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.     

不同围压条件下花岗岩变形破坏过程中的声发射时序特征

在室温、围压 50— 60 0MPa范围内 ,采用以Pb为围压介质的三轴实验装置 ,对花岗岩变形破坏过程中的声发射序列特征进行的研究表明 ,花岗岩强度随围压增加而增大 .低围压下 ,样品破坏时系统不失稳 ,破裂前后声发射稀少且时间分布较为随机 .随围压的增高 ,样品破坏时系统失稳 ,随后出现粘滑 ;声发射出现时间随围压增加而提前 .以破坏时应力降发生时间为界 ,一个显著的特征是破前声发射累积数随时间指数增长 ,增长速率随围压增加而加快 ;而破后各粘滑段的声发射累积数随时间却呈线性增长 .声发射b值随围压增加有减小的趋势 .声发射序列时间结构的 f(α) α谱研究表明 ,其多分形性质主要决定于时间密集特征 ,标度指数α的分布范围随围压增加有减小的趋势 .粘滑过程中 ,应力降幅度、应力降释放率及粘滑事件时间间隔均随围压增加而增大。     

地壳不同深度温压条件下花岗岩变形破坏及声发射时序特征.

不同深度温压条件下的三轴压缩实验结果表明,花岗岩强度随深度持续增加直至30ｋｍ左右．在地壳浅表部位,岩石破坏表现为低压突发或准突发失稳,破坏前后有分布大体均匀的声发射（acoustic emission,以下简称AE）事件发生;向下进入以渐进式破坏为特征的深度范围时,破坏前基本没有或仅有很少的、随时间逐渐稀疏的AE分布,破坏后也仅有极少的AE被记录到;在更深的以高压准突发失稳为特征的深度范围,破坏前依然AE极少,但破坏后伴随不等周期粘滑应力降的产生而有较多的AE被记录到;在更高的温压条件下（约26ｋｍ）,破坏形式为高压突发失稳,破坏前即有逐渐密集、累积频次呈指数增加的AE活动;在35ｋｍ 深度附近,岩石强度急剧降低,样品表现为半延性、延性渐进式破坏,无AE记录．声发射b值随深度增加似有减小的趋势,并且b值在岩石破坏前略小于破坏后．声发射时间序列奇异性强度因子的数值分布范围在18ｋｍ 左右深度的温压条件下最宽,表明其标度类型最多,结构最为复杂、无序;在浅部及更深部位的温压条件下均变窄．因而,当温压条件模拟真实的地壳深度向下改变时,微破裂时间序列奇异性强度因子的分布范围可能会经历由窄变宽、再由宽变窄的变化过程．      

温压条件下岩石破坏前后的力学性质与波速

在温压条件下，对大理岩和砂岩进行了全过程应力应变试验，研究了温压条件对岩石的极限强度，残余强度，剪切破裂角的影响，以及岩石破坏前后的弹性模量与波速的变化。得到了在温压条件下，岩石变形全过程中有关弹性参数和力学性质的变化规律，并进行了简要分析。     

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.     

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 .     

地震非均匀度物理意义的实验研究

资料表明某些强地震前中小地震的地震非均匀度（GL值）参数在强地震孕育进入中期或短期阶段出现明显异常变化, 显示出区域中小地震活动状态发生变化. 本文通过对含有障碍体的平直断层、 挤压型雁列式断层及Ⅲ型剪切裂纹等3种类型的岩石样本变形破坏过程声发射事件时间序列的分析, 讨论了GL值变化的物理意义. 计算结果表明, 这3种标本变形破坏过程中, 在应力应变处于非弹性阶段前夕或在岩石整体破裂失稳前破裂成核期间, GL值出现持续大于１的异常变化. 表明GL值能较好地刻画受压岩石破坏前的应变的非弹性变化, 具有一定的标本破裂指示意义.      

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.      

不同围压条件下花岗变形破坏过程中的声发射时序特征

在室温、围压５０－６００ＭＰａ范围内,采用以Ｐｂ为转压介质的三轴实验装置,对花岗岩变形破坏过程中的声发射序列特征进行的研究表明,花岗岩强度随围压增加而增大。低围压下,样品破坏时系统不失稳,破裂前后声发射稀少且时间分布较为随机。随围压的增高,样品破坏时系统失稳,随后出现粘滑;声发射出现时间随围压增加而提前。以破坏时应力降发生时间为界,一个显著的特征是破前声发射累积数随时间指数增长,增长速率随围压增加     

Granite deformation and behavior of acoustic emission sequence under the temperature and pressure condition at different crust depths

IntroductionFocal depths of shallow strong intraplate earthquakes are mostly distributed in the highstrength range of lithosphere controlled by the rheology property of granite and diorite (Brace,Kohlstedt, 1980; Sibson, 1982; Meissner, Strehlau, 1982; CHEN, Molnap 1983). This is obviouslyrelated to the change of rock deformation characteriStics at different crust depths. So, for earthquake stUdy, both of the rock failure types (fractUre or rock flow) and its mechanical instabilityforms (…     

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.      

