甘肃北山花岗岩裂隙几何学特征研究及岩石质量初探

文中以甘肃北山花岗岩中发育的构造裂隙(主要指节理)为研究对象,通过野外裂隙调查,应用传统的概率统计方法与分形几何学理论,利用Mapinfo,ArcGIS平台进行裂隙几何学参数(方位、长度、密度等)的统计、计算和裂隙网络的空间结构分析,研究花岗岩岩体中裂隙的几何学特征。并以此为基础,对甘肃北山花岗岩岩体质量优劣进行初步评价。结果表明:在10～200cm范围内,裂隙网络是分形的;5个测点裂隙网络的分维值分别是1.636,1.548,1.596,1.724,1.604。分维数D不仅能刻画岩体中结构面发育的数量,而且能反映结构面在岩体中分布的均匀程度和交切方式。因此,可以表征岩体的质量优劣,对岩体质量进行分级。按照分维所划分的岩体质量分级,北山花岗岩属于裂隙较发育、岩体质量等级一般的岩体     

分形维数计算结果的可靠性

本文以大量分形维数计算结果的实例为基础，着重讨论了影响分维值可靠性的因素，特别指出对于未知动力学系统的自然界中的分形，很难获得真正的分形维数，若研究统计分形维数的变化特征，在采取了某些措施之后，其分维值可比，可用。     

用分形理论研究海南岛的活动断裂

在编制海南岛及其邻近地区地震构造图的基础上，利用数盒子法计算了海南岛的活动断裂的分形维数，并从分形理论的角度讨论了活动断裂和地震活动性之间的关系，认为活动断裂的分形维数和地震活动性的分形维数是相等的。从活动断裂的分形维数和地震活动性的分形维数的一致性来看，区域性的地震活动可能受到该地区活动断裂空间分布的制约和作用。     

地震前兆观测资料的分形处理方法

本文从自仿射分形的角度探讨地震兆汾观测资料的分形处理方法。在对自仿射分形的分维量测方法进行对比分析的基础上，给出了处理地震前兆观测资料较为适用的分形方法和满足计算需要的样本点数，从对部分水氡和地电阻率资料进行了处理分析中，得到了有益的启示：地震前兆时序观测资料可用分形方法处理分析，分维值可反映观测资料的结构变化特征，其作为一个无量纲量为综合对比分析各类前兆现象，探讨地震前兆场的复杂性特征提供了有效     

自相似和自仿射分形裂纹力学

研究了断裂面分形特征的力学特征，同时研究了自相似和自仿射分形裂纹尖端附近应力和应变的奇异性结构，讨论了二维和三维固体中分形裂纹的3种经典断裂型式和第四种断裂型式。发现分形断裂力学中有6种断裂型式。同时，结果表明J积分与路径有关。阐明了文献中提出修改的、且被证明与路径无关的，积分仅局部与路径无关，而且没有物理意义。可以推测，分形，积分应当是单位裂纹扩展分形测度的势能释放率。我们计算了某些应变硬化材料中分形裂纹应力知应变奇异性的幂。结果显示，分形裂纹尖端的应力和应变比光滑裂纹的应力和应变有较弱的奇异性。     

地球物理信号能量(密度)多维分形及应用

地球物理信号代表的地质地球物理过程在多种尺度上和尺度之间表现为自相似性（self-affinity)或尺度无关性（Scale Invariant)，称为地球物理信号的分形性质，多个分形地球物理信号叠加在一起表现为多维分形特征，研究多维分形地球物理信号的能量或能量密度特征，可以进行时间或空间地球物理信号的校正、奇异性研究分析，或进行不同地球物理动力学过程的分解，本文描述了地球物理时间（空间）信号的多维分形过程和功率谱密度（能量密度）与波数以及重磁场能谱密度及面积（能量）与能谱密度的多维分形关系，并用地球物理测井与重磁资料作了试算。     

广义地震应变能释放的多重分形特征

利用基于小波变换的多重分形谱估计方法，研究了以中国东西部地区为代表的板内地震活动和以新西兰、日本为代表的板缘地震活动广义应变能释放的多重分形特征．结果表明，中国东、西部地震活动广义应变能释放的多重分形特征有明显差别，新西兰与日本的地震活动广义应变能释放的多重分形特征也有明显不同；地震活动的多重分形特征与构造的复杂程度有关．      

