一种地震灾害预测方法

摘要

本发明涉及一种地震灾害预测方法，其属于地质科学和地质灾害预测科学研究领域。地震预测引入材料的可变性质变化率和抗变性质变化率的概念，分别记为量纲均为“1/秒”的β和α，两者之和总是等于零，即α+β＝0；由材料的可变性质特征值E、材料的抗变性质特征值T得出材料的可变性质变化率β为

说明书

技术领域

本发明涉及一种地震灾害预测方法，其属于地质科学和地质灾害预测科学研究领域。

背景技术

由于地震是夺走人类生命财产的最重大自然灾害之一，所以，世界各国和国际组织都十分重视地震预测研究工作。地震预测需要的是切实可行的理论方法和计算公式，而不只是对地震发生机制的定性认识，然而，到目前为止，人类还没有获得十分理想的地震预测理论与公式。人们根据力学分析计算方法来进行地震预测研究工作是非常困难的，地震预测仍然是世界难题。在力学思想方法基础上进行地震灾害预测很难，其关键在于力学对问题的认识不全面，计算公式缺少重要的物理量。

目前，地震预测方法大致可以分为三种：地震地质、地震统计和地震前兆。

1、地质方法：以地震发生的地质构造条件为基础，宏观地估计地点和强度的一个途径。用这种方法在大面积上划分未来地震的危险地带，确定不同强度的危险地区。这种工作叫做地震区域划分。由于地质的时间尺度太大，无法应用这一方法来预测地震发生的具体时间、地点和强度。例如，根据板块理论来预测地震，只能在区域上划分出地震带，无法确定将来某时某刻会在何地发生何强度的地震。地质学理论偏重于定性认识，没有可靠的力学计算。工程地质、岩土力学有实验、有计算分析，但在预测方面缺乏有效的定量方法，不能用于定量预测地震。

2、统计方法：从地震发生的历史记录中去探索可能存在的统计规律，估计地震的危险性，算出发生某种强度的地震的概率。统计方法的可靠程度决定于资料的多寡。中国历史悠久，在有些地区，地震资料丰富，运用统计方法可以提供有意义的推断结果。然而，这种方法无法确定地震发生的具体时间、地点与强度，离地震的准确预测预报要求距离还很遥远。火山爆发、地震活动，并不总是遵守历史概率。例如，在胶东半岛，历史上曾经有一段时期，地壳运动剧烈，地震、火山频发，但在近代以及现代却处于相对稳定状态。随着时间的延续，地壳结构不断变化，也许在将来某个时期，又会出现剧烈的地震、火山活动现象。如果按照当前统计的概率来预测将来，一定得出这样的结论：胶东半岛将永远不会发生强烈地震。如果按照剧烈活动期的地震概率来预测，胶东半岛应是强烈地震频发区。统计学方法也只能用于大概估计，其结论本身就没有可靠性，不能具体预测。

3、前兆方法：根据前兆现象预测未来地震发生的时间、地点与强度的方法。这种方法经常是很可靠的。如大地震来临，有鸡飞狗跳、蛇鼠蛙等动物出洞、搬家，有地热异常，气象异常，地下水温度与水质发生变化，地声地光突现等等现象，这些现象告诉人们：大地震已经发生，震中就在附近。因此，前兆预测方法具有可靠性。然而，这些现象大多数都出现在大地震已经发生背景条件下，当人们察觉到时，为时已晚，已经来不及防范，这是一个很大的遗憾。前兆方法依赖于地震发生前后某些相关的外在现象，不是通过探讨决定地震发生的内在因素与地震现象发生之间的内在关系规律，没有很多可以用于预测计算的连续、具体的观测数据，没有用于分析计算地震发生的理论依据和计算公式。因此，要将预测时间提前，需要另辟他经，寻求更好的方法。

发明内容

本发明针对现有技术中没有地震预测理论与公式的不足，提供一种探索地震与作用力、地壳性质之间的关系地震灾害预测方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

材料的可变性质特征值(叫虚度，指可变程度)等于裂隙(或微裂隙)在作用方向上的投影长度l与变形厚度h之比，即

$>E=\frac{l}{h}$>

当材料不变形时，l＝0，它的可变性质特征值等于零，E＝0，此时就说它是不可变的。当l＝h时，它已经完全破裂，不再有抵抗作用的能力了，此时，它的可变性质特征值达到了最大值，等于1，即E＝1。相应，材料的抗变性质特征值(叫实度，也就是抗变能力、不可变性质特征值)为

