一种基于阻抗分析的构造地震预测实验装置及方法

摘要

本发明公开了一种基于阻抗分析的构造地震预测实验装置及方法；本发明的实验装置由由地壳压力接收组件(101)、阻抗分析仪(3)、电脑(4)、固结填充物(30)、沉井(32)组成。由于固结填充物(30)、地壳压力接受组件(101)、沉井(32)、岩石层(33)完全固结在一起。地壳在构造运动作用下，当地应力达到并超过岩层的强度极限时，岩层就会突然产生变形，乃至破裂，岩石所受应力发生变化，与岩石固结在一起的地壳压力接受组件(101)上的6个阻抗传感器，能分别感知来自前、后、左、右及上、下6个方向的应力变化；通过数据处理，发现岩石应力的变化，及时进行地震预警。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于阻抗分析的构造地震预测实验装置及方法，尤其涉及构造地震预测 技术领域。

背景技术

地震共分为构造地震、火山地震、陷落地震和诱发地震四种，其中，构造地震是指在构 造运动作用下，当地应力达到并超过岩层的强度极限时，岩层就会突然产生变形，乃至破裂， 将能量一下子释放出来，就引起大地震动，这类地震被称为构造地震，占地震总数90％以上。

地震预测是世界难题，第一，地球的不可入性。大家知道上天容易入地难，我们对地下 发生的变化，只能通过地表的观测来推测；第二，地震孕律的复杂性。通过专家多年的研究， 现在逐渐认识到地震孕育、发生、发展的过程十分复杂，在不同的地理构造环境、不同的时 间阶段，不同震级的地震都显示出相当复杂的孕律过程；第三，地震发生的小概率性。大家 可能都感觉到，全球每年都有地震发生，有些还是比较大的地震。但是对于一个地区来说， 地震发生的重复性时间是很长的，几十年、几百年、上千年，而进行科学研究的话，都有统 计样本。而这个样本的获取，在有生之年都非常困难。由于构造地震预测作为一个世界性科 学难题，全世界都在努力研究构造地震预测，探索构造地震预测的有效途径，但就现在来说， 不管国内还是国际上，还很难完全准确地预报地震。

发明内容

本发明根据实际应用需求，设计了一种基于阻抗分析的构造地震预测实验装置及方法， 在选定的地震实验区内，先钻一个直径是30公分的沉井(32)，沉井(32)穿过表土层(34) 到达岩石层(33)的深度为2.0米，然后向沉井(32)灌入深度为0.5～0.6米的固结填充物(30)， 然后逐步将用钢丝绳吊挂的地壳压力接受组件(101)下放到沉井(32)的地部，再向沉井(32) 灌入深度为2.0～2.5米的固结填充物(30)，并加挂振动棒对固结填充物(30)进行夯实，继 续灌入固结填充物(30)至地表，28天后，固结填充物(30)、地壳压力接受组件(101)、 沉井(32)完全固结在一起。地壳在构造运动作用下，当地应力达到并超过岩层的强度极限 时，岩层就会突然产生变形，乃至破裂；当岩石所受应力发生变化时，与岩石固结在一起的 地壳压力接受组件(101)上的6个阻抗传感器，能分别感知来自前、后、左、右及上、下6 个方向的应力变化；通过数据处理，及时发现地震前兆。研究表明，该种实验装置及方法， 完全可以用于构造地震预测。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

