结构岩体变形、破坏与地震前兆关系的实验研究

本文主要以岩石试件切口在单轴压缩条件下的扩张来模拟大陆内部断层端部扩张型地震的孕育过程。在实验中观测了试件在外力作用下的应力-应变关系、张裂纹和剪切破坏在时间和空间上的扩展顺序,以及由此引起的声发射和纵波走时变化特征。根据实验结果讨论了由断层端部扩展引起地震的前兆——如断层蠕滑、前震迁移路径、地下水和地形变等各类地震前兆上显示的差异性,对于观测前兆和前震区与主震区的相对位置,具有一定的指导意义     

最小能量准则用于1995年河北沙城ML 4.1地震序列破裂性质的探讨

运用变分原理,我们得到了最小地震波辐射能量约束准则并用于研究震源的物理过程.通过研究1995年ML4.1河北沙城地震序列主震和余震的动力学过程,可知主震和余震震源的动态破裂过程明显不同;ML4.1主震的破裂速度与瑞利波速相近,约为剪切波速度的0.89倍;而28个余震的破裂速度远远小于剪切波速度,大约是剪切波速度的0.05到0.55倍.根据裂纹扩展模型,计算得到其余震的地震波辐射效率多在10%以下,这也说明了余震的地震效率较低.我们认为余震震源的动态破裂过程应与断层内部新生裂纹的扩展有关,而非简单的岩体间的相对滑动.余震震源的动态破裂传播与破裂能占主导地位的小地震有关.这些小震所带来的破裂能也导致了断层的进一步扩展.在对该地震序列的研究中,我们发现主震与余震的震源破裂过程在能量分配上有着本质的区别.因此当地震断层尺度相当小时,破裂能的贡献不能忽略,它的大小将显著地影响地震波辐射能的大小.     

非穿透裂纹平板试件三维破裂的实验研究

在研究地震孕育及震源破裂的问题时,用三维破裂来模拟地震破裂过程,比二维破裂与实际更加接近。我们设计了一组实验,采用几种不同的材料（玻璃、有机玻璃和大理石等）做成平板试件,在其中心预制非穿透裂纹,并在单轴压下进行了实验研究。 实验结果表明,非穿透裂纹与穿透裂纹的扩展情况有质的差别。非穿透裂纹的扩展并不沿原裂纹面延伸,而是沿裂纹前缘扩展出许多裂纹面,每一个破裂面都是复杂的扭曲、拐折的曲面。这可能意味着实际地震断层的扩展情况也是极为复杂的。     

最小能量准则用于1995年河北沙城ML 4.1地震序列破裂性质的探讨

运用变分原理,我们得到了最小地震波辐射能量约束准则并用于研究震源的物理过程.通过研究1995年M_L4.1河北沙城地震序列主震和余震的动力学过程,可知主震和余震震源的动态破裂过程明显不同;M_L4.1主震的破裂速度与瑞利波速相近,约为剪切波速度的0.89倍;而28个余震的破裂速度远远小于剪切波速度,大约是剪切波速度的0.05到0.55倍.根据裂纹扩展模型,计算得到其余震的地震波辐射效率多在10％以下,这也说明了余震的地震效率较低.我们认为余震震源的动态破裂过程应与断层内部新生裂纹的扩展有关,而非简单的岩体间的相对滑动.余震震源的动态破裂传播与破裂能占主导地位的小地震有关.这些小震所带来的破裂能也导致了断层的进一步扩展.在对该地震序列的研究中,我们发现主震与余震的震源破裂过程在能量分配上有着本质的区别.因此当地震断层尺度相当小时,破裂能的贡献不能忽略,它的大小将显著地影响地震波辐射能的大小.     

由S波分裂随时间变化导出的断层快速愈合的证据

Tadokoro等(1999)曾对野岛断层带1995年兵库县南部地震后9～12个月期间的地震做了s波分裂分析。其快速剪切波偏振方向Ψ始终与断层走向平行，这表明剪切断层是破裂的起因。在该项研究中，我们另外做了主震后33～45个月的S波分裂分析并检测到了Ψ的旋转，其结果是Ψ平行于和断层走向斜交的区域最大水平压应力方向。这一剪切波偏振方向随时间的变化表明，在上述两个时段之间由剪切断层引起的破裂完全愈合，而构造应力引起的裂纹也得以恢复。在主震后33个月内所完成的这一变化过程，是断层快速愈合的强有力的证据。     