$>T=1-E=1-\frac{1}{h}$>

当材料在作用控制下不变形时，它的抗变性质特征值为最大值，等于1，即T＝1；当材料完全破裂，不再具有抵抗作用的能力时，它的抗变性质特征值取得最小值，等于零，即T＝0。

材料的可变性质特征值的变化率就是材料的可变性质变化率β，它与可变性质特征值之间的关系为

$>\beta =\frac{E_t-E_0}{t}$>

式中，E₀和E_t分别表示材料性质特征值的初始值和终止值；t表示材料性质变化时间。在上述实验中，E₀＝0，所以，

$>\beta =\frac{E_t-E_0}{t}=\frac{l}{\mathrm{ht}}$>

相应，抗变能力的变化率α与可变性质变化率β互为相反数，即，

$>\alpha =-\beta =-\frac{l}{\mathrm{ht}}$>

抗变能力，又叫实度或不变性质特征值或抗变性质特征值，它的物理意义实际上就是指不变形的性质，其量等于阻碍作用量所占作用量的百分数。如果作用量多大，受作用面产生的阻碍作用量就多大，就说受作用体的抗变能力大。在阻碍作用量等于作用量负值情况下，受作用面没有位移量，即受作用体不变形，也不运动。此时，阻碍作用量的负值A_T(叫实作用量)与作用量的大小之比值等于1，即如果阻碍作用量的大小小于作用量的大小，受作用面会出现一定量的位移，受作用体有一定量的变形。在这种情况下，就说材料在作用下具有可变形的性质。此时，就说材料既具有抗变性质，又具有可变性质。其中，抗变性质的度量值就等于阻碍作用量的负值占作用量的百分比，即可变性质的度量值的物理意义就等于没有抵抗的那部分作用量(叫虚作用量，记为A_F)占作用量的百分比，即两者的取值范围分别是

$>0\le T=\frac{A_T}{A}\le 1;1\ge E=\frac{A_F}{A}\ge 0$>

两者之和总是等于1，即T+E＝1.T和E分别被叫做虚度和实度。它们都没有量纲，都只是小于等于1、大于等于零的小数或百分数。

不可变性质(抗变能力或实度)的变化率α的物理意义就是抵抗作用、保持不变形的程度(百分数)增加或减小的速率，其量纲为“1/秒”；可变性质(虚度)的变化率β的物理意义就是通过变形来实现不抵抗作用的程度(不抵抗作用百分数)随作用时间变化的速率，其量纲也为“1/秒”。两者之和总是等于零，即α+β＝0。

如果材料是塑性的，不出现破裂变形，只有压缩变形，那么，可用如下公式计算其虚度变化率，

$>\beta =\frac{h-h^{\prime }}{\mathrm{ht}}$>

式中，h和h′分别表示材料的初始厚度和终止厚度。

材料性质的变化现象是材料在作用控制下变形所表现出来的，与作用和变形都存在直接关系规律。据研究，材料的可变性质特征值E(简称虚度)等于合作用量A_F的大小与作用量A的大小之比值，即

$>E=\frac{A_F}{A}$>

由于合作用量等于作用质量m与受作用点(或受作用面)的即时运动速度v_t之积，即A_F＝mv_t，作用量等于作用质量m用于作用的动量，即A＝mu_t，(u_t是即时作用速度，等于作用物质的即时运动速度)，所以，可变性质特征值的即时量为

$>E_t=\frac{A_F}{A}=\frac{v_t}{u_t}$>

而可变性质特征值的初始值等于受作用变化点(面)的初始运动速度v₀与初始作用速度之比，即

$>E_0=\frac{v_0}{u_0}$>

因此，可变性质特征值的变化率为

$>\beta =\frac{E_t-E_0}{t}=(\frac{v_t}{u_t}-\frac{v_0}{u_0})\frac{1}{t}$>

这就是材料性质变化与作用、变形和变化时间之间的关系方程。通过整理，得地震预测发生时间为

$>t=(\frac{v_t}{u_t}-\frac{v_0}{u_0})\frac{1}{\beta }.$>

本发明的有益效果是：利用控制地震发生的主要因素(作用因素和震源地壳的性质变化因素)进行准确预测地震灾害。将地震发生的时间、地点、强度、作用因素和震源地壳的性质变化因素之间的关系规律，建立它们之间的关系方程，然后，根据方程要求去获取观测数据，再进行分析计算，以得到正确的地震时间预测结论。