一种基于阻抗分析的构造地震预测实验装置由地壳压力接收组件(101)、阻抗分析仪(3)、 电脑(4)、固结填充物(30)、沉井(32)组成，所述的地壳压力接受组件(101)由第1号 阻抗传感器(201)、第2号阻抗传感器(202)、第3号阻抗传感器(203)、第4号阻抗传感 器(204)、第5号阻抗传感器(205)、第6号阻抗传感器(206)、下壳体(1)、上壳体(2)、 O型密封圈(5)、绝缘填充物(6)、导线孔(7)、长方形槽1底平面(9)、长方形槽2底平 面(12)、圆形槽底平面1(15)、圆形槽底平面2(18)、长方形槽3底平面(21)、长方形槽 4底平面(24)、吊环(27)、卡环(28)、钢丝绳(29)、螺纹孔(31)组成；当岩石所受应 力发生变化时，通过与岩石固结在一起的地壳压力接受组件(101)上的6个阻抗传感器，分 别感知来自前、后、左、右及上、下6个方向的应力变化；通过数据处理，发现岩石应力的 变化，及时进行地震预警。

本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：

由于构造地震预测作为一个世界性科学难题，全世界都在努力研究构造地震预测，探索 构造地震预测的有效途径，但就现在来说，不管国内还是国际上，还很难完全准确地预报地 震。当地应力达到并超过岩层的强度极限时，岩层就会突然产生变形，乃至破裂，将能量一 下子释放出来，就引起大地震动。

在本发明中，当岩石所受应力发生变化时，通过与岩石固结在一起的地壳压力接受组件 (101)上的6个阻抗传感器，分别感知来自前、后、左、右及上、下6个方向的应力变化； 通过数据处理，发现岩石应力的变化，及时进行地震预警。

本发明为构造地震探测仪的设计提供了实验装置及方法。

附图说明

下面结合附图和实例对本发明做进一步说明。

图1是本发明的工作原理图。

图2是本发明的地壳压力接受组件实体爆炸图。

图3是本发明的纵向爆炸剖视图。

图4是本发明的横向爆炸剖视图。

图5是本发明的地壳压力接受组件在沉井中的位置示意图

在图1、图2、图3、图4、图5中，如图所示：1.下壳体；2.上壳体；3.阻抗分析仪；4. 电脑；5.径向橡胶圈；6.绝缘充填物；7.导线孔；8.密封圈；9.长方形槽1底平面；10.导电银 胶1；11.长方形压电陶瓷片1；12.长方形槽2底平面；13.导电银胶2；14.长方形压电陶瓷片 2；15.圆形槽1底平面；16.导电银胶5；17.圆形压电陶瓷片1；18.圆形槽2底平面；19.导电 银胶6；20.圆形压电陶瓷片2；21.长方形槽3底平面；22.导电银胶3；23.长方形压电陶瓷片 3；24.长方形槽4底平面；25.导电银胶4；26.长方形压电陶瓷片4；27.吊环；28.卡环；29. 钢丝绳；30.固定填充物；31.螺纹孔；32.沉井；33.岩石层；34.地表层；101.地壳压力接收组 件；201.第1号阻抗传感器；201.第2号阻抗传感器；203.第3号阻抗传感器；204.第4号阻 抗传感器；205.第5号阻抗传感器；206.第6号阻抗传感器；500.黑色信号线；501.灰色信号 线；502.蓝色信号线；503.红色信号线；504.白色信号线；505.黄色信号线；506.绿色信号线；