中国大陆7级强震前中小地震应变释放特征

给出加速模型拟合的穷举方法,以中国大陆21次6.8级以上地震为例,在单个震例详细研究的基础上,总结中国大陆7级左右地震前地震应变释放的群体特征。 总的来看,7级左右地震前中小地震应变释放模式可分为5类,第Ⅰ类是震前震中周围较大范围应变释放加速、震中附近较小范围应变释放减速(DA),约占38%; 第Ⅱ类是震中附近较大范围应变释放减速、较小范围应变释放加速(AD),约占19%; 第Ⅲ类仅能检测出应变释放的加速特征(ASR),约占14%; 第Ⅳ类仅能检测出应变释放的减速特征(DSR),约占24%; 第Ⅴ类仅1例,各种尺度的时、空范围内,基本上呈现应变匀速释放特征(LSR)。 前兆性地震序列应变加、减速释放的持续时间一般相差3~6年,这表明增强基础上的平静往往是强震前中小地震活动典型的应变释放特征。 DA模式中震前具有稳定的应变加、减速释放特征的临界区域范围平均来看大约分别是震中附近260~400 km及100~200 km,大约分别是7级左右地震平均破裂尺度的3~5倍及1~2倍; AD模式与此相反。 模型参数m值具有较好的稳定性,就应变释放加速现象而言,无论何种应变释放模式、无论应变释放的绝对量如何,其加速释放速率大体相当。 而从应变释放减速情形来看,“外围增强、内部减弱”的DA模式,其应变减速释放特征最为明显。     

Influence of confining pressure and impact loading on mechanical properties of amphibolite and sericite-quartz schist

In order to investigate the dynamic mechanical properties of amphibolite and sericite-quartz schist under confi ning pressure, two rocks are subjected to impact loadings with different strain rates and confi ning pressures by using split Hopkinson pressure bar equipment with a confi ning pressure device. Based on the experimental results, the stress-strain curves are analyzed and the effects of confi ning pressure and strain rates on the dynamic compressive strength, peak strain and failure mode are summarized. The results show that:(1) The characteristics of two rocks in the ascent stage of the stressstrain curve are basically the same, but in the descent stage, the rocks gradually show plastic deformation characteristics as the confi ning pressure increases.(2) The dynamic compressive strength and peak strain of two rocks increase as the strain rate increases and the confi ning pressure effects are obvious.(3) Due to the effect of confi ning pressure, the normal stress on the damage surface of the rock increases correspondingly, the bearing capacity of the crack friction exceeds the material cohesion and the slippage of the fractured rock is controlled, which all lead to the compression and shear failure mode of rock. The theoretical analysis and experimental methods to study the dynamic failure mode and other related characteristics of rock are useful in developing standards for engineering practice.     

Characteristics of Strain Release before Large Earthquakes of M≥7. 0 in the Chinese Mainland

The enumerating algorithm has been introduced into the fitting procedure of the ASR model. Based on the detailed study of 21 large earthquakes with M≥6. 8 in the Chinese Mainland,the statistical features of seismic strain release before large earthquakes have been summarized. In the mass,the strain release models can be divided into five types. The first is the DA model,in which the strain release accelerates in broader areas and decelerates in small areas around the epicenter. Approximately 38% of earthquake samples are of this type. The second is the AD model,in which the strain release decelerates in broader areas and accelerates in smaller areas around the epicenter with an occupying ratioof approximately 19%. The third is ASR,in which only accelerating strain release can be observed. Cases of this model amount to about 14%. The fourth is DSR,in which only decelerating strain release can be checked,amounting to about 24%. There is only one earthquake sample of the fifth type (LSR),which shows a linear strain release. There is a 3～6 years difference in the duration of pre-shock sequences between the accelerating and decelerating models. This means that seismic quiescence against a background of increased seismicity of small earthquakes before large earthquakes are a typical feature in general. For the DA model,the average size of critical regions for steady accelerating and decelerating strain release is about 260km to 400km and 100km to 200km,respectively,3 to 5 times and 1 to 2 times the rupture size of an earthquake of magnitude 7. 0. The AD model is the opposite of the DA model. The model parameter,m value,has good stability. The ratio of ASR is about the same for accelerating seismic strain release phenomena,no matter what the strain release models are,or how large the strain release quantity is. With regard to decelerating seismic strain release phenomena, the DA model has the most distinctive decelerating strain release characteristic and is the typical feature of seismic strain release,i. e. "decelerating in-accelerating out seismic strain model".     

