含裂隙介质中的视电阻率各向异性变化

我国50多年的视电阻率连续观测结果表明,大地震前近震中区域的视电阻率呈现出与主压应力方位有关的各向异性变化,即:垂直于主压应力方向观测的变化幅度最大,平行方向最小或不明显,斜交方向介于二者之间.目前我国定点台站视电阻率观测的探测范围主要在浅层沉积层以内,通常含有较多的含水裂隙.本文将地下岩土介质简化为由固体基质和含流体/气体裂隙组成的固液气三相介质,且基质、流体和气体具有标量形式的电阻率,推导出了包含基质和流体电阻率、裂隙率、饱和度和裂隙面积率因子的电阻率张量表达式.以裂隙的扩展/闭合表示应力作用下裂隙的变化,得到了电阻率随裂隙变化的微分形式,电阻率变化对裂隙体积变化放大系数的表达式和裂隙横向变化对纵向电阻率影响的横向权系数的表达式.在此基础上得到了介质电阻率和视电阻率的各向异性变化特征:对于含水裂隙介质,无论裂隙如何变化,均是最小主轴方向电阻率的变化幅度大于其他方向;对于含水孔隙介质,沿孔隙主要变化方向的主轴电阻率变化幅度大于其他方向.对于各向异性变化,视电阻率和介质电阻率存在π/2的方向差异.相较于含水岩石,无水岩石介质电阻率的各向异性变化不显著.本文提出的电阻率表达式可以对实验室和野外实际观测的许多结果做出合理的解释.     

中国中强地震前地电阻率中短期异常特征及其可能原因

地电阻率已经发展成为我国地震地球物理场观测的重要方法,通过标示一定区域范围内介质电阻率随时间的变化特征和空间分布,应用于探索地震孕育发生的过程。在50多年的观测过程中,记录到了近百次5～8级地震前的中短期异常和部分强震前的临震变化以及地震发生之后的恢复过程。电阻率是地下介质重要的物性参数,与岩土骨架和裂隙内流体电阻率、裂隙率、裂隙结构以及流体饱和度等因素有关。其中,应力作用导致的微裂隙结构变化是引起电阻率变化的重要因素。已有相关研究分别从岩石物理实验、介质电阻率模型、震例研究等方面讨论了地震前地电阻率变化的可能机理。本文对其中具有代表性的研究结果进行梳理,以“介质变形-电阻率变化”为纽带,将岩石物理实验和电阻率模型给出的细观尺度介质电阻率变化机制与震中周围地电阻率异常变化的宏观现象联系起来,介绍地震晚期孕育阶段地电阻率异常变化的可能原因。地震孕育引起发震断层周围介质变形,由发震断层向外围方向附加变形程度逐渐衰减; 地表浅层介质处于低围压状态,新生微裂隙将大致沿最大主压应力方向扩展,进而引起介质电阻率发生变化; 同一台站不同方向观测的地电阻率呈现出与P轴方位有关的各向异性异常变化,与P轴方向夹角越大的测道异常幅度越大,与P轴方向平行或近于平行的测道异常幅度最小或无异常变化; 地震前挤压变形增强区域地电阻率异常呈现下降变化,相对膨胀区域呈现上升变化或变化不明显。     