具体实施方式

如图1、2、3、4、5所示，一种基于阻抗分析的构造地震预测实验装置由地壳压力接收 组件(101)、阻抗分析仪(3)、电脑(4)、固结填充物(30)、沉井(32)组成，所述的地壳 压力接受组件(101)由第1号阻抗传感器(201)、第2号阻抗传感器(202)、第3号阻抗传 感器(203)、第4号阻抗传感器(204)、第5号阻抗传感器(205)、第6号阻抗传感器(206)、 下壳体(1)、上壳体(2)、O型密封圈(5)、绝缘填充物(6)、导线孔(7)、长方形槽1底 平面(9)、长方形槽2底平面(12)、圆形槽底平面1(15)、圆形槽底平面2(18)、长方形 槽3底平面(21)、长方形槽4底平面(24)、吊环(27)、卡环(28)、钢丝绳(29)、螺纹孔 (31)组成；所述的第1号阻抗传感器(201)由灰色信号线(501)、黑色信号线(500)、下 壳体(1)、导电银胶1(10)、长方形压电陶瓷片1(11)组成；第2号阻抗传感器(202)由 蓝色信号线(502)、黑色信号线(500)、下壳体(1)、导电银胶2(13)、长方形压电陶瓷片 2(14)组成；第3号阻抗传感器(203)由红色信号线(503)、黑色信号线(500)、下壳体 (1)、导电银胶3(22)、长方形压电陶瓷片3(23)组成；第4号阻抗传感器(204)由白色 信号线(504)、黑色信号线(500)、下壳体(1)、导电银胶4(25)、长方形压电陶瓷片4(26) 组成；第5号阻抗传感器(205)由黄色信号线(505)、黑色信号线(500)、上壳体(2)、导 电银胶5(16)、圆形压电陶瓷片1(17)、径向橡胶圈(8)组成；第6号阻抗传感器(206) 由绿色信号线(506)、黑色信号线(500)、下壳体(1)、导电银胶6(19)、圆形压电陶瓷片 2(20)组成；吊环(27)是通过螺纹孔(31)固定在上壳体(2)上；卡环(28)是卡装在 吊环(27)上；钢丝绳(29)的一端是固定在卡环(28)上；上壳体(2)通过螺纹与下壳体 (1)连接；在上壳体(2)与下壳体(1)间装有O型密封圈(8)；在上壳体(2)上开有导 线孔(7)；径向橡胶圈(5)是安装在导线孔(7)上；下壳体(1)上的长方形槽1底平面(9)、 长方形槽2底平面(12)、长方形槽3底平面(21)、长方形槽4底平面(24)是依次相邻， 长方形槽1底平面(9)在长方形槽3底平面(21)的对面，长方形槽2底平面(12)在长方 形槽4底平面(24)的对面；长方形压电陶瓷片1(11)的负极通过导电银胶1(10)粘贴在 长方形槽1底平面(9)上，长方形压电陶瓷片2(14)的负极通过导电银胶2(13)粘贴在 长方形槽2底平面(12)上，圆形压电陶瓷片1(17)的负极通过导电银胶5(16)粘贴在圆 形槽底平面1(15)上，圆形压电陶瓷片2(20)的负极通过导电银胶6(19)粘贴在圆形槽 底平面2(18)上，长方形压电陶瓷片3(23)的负极通过导电银胶3(22)粘贴在长方形槽 3底平面(21)上，长方形压电陶瓷片4(26)的负极通过导电银胶4(25)粘贴在长方形槽 4底平面(24)上；上壳体(2)或下壳体(1)与长方形压电陶瓷片1(11)、长方形压电陶 瓷片2(14)、长方形压电陶瓷片3(23)、长方形压电陶瓷片4(26)、圆形压电陶瓷片1(17)、 圆形压电陶瓷片2(20)的负极相连，上壳体(2)和下壳体(1)是长方形压电陶瓷片1(11)、 长方形压电陶瓷片2(14)、长方形压电陶瓷片3(23)、长方形压电陶瓷片4(26)、圆形压 电陶瓷片1(17)、圆形压电陶瓷片2(20)的公共地线；黑色信号线(500)的一端焊接在压 电陶瓷片的公共地线上，黑色信号线(500)的另一端穿过径向橡胶圈(5)的内孔，与阻抗 分析仪(3)的负极相连接；灰色信号线(501)的一端焊接在长方形压电陶瓷片1(11)的 正极上，灰色信号线(501)的另一端穿过径向橡胶圈(5)的内孔，可与阻抗分析仪(3)的 正极相连接；蓝色信号线(502)的一端焊接在长方形压电陶瓷片2(14)的正极上，蓝色信 号线(502)的另一端穿过径向橡胶圈(5)的内孔，可与阻抗分析仪(3)的正极相连接；红 色信号线(503)的一端焊接在长方形压电陶瓷片3(23)的正极上，红色信号线(503)的 另一端穿过径向橡胶圈(5)的内孔，可与阻抗分析仪(3)的正极相连接；白色信号线(504) 的一端焊接在长方形压电陶瓷片4(26)的正极上，白色信号线(504)的另一端穿过径向橡 胶圈(5)的内孔，可与阻抗分析仪(3)的正极相连接；黄色信号线(505)的一端焊接在圆 形压电陶瓷片1(17)的正极上，黄色信号线(505)的另一端穿过径向橡胶圈(5)的内孔， 可与阻抗分析仪(3)的正极相连接；绿色信号线(506)的一端焊接在圆形压电陶瓷片2(20) 的正极上，绿色信号线(506)的另一端穿过径向橡胶圈(5)的内孔，可与阻抗分析仪(3) 的正极相连接。

