以将力监测装置及位移监测装置测得的数据传送至数据处理中心40。鉴于传统地震(活动性断裂)超前监测预警技术所存在的关键问题，本发明一实施方式的GNSS/NPR(GNSS:GlobalNavigationSatelliteSystem，NPR:NegativePoissonRatioCable)地震灾害监测预警系统，通过地面与地下深部定量化测量分析的技术进行地震监测预警。该技术是一种能够同时满足地震发生充分必要条件的新型技术，其特点是以深部“断层面地震作用力(牛顿力)”和浅部“地表三分量位移”为主要监测参量，采用GNSS监测技术和NPR监测技术，结合多种震前征兆监测信息，真正实现地震全过程点-面状监测相结合、几何监测-力学监测相结合、浅部监测-深部监测相结合的目标，最终达到地震时间和震区空间上的超前监测预警技术要求，从本质上解决地震监测预报的科学问题，为我国乃至全球的地震监测预警提供关键理论与技术保障，具有基础性、普遍性和前瞻性，符合我国资源环境和生态保护的重大战略需求。具体地，本发明一实施方式的力监测装置，包括依次相连的数据采集装置、数据储存装置以及数据传输装置。其中，数据采集装置、数据储存装置以及数据传输装置可设置于锚墩12，锚墩12可以为混凝土锚墩，其可设置于监测孔120外。监测孔120开设于变形区100内，且穿过活动性断层面110。在本发明的一实施例中，监测孔120与活动性断层面110可大致呈垂直，监测孔120与竖直方向的夹角可以为5～45°，其孔径可以为例如200mm，深度可以穿过活动性断层面200mm。恒阻大变形锚索11设置于监测孔120，其与竖直方向的夹角可以为5～45°。恒阻大变形锚索11可包括锚固段11a和自由段11b，锚固段11a伸入监测孔120，自由段11b伸出监测孔120外，并可装配地连接于监测孔120外的锚墩12。由于监测孔120穿过活动性断层面110，使得监测孔120内的恒阻大变形锚索11的锚固段11a和自由段11b分别位于活动性断层面110两侧的下盘区112、上盘区111。锚固段11a可通过高粘结性混凝土锚固于监测孔120中，其长度可以为恒阻大变形锚索11总长度的5％～10％。进一步地，为防止在后期注浆过程中浆液和恒阻大变形锚索11粘结到一起，可在恒阻大变形锚索11外部包裹塑料管，例如PVC管，起到隔绝浆液的作用。装配连接恒阻大变形锚索11的同时，还可在锚墩12设置数据采集装置、数据储存装置以及数据传输装置，如此既实现了锚墩12具有监测-预警-固定的功能，又可以利用混凝土锚墩12保护上述装置。其中，数据采集装置可以是压电传感器，尤其是高精度压电传感器，高精度压电传感器的数据采集频率可以加密到每秒钟上万次，能够满足采集需求。数据储存装置可以是标准集成存储模块；数据传输装置可以是GPRS数据传输，也可以是北斗卫星传输，还可以通过无线网桥及GSM短信传输。图2A至2C所示为本发明一实施方式的地质构造变化发生前、地质构造变化发生时以及地质构造变化发生后，活动性断层面110两侧的地形变化及恒阻大变形锚索11的受力示意图。其中，利用张拉系统对恒阻大变形锚索11施加预应力后，恒阻大变形锚索11主动受力，其预应力会融入到整个力学系统中。当地质构造作用力扰动时，恒阻大变形锚索11就可以主动感知地壳构造作用力的大小，通过力学模型，测量出活动性断层面110上的牛顿力，实现对牛顿力的测量。具体地，如图2A所示，地质构造变化发生前，分别位于活动性断层面110两侧的上盘区111和下盘区112的上表面大致保持平齐，此时恒阻大变形锚索11呈直线状。如图2B所示，地质构造变化发生时，受地质构造变化作用力的影响，上盘区111与下盘区112发生相对位移，上盘区111沿活动性断层面110向上移动，使得其上表面高于下盘区112的上表面。由于恒阻大变形锚索11的锚固段11a位于下盘区112，自由段11b位于上盘区111，使得当上盘区111与下盘区112发生相对位移时，恒阻大变形锚索11发生形变，由直线型变为Z型，其形变量见图中箭头标示的范围，且随着地质构造变化的发生，该形变量不断增大。如图2C所示，地质构造变化发生后，上盘区111与下盘区112停止相对移动，恒阻大变形锚索11的形变量达到最大。在恒阻大变形锚索11发生形变的过程中，设置于锚墩12的数据采集装置、数据储存装置、以及数据传输装置将采集到的牛顿力的测量数据通过无线信号不断传送至数据处理中心40，再通过数据处理中心40对数据的处理实现对变形区100内活动性断层面110上的牛顿力变化的监控。如图3A、3B所示，本发明一实施方式的位移监测装置可包括设置于变形区100监测点上的三个位移测量装置21a、21b、21c和设置于稳定区200的四个位移基站22a、22b、22c、22d。