岩石破裂系分形及分维数测定

花岗岩在固体围压三轴压缩下破裂，然后沿主破裂面摩擦滑动（粘滑或稳滑），实际后我们将样品从围压介质铅中剥出来，做成显微薄片。在２０倍显微投影仪下观测其主破裂及裂纹系分布，用尺度法统计并计算裂纹系分维。结果表明，８个样品的无标度区（Ｒ）都相同，但是随尺度变化，分维值表现出分段线性的特征。当０．０５〈Ｒ〈０．１５ｍｍ时，裂纹系分维在１．１２－１．４１之间，主破裂分维在１．０８－１．１５之间；当０．１５〈     

地震破裂过程的研究

研究震源力学模型的一个新方向是用动态扩展的剪切裂纹模拟地震破裂过程。本文利用裂端有塑性区薄层且断层面上有摩擦力的平面剪切裂纹错动模式来表示地震破裂过程,对运动方程和边界条件进行拉氏变换和傅氏变换,利用维纳-霍普（Wiener-Hopf）方法和卡格尼阿（Cagniard）方法得到了断层面上的位移和应力表达式。根据裂端附近的能量平衡条件,计算了地震破裂的平均速度和塑性区尺度,还讨论了断层面上的位错分布函数,并对某些前震地震波高频成分增多的现象提出了解释。在本文假定的参数条件下,地震破裂的平均速度c=0.72β,β是介质的剪切波速。塑性区尺度约为地震新断层总长度（包括塑性区）的12％。按本文的结果,由于破裂速度的增加,前震的震波初动半周期减小的异常幅度不会超过39％。     

2014年8月云南鲁甸MS 6.5地震典型地表破裂特征

北京时间2014年8月3日16时30分,云南省鲁甸县发生了M_S 6.5地震,本次地震的发震构造为包谷垴-小河断裂。野外调查发现,王家坡不稳定斜坡上的地表破裂在整个破裂带中比较具有代表性,其地表破裂带整体走向N45°W-N50°W,并且由剪切破裂、张剪切破裂、压剪切破裂、张性破裂以及鼓包等典型地表破裂组成。其中左、右地表破裂边界与发震断层的出露位置一致,由断层错动造成;而部分地表破裂与断层的位置不重合,其成因分为2种,一种是发震断层导致的一些次级地表破裂,另一种是地震引发的滑坡后缘破裂。地表破裂类型和基本组合特征显示出王家坡潜在不稳定斜坡上的地表破裂带具有左旋走滑的性质。     

三轴实验测定的几种地壳岩石在高压下的剪切断裂参数

本文从地震失稳分析的角度,认为剪切裂纹(断层)扩展的滑动弱化模型可以由下列参数系统表征:断裂能G,弱化带大小ω,特征位移δ~*或平均特征位移(?),应力降τ_p—τ_f和应力下降函数h;采用三轴实验方法对一些地壳岩石在高围压/正应力条件下的断裂参数进行了测定并就岩石在高压下的剪切断裂参数的一般特征等问题进行了讨论。     

在围压条件下岩体模型应力应变关系的实验研究

含切口岩体模型在差应力作用下的应力应变关系表明:岩体不同部位的应力应变曲线按斜率变化特征可以划分为四个发展阶段。根据对切口岩石破裂过程的对比,各阶段的变形机制分别与岩体内原微裂纹闭合、孔隙和颗粒弹性变形、宏观张裂剪裂以及剪切、张-剪主破裂相对应,但各阶段的发展进程在时间、空间上却不一致,这一差异均与切口分布和岩性变化相关。最后讨论了应力应变特征与发震断层孕震过程的关系,对地震预报可能有实际意义     

基于唐山7.8级地震探讨动态应力作用

运用三维非线性动态有限元方法(Non-linear Dynamic FEM)仿真模拟研究了菱形模型的动态应力作用,分析了1976年唐山7.8级地震.结果表明:(1)唐山地震前增强的中强地震产生的冲击力形成的应力波反射后发生半波损失, 成为动态的拉伸应力,通过减小内摩擦而引起岩石产生裂纹、局部破裂并发生串通,一方面触发地震,另一方面为孕育唐山地震积累能量,表现为正反馈过程.(2)唐山地震产生的冲击力加卸载存在时间差,造成加卸载冲击波相位不同,结果产生的动应力和围压叠加致使围压波动和下降,导致抗剪切强度降低,使初始破裂分别向北东、西南方向传播.(3)冲击力的卸载,相对于产生拉伸性的应力波,反射后发生半波损失,成为动态的压缩应力,致使围压增大并导致破裂停止;而动态应力在传播过程中衰减.因此,余震的发生是一个负反馈过程.     

