岩石破裂实验中的遥感观测与遥感岩石力学的开端

在岩石加载直到破裂的过程中,对岩石的红外辐射进行了遥感观测研究.使用的主要仪器有瞬态光谱仪、智能光谱仪、红外辐射温度计、红外光谱辐射计和红外热象仪.对26种岩石进行了实验.研究表明,岩石的红外辐射温度随应力的增加而增加;岩石的红外辐射波谱的幅值也随应力的增加而增加.岩石的红外热象的观测结果与岩石的红外辐射温度相一致.某些岩石样品破裂主断层形成前,在未来主断层的位置显示出条带状温度异常热象.本实验将遥感学中的最新技术引入岩石力学,以期在岩石力学中建立一个新的研究领域遥感岩石力学(或遥感岩石物理学).遥感岩石力学可望在地震预报,岩爆预报和岩体应力场的测量中得到应用.      

微波遥感技术在岩石力学中的应用

在岩石加载直至破裂的过程中，对岩石的微波辐射进行了遥感观测研究．使用的微波辐射计的波长为8 mm，2 cm和10 cm．对13种岩石进行了实验．实验表明，在岩石加载过程中，岩石的微波辐射亮度温度随应力的增加而增加．岩石临破裂前微波辐射亮度温度加速增长．这一现象可以看作岩石破裂的一种新前兆． 过去在岩石破裂的红外遥感观测实验基础上提出的遥感岩石力学(或遥感岩石物理学)的概念，由于本实验的新结果扩充了它的内容，由红外遥感扩充到微波遥感，从而也扩大了遥感岩石力学在地震预报研究和岩爆预报研究中的应用前景．      

岩石红外辐射温度随岩石应力变化的规律和特征以及与声发射率的关系

在实验室对不同岩性不同结构的岩石试件进行单轴加载至试件破裂试验，得出了如下主要结果：（１）岩石试件的红外辐射温度随应力增加而变化，温度变化的范围在０．２℃－０．８℃。（２）岩石试件临破裂前出现明显的岩石破裂温度前兆。（３）有一部分岩石试件临破裂前出现高温条带、高温区或低温条带、低温区。不久，试件沿高温条带、区或低温条带、区发生主破裂。（４）有一部分岩石试件在临破裂前出现温度脉冲，正脉冲达到２．８℃，负脉冲达到－１．０℃。（５）当应力增加时，岩石试件的辐射温度增加与声发射率增加呈互补关系。     

岩石应力状态改变引起岩石热状态改变的研究

岩石的应力状态发生改变是否能引起岩石的热状态发生改变，是一个值得研究的重要问题，我们在实验室对岩石试件进行实验，实验得出岩石的温度随岩石受到的压力增加而显著增加，在试件破裂前出现明显的破裂温度前兆；实验还发现岩石内部温度随压力变化的不均匀性，不同测温点的温度变化不同，其变化量可相差几度。     

遥感用于地震预报的理论及实验结果

本文论述了遥感用于地震预报的理论并进行了实验,实验得出岩石辐射特性、辐射温度随岩石应力的变化而变化,辐射亮度变化的量级为10~(-5)(W/cm~2·sr·μm),辐射温度变化为0.2—0.8℃,并且还发现了一些有意义的遥感前兆信息。遥感这一先进的科学技术能够用于地震预报得到了实验的初步证实。     

地表岩石变形引起热红外辐射的实验研究

对地表常见的 5种岩石样品和应力变温特性进行了详细研究。实验结果与理论分析表明 ,岩石弹性变形的压力温度关系均表现为加压升温 ,减压降温 ,同经典热力学理论完全一致。在常温常压的地表环境下 ,开放观测系统记录到的岩石材料弹性变形所引起的最高温升在 0 .2K左右 ,升温率一般在 3mK/MPa左右。破裂或摩擦瞬间岩石有显著升温 ,温度变化量从几至十几摄氏度不等。弹性变形导致的温度变化量极其微小 ,不但远远小于气候影响的幅度 ,而且超出了卫星红外的直接探测能力。因此 ,需要探索新的红外图像分析方法 ,考察其它的热异常物理机制     

静围压下岩石纵波速的变化和各向异性

在500MPa静围压下研究了多种岩石样品的三维纵波速和波速各向异性。岩石样品采自美国南加州Whipple山的不同地层。实验得到如下结果:1.岩石的纵波速各向异性是一个普遍的特征。2.岩石样品的三维纵波速均随围压的增加而增加,但增量大小的次序与围压无关。3.岩石的各向异性普遍随围压的增加而减小。4.岩石内层理被压缩是岩石各向异性随围压减小的主要原因。 本文还首次提出了波的振幅随围压加载和卸载变化的现象。     