所述的一种基于阻抗分析的构造地震预测实验装置，其特征在于：绝缘填充物(6)的材 料为沥青。

所述的一种基于阻抗分析的构造地震预测实验装置，其特征在于：固结填充物(30)的 材料为混泥土。

如图1、2、3、4、5所示，一种基于阻抗分析的构造地震预测实验方法的实验装置由地 壳压力接收组件(101)、阻抗分析仪(3)、电脑(4)、固结填充物(30)、沉井(32)组成， 所述的地壳压力接受组件(101)由第1号阻抗传感器(201)、第2号阻抗传感器(202)、第 3号阻抗传感器(203)、第4号阻抗传感器(204)、第5号阻抗传感器(205)、第6号阻抗 传感器(206)、下壳体(1)、上壳体(2)、O型密封圈(5)、绝缘填充物(6)、导线孔(7)、 长方形槽1底平面(9)、长方形槽2底平面(12)、圆形槽底平面1(15)、圆形槽底平面2 (18)、长方形槽3底平面(21)、长方形槽4底平面(24)、吊环(27)、卡环(28)、钢丝绳 (29)、螺纹孔(31)组成；所述的第1号阻抗传感器(201)由灰色信号线(501)、黑色信 号线(500)、下壳体(1)、导电银胶1(10)、长方形压电陶瓷片1(11)组成；第2号阻抗 传感器(202)由蓝色信号线(502)、黑色信号线(500)、下壳体(1)、导电银胶2(13)、 长方形压电陶瓷片2(14)组成；第3号阻抗传感器(203)由红色信号线(503)、黑色信号 线(500)、下壳体(1)、导电银胶3(22)、长方形压电陶瓷片3(23)组成；第4号阻抗传 感器(204)由白色信号线(504)、黑色信号线(500)、下壳体(1)、导电银胶4(25)、长 方形压电陶瓷片4(26)组成；第5号阻抗传感器(205)由黄色信号线(505)、黑色信号线 (500)、上壳体(2)、导电银胶5(16)、圆形压电陶瓷片1(17)、径向橡胶圈(8)组成； 第6号阻抗传感器(206)由绿色信号线(506)、黑色信号线(500)、下壳体(1)、导电银胶 6(19)、圆形压电陶瓷片2(20)组成；吊环(27)是通过螺纹孔(31)固定在上壳体(2) 上；卡环(28)是卡装在吊环(27)上；钢丝绳(29)的一端是固定在卡环(28)上；上壳 体(2)通过螺纹与下壳体(1)连接；在上壳体(2)与下壳体(1)间装有O型密封圈(8)； 在上壳体(2)上开有导线孔(7)；径向橡胶圈(5)是安装在导线孔(7)上；下壳体(1) 上的长方形槽1底平面(9)、长方形槽2底平面(12)、长方形槽3底平面(21)、长方形槽 