专利名称:对天然及人工诱发地震活动性的预测(报)观测和对工程设施的预防性保护方法
本发明是关于对天然及人工诱发地震活动性预测(报)及观测的方法，所谓人工诱发地震是由矿洞中之塌方、对矿产之采掘开发、建造水库和高坝等产生的;以及对价值高贵及/或有危险性的设备如动力厂、矿井及化工厂等之预防性保护。
直至现今地震活动性之预测只限于对地震作用本身之观测。从而使测量预测预报之特性只能产生在震动之发展起来的阶段-振动之影响，进一步从某些局部测定的数值作出结论，从而可预测以后进一步的地层运动是沿某个地理方向及能达到什么强度。
最近，除了在地面作观测之外，也在地下，或者在靠近地表的地下也作地震的及地震学的观测，对一些地震的辅助性参数也加以测量，例如测量压力之变化及热(流)值等。
在作地面测量时还附加使用倾斜仪测量位移应变(这种测量使用了激光)。
然而，基于过去几年中所得到的不幸的经验，上述仪器如单独使用时仅得到很小的结果。
到现在还没有复合的测量方法，复合方法应能对物理、地球物理理、地球化学，大地测量及生物学的诸参数进行测量，以得到这些参数的相对值或绝对值以及它们随时间的变化，并加以处理。本发明之目的就是要测出上述的许多参数并对它们作出预测。
地震观测台及其数据传输系统可以看作是一个众所周知的系统，它有一定的技术水平，然而如已经说过的，此系统所测得的数据仅是属于地震方面的(及大地测量方面的)。
下述之参数文献可看出我们的测量基础(1)P、RikifakeEarthquake prediction，P.357，Elsevier，1976;
(2)Earthquake prediction，Procecolings of the internationalsymposium on earthquakeprediction Terra scientificPublishing Company，P.
995/TERRAPUB/Tokyo，UNESCO，Paris1984。
上述之文献报导了为作地震预报而需作的许多测量。
本发明是基于认识到，如要预报地震，则不仅要测量地震动之作用，还要测量在地震发生之前地壳弹性介质的形变，并对它加以分析。在某一局部地区发生，及在时间上是孤立的地震现象应能追塑到一个壳层内发生的变化，此壳层是以地壳构造及深部构造为之下界的。
基于上述的认识，本发明的基本特点是要在某一给定区域在两个层面或最好是三个层面上作观测，亦即在地面之下，在地面，及在地面之上(空中)同时作连续的观测。观测时所用的采样率要由观测对象的特点来决定。
在此项活动中，我们所观测的是关于物理，地球物理，地球化学，大地测量以及生物与微生物的复合参数，并且至少有一组参数是在地面之下测得的。此外，把这些参数随时间及空间的变化也应同时测下来，用遥测方法把集中数据加以记录、存储，处理并加以评价。
从所得到的这些数据，我们求得这些参数的时间函数，周期性，及频谱。此外我们也应求得一种参数对另一种或几种参数的关系。
求得了某一参数的时间变化序列之后，也要求得一组参数，它们之增量及相对强度，并考虑到本地区内地质以及岩性物理学的潜在可能变化。由此而作出外推，倘如至少有两个参数已经由经验而得出了其阈值，则由外推的情况就可以判断会不会有地震要发生。
本发明中所谈的地面之上(空中的)的观测应叫做遥测监视系统。例如为气象目的而使用的立体空中摄影，或用卫星技术在大范围内所得之数据来加以处理之系统。在本发明中还包括空中对某地区的红外成象，天然伽玛辅射测量，天然放射性测量及它们的频谱，和观测到的重力变化等等。