岩石红外比辐射率简易测定方法及意义

利用地表辐射 (亮温 )求取地面温度需要通过岩石比辐射率进行换算。地球上的岩石千差万别 ,即使岩石学上分类一致的岩石 ,比辐射率也可以显著不同 ,需要大量的比辐射率时 ,现有测量方法显得过于复杂或环境要求过高 ,发展简便的比辐射率测量方法十分必要。实际上 ,在室温情况下 ,比辐射率为常数 ,可以通过测量一系列的温度和相应的辐射值 ,仪器本身的辐射和环境辐射可直接当作未知量参加反演 ,最终利用最小二乘法拟合获得比辐射率 ,大大降低了测量的难度。文中测量了1 6种岩石标本的比辐射率 ,方差一般保持在 0 .0 1左右 ,大多数 <0 .0 1 ;线性拟合的相关系数均 >0 99     

饱和多孔岩石弛豫衰减对时间和温度的依赖性

通过饱和多孔岩石的低频亚共振试验 ,得到了饱和多孔岩石的内耗峰是典型的弛豫峰的结论 .不同的饱和液体、不同的岩石导致不同的弛豫峰特征 ,饱和岩石的弛豫特性 ,是寻找油田、地热田和预测储层的物性基础 .试验结果表明 ,饱和多孔岩石都具有一个共同的特性---时间和温度的等效性 ,即降低温度与增加振动频率是等效的 ,这就是饱和多孔岩石的弛豫共性 .     

水对受力岩石变形破坏宏观力学效应的实验研究

为了了解水对受力岩石的宏观力学效应,在MTS电液伺服材料试验系统上,对不同饱水度的砂岩、花岗闪长岩、灰岩和大理岩进行了单轴压缩试验,取得了这几种岩石的单轴抗压强度和弹性模量随饱水度变化的定量结果.结果表明,水对受力岩石的力学效应与岩石中的含水状态是密切相关的,自然状态的砂岩、花岗闪长岩浸水后,其峰值强度和弹性模量随饱水度的增加而迅速衰减,当饱水度达到某一定值时,这两种岩石的峰值强度和弹性模量基本稳定下来;文中用函数Y=Aexp（-Bx）+C对实验结果进行了最小二乘法拟合.实验中求得水饱和状态和自然状态砂岩的泊松比并没有明显差异,说明在宏观上水对该种岩石受力变形的作用是各向同性的.通过10^-5/s和10^-4/s两种不同应变率试验,发现水对受力岩石的力学效应具有时间依赖性,这一特点说明仅从有效应力原理来考虑水对受力岩石的力学效应是不够的,而应考虑应力腐蚀这样复杂的过程.此外,大理岩的试验结果表明,水对受力的碳酸盐类岩石的作用机理是一个值得进一步探讨的问题,它与水对受力的含SiO₂类岩石相比,可能存在差异.     

岩石变形实验热红外观测系统

岩石变形导致的温度变化极其微弱 ,对观测系统与环境有严格要求。正确选择红外观测系统的参数 ,配备高灵敏度的温度场观测设备 ,以及有效地控制环境热背景决定了变形热红外实验结果的可靠性。在对噪声与干扰源进行详细分析的基础上 ,提出了进行热红外实验所需要的各主要设备的关键技术指标 ,并建立了一套相应的实验系统。典型材料样品实验表明 ,在考虑到变形热红外实验的各种特殊要求 ,认真选择观测设备 ,并进行了严格的误差校正之后 ,可以获得可靠的变形热过程信息     

高温高压下岩石弹性波速特征及其在深部地质研究中的意义

本文收集、整理、研究了７０年代以来的高温高压下岩石的Ｖｐ，Ｖｓ，Ｖｐ／Ｖｓ，Ｖｐ各向异性等实验资料后得出：（１）低压下岩石Ｖｐ的急剧变化是由岩石中裂纹与孔隙等引起的；（２）温度升高可增大由岩石组构引起的Ｖｐ各向异性的变化率；（３）同种岩石在不同的大地构造环境中具有不同的波速值与变化规律；（４）Ｖｐ在高地温区随温度先降低而后升高，其原因是由矿物相变造成的，与地壳中低速带的性质相当。文章最后讨论了实测波速转换为岩石类型时实验研究岩石波速的意义。     

小尺度岩石爆破引起电磁辐射的野外实验观测结果

为探索地震电磁辐射(EMR)现象的机理，我们在野外进行了爆破岩石引起电磁辐射的实验．此次实验共取得26次小尺度岩石爆破的中低频(＜5 000 Hz)电磁辐射资料．本文给出了该野外实验的某些有代表性的观测结果．结果表明:26个爆破点中20个爆点附近不同程度记录到与爆破过程有关的EMR现象，其强度随与爆点距离增加而减少，随爆破能量增大而增大；EMR记录具有某种重复性(相同条件下)、复杂性(多次辐射效应)和区域性特征；并受测区岩性结构条件、爆破源能量和观测方向等多种条件的影响．      

