岩石破裂过程中电磁辐射的实验研究

在单轴压力下对灰岩、花岗岩、石英岩三种样品的破裂过程与电磁辐射进行了实验室试验。结果表明,含有石英晶体的岩石,在破裂过程中产生的电磁信息,其振幅具有脉冲形态;随着应力水平的增高,电磁脉冲的频度增加,与声发射具有同步发展的趋势;不同结构的介质,主破裂前又呈现出平静和高潮两种不同类型。此外,含有石英晶体的岩石其主破裂及解体过程中,伴随最强的电磁脉冲,出现明显的闪光现象。文中对实验结果作了初步的讨论。     

岩石破裂过程中超长波段的电、磁信号和声发射的实验研究.

在单轴压力下对辉长岩、大理岩等岩石破裂过程中产生的电、磁、声信号作了实验研究。实验分干、湿两种情况进行, 测试系统的频响范围为超低频。主要结果是:获得了岩样从受压到解体过程中, 在0-20kHz频段内的电磁辐射和声发射信号的原始波形;岩石破裂过程中电磁信号的辐射强度与岩石的岩性、含水量、破裂强度、加载率和破裂状态有关;岩石破裂过程中的电磁辐射率和声发射率有关系, 它们的最大值在时间上相对应的约占70%,而且电磁辐射信号比声发射信号发育, 持续时间也较长;实验中以铜板天线为接收传感器的电磁信号的主能潜在6kHz以下, 而以电感线圈为接收传感器的电磁信号主能谱在10kHz左右, 声发射的主能谱在3kHz以下;声发射信号出现之前有明显的电磁信号。由于岩石在破裂过程中辐射的电磁信号与声发射有较好的对应关系, 因此可以认为, 岩石破裂实验中获得的电磁辐射信号与岩石破裂有密切的关系。所以, 地震前观测到的电磁辐射异常主要是由岩石的破裂引起的。至于实验中在声发射之前出现的电磁信号, 则可能与压电、压磁效应有关。      

SF-1型岩石声发射测试仪

SF-1型岩石声发射测试仪是岩石力学实验研究的一种非常有用的测试仪器。它可以用来监测岩石或岩石样品在外力作用下,发生变化过程中由微破裂所产生的声发射现象。它不仅可以研究微破裂与应力、变形、波速、时间等的变化规律,而且还可以进一步研究微破裂与主破裂(大破裂)的关系。所以它在岩石或岩体的变形破坏实验研究中具有重要的意义。多年来,在进行岩石力学研究中一直缺少适用的声发射仪,从而影响了这方面工作的开展。为了当前     

大震前地震活动平静现象一种可能的机制:断层的蠕滑-匀阻化

许多大地震前地震活动存在明显的平静现象,由于其普遍性,地震平静现象被认为是具有物理意义的地震前兆并被作为地震预报的重要依据.关于大震前地震平静现象的物理机制,国内外学者从不同角度进行了研究,其中包括用破裂强度的双峰式分布、扩容硬化、震前滑动造成的应力松弛、震源体内外介质性质的差异和相互作用等机制解释强震孕育过程中短期地震活动的平静现象.尽管在一些模型中把岩石力学实验结果作为证据之一,但来自与地震活动最相似的岩石变形声发射的实验证据并不多.因为以往大量的实验结果表明,在恒定的加载条件下(等位移速率、等应力速率等),岩石破坏失稳前声发射活动多表现为加速特征,尽管一些岩石破坏前声发射活动加速现象不明显,但也难以观测到平静现象.然而,在我们开展的一系列断层结构和介质不同的中尺度标本的声发射实验中,一些标本破坏失稳前声发射活动表现出明显的相对平静现象,据此我们对大地震前地震活动平静现象的物理机制进行了讨论.     

岩石试件刚度及压力机刚度对岩石主破裂前声发射相对平静的影响

本文通过对岩石试件的真三轴压缩实验，分析了岩石试件卸载刚度ＫＦ与压力机系统刚度比值对岩石破裂型式及破裂前声发射相对平静的影响，结果表明：当ＫＦ／ＫＳ＞１时，岩石试件产生突发断裂；当ＫＦ／ＫＳ＜１时，岩石试件产生缓裂，并且ＫＦ／ＫＳ的值越小，相对平静时间赵长；ＫＦ／ＫＳ的值越大，相对平静时间越短，而当ＫＦ／ＫＳ＞３时，声发射相对平静时间为零。     