岩石受压过程中应力反复对电阻率的影响

在岩石电阻率随压力变化的不同阶段,部份地减低轴向压力后再加压(每回总压降约为破坏应力的10%).研究这种特殊的加载方式下,即所谓应力反复对电阻率的影响.结果如下:(1)对高水饱和度岩石,随压力不断增加电阻率变化的总趋势为上升——平稳——下降的变化形态(包括饱和度为100——70%).对低饱和度岩石(实验中饱和度为70%和50%),电阻率变化的总趋势已改变.(2)对高饱和度岩石共作了十一次应力反复实验.除了水饱和度为71%的岩石在压力为30MPa 处,应力反复时电阻率无明显变化外,其余均呈现电阻率的负异常(下降幅度约2%左右),我国地电台在震前观测到的地电阻率变化以负异常为主.实验结果为解释这种负异常提供一种新的可能机制.(3)在电阻率随压力变化的下降段,特别是接近岩石破坏时,应力反复所引起的电阻率负异常与一般情况下出现的负异常相比,有以下三个特征:a)负异常的幅度要大一个数量级(约-20%);b)不仅应力下降时电阻率下降,而且应力恢复时电阻率仍然下降;c)各个方向电阻率变化的差别很大(约10%).以上这三个特征可作为岩石临近破坏的标志.而一般的电阻率负异常可能只与应力反复有关,并不意味着岩石处于临近破裂的危险状态.(4)低饱和度岩石,应力反复可能引起电阻率的正异常.作者还用      

地电阻率年变化的方向性与中国大陆构造应力场

本文先研究了矿井中岩体(或矿体)和混凝土胶结充填试件受力作用下地电阻率(s)年变化的方向性.结果表明,平行压力方向的地电阻率年变化幅度最小,垂直压力方向则最大,与压力方向成45夹角的则介于二者之间.根据此结果,我们统计了全国98个地电台的地电阻率资料,并将中国大陆按应力场方向划分为三大应力场区:1.中国西部应力场区,其方向为近南北向;2.中国北部应力场区,其方向为近北东向;3.中国东南部应力场区,其方向为近东西向.因此,可以利用同点三向等极距地电阻率年变化法来测量当时当地不同方向的应力场作用.      

致密储层岩石应力各向异性与材料各向异性的实验研究

本文在实验室中对四组来自不同地区的致密砂岩和页岩的波速和波速各向异性开展了研究.结合扫描电镜分析和波速应力敏感性测试,分析了引起致密砂岩和页岩各向异性的主要影响因素及规律.研究结果:(1)层理和微裂隙是引起致密砂岩各向异性的主要影响因素,而页岩的各向异性主要由定向发育的矿物成分导致,本研究中所用的致密砂岩各向异性强于页岩的各向异性.(2)平行地层方向的岩石波速高于垂直地层方向的岩石波速,超声波速随着应力增加而增加(3)波速各向异性随应力的变化分为两阶段,第一阶段随应力增加而减弱的应力各向异性,与定向排列的微裂隙相关.第二阶段随应力不再发生变化的材料各向异性,与基质中的矿物成分相关.(4)利用体积应变获得的裂隙孔隙度,以及矿物成分含量验证了这两类各向异性,应力各向异性与裂隙密度成正比,材料各向异性与黏土矿物含量线性相关.(5)根据波速各向异性随应力变化的两阶段,可以定量区分裂隙和基质(矿物)对岩石各向异性的影响,研究结果对体积压裂的裂缝扩展具有重要的意义.     

单轴压缩下多裂隙含水岩样电阻率变化与体积应变

在单轴压缩下,对经过高温焙烧的含水辉长岩进行了轴向和径向电阻率变化以及体积应变的同时连续测量.结果表明,在完全饱和前的非弹性压缩阶段,电阻率随压应力增高而降低;在完全饱和的弹性压缩阶段,电阻率升高;在非弹性的体积膨胀阶段,电阻率继续上升.从Archie 公式出发,通过近似分析,导出了电阻率变化和体积应变的关系式.实验结果和近似分析定性上相附.本文的主要结果是发现含水岩样在膨胀阶段电阻率的升高,初步认为这是由于热开裂的张开,降低了饱和度的结果.      

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.     