岩石破裂电磁辐射（EMR）现象实验研究

岩石破裂电磁辐射现象是客观存在的物理现象.随着电磁辐射观测技术在地震研究、冲击矿压预测等领域的应用，极大地推动了岩石破裂电磁辐射的实验研究.本文对岩石破裂电磁辐射的影响因素以及相伴生的现象，以及有关的物理解释进行了概括介绍.由于不同研究者使用实验设计、实验参数、实验条件的不同，使得观测和研究结果同样难以统一认识.不同的研究者根据各自的试验提出了不同的物理机制.同时对已发现现象的重复性、证实性研究岩石试验缺乏.严重匮乏利用数值模拟以及建立模型定量研究岩石破裂的电磁辐射.此外，岩样实验系统不同于实际的地震系统，进行模拟震源环境的实验研究，发展大尺度的标本和原岩现场实验的基础上，如何建立室内室外岩石实验与地震观测事实之间的联系是问题的关键.     

不同温压条件下弹性波在岩石中传播速度的实验研究

对以岩浆岩为主的岩石类型进行了不同温压条件下弹性波传播速度的实验研究，结果表明：（１）岩石的物质组成是决定弹性波传播速度的主要因素。以岩浆岩为例，由酸性到基性波速呈增加趋势；（２）岩石中弹性波的传播速度随环境条件改变而变化。一般说来，随温压条件的升高而升高     

10.6～1.5GPa、室温～1 200℃条件下青藏高原地壳岩石弹性波速特征

通过对采自青藏高原的六种地壳岩石，包括花岗闪长岩、混合岩、片麻岩、玄武岩、辉橄岩及斜长角闪岩等，进行高温高压纵波速度测量，发现绝大多数地壳岩石其纵波速度在压力高于0.2-0.3GPa时基本上随压力线性增加。在固定压力下随温度升高而降低，但在温度较低时这一现象并不明显，随温度的程式高波速出现明显降低。通过对实验后的样品进行显微薄片分析，发现含水矿物的脱水和部分熔融是造成岩石波迅速降低的主要原因。在实验过程中还发现高压下温度较高时，接收到的超声波振幅会增大。对实验中发现的这些现象本文进行了初步的分析和讨论。     

岩石破裂声发射m值和岩石力学性质

实验测定了多种岩石在破裂应力的50％时杨氏模量E和声发射的m值。结果表明:m值和E有很好的线性关系m=1.39+1.44E×10~(-11)P_a~(-1)。同时观测数种岩石破裂孕育过程中的E和m值。结果表明:在加载初期,E和m值都较低。随着压力增加,E和m值也增加。在破裂应力的35％至75％时,E和m值大致平稳。破裂前,岩石应力—应变曲线的斜率E和声发射的m值均明显下降。但E值下降滞后于m值。建议利用m值评定场地岩石力学性质及其稳定性。     

岩石中裂纹孔隙率的实验测定

岩石中的孔隙按形状划分，可以大致分成孔洞和裂纹两类。孔洞的纵横比大，形状近似于球形，它与油气储藏有密切关系。孔洞孔隙度是岩石孔隙度的主要贡献。裂纹纵横比小，形状细长，它所造成的孔隙度是岩石总孔隙度的一小部分。但是岩石中裂纹的存在和裂纹孔隙度的变化，对于岩石的各向异性和S波的分裂有重要的影响。本文利用两类不同形状孔隙对流体静压力的不同响应，利用改变流体静压力的实验对岩石中的裂纹孔隙率进行了测定；实验得到的裂纹孔隙率和岩石裂纹的闭合压力，为了解岩石各向异性、S波分裂以及地壳动力学提供了基础数据。     

岩石超高压状态参数的实验研究

岩石的超高压状态参数对研究地球动力学问题和岩石爆破工程问题具有十分重要的意义.本实验应用平面波炸药透镜驱动飞板撞击靶板产生超高压冲击波,并用探针测量冲击波在岩石试件中的传播速度和粒子速度,再由 Rankine-Hugoniot 方程得到岩石的密度与压力之间的关系.所研究的岩石为石灰岩和花岗岩.实验的最高压力超过70GPa.得到两种岩石的超高压状态方程是:石灰岩————=3.22+0.016p;花岗岩————=3.20+0.024p.其中的单位为 g/cm3,p 的单位为 GPa.      

由含断层岩石非均匀性产生的地震前兆的数值模拟研究

使用新开发岩石破裂过程分析软件(RFPA2D)，通过一系列模型实验，研究岩石中预制断层面几何特征和力学非均匀性对地震前兆产生的影响。模型使用5个具有不同均质度的岩石样本进行数值模拟研究。数值模拟结果表明，不同均质度岩石破坏在地壳中会产生不同的地震前兆现象。在一些区域，可以观测到明显的前兆，而在另一些地区却很难观测到明显的前兆现象。模拟结果与实验观测和自然界实际观测结果由很好的一致性。