含坚固体试样破裂孕育过程中声发射的强度特征及其地震学意义

用类似于天然地震中尾波持续时间确定震级的方法,通过岩石力学实验研究了含坚固体试样破裂孕育过程中声发射的强度特征。结果表明:在加压初期,声发射强度相对平稳,当应力达78 % 的破裂应力时,声发射强度显著增加,当应力达92% 的破裂应力时,声发射活动强度达到极大值,比加压初期大20 % 以上;随着应力的进一步增加,声发射强度减小,达极小值,出现一个相对平静的阶段;应力再增加,声发射活动强度回升,紧接着,主破裂发生。从声发射强度的空间分布上看,从加压初期的平稳到极大值的出现,声发射都发生在坚固体的外围,随着活动强度减弱,并出现低值之后,强度回升,这个过程基本上发生于坚固体及其上方,随后主破裂发生,坚固体也局部破裂。这和澜沧耿马地震前的地震时间进程具有现象上的相似性     

混凝土试样破裂前的声发射m值变化

对混凝土样品在单轴应力条件下破裂前不同应力状态下的声发射m值进行了实验研究。混凝土样品为10×10×10cm~3的正方体。实验表明,干燥混凝土样品破裂前声发射m值随应力的增加而降低;含水混凝土样品的m值先随应力的增加而增加,当应力达强度的60％以后,m值随应力的增加而降低。混凝土样品破裂前声发射率先随应力的增加而缓慢增加,当应力达强度的70％以后,声发射率开始明显增加以至破裂前急剧增加。含水混凝土破裂前声发射率比同种干燥样品低两倍左右。     

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.     

应力途径对岩石脆性-延性变化的影响

用两种加载方式对岩石的破裂进行了实验研究。一种方式是在一定的围压下增加轴压使岩石破裂（A型）;另一种方式是在一定围压下增加轴压直到破裂前某一应力状态,然后停止加轴压转而减小围压使岩石破裂（B型）。所用的岩石样品为济南辉长岩和山东掖县白大理岩。着重研究应力途径对岩石脆性-延性变化的影响。辉长岩在1.5千巴以下两种应力途径下的破裂都表现为脆性,但是对于同样的应力状态,B型实验比A型实验显得更脆。随着围压增加到200-250巴之间,大理岩由脆性转变为延性。围压250巴以上,大理岩的A型实验发生延性破裂。样品承受载荷的能力是逐渐丧失的。破裂过程中声发射率极低,听不到破裂声响。最后在样品中形成了剪切断面,但破裂很慢。然而,在大理岩的B型实验中,围压在250巴以上发生了脆性破裂,其表现为轴向应力突然下降,伴随着脆性破裂的声响并有声发射率剧增的前兆。看来,B型应力途径对岩石起了一个脆化的作用。     

真三轴压机刚度对岩石破裂声发射的影响及与地震活动性的联系.

本文叙述了岩石特征刚度与压机刚度比R对岩石破裂及声发射的影响.结果表明:当R>0.20时,岩样产生突发断裂;当R1.50时,断裂前没有平静期.缓裂时,声发射率的变化形式为(应力增至大于50％破裂应力后)平稳低(高)值——上升(下降)至极大(极小)值并持续之——破裂.      

愈合断层再破裂的实验研究

将济南辉长岩岩柱沿不同角度锯开,再用环氧树脂粘接后加工成标准园柱形样品以模拟愈合断层。将样品置放在单轴压机下加压,使愈合断层再破裂。实验表明:愈合断层再破裂的前兆变形、破裂前的声发射率变化规律和声发射b值变化规律在某些条件下类似于完整岩石的破裂,而在某些条件下又类似于既存断层的错动。断层面与主压应力的交角以及断层愈合程度是影响愈合断层再破裂的前兆特征的主要因素。本文还指出,在地震活动性的研究中,地震断层在一定程度上愈合后再发生破裂这一问题是不容忽视的重要问题。     

声发射矩张量自动反演

岩石实验中常通过声发射定位了解岩石内部微破裂发生的时间和位置.如果将地震学中震源机制反演算法引入声发射研究,就可获得微破裂机制,对分析力学过程很有帮助.然而岩石样品中的声发射与野外地震不同,有一些难点:①声发射采集系统的采集通道一般较少,根据少数一些点的初动方向,无法精确勾勒出节面的空间分布;②岩石在围压不高时破裂不一定是纯剪位错,也就是说不一定符合双力偶模型,初动方向有可能不是四象限分布;③构造物理实验中常观测到成千上万个声发射事件,到时识别、初动方向识别很难依靠肉眼识别完成.     