位移测量装置和位移基站的高度可以相同，例如均为1.8m。位移测量装置21a、21b、21c和位移基站22a、22b、22c、22d的底座可穿过冻土层固定在相对稳定的基岩上。位移测量装置21a、位移测量装置21b、位移测量装置21c三者可以呈品字形分布于变形区100，位移基站22a、位移基站22b、位移基站22c、位移基站22d可位于变形区100外围的稳定区200，并大致位于变形区100的前、后、左、右四个主要方位上。位移测量装置21a、21b、21c可包括监测预警装置和数据发射装置，监测预警装置例如可以是GPS沉降仪器，也可以是GPS地表位移监测仪器(三分量)，还可以是GNSS测量仪器；数据发射装置可以是基于北斗卫星数据发射装置，也可以是基于GPRS数据发射装置。具体地，以位移测量装置21a为例，其监测预警装置可通过测量与四个位移基站之间的距离，并通过换算得出位移监测装置21a相对于四个位移基站位置的数据，实现对位移监测装置21a所在监测点的X、Y、Z三个分量的实时测量，并进一步通过数据发射装置将位移测量装置21a测得的数据通过信息传输装置传送至数据处理中心40，通过数据处理中心40对数据的处理，实现对变形区100地质变化信息的监控。如图4所示，本发明一实施方式的信息传输装置可以包括卫星32和数据接收装置33，数据接收装置33例如可以是基于北斗卫星数据接收装置，也可以是基于GPRS数据接收装置。位移监测装置及牛顿力监测装置可将所测得的数据发送至卫星32，卫星32再将数据通过无线信道31发送至数据接收装置33，数据接收装置33可通过数据线缆34将数据发送至数据处理中心40。数据处理中心40利用公式对监测数据进行后期处理，该处理工作包括：异常数据滤波、数据计算、数据统计及绘图等工作。数据处理中心40中嵌入了GNSS和NPR监测数据耦合分析软件，通过软件可以实现对地质构造变化范围空间和深部牛顿力的超前测量，处理后的数据可以通过无线网络51和/或有线网络52发布给授权用户53，授权用户53可通过平板电脑、笔记本电脑、台式机或手机终端查看、下载监测数据，实现数据的智能发布。图5为本发明一实施方式的GNSS和NPR监测数据耦合分析软件的分析技术途径流程图。首先进行GNSS和NPR的融合分析与现有的其他类型监测信号震前特性与耦合性分析，找出GNSS/NPR所测得的信息与其他类型监测信息的关联；之后，结合GNSS/NPR与现有的其他类型监测信号的关联性，构造判别地震的统计量和判别准则，并对GNSS和NPR数据时间域和空间域进行分析，得出地震监测预报的可能性和概率数值；最后，根据传统地震波、地震仪等技术观测资料信号特性的系统研究与频谱分析，进行GNSS/NPR震前信号与地震发生的关联性与概率分析，综合上述结果，对震前信号进行进一步的耦合性研究，实现GNSS和NPR的深度融合。本发明的地震监测预警系统主要应用于地震灾害或地质构造活动性断裂稳定性监测和预警领域。该系统的位移监测装置及牛顿力监测装置，互相不可分割，相互补充，通过两者的配合使用既获得了地震空间信息，又能够在地震发生前很长一段时间识别地震灾害发生的异常信息，为人员撤离和避险提供充足的时间。本发明进一步提供了一种地震监测预警方法，其可通过上述地震监测预警系统进行实施。具体地，本发明一实施方式的地震监测预警方法，包括：在受监测的变形区100和稳定区200设置多个恒阻大变形锚索11，变形区100和稳定区200以活动性断层面110为界，恒阻大变形锚索11贯穿活动性断层面110，可通过恒阻大变形锚索11监测活动性断层面110所受的作用力。恒阻大变形锚索11可设置于穿过活动性断层面110的监测孔120内，恒阻大变形锚索11包括锚固段11a和自由段11b，锚固段11a设置于监测孔120内，自由段11b伸出监测孔120，并与一力监测装置相连。在本发明的一实施方式中，锚固段11a的长度为恒阻大变形锚索11总长度的5％～10％。在本发明的另一实施方式中，还可在变形区设置多个监测点，监测所述多个监测点的位移变化，并将所测得的活动性断层面110的地震作用力及监测点的位移变化的数据传送至数据处理中心40进行分析处理，实现对活动性断层面110地震作用力和浅部地表位移的监测。进一步地，可通过以设置于稳定区200的多个位移基站为参照，监测监测点的位移变化。除非特别限定，本发明所用术语均为本领域技术人员通常理解的含义。本发明所描述的实施方式仅出于示例性目的，并非用以限制本发明的保护范围，本领域技术人员可在本发明的范围内作出各种其他替换、改变和改进，因而，本发明不限于上述实施方式，而仅由权利要求限定。