An example of slip instability resulting from displacement-varying strength

A rock cylinder, containing a clay-filled sawcut making an angle of 30° to the sample axis, was deformed at constant confining and pore pressures and constant remote shortening rate. The sawcut surfaces contained a series of regularly spaced ridges and grooves oriented perpendicular to the direction of shear. The interaction of these grooved surfaces resulted in a sliding strength which varied periodically with displacement. By varying the effective machine stiffness through the use of an electronic feedback circuit, a range of stable and unstable slip behavior was achieved. In this way, we examined fault slip behavior which was dominated by displacement-dependent strength.     

原始电阻率各向异性岩石电阻率变化的方向性

在3种非含岩成分造成的岩石原始电阻率各向异性标本(在采集和加工过程中，标本完整性遭 到破坏的标本)，和一种由含岩成分形成的 岩石原始电阻率各向异性标本上，布设多个电极，并将标本用水饱和. 然后用多电极组合法 ，将己布电极组合成不同方向、不同极距的电阻率各向异性测线. 采用单轴压缩、低围压 三 轴压缩和剪切3种加载方式，对标本进行动态电阻率变化实验. 观测标本电阻率随承载力的 变化. 实验结果表明∶对于岩石原始电阻率各向异性标本，在电阻率变化各向异性方面，与 岩石 原始电阻率各向同性标本相似，即∶裂隙和破碎带通过区域的测点，视电阻率变化各向异性 结果好，４种组合求得的４个各向异性主轴方向趋向一致，且与破碎带方向基本吻合；裂隙 和破碎带不经过区域的测点，４个视电阻率变化各向异性主轴方向不一致，或者根本求不出 各向异性解. 这后一种情况，在裂隙面平行测量面时，表现最为明显.     

固体围压下完整花岗岩粘滑现象的实验研究

本文用完整的花岗岩样品在固体围压三轴实验装置上压缩,研究围压和应变速率对岩样变形破裂过程、粘滑应力降、粘滑复发间隔及样品主破裂几何分布的影响。结果表明,加载速率较低时,粘滑应力降较大,复发间隔较长且分布无规律。加载速率越大,粘滑应力降越小,复发间隔也近似相等,粘滑事件表现出准周期性。围压和应变率较低时,岩石的主破裂会演变成两个交叉的共轭断裂面;而围压和应变率较高时,岩石的主破裂则演变成单一断裂面或入字形断裂面。本文结果对认识中国大陆板内地震孕育、发生及重复过程;研究地震重复发生的机制及影响地震复发间隔的主要因素都有重要意义。     

The Frozen Soils and Devastating Characteristics of West Kunlun Mountains Pass Ms 8.1 Earthquake Area in 2001

The investigation on damages to frozen soil sites during the West Kunlun Mountains Pass earthquake with Ms 8.1 in 2001 shows that the frozen soil in the seismic area is composed mainly of moraine, alluvial deposit, diluvial deposit and lacustrine deposit with the depth varying greatly along the earthquake rupture zone. The deformation and rupture of frozen soil sites are mainly in the form of coseismic fracture zones caused by tectonic motion and fissures,liquefaction, seismic subsidence and collapse resulting from ground motion. The earthquake fracture zones on the surface are main brittle deformations, which, under the effect of sinlstral strike-slip movement, are represented by shear fissures, tensional cracks and compressive bulges. The distribution and configuration patterns of deformation and rupture such as fissures, liquefaction, seismic subsidence and landslides are all related to the ambient rock and soil conditions of the earthquake area. The distribution of earthquake damage is characterized by large-scale rupture zones, rapid intensity attenuation along the Qinghai-Xizang (Tibet) Highway, where buildings distribute and predominant effect of rock and soil conditions.     