在作地面测量时主要是靠地震台观测到的地震信号，并将此数据用当地区的物理的、地球物理的，及地球化学的测量加以补充。因而，我们也应在地面上同时作地磁测量和记录(例如大地电磁场测量，及质子旋进仪的测量等)。也要有地电值(如电阻值，地电流值等)及大地测量数据(例如用激光来测量岩石之应变及用激光测量岩石的水平方向及垂直方向的位移及倾斜测量等)。也应作重力测量。及用小孔径地震台阵测定地震之震中座标、地震波速、及频度和地脉动。上述之地面测量还应加上生物学之观测。
这些测量已是众所熟知的，并且测量仪器也是现成的。本发明之特点是在于将这些测量方法同时加以使用，进行同时观测，并作复合的处理。
在地面作的地电及地磁测量结果如和地震及钻孔中的地球物理资料联系起来将能对单个地层及多层集合体地壳构造内之弹性形变提供宝贵数据。
地面下之观测最好是利用钻孔来完成。例如为探寻碳氢化合物，水，固体矿物，以及为了解地层结构而钻的孔。此外还有在矿坑中为进行测量而钻之孔。
地面下的测量范围包括测量钻孔内的物理的、化学的、地球物理的及微生物等的参数，还有孔中所含的钻孔液体，钻孔周围的岩层集合体，岩层孔隙内所含之气体，以及测量这些参数随空间和时间的变化。
下面将列举所测的各种参数，当然一时地不能举的很全面-钻孔中之地震测量(s);
-钻孔倾斜之测量(s);
-钻孔中温度之测量(s);
-钻孔中所含液体的电化学电位，压力，气体包含度，及钻孔中所含液体之透明度等;
-测量孔壁岩石的自然电位差值电位;
-测量孔壁岩层及岩层集合体之天然放射性;
-测量孔壁岩石之磁性参数;
-测量孔壁岩石之体积，孔隙体积以及电阻率;
-测量孔壁岩石及土壤中水流速度;
-测定及认出钻孔中的液体或注入的液体中所发现的真菌及连球菌，它们是以钻孔中的碳氢化合物气体为生的，并分析其发展和数量。
这些测量中之一部分，例如测定热，压力值及其变化的仪器是已经熟知的。它们也都是为测量地震活动性的辅助参数很合适的仪器。但它们的一个最基本的新特点是使用了包括深钻探(Carotage)、地球物理的测量用来作为信息的基础以供对地震活动性作预测之用。根据此发明我们认识到，用这些数据我们可以推测出由地壳结构而引起的岩石内的弹性形变，其范围及方向，并最后推知将发生的地震及其范围的方向。
按本发明的方法，在地面下(即在深钻孔内)对着适当地选择的(例如有适当的空隙度或适当致密的)地层要作许多测量。
地面下的测量是在选定的区域内(例如在要加以保护的区域内)的深井下面作的。这些井又是按适当的地质力学的多边形而安排的。如此所得到的测量值是相互关联的，以某一点选作为参考点，(例如以地面上某一观测台)与深井内不同深度所测得的数值相比。
按本发明之办法，最为有利的方法是把在某一深井内所测的数据与该井底部所测的数据比较。此外，深井测量应在多个井内进行，例如在要加以保护的设施周围的四个井内来作测量，这样所测得的变化是相互关联的。
在作井下测量时，最好同时测量以前所提过的项目中之下列几项a)井中液体的温度，压力，气体饱和度，及透明度。
b)自然电位，激发电位，电阻，天然放射性，磁性参数等。
c)前述的钻孔，物理，及层内物理及微生物学参数。
d)上述a、b、c中参数之一组与微生物学参数之联系。
地面下测量之实施，应按照通常的井下观测方法来进行，即使用能下井的传感器，用多芯电缆把测得的信号传至井口地面上，显示及记录。在设计这种井下仪器的时候应充分考虑到井下的温，及压力等因素。在测量过程中，井下的传感器应安排在最佳的深度。
为了使测量过程能按照本发明的要求，发展了一种现代化的测量器件。它包括能在地面下，地表上，及在空中(地面之上)进行自动观测的系统。
此测量系统有一个计算机辅助中心。它能把从自动测量器件用遥测方法收集来的数据加以处理。处理完并对数据加以评价之后，由计算机加以判断而发出警报，以便有关部门采取必要的预防措施。
