[发明专利]基于地震波分解提取前兆信息的地震预测时域分析方法

说明书

本发明属于地震预测技术领域，公开了一种基于地震波分解提取前兆信息的地震预测时域分析方法，使用非线性自回归整合NLARI过程对地震波在地壳介质中传播进行动力学建模，以及使用地震期全程数据对该动力学模型参数估计获得反映该地震从开始的发育、中间的演化、直到结束的全过程的动力学参数时序列；基于NLARI过程建模地震波在地壳介质中的传播、通过模型参数分解地震波技术、提取先于应变的地壳应力和岩石摩擦力的初期变化信息，从时间和地点两个层面进行地震预测。本发明提供了获得反映地震期地壳动力学变化的参数时序列的地震波分解技术，为震后的地震发育和演化分析及余震预测提供了重要信息。

技术领域

本发明属于地震预测技术领域，尤其涉及一种基于地震波分解提取前兆信息的地震预测时域分析方法。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：准确预测地震包括对地震发生的时间，地点上做到准确预报(下称“准时准地预报地震”)，因为地点偏离，时间提前或延后，规模过大或过小的预报，都可能造成时间和财产上的浪费或伤亡人数增加。相关研究表明，提前3秒预警地震可以减少14％伤亡人数，提前10秒可减少39％伤亡，提前20秒可减少63％伤亡。地震是地壳中的被储存的能量突然释放产生的地震波所致。用地震仪测量的地震波是由P/S体波和面波组成的复合波，P波传播速度最快，S波和面波传播要慢一些，地震的破坏效应主要来自面波。利用P波预先到达的特性可以提前几秒至几十秒预警地震，但是靠近震中的区域震级很大却没有P波，使得这一方法的实际效果有限。目前，主流观点认为地震预测是不可能的。

地震预测失败的关键原因之一是地震波在介质中传播的动力学机制尚不清楚。目前地震模型主要是运动学模型，很少有动力学模型。动力学建模尚未取得实质性进展有3个主要因素。一是地幔物质流是否为板块运动最可能的驱动力尚存在争议。二是传统地震学假设地震波是在固体连续的地壳介质中传播与事实不符。实际上地壳和地幔是由岩石层块和其间断层泥组成，这使得地震波在离散状态的介质中传播。三是地震波传播经常被假设为完全弹性且无能量损失的过程。地震波传播将导致摩擦，也可能产生热消耗，所以地震波传播是一个能量损失过程。最新的地震理论认为地震发生的机制不是地壳岩石破裂的弹性回跳，而是岩石的塑性滑移和岩块运动的堵塞—解堵塞转变。地震波在地下介质传播是一个非常复杂的非线性的时变过程，所以即使获得地震波传播模型，也难于获得解析解。现有研究给出了无限平板中的波动方程的解只适用于远离震中的地方。因此，很多研究只好在地震波传播无能量损失这一不符合实际情况的假定下，对弹性波方程作各种数值方法(如有限元法)来获得近似的震波场模拟和分析。

地震预测失败的关键原因之二是如何正确测量地震大小还没有答案。自Richter(1935)首次提出采用地震仪记录的地震波振幅的对数作为地震(里氏)震级以来，震级如何定义吸引了众多研究。一方面，地震震级被认为是地震本身大小的尺度，它由地震释放出来的能量大小来决定，释放出的能量愈大，则震级愈大。另一方面地震震级由地震仪记录的震波的最大振幅来确定的，这实际上把不同概念的地震释放的能量与地震波的振幅当成了一回事。地震大小很难由单一参数来完全表达。

地震预测失败的关键原因之三是没有找到正确提取地震前兆信息的方法。不仅正确理解地震孕育和演化过程及发生机理有助于地震预测，而且获知地壳破裂开始前夕在断层上的初始应力和摩擦力的重要参数将大幅提高地震预测能力。传统的基于傅里叶变换的频率分析并不能成功分解地震波来获取地震前兆信息。

地震波在地壳介质中传播是一个典型的非线性非完全弹性的离散过程。近年基于牛顿运动第二定律在随机非线性弹性系统的应用导出一类非线性自回归整合(NLARI)过程。NLARI过程适用于完全或非完全弹性的离散过程。当一物体受到一个外力或外部干扰，一个与低速运动方向相反的阻力、具有一个1的时间延迟，一个使系统重返或重建平衡位置的恢复力。那么该物体的动态可由如下NLARI过程所描述：