应力作用下层状砂岩电阻率的变化特征

本实验是在室温条件下对兰州河口砂岩进行了单轴加载,在与加载方向平行、垂直和成45°角的方向上观测了电阻率的变化特征。主要的实验结果是: (1)垂直层理加载时电阻率ρ_(?)(平行于加载方向)和ρ_(?)(垂直于加载方向)的变化分为三个阶段:上升—平稳—下降。(2)平行层理加载时电阻率ρ_(?)和ρ的变化表现出明显的各向异性。不论平行或是垂直层理加栽,在与层理面45°角的方向上的电阻率变化均较小。本文还对上述结果进行了定性解释。由于这种砂岩的放大因子较小(10—10~2),所以不适宜做地电台址。     

承压介质电阻率变化的方向性 与主应力的关系

介质电阻率变化的方向性与主应力方向的关系研究一直受到岩石电阻率实验和地震学等学科的关注. 本文在电极面4 cm×8 cm, 6 cm×12 cm, 8 cm×16 cm和4.6 cm×10 cm的10块分别为花岗岩、 凝灰质粗砂岩(夹砾石)和细晶花岗岩标本上及100 cm×100 cm的1块人工合成模型上, 采用对称四极法布设多位置、 多极距、 多方位电阻率测线, 用单轴压缩、 二维约束差应力压缩、 低围压三轴差应力压缩和真三轴差应力压缩方式加载. 其中在单轴压缩和低围压三轴压缩加载方式下, 7块岩石标本中的4块被压破, 3块没有被压破, 只压到电阻率出现明显的下降异常时卸压. 另在上述10块岩石标本中, 还有3块是电阻率原始各向异性标本. 将这样11块标本所获得的多位置、 多极距、 多方位测线电阻率资料, 按从开始加载到破裂的过程, 分成30%附近破裂应力段、 50%附近破裂应力段、 80%附近破裂应力段和100%破裂应力段, 研究同一测点多方位测道中该4个破裂应力段视电阻率变化最大(最小)幅度测线方位与力源最大主压应力方位的关系, 结果未发现二者之间有确定的关系.      

钻孔体应变与面应变观测井孔耦合系数的计算

钻孔应变观测系统（岩石、 膨胀水泥和应变仪钢筒）存在显著的井孔耦合效应,只有确定这一耦合系数,才能得到地壳岩石的真实应变值,从而实现不同测点数据的可比性．本文根据双衬套理论及弹性力学理论,建立了三维空间应力作用下体应变与面应变观测力学模型,并进一步推导各自井孔耦合系数计算式,发现两组系数与井孔的受力状况密切相关,分别与不同力源引起的应变信号相对应．亦即应力比（钻孔轴向应力与平面应力之比）不同,耦合系数也不一样,体应变随应力比的增大而下降,面应变则上升. 本文结果还表明平面应力作用下的耦合系数与外加应力无关,只与观测系统本身有关,故数值保持恒定. 此外,文中对其影响因素也进行了分析,结果表明,体应变和面应变的井孔耦合系数均随岩石弹性模量和泊松系数的增大而增大,且前者的幅度较大,井孔耦合材料水泥对二者影响均很小．      

Influence of “stress reversal” on rock resistivity during loading procedure

The properties of rock resitivity were studied under pressure, particularly with “stress reversal”, a procedure in which the pressure applied was increased and decreased. It was observed that, 1) With pressure increasing, the main feature of resistivity change was increase-steady-decrease for high-saturation rock samples (saturation 70–100%). But the main feature for low-saturation samples was different. 2) In 10 out of 11 cases of “stress reversal” for high-saturation samples the resistivity droped (about 2%). Such drop could explain the anomalies in geoelectricity terms, which are commonly observed before earthquakes in China. 3) It was also observed shortly before rock failure that, a) the resistivity drops more dramatically (about 20%) during “stress reversal” period, which is much more than ordinary drops. b) these drops occurred not only during stress decrease but also during stress increase. c) Resistivity exhibits anisotropy: the resistivity along different directions may differ by 10%. These three features may indicate that the rock is nearing failure, while ordinary resistivity drops are only connected with “stress reversal” and may not mean the imminence of rock failure. 4) Resistivity increase was observed during the “stress reversal” period for low-saturation rock samples. The results mentioned above were explained with the effect of water flowing in and out of the cracks of rock. The temporary factors which yield a reduction of the maximum main stress, may enhence the possibility of earthquake occurrence.     