Experimental Study of the Earthquake Recurrence Period and the Trend of Post-seismic Development

In order to study the earthquake recurrence and the characteristics of earthquake series, rupture tests of rock samples and plexiglass samples were made. On rock samples, a number of acoustic emission (AE) and strain measuring points were deployed; the load was one side direct shear. The variation characteristics of AE and strain at different detecting points around the extra large fracture were observed and studied. On plexiglass samples, a series of inclined cracks were prefabricated by a small-scale compressive testing machine. The samples were then loaded on a shockproof platen, when the samples were loaded, the stress intensity factor (SIF) was determined by the laser interferometric technique and shadow optical method of caustics. The fracture conditions such as material toughness around the extra large fracture were also studied. From those experimental results and the theory of fracture mechanics, the earthquake recurrence period and the trend of post-seismic development were studied.     

西昌昔格达组黏土岩动力特性试验研究

在大量动三轴试验的基础上,研究了不同固结条件(σ3c=100,200,400 kPa,kc=1.0,1.5,2.0)下西昌昔格达组黏土岩的动应力-动应变关系、动弹性模量、阻尼比及动强度特性。研究结果表明:西昌昔格达组黏土岩在一定条件下的动应力-动应变关系符合幂函数模型。动应力随着固结围压σ3c或固结主压力比kc增大而增大。在相同围压下,达到相同动应变时,偏压固结状态比均压状态所需要的动应力大。当其他条件相同时,动弹性模量随固结压力或固结主压力比增大而增大,随着动应变的增加而减小并趋于稳定。最大动弹性模量Ed0与σ3c/Pa、kc均有良好的幂函数关系,且对不同固结应力状态条件可以归一。阻尼比随动应变增大而增大,但增大幅度随动应变增大而迅速减小,阻尼比随围压或固结主压力比增大而减小,但它们对阻尼比影响较小。不同固结应力状态下(λ/λmax)与(1-Ed/Ed0)有良好的幂函数关系。西昌昔格达组饱和黏土岩动剪应力τd随固结围压σ3c或固结主压力比kc增大而增大,随振动次数增加而减小。τd/σm均随固结围压σ3c增大而减小,随固结压力比kc增大而增大。动剪应力τd与平均压力σm、固结主压力比kc有较好的线性关系。     

Spontaneous Complex Earthquake Rupture Propagation

— The historical development of spontaneous rupture propagation, starting from the landmark paper of Griffith in 1920, through to the late 1980s is traced, with particular emphasis on the work carried out at MIT in the 1970s by K. Aki and his co-workers. Numerical applications of Kostrov's method for planar shear cracks were developed by Hamano, Das and Aki. Simultaneously at MIT, Madariaga considered the radiated field of a dynamic shear crack. The further development of these ideas, for example, three-dimensional spontaneous planar faulting models, continued through the 1980s. Major insight into the maximum possible rupture speeds for earthquakes developed, with the acceptance of the theoretical possibility of supersonic rupture speeds for faults with cohesion and friction, the theoretical developments spurring the search for such observations for earthquake ruptures. Possible mechanisms by which faults stop were elucidated. It was shown that a propagating rupture can jump over barriers for cracks with a cohesive zone at its tip. Complex faulting models, namely the barrier and asperity models, and their associated radiated field developed. In the late 1980s, it was shown that “dynamic” or transient asperities can develop during the complex rupturing process. Even seemingly relatively simple physical situations, can lead to such complex rupturing processes that the usual idea of “rupture velocity” needs to be abandoned in those cases. Some of the work initiated by Aki and his co-workers, such as the details of the transition from sub-Rayleigh to super-shear speeds in inplane shear mode, and the behavior of the cohesive zone size as the crack extends, still remains the subject of research today.     

不同围压条件下的圆形巷道岩爆过程模拟

利用FLAC模拟了不同围压条件下圆形巷道的岩爆过程。为了模拟巷道开挖,利用编写的FISH函数删除巷道内部的单元。岩石服从摩尔库仑剪破坏与拉破坏复合的破坏准则,破坏之后呈现应变软化-理想塑性行为。模拟结果表明：当围压较低时,剪切应变集中区域呈圆环状,围岩能保持稳定,不出现剪切带;当围压增加到一定程度时,围岩中出现了“狗耳”形的V形坑,发生岩爆,但围岩也还能保持稳定;当围压进一步增加时,围岩中出现了多条狭长的剪切带,巷道的整个断面均遭到了破坏,发生强烈的岩爆。随着围压的增加,V形岩爆坑变大、变深,剪切带花样的对称性变差;在高围压时,剪切带花样与塑性力学中的滑移线网有类似之处。