地震临界点理论的实验研究

按照临界点理论，在大地震或岩石等脆性材料破坏发生之前能量会加速释放（AER），这种加速过程呈幂律变化（power-law）. 本文通过大尺度岩石破裂声发射实验，对这一临界现象进行了研究. 实验分别采用3种岩石试件，并且实现了不同轴压加载历史以及三轴应力状态；实验利用声发射技术记录了微裂纹产生和扩展时所释放的弹性能（声发射）；实验结果证实了临界点理论，在不同的实验条件下，岩石材料在受压破坏之前弹性能会出现明显的加速释放过程. 本文还对使用AER预测中期地震进行了初步研究.      

不同温压条件下声发射应变能释放特征——加速模型参数物理含义的初步讨论

利用不同温、压条件下的花岗岩变形实验数据,研究声发射（AE）事件应变释放特征,探讨加速模型参数m值与温压环境的关系.常温条件下,声发射应变显示一定的加速释放特征,但m值随围压增加未显示出趋势性的变化,表明常温条件下m值与岩石强度关系不密切.围压固定时,m值随温度升高逐渐变大,声发射应变从加速释放逐渐过渡到匀速释放,这意味着不同温度条件下岩石变形过程中内部微破裂形式的差异,可能导致应变释放类型的较大差异（即m值的较大差异）.在浅表地层的温压条件下,岩石破坏前显示一定的加速释放特征,m小于1;在渐进式破坏区段,应变释放呈逐渐减弱的减速释放态势,m明显大于1;在深部温压条件下,应变释放加速特征明显,m值明显较低.此外,完整岩样破裂前声发射应变加速释放特征显著,而宏观剪裂面的黏滑之前,声发射应变基本上匀速释放.     

加卸载响应比（LURR）、矩／能量加速释放（AM／ER）、态矢量：岩石试件破坏前兆的实验研究

为了验证大地震发生前或者非均匀脆性介质宏观破坏前加卸载响应比和能量加速释放等前兆现象，本文进行了三轴应力(压缩)条件下大尺度岩石破坏声发射实验。实验采用4组岩石试件，并且分为单调加载和循环加载两种方式。实验结果证明了脆性材料宏观破坏前加卸载响应比升高和能量加速释放这两种前兆现象。本文提出了一种描述岩石试件损伤演化的新的物理量——态矢量。     

加卸载响应比(LURR)理论的实验研究

利用大尺度岩石试件破坏声发射实验，对加卸载响应比(Load/Unload Response Ratio)理论进行了实验研究。实验采用的加载条件力求能够模拟地下岩石的复杂受力过程。在加载过程中，岩石试件内部出现的损伤用声发射技术进行了记录。实验数据经过分析之后所得的结论与加卸载响应比理论预测的结果相符合。把加卸载响应比值Y的变化情况与声发射事件定位的过程相对比，也可以进一步看出岩石材料内部的损伤发展过程与加卸载响应比Y值的变化具有一致性。而高Y值的异常情况出现，又是在材料发生最终破坏之前，所以，可以用加卸载响应比理论定量地分析岩石试件损伤演化情况，从而对岩石材料的破坏及地震做出预测。实验结果再一次验证了加卸载响应比理论。     

单轴加载下砂岩声发射特征的试验分析

声发射是岩石材料发生变形破坏时所伴随的一种普遍现象.在刚性试验机上,单轴受压务件下对砂岩破坏全过程进行了声发射试验,得到了砂岩破坏过程中的应力特征与时间、应变,声发射特征与时间、应变之间的关系曲线.通过对关系曲线的研究,着重探讨了声发射特征与应变之间的关系,并用拟合的方法得到了砂岩试样的近似破坏临界点,为0.9 x0,对砂岩破坏的监测预报具有一定的理论指导作用.     

态矢量方法的实验研究

在地震等灾变的发生之前，会出现一定的前兆现象。中通过实验方法对这些前兆现象之一的态矢量的异常变化进行了研究。实验使用声发射技术(Acoustic Emission)，对三轴应力条件下岩石试件内部微裂纹的产生和扩展进行了记录。实验结果表明在岩石试件最终破坏之前，表征态矢量的相关参量都发生了异常明显的变化，这表明态矢量的异常变化可以被用作为岩石等脆性材料灾变的前兆，使用态矢量方法可以对脆性材料的破坏乃至地震作出预测。     

岩石蠕变过程中声发射活动的实验研究

在常温下、单轴加压下对两种岩石完整样品进行蠕变破坏过程中声发射活动实验.根据实验获得的数据讨论了蠕变三个阶段中声发射活动特征.在瞬态蠕变阶段,随着加载,声发射活动逐渐增强;在稳态蠕变阶段,在较低的声发射活动背景上,可能出现较强的信号,声发射幅值-频度关系的 m 值可能稳定于某一低值,也可能下降;进入加速蠕变阶段,声发射活动水平增强,m 值下降加快,也可能表现为明显回升后再下降,并与岩石样品的性质有关.将蠕变破坏三个阶段中声发射活动与地震孕育过程中某些地震活动图象变化(如 b 值、前震活动)进行了联系,提出地壳岩石蠕变破坏机制形成前震——主震——(余震)型地震序列类型的可能性.      