单轴实验时的加载速率与声发射特征

通过单轴压缩云南大理县大理岩试验发现:岩石主破裂前,若加载速率太高或太低,且为完全脆性破裂时,则几乎没有声发射事件,即很少有前破裂发生。主破裂前若加载速率适当且有延性变化时,则有众多声发射事件,对这些声发射事件用类似于余震频度衰减公式分别求出事件率随时间和事件率随轴向应变的衰减系数(h_t、h_ε),结果表明随应力增大衰减系数有个低值阶段。同时指出了声发射仪记录事件的不确定性对分析实验结果可能有的重要影响。     

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.      

地震序列类型的岩石破裂实验研究

采用花岗岩和砂岩拼合的岩样，做单面直接剪切破坏实验，并以微破裂信息存储分析系统连续采集信号。通过波形图研究发现，诸如“前破-主破-余破型”、“主破-余破型”、“群破型”、“双破或多破型”、“孤立型破裂”等都有波形记录，而大破裂前的“平静”、“密集”、“低频扰动”及“慢破裂”现象也有波形显示。这些结果与天然地震很相似。几乎所有天然地震的类型和震兆异常都能在声发射破裂实验中得到发现和验证。实验还显示，在低应力阶段破裂类型较单一，但随着应力升高和逼近主（大）破裂，破裂类型越来越多，而且低频成分变多的破裂增多，慢破裂也增多。     

C,D Mf值综合异常交汇区在大华北地区中强震前的短期异常变化

华东和华北区１９７０～１９９８年２６个Ｍｓ≥５．０地震前２３个地震存在Ｃ、Ｄ、Ｍｆ综合异常区的中期异常。本文在此基础上,研究了这些异常在一年内的中短期变化。认为Ｍｆ异常烦积的短期变化量为显著,２３个存在中期地震中２１个地震前６个月有│η│≥０．４的短期变化,其中６３％震前出现过地震活动平静,还有３７％为持续增强,最后用岩石刚度和压机刚度之比对岩石破裂前声发射的平静期长短的实验结果作了初步解释。     

“弹性回跳”前的微破裂活动与变形序列

本以两承压岩体相互作用系统作为“弹性回跳”地震模型，用损伤力学的方法研究了系统失稳即地震前位移速率、声发射等前兆规律与岩石破裂过程的关系，用差分法在计算机上求得了地震发生过程中的变形与地声序列曲线，研究发现在某些情况下出现地声相对平静是由于两岩体介质中某一介质体破裂而另一个介质体弹性恢复所致。     

地震的确定性前兆及观测方法

正实验证明,岩石破裂前必然发生"声发射",这为地震的确定性前兆研究提供了线索。但是,地震前兆的"声发射"与实验室岩石破裂前的声发射有类似之处,也有不同之处。钻孔应变仪记录到不少地震前异常变化,其中2008年汶川8.0级地震前约一年姑咱地震台YRY-4型钻孔应变仪记录的一系列"毛刺"异常较为典型。这些"毛刺"的时间分布和尺度分布特征与岩石破裂前的声发射相符,     

不同性质岩块构成的样品破裂前的波速变化

用超声脉冲法研究了不同性质岩块构成的样品破裂前的波速变化。样品为长方形大理岩板,中心镶嵌大理岩、辉长岩、花岗岩,砂岩圆块。实验表明,样品破裂时裂纹穿过低强度镶嵌岩块而绕过高强度镶嵌岩块。在第一种场合样品破裂前,镶嵌岩块內波速变化显著,在第二种场合样品破裂前镶嵌岩块內波速变化不大。穿过两种岩石界面的波速测量表明,波速下降的起始点提前到样品破坏应力的60%左右。样品破裂前波速总的变化趋势是下降,但不是单调下降而呈现起伏。这说明介质不均匀性会对岩石破裂前的波速变化规律产生不可忽视的影响。      

大型花岗岩标本缓慢膨胀破裂过程中电阻率和声发射前兆特征的实验研究

本文重点研究了在膨胀力源作用下,大尺度花岗岩标本缓慢破裂过程中的电阻率和声发射前兆特征。实验结果表明,在岩石破裂过程申不仅观测到了电阻率的长趋势变化和短临异常,而且观测到了清晰的破裂前兆。在大破裂发生之前数小时观测到了电阻率的突变异常。实验中还记录到了声发射现象,其开始的时间较电阻率稍晚,初始破裂和主破裂时的声发射现象有其各自的特殊性。