4底平面(24)是依次相邻，长方形槽1底平面(9)在长方形槽3底平面(21)的对面，长 方形槽2底平面(12)在长方形槽4底平面(24)的对面；长方形压电陶瓷片1(11)的负 极通过导电银胶1(10)粘贴在长方形槽1底平面(9)上，长方形压电陶瓷片2(14)的负 极通过导电银胶2(13)粘贴在长方形槽2底平面(12)上，圆形压电陶瓷片1(17)的负极 通过导电银胶5(16)粘贴在圆形槽底平面1(15)上，圆形压电陶瓷片2(20)的负极通过 导电银胶6(19)粘贴在圆形槽底平面2(18)上，长方形压电陶瓷片3(23)的负极通过导 电银胶3(22)粘贴在长方形槽3底平面(21)上，长方形压电陶瓷片4(26)的负极通过导 电银胶4(25)粘贴在长方形槽4底平面(24)上；上壳体(2)或下壳体(1)与长方形压 电陶瓷片1(11)、长方形压电陶瓷片2(14)、长方形压电陶瓷片3(23)、长方形压电陶瓷 片4(26)、圆形压电陶瓷片1(17)、圆形压电陶瓷片2(20)的负极相连，上壳体(2)和 下壳体(1)是长方形压电陶瓷片1(11)、长方形压电陶瓷片2(14)、长方形压电陶瓷片3 (23)、长方形压电陶瓷片4(26)、圆形压电陶瓷片1(17)、圆形压电陶瓷片2(20)的公 共地线；黑色信号线(500)的一端焊接在压电陶瓷片的公共地线上，黑色信号线(500)的 另一端穿过径向橡胶圈(5)的内孔，与阻抗分析仪(3)的负极相连接；灰色信号线(501) 的一端焊接在长方形压电陶瓷片1(11)的正极上，灰色信号线(501)的另一端穿过径向橡 胶圈(5)的内孔，可与阻抗分析仪(3)的正极相连接；蓝色信号线(502)的一端焊接在长 方形压电陶瓷片2(14)的正极上，蓝色信号线(502)的另一端穿过径向橡胶圈(5)的内 孔，可与阻抗分析仪(3)的正极相连接；红色信号线(503)的一端焊接在长方形压电陶瓷 片3(23)的正极上，红色信号线(503)的另一端穿过径向橡胶圈(5)的内孔，可与阻抗 分析仪(3)的正极相连接；白色信号线(504)的一端焊接在长方形压电陶瓷片4(26)的 正极上，白色信号线(504)的另一端穿过径向橡胶圈(5)的内孔，可与阻抗分析仪(3)的 正极相连接；黄色信号线(505)的一端焊接在圆形压电陶瓷片1(17)的正极上，黄色信号 线(505)的另一端穿过径向橡胶圈(5)的内孔，可与阻抗分析仪(3)的正极相连接；绿色 信号线(506)的一端焊接在圆形压电陶瓷片2(20)的正极上，绿色信号线(506)的另一 端穿过径向橡胶圈(5)的内孔，可与阻抗分析仪(3)的正极相连接；