滇西动态重力网的分形特征及空间分辨力

介绍了用分形学描述地球物理观测网非均匀分布和联合应用分形特征与Ｓｈａｎｎｏｎ定理确定最佳网格距的方法。研究了滇西动态重力网的分形特征，它的分形维Ｄｆ＝１．２７，最佳网格距ｒ０＝２８ｋｍ。讨论了９１８６年至１９９４年间网区发生的８次Ｍｓ〉５．０级地震前重力场变化的可信性，指出这些变化的波长均大于１００ｋｍ，至少２倍于网 最小空间分辨力，因而是可信的。     

分形理论在地震学中的应用研究

分形理论是现代非线性科学中一个非常重要的研究领域，它的思想和方法已经渗透到自然科学的各个领域.在过去的二三十年间，分形科学已经有了很大的发展.它在数学、物理学、材料学、地质勘探、股票预测以及计算机和信息科学等各个自然科学领域，都得到了广泛的应用，同时也给地震学的发展注入了巨大的活力.本文首先简要回顾了分形理论的发展历程，然后就其在地震学各领域的应用进行了概括阐述，最后给出了分形理论在地震学中应用前景的展望.     

地震序列自仿射分形及自相似分形的计算与比较

本用标准偏差法和标度变换法，计算了云南省五个地震区带上１９６５－１９９５年间地震序列的自仿射分形的分维值Ｄ△ｔ（地震时间间隔序列自仿射分形）ＤＭ－ｔ（地震震级一时间序列自仿射分形）及自相似分形的分维值Ｄ０（地震时间分布自相似分形）得到了相应的时间变化曲线，ＤＭ－ｔ～ｔ，Ｄ△ｔ～ｔ和Ｄ０～ｔ。通过相互比较发现，其中ＤＭ－ｔ的随时间变化在中强地震前的反应最为敏感。     

岩石分形断裂的统计理论

本文研究了岩石分形断裂的统计理论.认为岩石断裂是岩石内部微裂缝成核、形成和传播的非平衡过程,导出了描述这个过程的微分方程.运用位错塞积成核机理,得到了岩石发生分形断裂的微裂缝大小的统计分布函数和平均长大速率.从理论上得出了岩石非弹性体积应变与微裂缝数目成正比,从而解释了实验室研究的结果.另外发现岩石的分维是决定岩石脆性的一个重要因素,分维值愈小,岩石愈脆.但岩石的分维值与岩石强度无明显关系.最后,从微裂缝大小的统计分布函数出发,导出了b值与岩石分维值的关系.     

Fractal dimension of fault systems in Japan: Fractal structure in rock fracture geometry at various scales

Based on fault maps, whether or not the fracture geometry of rocks is self-similar, was examined by using a box-counting algorithm. The statistical self-similarity (fractal structure) of the fault fracture systems holds well at the scale of about 2 to 20 km. The fractal dimension in Japan varied from 1.05 to 1.60. The fractal dimension is about 1.5–1.6 at the central part of the Japan Arc, and decreases with distance from the center. At a smaller scale, the fractal structure also holds well in the rock fracture geometry. The fractal dimension of the North Izu Peninsula fault system (branching faults) is 1.49 at the scale of 0.625 to 10 km, the fractal dimension of rock fracture geometry at the scale order of 10^–1 to 10^–2 meters is about 1.49–1.61. The upper limit of the fractal dimension of rock fracture geometry is about 1.6, judging from the estimation of fractal dimension on actual fracture geometry of rocks. This value may impose a restraint on modeling of faulting and the fracture process of rocks.     

逾渗与岩石破裂的计算机模拟研究

用计算机模拟方法研究了岩石破裂的逾渗模型，给出了在微裂隙随机分布情况下破裂集团的分布图象、破裂集团的大小分布规律、总破裂集团数、集团平均大小、ｂ值、逾渗分维Ｄ及临界情形。所得结果与其他模型和实验基本一致，表明通渗模型是描述岩石破裂扩展演化过程的一种较合适的模型。还发现了岩石破裂过程存在的两个转折点，深入研究这两个转折点附近岩石的宏观性质，可为探索地震孕育演化过程的前兆性质提供依据。     

分形几何在岩土力学研究中的过去、现在与未来

首先简略地介绍了分形几何理论及其方法。从岩土材料结构的定量描述、流体在岩土体中的渗流问题、岩土材料强度的分形模型和分形空间的力学特征四个方面叙述了分形理论在岩土力学研究中取得的成果及应用。指出只有将岩土力学系统在欧氏空间的各种基本变量、原理和方法向分形空间推广和拓展,才能产生对岩土材料非线性力学行为的新认识,这也是分形理论在岩土力学研究中进一步深化的基础。     