岩石损伤模量分析

从能量的角度出发定义损伤变量,通过应力-应变曲线卸载段有效应力与总应力之间的假定关系,确定损伤模量的计算方法。在单轴和三轴条件下,对岩石损伤相关参数进行统计研究,重点对损伤模量进行计算和对比分析。结果表明,单轴及低围压下损伤模量基本呈逐渐减小的趋势,而随着围压的增大,损伤模量呈先减小后保持动态稳定的趋势。损伤变量的计算充分考虑到围压的影响,可进一步增进对岩石损伤的认识。     

岩石蠕变破坏实验研究及其对地震预报的意义

通过对不同温度和围压条件下济南辉长岩的蠕变破坏实验结果和声发射特征分析,本文提出以岩石蠕变破坏应变做为岩石蠕变破坏判据。建立了岩石蠕变破坏应变的经验关系式。依据实验结果得到相应的济南辉长岩蠕变破坏应变参数,进一步探讨了预报岩石蠕变破坏和地震的方法     

固体介质三轴实验中样品半延性—延性变形对应力曲线影响修正

在岩石高温高压三轴变形实验中达到岩石的极限强度之后，岩样的宏观几何变形显著增加，几何变形成为表现应力与真实应力之间出现较大偏 差的主要原因。针对此问题，假定岩样从圆柱体变形成为桶形体，在一些理想假设前提下，给出了高温高压条件下三轴实验中，当试析出现半延性－延性行为时，应力曲线的一种修正方法。     

The effect of water on stress relaxation of faulted and unfaulted sandstone

A series of stress relaxation experiments have been carried out on faulted and intact Tennessee sandstone to explore the influence of pore water on strength at different strain rates. Temperatures employed were 20, 300 and 400°C, effective confining pressure was 1.5 kb and strain rates as low as 10^–10 sec^–1 were achieved. Most samples were prefaulted at 2.5 kb confining pressure and room temperature. This is thought to have secured a reproducible initial microstructure.The strength of the dry rock was almost totally insensitive to strain rate in the range 10^–4 to 10^–10 sec^–1. In contrast, the strength of the wet rock decreased rapidly with strain rate at rates less than 10^–6 sec^–1. Brittle fracture of the quartz grains which constitute this rock is the most characteristic mode of failure under the test conditions used.The experimental data are discussed in terms of the possible deformation rate controlling processes, and it is suggested that in the wet experiments at intermediate to high strain rates (10^–7 to 10^–4 sec^–1) the observed deformation rate is controlled by the kinetics of water assisted stress corrosion, whilst deformation at low strain rates (ca. 10^–9 sec^–1) is controlled by a pressure solution process.The results have implications for the rheology of fault rocks at depths of perhaps 10 to 15 km in sialic crust.     

含障碍体平直断层标本变形过程中群体微破裂事件的时空演化特征

设计了含圆柱形障碍体的平直断层物理模型，在概念上可模 拟断层面上与地震孕育相关的障碍体等强固区域. 开展了中等尺度岩石标本的双轴压缩实验 ，研究标本在变形过程中群体微破裂事件的时空演化. 结果表明：(1)由于标本预置断层两 盘与障碍体之间、以及断层两盘彼此之间复杂的相互作用，使得交替活动成为含障碍体平直 断层标本变形过程中最为显著的特征； (2)含障碍体平直断层标本能够发生动力学失稳的前 提条件是障碍体在外加载荷作用下首先发生破坏，微破裂群体在障碍体破坏前后显示不同的 时空演化特征；(3)含障碍体平直断层标本失稳前的总变形量较大，弹性变形阶段微破裂累 积频次呈指数增长. 而在其后的位移弱化阶段，在障碍体及围绕障碍体的围岩区域内微破裂 事件稀少，突发失稳发生在相对平静的背景之上；(4)不同构造组合变形过程中的微破裂群 体具有明显不同的b值，b值与构造相关的区域性差异是明显的.