岩石蠕变过程中声发射活动的实验研究

在常温下、单轴加压下对两种岩石完整样品进行蠕变破坏过程中声发射活动实验.根据实验获得的数据讨论了蠕变三个阶段中声发射活动特征.在瞬态蠕变阶段,随着加载,声发射活动逐渐增强;在稳态蠕变阶段,在较低的声发射活动背景上,可能出现较强的信号,声发射幅值-频度关系的 m 值可能稳定于某一低值,也可能下降;进入加速蠕变阶段,声发射活动水平增强,m 值下降加快,也可能表现为明显回升后再下降,并与岩石样品的性质有关.将蠕变破坏三个阶段中声发射活动与地震孕育过程中某些地震活动图象变化(如 b 值、前震活动)进行了联系,提出地壳岩石蠕变破坏机制形成前震—主震—(余震)型地震序列类型的可能性.     

循环加载下岩石破裂过程中声发射b值变化特征及意义

1 研究背景 声发射是指岩石在受力过程中发生变形和破裂,其应变能释放所监测到的一种物理现象,而b值是表征地震震级—频度关系的参数,研究人员发现,b值具有非线性特征,且与岩石破裂过程密切相关.因此,利用岩石试件变形破坏过程中产生的声发射事件模拟地震,进而研究不同加载条件下岩石变形破坏过程中的声发射b值变化特征,可用于监测岩石受力破坏过程中内部预存微裂隙的活动状态,有助于揭示岩石损伤机理及岩石的破坏程度,也可作为岩石失稳预警参数,捕捉地震发生的前兆信息.     

不同应力途径三轴压缩下岩石的声发射

在不同加载方式的三轴实验中,观测了济南辉长岩和北京昌平花岗岩的声发射(围压达1.3千巴).当最大主应力增加使岩样破坏时(A型),平均声发射率逐渐增加,离破裂强度约几百巴时声发射急剧增多.而当岩石处于一定的高应力状态,通过减小围压使岩样破坏时(B型),声发射的急剧增加仅出现在离破裂差应力20-30巴的情况下,而且这种破裂过程声发射总数只有 A 型的1/3左右.在 B 型加载情况下,从应力场的球张量部分(流体静压力)来看,是一个卸载过程,而从偏张量部分来看,是一个加载过程.这种卸载过程的存在很可能是造成声发射不同特征的主要原因.      

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.     

油气田典型岩石三轴压缩变形破坏与声发射活动特征——四川盆地震旦系白云岩及页岩的破坏过程

随着二氧化碳地质封存、深部地热开采、地下储气库建设、页岩气开发、二次驱油/驱气等工业应用的快速发展,与地下流体注入有关的诱发地震活动呈现一定的增加趋势.利用声发射实验观测油气田典型岩石在三轴压缩条件下变形破坏过程与声发射活动特征,对研究注水诱发地震过程有着重要意义.本文利用四川盆地现场采集的震旦系白云岩及页岩,采用实验室声发射技术观测研究岩石三轴压缩变形破坏过程中地震波速度等物性参数及声发射事件时空分布特征.实验结果表明:震旦系白云岩及页岩在变形破坏过程中均有一定的声发射活动.根据声发射定位结果,声发射主要集中在破坏前后的较短时间内,页岩的层理面为结构弱面,控制最终破坏面的形态及声发射特征.根据应力-应变结果,白云岩在压缩的后期阶段有一定的扩容现象,但页岩在整个压缩阶段均没有明显扩容现象.研究结果表明四川盆地较古老的白云岩及页岩具有脆性破坏特征,地下流体注入容易诱发微震活动,形成裂缝,有利于页岩气压裂开采.微震活动有利于监测裂缝的发生发展,但同时在页岩气开发及二氧化碳地质封存时应采取相应的预防控制措施进行安全合理的储盖层管理,避免灾害性诱发地震的发生.     

华北地区四种岩石在高压下的破坏特征

利用我国第一台1GPa高压三轴容器进行了岩石破坏实验.所用的样品为济南辉长岩、昌平花岗岩、房山大理岩和周口店石灰岩.得到的主要结果是:(1)在相应于地壳的压力范围内辉长岩和花岗岩仍然发生脆性破坏, 其强度和韧度随围压增加而增加, 破坏角也随围压增加而增大, 破坏前发生体积膨胀现象并出现声发射活动增加的前兆;(2)大理岩和石灰岩样品在0.1——0.8GPa的围压范围内发生鼓状变形, 不形成明显的主断层面, 样品承载能力随变形增加而增加, 出现应变硬化现象.在变形过程中声发射活动水平极低。这些实验标志着我国岩石力学三轴实验的围压水平有所提高其结果对震源物理的研究具有参考价值.      