使用了按本发明所发展出来的现代化观测系统能够自动地观测地震前的各种自然过程，并能同时进行远距离显示，同时进行数据记录、存储、数据处理及评价。从而使一个灾难性的事件能在它的演化过程之中就被检测出来。
本发明之检测过程可以用例子及所附之图来说明，其中图1是实现本发明方法的测量系统的一个可能的实施方案。用示意图表示了井下测量系统的安排细节。
图2是以示意图形式的整个测量系统的另一可能实施方案。
例一图一所示的是实现本发明的方法的测量系统。在要保护的设施(如核电站，水电站化工厂等)的四周进行观测。先在此场地的四周钻Fn个深钻孔;此处n之最佳值为4。在此Fn个钻孔中下入深井检测器。设井底Tn处的深度为Zn放置1n个检测器。又设在深度为Z′n处，正对着一个适当的空隙层集块岩，安放一组辅助检测器2n并在深度为Z″n处正对一层致密岩层设置一套检测器3n。利用井底的检测器1n测得井底的压力、强度及它们随时间的变化。并要考虑到岩石的弹性，至少要在两个声频频率上测定振动。为了能完成地下测量，可把检测器1n形成已知深井检测仪器的一种组合，如匈牙利专利第188920号(M′arfo″ldi等)之仪器就可以使用。
再利用安放在深度Zn′处，正对着一层孔隙岩层的检测器系统2n(它是一个辅助系统)，我们利用一个加有过滤器的管道测量钻孔内液体的压力，及温度(比如深井Fn之值)，也测出压力及温度的梯度值(即差分变化值);还要测量液体的透明度，气体饱和度及它们的变化;还要测定电阻和电流以及电化学电位的水平分量和垂直分量和它们的变化。此外还要测定井液中微生物的群体数目及它们随时间的变化。上述之测量都是用已知的仪器来作的，而井中液体的压力和温度可以用检测系统In中所用的仪器来测定。
在测量电阻率，电导率，自然电位，及激发电位，以及电化学电位等上面，已知的在匈牙利专利146，060(Ma′rfo″ldi等)，154，144(Ma′rfo″ldi等)，及154，533(Ma′rfo″ldi等)，及163，743(Marfo″ldi等)中皆有描述。
在测定电位及化学电位的仪器上，附有两对电极用以测定上述值的垂直及水平分量。从而须使用适当分离的测量通道。
由图1中可以看出，在深度Zn″，安放了另一套辅助检测器系统3n，它正对着适当的致密岩层。(这种安排法即把3n系统和2n系统分别安放在深度Zn′和Zn″是能作到的，它是按照本地区已探知的地质情况而布薯的)。在这种安置中，在检测系统3n上我们还测天然放射性，磁性参数，地震信号和它们的变化。测地震信号的检测器至少应有一个滤波系统，它应调到次声频，声频及超声频。在我们之系统中，应用了现成的测天然放射性的仪器(例如MAELGI公司的K300-K1500型)。
按地球物理观测的通常深井仪器的惯例，检测系统1n，2n，3n皆设计成为探针状，并能适当地耐液，耐潮，耐压及耐高温，且体积小，与其他井下仪器相适应。
上述仪器是用一个电缆5n(它是一个多芯下井电缆)，必要时还得先通过一个前置放大器及滤波器4n，与井口的数据接收系统和检测仪器相连;在我们之情况下用了一个多道记录系统6n，此记录系统包括有机械笔记录器(多笔记录器)、光点记录器、磁带及数字信号记录器等，或他们的组合配合。除了记录测得的数据之外，还记下每一项单独测量的时间及深度。
