[发明专利]基于光纤传感技术的地震和地质灾害监测系统及监测方法

权利要求书

1.基于光纤传感技术的地震和地质灾害监测系统，其特征在于，包括三组相互正交的铠装监测光缆（1），铠装监测光缆（1）布设或埋置在一口直井中和地面或一口直井中和两口地下水平井内，每组铠装监测光缆（1）内均包含有地震波传感光缆（7），地震波传感光缆（7）内包含地震波弹性体（2），地震波弹性体（2）上有单模光纤（3）；地震波弹性体（2）内镶嵌两根多模光纤（5），两根多模光纤（5）的尾端（9）熔接成U字型；

还包括绞合镶嵌在铠装监测光缆（1）上的应变光纤（4）；

还包括设在地面井口处的复合调制解调仪器（6）；复合调制解调仪器（6）的九个DAS信号端口分别与单模光纤（3）相连接，所述复合调制解调仪器（6）的六个DTS信号端口分别与多模光纤（5）的首端相连接，复合调制解调仪器（6）的三个DSS信号输入端口与分别与应变光纤（4）相连接；

单模光纤（3）为无氢损高反射系数增敏纯硅芯碳涂覆光纤；

应变光纤（4）为耐高温高灵敏度的应变纯硅芯碳涂覆单模光缆；

多模光纤（5）为耐高温高灵敏度的纯硅芯碳涂覆多模光纤；

所述的复合调制解调仪器（6）为DAS/DTS/DSS复合调制解调仪器。

2.根据权利要求1所述的基于光纤传感技术的地震和地质灾害监测系统，其特征在于，所述的地震波弹性体（2）上有单模光纤（3），为采用一根单模光纤（3）按照螺旋形绕制在地震波弹性体（2）上，或三根单模光纤（3）分别安置在地震波弹性体（2）上。

3.根据权利要求1所述的基于光纤传感技术的地震和地质灾害监测系统，其特征在于，所述的地震波传感光缆（7）、多模光纤（5）外有至少一层连续金属细管对其进行封装；应变光纤（4）采用耐高温单模光纤，耐高温单模光纤外挤压有一层高强度耐高温复合材料，外面有至少一层连续金属细管对其进行紧包封装，封装后的应变光纤（4）的外径与铠装钢丝的外径相同，并且与铠装钢丝一起绞合镶嵌在铠装监测光缆（1）的最外层。

4.根据权利要求1所述的基于光纤传感技术的地震和地质灾害监测系统，其特征在于，所述的单模光纤（3）尾均安装有消光器（8）。

5.根据权利要求1所述的基于光纤传感技术的地震和地质灾害监测系统，其特征在于，所述的复合调制解调仪器（6）连接有监测数据存储、处理和分析用的超级计算机工作站（10）。

6.根据权利要求1到5任一项所述的基于光纤传感技术的地震和地质灾害监测系统的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

（a）在需要进行天然地震监测或潜在的地质灾害发生地钻一口直井，把一条铠装监测光缆（1）缓慢的下入完钻的井孔里，随后在井孔里灌注水泥浆，将铠装监测光缆（1）永久的固定在井下；

（b）在井口处沿相互正交的两个方向开挖两条浅沟，浅沟的长度与直井深度大致相当；在两条浅沟内铺设两条铠装监测光缆（1），用水泥浆把两条铠装监测光缆（1）永久性的固定起来，使铠装监测光缆（1）处于水泥中部；

或者在直井的井底钻两口相互正交的水平井，水平井长度与直井深度大致相当，在两口水平井内铺设两条铠装监测光缆（1）；

（c）用高压泵车从井底泵入水泥浆，使水泥浆从井底沿铠装监测光缆（1）外壁和钻孔之间的环空区返回到井口，水泥浆固结后，把铠装监测光缆（1）和地层岩石永久性的固定在一起；

（d）在地震波传感光缆（7）尾端分别安装消光器（8），把每根地震波传感光缆（7）内镶嵌的两根多模光纤（5）的尾端（9）呈U字形熔接在一起；

（e）在井口处把单模光纤（3）和多模光纤（5）分别连接到复合调制解调仪器（6）的DAS和DTS信号输入端；把应变光纤（4）的首端与复合调制解调仪器（6）的DSS信号输入端口相连接；

（f）把对监测数据进行存储、处理和分析用超级计算机工作站（10）与复合调制解调仪器（6）相连接；

（g）启动复合调制解调仪器（6），实时采集沿三个相互正交方向的三分量天然地震数据、地下应变及应变梯度变化数据和地温及地温梯度变化数据；

（h）复合调制解调仪器（6）将连续采集的三分量天然地震数据、地下应变及应变梯度数据和地温及地温梯度数据实时进行调制解调，然后传输给旁边的超级计算机工作站（10）；

（i）超级计算机工作站（10）内有专用的监测数据处理分析软件系统，对实时监测到的三个相互正交方向的三分量天然地震数据、地下应变及应变梯度变化数据和地温及地温梯度变化数据进行实时处理与分析；

（j）在井口周围已知位置用重锤或雷管或炸药或可控震源进行人工地面震源激发，同时利用地震波传感光缆（7）以及复合调制解调仪器（6）记录人工震源激发地震信号，利用这一人工震源激发信号的纵波和横波的走时差和预先假定的地下地层的初步纵波和横波速度分布，反演计算人工震源激发的地震信号的三维空间位置；如果反演出来的人工震源激发的地震信号的三维空间位置与已知震源位置不一致，则调整地下地层的纵波和横波速度场，直到反演出的人工震源激发的地震信号的三维空间位置与已知地面震源位置在允许误差范围为止；此反复调整后的三维纵波和横波速度体就是最终用于天然地震事件定位的地下地层的速度场；

（k）对三个相互正交方向的铠装监测光缆（1）上记录到的三分量天然地震数据进行纵波走时初至和横波走时初至进行自动拾取，根据地震纵波和横波的走时差和地下地层的纵波和横波速度分布，反演计算进行地下地层破裂时产生的天然地震事件的发生时间、三维空间位置和能量大小，并将反演计算的结果马上通过与超级计算机工作站（10）相连接的天然地震预警系统按照预先设定的流程向有关部门和社会发送天然地震预警信息；

（l）对应变光纤（4）实时采集的地下沿三个正交方向的应变和应变梯度即应变率数据进行处理，实时监测和了解地下应力场在三维空间上随时间的变化，及时发现地应力或应变异常地段或井段，分析地下异常地应力场和异常应变地带诱发天然地震或地质灾害的潜在风险和可能性，及时提供天然地震或地质灾害可能发生的预警信息；

（m）应用复合调制解调仪器（6）和多模光纤（5）进行井下和浅地表温度和温度梯度变化的监测；全井段或地面浅部地下温度和温度梯度的变化，反映的是地下深处热能的快速传递和岩石孔隙内流体运移的过程和状态，或者是地下活动断层内热能的快速传递和断层内流体受到地应力的挤压作用后的快速运移，地下温度和温度梯度的异常作为地下构造运动开始活跃的指示参数，用来对天然地震和地质灾害发生前的预测与预警；

（n）超级计算机工作站（10）对采集到的三分量天然地震数据、地下地应力场与应变的变化数据和地下温度与温度梯度的变化数据进行多维多参数多尺度的综合处理分析，判别潜在天然地震和地质灾害发生的可能性，提前给预警系统按照预先设定的流程向有关部门和社会发送天然地震或地质灾害将要发生的预报或预警信息。