附图说明

图1杆状预制件的初始受力状态；

图2杆状预制件的初期变形；

图3杆状预制件的后期变形；

图4杆状预制件的最终变形；

图5震点地壳与岩浆关系的初始状态示意图；

图6震点地壳与岩浆关系的初期状态示意图；

图7震点地壳与岩浆关系的后期状态示意图；

图8震点地壳与岩浆关系的终止状态示意图。

在图5-8中，A指震点地壳；B指地下岩浆。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步描述。

地震发生是由于受某一种或多种地质作用、地壳变形乃至突然断裂或错动而造成的地壳运动现象，其发生机制类似于杆状预制件受力变形，具体实施例如下：

1、运用地质学、地球物理学方法探测确定震点地壳的厚度和地下深部正在生成和将要生成、规模较大的破裂面的位置

无论控制地震的作用来源是什么，重要的是在进行地震预测之前和在地震预测过程中，先将地下岩浆与地壳之间的接触面位置、形态和变化规律、正在生成和将要生成的大断裂面的位置、形态和变化规律搞清楚。如果某局部地点处地下岩浆与地面之间的距离越来越小、正在生成的深大破裂面面积不断增大，那么，该处必将发生岩浆侵入、火山喷发或地震现象。因此，地震预测的最基础工作是探测地下岩浆与地壳之间的接触面位置及其变化、新生深大破裂面位置及其变化。

深大破裂面和岩浆侵入界面的探测可采用地质、地球物理如地震探测、电法探测、磁法探测等手段来进行探测。

在探测地壳厚度和地下岩浆侵入界面位置、深大破裂面长度基础上，可以绘制各个变化阶段的岩浆侵入界面的地质图和深大破裂面生成发展变化地质图，整理各观测区地下岩浆侵入界面位置和新生深大破裂面延续位置数据表，为预测地震的数据分析计算奠定良好的基础。

除了探测不同阶段岩浆侵入界面位置和深大破裂面长度外，还应注意探测阶段性突变事件(破裂面按一定时间间隔出现突然增生、引发轻微震动或较小地震现象)，为应用统计学方法预测地震积累基础资料。

2、计算地壳变形速度和地壳性质变化率

震点地壳的变形速度和地壳的性质特征值都是很难直接测出来的，但震点地壳的厚度可以直接测出，震点地壳的破裂面长度可以直接探测出来。因此，只要每隔一段时间测定一次震点地壳的厚度和震点地壳的破裂面长度，然后通过简单计算就可以得到地壳变形速度和地壳性质特征值及其变化率。即，地壳变形速度为

$>v_t=\frac{h_0-h_t}{t}$>

或

$>v=\frac{l_t-l_0}{t}$>

式中，h₀和h_t分别表示震点地壳的初始厚度和终止厚度；l₀和l_t分别表示震点地壳处新生深大破裂面的初始长度和终止长度。

地壳可变性质特征值的初始值为

$>E_0=\frac{l_0}{h_0}$>

地壳可变性质特征值的终止值为

$>E_t=\frac{l_t}{h_0}$>

震点处地壳的可变性质变化率为

$>\beta =\frac{E_t-E_0}{t}$>

3、计算震点地下岩浆运动的真速度

一般来说，在地震孕育前期，岩浆与地壳之间的接触面基本上处于静止状态，即v₀＝0，相应，在此条件下，

$>t=\frac{v_t}{u_t{\beta }_t}$>

根据此式，不可探测量u_t为

$>u_t=\frac{v_t}{{\beta }_{t}t}$>

在长期探测过程中，可以取得一系列关于岩浆侵入界面运动速度的数值v₁、v₂、v₃、…和相应的地壳性质变率β₁、β₂、β₃、…以及相应的时间t₁、t₂、t₃、…，所以，可以根据式计算出相应的u₁、u₂、u₃、….有了以上数据，就可以推算出被预测时刻t时的v_t、β_t、u_t值。即，当β_t＝极限值(会很快发生地震或岩浆喷发时的地壳可变性质的变化率数值)时，所对应的时间就是地震预测的时间；所对应的地点就是地震预测的地点；所对应的地震强度由v_t的大小确定。

在地震即将发生时，v_t趋近等于u_t，β_tt趋近等于1。

在地震数据探测过程中，最基本的工作是分析计算速度v_i和u_i，即，分析计算v_i和u_i是地震预测的第二项工作。

4、曲线分析

作岩浆侵入界面运动速度v_t随时间t变化的曲线、地壳性质变化率β_t的变化曲线和岩浆侵入速度的变化曲线图。在这些变化曲线图上可以直观分析判断地震的危险性。

上述实施例过程即实现了利用公式准确预测地震灾害发生时间的目的，是预测地震灾害的有效方法。