另一个重要测量单元是地震观测台0，其中的地震仪同时给出地面上测到的地震信号作为参考。此地震观测台由遥测系统Tr与其国内或全世界远方的地震台站相联系。同时还用遥测系统接受地面之上(例如从卫星)所观测到的信号，如关于红外辐射图象，放射性图象及它们随时间的变化。由地震观测台0及遥测系统Tr所收到的三维信号及时间参数皆由多道数据记录存储系统记下来。此系统由图1绘出，用由Tr至6n的虚线之箭头来表示。此测量系统之中心，即是把测得的数据加以处理及评价之处。倘如发现有危险信号，需要采取预防措施时，此信息(警报)即由观测台0发出，而且观测台也可以很经济地利用遥测线路发警报。在6n中的多道记录系统中的数据，也同时由6n传送到观测台0，参考图1可知，实现本发明方法的步骤如下在要保护的设施四周按一定地应力多边形安排钻有几个深孔Fn，其中有检测器1n，2n，3n等。把测到的地下信号，和地震观测台0所测到的地面信号以及从遥测系统Tr传来的远方的和地面的信号同时也传入6n中的多道记录系统也传入观测台0中之测量中心。在6n之多道记录系统中对这许多信号连续地加以处理及评价。
在处理此测量数据时，此等信号的时间函数，其极大值，基本的周期性，自然过程的周期参数，它们随时间的变化，变化之速度，二次微商，皆被计算出来。另外，把所有这样得出的参数(其中有些是相互关联的，也有的是各自独立的)加以综合的评价。在评价的过程中我们检验(即求出)在某一深井Fn中某一个参数在某一点上随时间的变化(例如压力，温度，电阻，电化学电位)，并把此深井Fn中其他深度Zn，Zn′，Zn″各参数值随时间的变化求出。这样各参数随时间及空间的变化皆求出来。在这样作时，最好是以在井底Tn处测得的数据作为基准值。然后，我们进一步求得某一(经适当地选择后)参数或参数的组合(既在时间上又在空间上)的变化。按前述的比较系统对测得的特性和振幅，周期性，变化速度，等加以比较。例如我们总体地比较岩石之孔隙体积，液体的电阻，层温度，电化学电位，层压力及适当的微振动的水平。也可以在仪器车中除已装有的设备之外添加一些测量其他参数的仪器。
此外，我们还要检查及求出地面上所得到的及在空中所测到的变化的强度;并把它们与地下所测到的数值加以比较。总之，本方法之基本原理是把地下所测的各种参数与地面所测得的参数(在我们之情况下是以地震为参考参数)也与空中所测得的参数(例如本地区之红外图象，放射性辐射等)加以比较，并把此地区的具体的地区、地貌及地形等因素作为参考。
将这样得到的各参数加以综合评价。基于某一参数或某几种参数，其变化之范围及变化速度等，我们可以确定一个终久将发生的事情的时间序列。然后用一个程序作时外推(这就是所谓之预测程序)我们即可以一种定量的概率对地震活动性的时间和范围作出预测。
依靠预测的结果，一个地震危险性以或然性来表示是可能作到的。在此中相对于两个独立的参数(或参数群)以前由经验而定的临界值也可由外推法而得到。由此我们即可发布警报或发出命令以采取必要的预防性措施。这样的评价方式，其保险系数是相当高的，考虑到事关人民生命及财产，我们认为这是必须的，地震所引起的对一个核电站或一个能放出有毒气的化工厂之破坏所造成的损失可能是很巨大的。而使用本发明的预防方法，虽然也要花许多钱，并有时候这笔钱看起来似乎是花的多余地;但如必要时能事先发出命令把核电站或化工厂加以关闭，从而避免一场灾害，这样作还是值得的。
例二图2给出了为实现本发明的被发展的另一测量系统。
地面地震观测台0是由地震仪11及放大器E和模数转换器A/D及无线电发射机RA组成。地震信号经放大及A/D转换后，由发射机RA发至计算机控制的中心SZK，其他地面及地下的测量参数是由自动的测量系统AM来测的。单独的测量仪器安置在要加以保护的设施周围。在安置仪器时应考虑其他地理位置及岩石特性。
在本例子中，地表面的测量包括地磁，重力，地电，大地测量，等数据。地面测量仪AM包括测量地磁的仪器12，例如匈牙利MT-GGK1公司制的MTV-2型磁变仪，还有一个大地电磁质子旋进仪。还有一个重力仪13，激光应变仪14，它与岩石应变仪相连。还有一个地电测量仪15，(例如感应探测器)。