水压致裂试验过程中的地电效应研究

本文总结了在水压致裂试验现场多台电法仪器测量和记录到的加压过程中的地电效应,并得到一些能反映岩石破裂情况的有意义的结果:（1）随着压力增加,电阻率明显上升.当压力超过岩石临界应力的一半以后,电阻率即很快地下降,卸压后又逐步回升,其变化椭圆的长轴方向与岩石破裂面的延伸方向是一致的;（2）以压力孔为中心的自然电位及ZK2,ZK14孔的井下电位都伴随着加压过程而变化,强烈反映了过滤电场与孔隙水压力的相关性.      

强震近震中区地电阻率变化速率的各向异性

用归一化月速率方法处理了６次强震前近震中区11个台的地电阻率数据，得到在孕震中短期至短临阶段，与主压应力方向正交（或近于正交）测向的地电阻率下降变化的速率大于平行（或近于平行）主应力方向的变化速率．产生变化速率各向异性的原因可能是:在孕震后期的扩容阶段，裂隙走向沿主压应力方向优势排列，导电流体活动产生真电阻率变化速率的各向异性，表现为地表视电阻率变化速率的各向异性．本文为视电阻率各向异性的实验结果提供了震例支持，物理解释比较清晰，可能成为研究某些强震孕育晚期震源区及其附近地壳应力状态的参考依据．      

岩石破裂过程中电阻率变化机理的探讨

受压岩石在破裂过程中,视电阻率会出现明显的变化,其异常形态与实验条件有很大的关系. 实验中对磁铁石英岩样品施加了单轴压缩,岩石的破裂经反复加载和卸载实现,并在岩样的裂隙中注入了食盐溶液. 在实验的各阶段,对样品的主剖面重建出一系列内部真电阻率分布的图像,揭示了介质内的微细结构,从而探讨了视电阻率变化的原因. 实验发现,岩石中裂隙的存在及所含液体的饱和状态,是岩石在主破裂前控制电阻率变化的两个最重要的因素;低应力状态属常态导电过程,孔隙度的变化是主要因素;高应力状态属裂隙表面导电机制,随着破裂面在岩体内部出现,水和孔隙有了完全贯通的平面,多种导电机制都得以发挥作用. 此外,体导电结构的变化在宏观上表现为各向异性和图样有序性的增强.     

Theoretical and experimental study on relationship between stress-strain and temperature variation

Principle on temperature response to the stress-strain variation is fundamental to the relationship between thermal radiation variation and stress-strain field. Current research indicates that temperature has a sensitive response to rock deformation under the condition of normal temperature background. However, the basic physical relationship between deformation and temperature variation is not clear and need to be investigated further. In this paper, principle on temperature response to stress-strain variation is studied in detail, based on thermodynamics, elastic strain theory, and experiments on both ideal material and rock. In the stage of elastic deformation, results indicate that: 1) temperature increment is positively correlated with volume strain variation. Temperature rises with hydrostatic pressure increase. In other words, temperature rises when the specimen is under the compressive state whereas temperature drops under the tensile state. 2) Pure shear deformation does not contribute to temperature variation. Namely, shape change of specimen does not produce temperature variation. However, there exist the relative tensile area and the compressive one in the specimen under the state of pure shear. Temperature drops within the relative tensile area while temperature rises within the compressive areas during the process of loading.     

Anisotropy of the apparent resistivity variation rate near the epicentral region for strong earthquakes

IntroductionThe geo-electrical anisotropy before earthquake is of special significance for the prediction of earthquake location and for the research on crustal stress status near the epicentral region. The anisotropy has been studied from various aspects (CHEN, et al, 1983; QIAN, et al, 1985, 1996; LU, et al, 1990a; MAO, et al, 1995; RUAN, et al, 1999). But the anisotropic phenomena presented by geo-electrical data are not practically satisfactory and not clear as compared with the res…