震后地下岩层分形渗透率的时间演化规律研究

天然地震发生后,地震波及区域内的地下岩层渗透率常常会发生显著改变,其变化曲线显示出独有的特征,造成这一现象的机理较为复杂,传统渗流理论尚不能给出合理解释.针对这一问题,从震后渗透率变化规律入手,深入分析了地下岩层裂缝体系对渗透率的影响,给出了裂缝结构参数与渗透率之间的定量关系.结合岩层黏弹特性以及天然地震所产生的地下岩层体应变特征,基于裂缝体系分维度正比于外部应力的实验事实,将黏弹体应力松弛机制引入该体系,对裂缝分形渗透率模型进行了含时推广,建立起震后地下岩层渗透率的时间演化模型,理论预测曲线与实验曲线吻合较好.在此基础上提出‘分形裂缝渗透率松弛效应’这一全新概念.本研究为震控流体运移研究提供了新思路,对于揭示震后断层恢复机制,探讨断层活动与孕震的关联有一定的理论价值和现实意义.     

垂直向地震作用对节理岩体失稳破坏的影响

基于线弹性断裂力学理论分析了垂直向地震作用对节理岩体地震动力破坏的影响。在仅考虑峰值时,最不利的单向地震动加速度方向是水平倾向坡外,双向则依据破裂机制是拉剪或压剪,加速度分别是水平倾向坡外与向下或向上的组合。地震动的幅值、作用方向及双向地震动的组合都可使岩体的破坏机制发生转化,并且是突变的、不可逆的。较低峰值的双向地震动产生的应力强度因子可能大于较高峰值的单向地震动所产生的应力强度应子。在岩体节理分布特征和静态应力场一定的初始条件下,第一个导致岩体中产生破裂的地震动加速度幅值及其方向的组合唯一地决定了岩体不可逆破坏发展的方向、机制及最终的破坏特征,其复杂性远大于静力作用时的情况。对岩体地震动力破坏问题的认识应充分考虑垂直向地震动的重要影响。     

Why permafrost rocks become unstable: a rock–ice‐mechanical model in time and space

In this paper, we develop a mechanical model that relates the destabilization of thawing permafrost rock slopes to temperature‐related effects on both, rock‐ and ice‐mechanics; and laboratory testing of key assumptions is performed. Degrading permafrost is considered to be an important factor for rock–slope failures in alpine and arctic environments, but the mechanics are poorly understood. The destabilization is commonly attributed to changes in ice‐mechanical properties while bedrock friction and fracture propagation have not been considered yet. However, fracture toughness, compressive and tensile strength decrease by up to 50% and more when intact water‐saturated rock thaws. Based on literature and experiments, we develop a modified Mohr–Coulomb failure criterion for ice‐filled rock fractures that incorporates fracturing of rock bridges, friction of rough fracture surfaces, ductile creep of ice and detachment mechanisms along rock–ice interfaces. Novel laboratory setups were developed to assess the temperature dependency of the friction of ice‐free rock–rock interfaces and the shear detachment of rock–ice interfaces. In degrading permafrost, rock‐mechanical properties may control early stages of destabilization and become more important for higher normal stress, i.e. higher magnitudes of rock–slope failure. Ice‐mechanical properties outbalance the importance of rock‐mechanical components after the deformation accelerates and are more relevant for smaller magnitudes. The model explains why all magnitudes of rock–slope failures can be prepared and triggered by permafrost degradation and is capable of conditioning long para‐glacial response times. Here, we present a synoptic rock‐ and ice‐mechanical model that explains the mechanical destabilization processes operating in warming permafrost rocks. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

A constitutive model for water flow in unsaturated fractured rocks

A conceptual model for describing effective saturation in fractured hard rock is presented. The fracture network and the rock matrix are considered as an equivalent continuum medium where each fracture is conceptualized as a porous medium of granular structure and the rock matrix is assumed to be impermeable. The proposed model is based on the representation of a rough‐walled fracture by an equivalent porous medium, which is described using classical constitutive models. A simple closed‐form equation for the effective saturation is obtained when the van Genuchten model is used to describe saturation inside fractures and fractal laws are assumed for both aperture and number of fractures. The relative hydraulic conductivity for the fractured rock is predicted from a simple relation derived by Liu and Bodvarsson. The proposed constitutive model contains three independent parameters, which may be obtained by fitting the proposed effective saturation curve to experimental data. Two of the model parameters have physical meaning and can be identified with the reciprocal of the air entry pressure values in the fractures of minimum and maximum apertures. Effective saturation and relative hydraulic conductivity curves match fairly well the simulated constitutive relations obtained by Liu and Bodvarsson. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.