上述的仪器一般是为地球物理及大地测量用的。可是，也可用于与本发明不同的目的。
在发展我们的测量系统时，除了用已知的仪器之外，我们也使用了匈牙利书186，678号的仪器，“测量土壤的结构和组成特征的方法和线路结构”(Adam等)。
-“Process and circuit arrangement for determining the structural and constitutional，characteristics of the soil……/Adam et.al 1用这样的测量仪，各项测量都是连续地按合适的采样频率而进行的。同时也在要加以保护的设备四周在已试验过的场地上在深钻孔Fn内作地面下的测量，如例1中所述。
此自动测量系统AM，还包括有一个遥测系统Tr，它能接收地面之上(在空中)的测量数据，例如由卫星传来的数据，在地区内的红外图象，乃天然放射性图象。也能接收自远处传来的其他测量数据。
把地面观测仪及地面之上的观测仪，如仪器12测量地磁值，重力仪13，激光应变仪，地电测量仪15，及在深井Fn中之测量仪(在图2中未画出来)以及遥测测量系统Tr皆通过放大器E连到模数转换器A/D′，并通过无线电发射机RA′(装在输出处)，把测量数据传送到电子计算机控制的中心SZK中去。
计算机控制的中心SZK内有无线电接收机RV及RV′，它们接收从地震观测台0及自动测量系统AM的发射机RA和RA′所传来的信号。接收机又与数据接收器AF相连。众测量信号加上时钟T所送出的时间信号，然后送入数据记录器，在我们之情况下是一个笔绘记录器TK及数据寄存器AT。
测量数据之传送，接收存储及可见的模拟显示皆是连续地自动和同时进行的。数据存储器的输出被送入计算机控制的中心SZK中，在此中与数据存储的同时对数据进行处理及评价。计算机技术单元SZTE的设计是大家所熟知，它通常是由一个中心计算机SZG，和与之相联的外围设备，显示设备DP，磁带记录机M及控制台KO所组成。按照本发明的方法，倘如数据处理结果和解释表示有发生地震的可能时，则计算机技术单元SZTE将启动声音及光学警报器HRF发出警报。在地震观测台0或/及自动测量系统AM受到地震损坏以后此声学及光学警报系统HFR仍然照常工作发出警报。
计算机技术系统SZTE的计算机SZG是依照与图1有关的说明书所说的来处理数据的。然后对所得到数据和时间序列函数加以评价。(各参数的时间序列及其增量，以及测到的和求得的数据即自动地按照定量外推法即所谓之预测程序而加以外推解释。)除了用计算机SZG自动地作数字计算之外，直接的模拟显示是很重要的。在我们之系统中，此任务是由笔绘记录器TK来承担的。在对意想不到的突然发生的令人惊奇的新事情作评价解释时，即便是有了完全自动化的系统，人脑子的创造性的智慧还是不应忽视的。
如介绍图1的例子时所提到的，按本发明之方法，倘如数据处理结果得出一个数值来，而此数值对两个互相独立的参数来说以前认为是已达到临界值了，则计算机技术系统SZTE将根据此危险情况而发出警报，以便采取必要的准备措施。
本发明的测量方法还包括对地层组合的测量，即测量地层内孔隙中液体的，钻孔中液体的，化学的及微生物学的参数及其变化，以及本方法的复杂计算方法。即是说，其单个参数的变化，及在时间及空间方面的变化与它本身比较;各参数间相互比较;一组参数与另一组参数比较，本发明之特点还在于能将地下测得的各参数与地面上测得的各参数，及空中测得的各参数加以比较。对这些参数的评价时还要考虑该处主要的地理的及岩石等的情况。这样就有可能在一个地壳构造过程刚在发生的时候就能察觉到它，并了解弹性岩层所发生之形变。