序列活动特性与岩石破裂强度的实验研究

本文从实验室内的岩石声发射实验,研究了 b 值、能量释放和岩石破裂强度的关系,同时也对比研究了我国境内近期发生的强震。发现:(1)同种材料的平均(?)值很接近,甚至对于不同的孕震过程也比较稳定。(2)对于化学成分相同的灰岩,其平均(?)值与岩石破裂强度密切相关。(3)微破裂释放的总蠕变量、蠕变释放速率与岩石破裂强度亦密切相关。(4)脆性相近的介质(如松香、花岗岩等)平均(?)值亦接近。(5)我国近期发生的强震,震前平均(?)值,蠕变释放速率与震级大小相关,震后看不出有多大关系。     

不同应力变化过程岩石的声发射q值

在单轴应力条件下对不同应力变化过程岩石的声发射b值或m值进行了研究。所用的岩石为济南辉长岩和房山大理岩。实验的方式有三种:(1)重复加载实验;(2)递增加载实验;(3)应力增减实验。实验表明,应力减小过程的声发射b值比应力增加过程的声发射b值低。重复加载时声发射率显著下降但声发射b值变比不大,声发射b值对岩石的应力历史的记忆效应也不及声发射率的记忆效应明显。     

岩石样品变形时的声发射

研究岩石样品变形过程中的声发射主要包括两个方面的内容:一是研究声发射事件的时空分布;二是研究声发射信号的振幅-频度分布。由于声发射活动性的研究与地震活动性的研究是十分相近的,所以实验室中对岩石样品声发射的研究有可能增进对地震活动性的认识。 本文总结了最近在声发射研究方面的一些结果,讨论了应力水平、加载时间和加载历史对岩石样品声发射活动性的影响,即讨论了在单调加载、静态疲劳加载和重复加载三种情况下的声发射特征。本文强调指出,即使是实验室内,利用声发射活动进行岩石样品的破坏预报方面仍然存在着一些困难。最后提出了解决这些困难的建议。     

中等主应力变化引起的岩石破坏与地震

用真三轴试验机对福田花岗岩和山口大理岩进行了实验研究.表明,如果从一定的应力状态开始,保持最大主应力和最小主应力不变,单独改变中等主应力可以引起岩石的破坏.在这种情况下破坏前声发射率急剧增长的前兆比由最大主应力增加引起岩石破坏时的声发射前兆出现晚得多.联系这一现象对中等主应力变化引起地震的可能性进行了探讨.      

基于SPH法的单轴压缩岩样破坏过程中应变局部化和能量释放数值模拟

本文采用自主编写的光滑粒子流体动力学法程序,在平面应变单轴压缩条件下,开展了非均质岩石试样破坏过程中剪切带、声发射数及应变能释放量的演变规律研究,探讨了形状参数和Weibull分布函数的定位参数的影响,而过去的研究更多地关注形状参数的影响.仅粒子的黏聚力被认为服从Weibull分布.当粒子破坏后,粒子的黏聚力跌落至残余值,在此过程中,最大主应力(即第3主应力)保持不变.得到了下列结果.随着定位参数的增加,破坏粒子的分布由弥散向集中转变,岩样的纵向应力峰值增加.每20个时步数目的全局最大声发射数和全局最大应变能释放量均发生在峰后应力迅速跌落过程中,与二者有关的8个量随形状参数或定位参数的演变规律较为复杂,这应与岩样破坏形态的多样性有关.     

应力途径和破裂前兆

本文研究了在不同的应力途径下岩石破坏的条件和破裂的前兆.选定了三种应力途径进行研究:在一定应力状态下增加最大主应力σ₁, 保持σ₂, σ₃不变, 使岩石破坏（A 型）;减小最小主应力使岩石破坏（B 型）;增加最小主应力岩石不破坏（C 型）.通过实验得到了济南辉长岩和昌平花岗岩 A 型途径和 B 型途径破裂强度的比较.对三种途径岩石的体应变、声发射和波速V_p, 进行了对比研究.A 型途径的破裂前兆表现与许多作者的结果相符合.B 型途径岩石断裂前处于"过密"状态, 与此相联系的声发射增加和波速V_p下降出现得很晚.C 型途径岩石处于超膨胀状态, 出现了声发射增加和波速V_p下降而岩石并未破坏的现象.      

声发射矩张量反演

地震矩张量反演是获取震源过程的有效方法.岩石变形过程中的声发射与地震类似,均是弹性应变能快速释放.如假设条件得到满足,矩张量反演方法同样可用于了解声发射震源过程.声发射矩张量反演可使用P波位移进行计算.当样品尺寸远大于声发射波长,且声发射由微破裂产生,声发射源的尺度很小时,P波矩张量反演可采用远场近似.本文首先针对声发射的特点,实现根据远场P波反演声发射矩张量的算法,并通过人工声发射实验对算法的正确性和可靠性进行了检验.最后,用声发射矩张量反演方法对花岗岩单轴压缩实验的声发射源特征进行了分析.结果表明：对于纯剪切破裂模式,声发射矩张量反演可得断层面;对于非纯剪切破裂模式,如纵向挤压导致的横向张性劈裂,由于存在多解性不能得到断层面,但可通过矩张量的迹区分破裂模式.