在选定的地震实验区内，先钻一个直径是30公分的沉井(32)，沉井(32)的深度为钻 入岩石层(33)2.0米，然后向沉井(32)灌入深度为0.5～0.6米的固结填充物(30)，然后逐 步将用钢丝绳吊挂的地壳压力接受组件(101)下放到沉井(32)的地部，再向沉井(32)灌 入深度为2.0～2.5米的固结填充物(30)，并加挂振动棒对固结填充物(30)进行夯实，继续 灌入固结填充物(30)至地表，等待28天固结填充物(30)、地壳压力接受组件(101)、沉 井(32)、岩石层(33)完全固结在一起后，方可进行实验；在以下实验步骤中，k代表做的 是第几次实验，如第一次实验，k代表1，第二次实验，k代表2，以此类推；j代表第几号阻 抗传感器，j＝1代表是第1号阻抗传感器，j＝2代表是第2号阻抗传感器，j＝3代表是第3号阻 抗传感器，j＝4代表是第4号阻抗传感器，j＝5代表是第5号阻抗传感器，j＝6代表是第6号阻 抗传感器，i代表是第几号实验数据，n代表每做一次实验得到实验数据个数，本实验中，n＝1600， 代表做一次实验能得到1600个数据，R_i(j,k)代表第j号阻抗传感器，做的第k次实验所得的 第i个实验数据；实验步骤1：将黑色信号线(500)的一端与阻抗分析仪(3)的负极相连 接；打开电脑(4)、阻抗分析仪(3)；实验步骤2：将灰色信号线(501)的一端与阻抗分析 仪(3)的正极相连接；用阻抗分析仪在1～100k Hz范围内扫频，将扫频结果输入计算机进行 处理，保存实验数据处理结果为“灰色信号线第k次实验结果”，表示为： R_i(1,k)，i为1～1600的整数；实验步骤3：将蓝色信号线(502)的一端与阻抗分析仪(3)的 正极相连接；用阻抗分析仪在1～100k Hz范围内扫频，将扫频结果输入计算机进行处理，保 存实验数据处理结果为“蓝色第k次实验结果”，表示为：R_i(2,k)，i为1～1600的整数；实验 步骤4：将红色信号线(503)的一端与阻抗分析仪(3)的正极相连接；用阻抗分析仪在1～100k Hz范围内扫频，将扫频结果输入计算机进行处理，保存实验数据处理结果为“红色第k次实 验结果”，表示为：R_i(3,k)，i为1～1600的整数；实验步骤5：将白色信号线(504)的一端 与阻抗分析仪(3)的正极相连接；用阻抗分析仪在1～100k Hz范围内扫频，将扫频结果输入 计算机进行处理，保存实验数据处理结果为“白色第k次实验结果”，表示为： R_i(4,k)，i为1～1600的整数；实验步骤6：将黄色信号线(505)的一端与阻抗分析仪(3)的 正极相连接；用阻抗分析仪在1～100k Hz范围内扫频，将扫频结果输入计算机进行处理，保 存实验数据处理结果为“黄色第k次实验结果”，表示为：R_i(5,k)，i为1～1600的整数；实验 步骤7：将绿色信号线(506)的一端与阻抗分析仪(3)的正极相连接；用阻抗分析仪在1～100k Hz范围内扫频，将扫频结果输入计算机进行处理，保存实验数据处理结果为“绿色第k次实 验结果”，表示为：R_i(6,k)，i为1～1600的整数；实验步骤8：进行数据处理；第j号阻抗传 感器的第k次实验结果的绝对均方根值RMSD(j，k)为：第 j号阻抗传感器的第k次实验结果的相对均方根值Delt_RMSD(j，k)为：实验步骤9：实验完成后，关闭阻抗分析仪(3)、计算机(4)；在固结填 充物(30)充填28天后，做第一次实验，完成实验步骤1～9，保存实验数据为；R_i(j,1)；一 个月后，做第二次实验，重复以上实验步骤1～9，并保存实验数据结果为；R_i(j,2)；进行数据 处理，观察RMSD(j，k)的值，如果RMSD(j，k)<15％；以后，每个月做一次实验，如果15％≤ RMSD(j，k)<30％，则每周做一次实验；如果RMSD(j，k)≥30％，则每天做一次实验，并进行 地震预警；如果发现5％≤Delt_RMSD(j，k)<20％，则每周做一次实验；如果发Delt_RMSD(j，k)≥ 20％，则每天做一次实验，并进行地震预警。

所述的一种基于阻抗分析的构造地震预测实验方法，其特征在于：绝缘填充物(6)的材 料为沥青。

所述的一种基于阻抗分析的构造地震预测实验方法，其特征在于：固结填充物(30)的 材料为混泥土。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解， 本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不 脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要 求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。