权利要求
1.提出了一种方法，能予测及观测天然的及人工诱发的地震活动性，并对关键工业设施进行保护，在工作过程中作了与地震有关的测量，用遥测方法传送然后加以评价，其特征在于，它是在地震观测的同时连续进行的，(在有关的地区以与信号适应的采样率来进行)，在地面之下及地面和地面之上至少两个基本深度(或高度)水平上，对地球物理，物理，地球化学，测地、生物学及微生物学的参数进行测量，此数种参数中至少有一种参数应是在地面之下土壤中或最好是在深井中测量的，此外，把这样测得的参数及其随时间的变化用遥测传至中心站，加以记录、存储并加以评价，以定出他们的幅度及周期性，或频谱及升降的斜度陡度，所测得的参数除了与他们自己比较以求得其变化，或与其他参数相比较，或与其他参数群相比较以求得其相对强度及参数或参数群的时间序列。再考虑此地区的地质及岩石特性，对所得的上述时间序列加以利用和评价。倘如至少有两种参数或其变化超过了以前用经验决定的临界值，即可发出有发生地震的危险之警报信号。
2.根据权利要求
1的方法，其特征在于，对地面上(空中)的红外图象，天然γ辐射，天然放射性辐射，及它们之间单谱值，及/或重力变化值，也加以测定;在地面测量重力的变化，测地数据，地电及地磁数据;地下的钻孔中物理，化学，地球物理，及微生物参数，及钻孔中液体的各种参数，及/或地层中孔隙中存水和存气的各种参数及上面所述三高度(或深度)上，这些参数随空间及时间的变化。
3.根据权利要求
1或2的方法，其特征在于，在地面上同时测量测地学及地球物理学方面各参数，在作测地学测量时地面之地形在水平方向及垂直方向的微变化也应测出来。最好是采用激光应变化。
4.根据权利要求
1或2的方法，其特征在于，地下测量应在深的钻孔中进行，同时应在几个深度上测量，也在井底测量，并应选一特别的空隙层及致密层上进行测量以便与其他岩石中测得的数值比较。最好也与井底的参数作比较。
5.根据权利要求
1，2或4任何一个的方法，其特征在于，在深钻孔中，对压力和温度的测量，即液体压力，及/或电阻及传播速度及/或气体饱和度及液体透明度，地磁及电化学参数皆加以测量，此外对微生物之总数也加以测量，此种测量应至少在两处同时测量并加以记录。
6.根据权利要求
1，2，4或5任何一个的方法，其特征在于，在要加以保护之设施四周好几处(最好为四个)地质上很合适的地点打深井来进行测量，在此数个钻孔中同时进行以上各种测量，并加以比较。
7.根据权利要求
1～6任何一个的方法，其特征在于，在作电气及电磁测量时，应把垂直分量及水平分量用各自的电极对来进行，然后加以比较。
专利摘要
本发明是观测预报天然和诱发地震活动及对工程设施预防保护的方法。在地面、地下和地上至少两个深(高)度同时连续测量地球物理、物理、地球化学、测地、生物学及微生物学参数，其中至少一种参数在地下测量。这些参数及其随时间的变化传至中心站处理，定出幅度、周期性、频谱、升降陡度及各参数间关系，再考虑本地区地质和岩石特性，评价上述时间序列。若至少两种参数或其变化超过经验临界值，即可发出有发生地震危险的警报信号。
文档编号G01V1/00GK86107762SQ86107762
公开日1987年12月2日 申请日期1986年11月14日
发明者安塔尔·阿达姆, 埃迪·比茨特里萨尼, 加伯尔·马尔福尔, 阿尔帕德·奥德瓦里 申请人:安塔尔·阿达姆, 埃迪·比茨特里萨尼, 加伯尔·马尔福尔迪, 阿尔帕德·奥德瓦里导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan