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。     

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.      

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．      

不同温度条件下花岗岩变形破坏及声发射时序特征

在４００ＭＰａ范围及２０～８５０℃的温度范围内,研究了花岗岩的变形破坏及声发射时序特征。结果表明,随环境温度的升高,岩石强度降低,破坏方式从突发式失稳逐渐转变为渐进式,破坏类型亦从生剪切破裂逐渐转变为半脆性、半延性和延性破坏。声发射数量随温度升高迅速减少,出现ＡＥ活动及ＡＥ活动显增强的差应力水平亦有所提高。温度不太高时（２５０℃以下）,随破坏强度的临近,破前ＡＥ紧计频度指数增长,其指数增长速率随温     

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.      

不同结构岩石标本声发射b值和频谱的时间扫描及其物理意义

对几种不同结构的岩石标本在变形过程中声发射b值和频谱随时间的变化特征进行了对比研究 ,其中包括完整花岗岩标本、含有天然愈合节理的花岗岩标本、含有拉张型和挤压型雁列式断层以及平直断层的标本等。研究表明 ,声发射b值和频谱的特征不仅会受标本结构的影响 ,而且在同一标本的不同变形阶段也可能表现出不同的特征 ,其机制与变形方式以破裂为主或以摩擦为主有关。当变形以破裂为主时 ,声发射b值和频谱在失稳前会出现明显的下降 ;当变形以摩擦为主时 ,声发射b值和频谱在失稳前变化相对较小 ,且上升或下降均可能出现。实验结果意味着b值和频谱特征作为失稳前兆 ,在不同的构造环境下可能会有不同的特征 ,而强震孕震区内不同断裂构造的存在会造成前兆时空分布的非均匀性     

不同温压条件下居庸关花岗岩脆塑性转化与失稳型式的实验研究

为研究花岗岩的脆塑性转化和失稳型式，在固体围压介质三轴实验系统上进行了3组高温高压实验，结果表明，温度小于300℃时花岗岩为脆性破裂，大于800℃时为塑性变形，在300-600℃，花岗岩为半脆性破裂和碎裂流动，在600-800℃，花岗岩为半脆性流动，花岗岩的渐进破坏发生在低压区域；突发失稳发生在室温高压（≥300MPa)和高温高压（550℃600MPa-650℃700MPa)两个区域；在突发失稳与渐进破坏区域之间存在大范围的准突发失稳区，在实验温压范围内，影响花岗岩脆塑性转化的首要因素是温度，其次是围压；而花岗岩的失稳型式同时取决于围压和温度。     

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.     

粘滑过程中声发射序列的时间分布及前兆特征

用声发射波形采集分析系统记录的完整花岗岩在固体围压下破裂及粘滑过程中产生的声发射波形,研究了声发射和粘滑时间序列与天然地震序列的关系,讨论了粘滑过程的时间分布,发现粘滑事件的累积频度曲线随时间的变化受围压和应变率影响,大致呈现指数函数和线性关系两种形式。总事件(包括粘滑和声发射)的累积频度随时间的变化在不同的实验条件下呈现出对数函数形式,粘滑序列中的声发射随时间减少。本文的结果对于研究不同应变速率及不同震源深度的地区的地震活动时间分布特征,以及在判别地震活跃期内不同阶段强震序列类型和前兆特征有一定参考作用。     

单轴压缩下含断层带花岗岩声发射、微震和电荷感应实验

针对岩样在外载荷作用下失稳破坏前有声发射、微震和电荷等信号的异常变化特性,运用声发射、微震和电荷感应等全波形综合监测设备对含断层带花岗岩在单轴压缩下变形破裂过程的信号进行同步监测。结果表明:含断层带花岗岩在弹性变形阶段有明显的声发射、微震和电荷感应同步前兆信号,在试样失稳破坏阶段有同步的声发射、微震和电荷感应大幅值前兆信号。断层带对花岗岩试件强度的影响是显著的,含断层带试件的单轴抗压强度大大降低。随着断层带倾角的减小,试样的单轴抗压强度降低,岩样更容易失稳,失稳破坏的能量也更大。随着断层带倾角的减小,试样变形破裂过程的声发射、微震和电荷感应信号都增多,试样出现同步的前兆信号时的应力降低,在试样失稳破坏阶段声发射、微震和电荷感应前兆信号事件的持续时间都增大。断层带倾角30°时,声发射、微震和电荷感应信号突变性增加,进入危险阶段大大提前,大震级事件也显著增多,在矿井大倾角断层处更为危险。在试样失稳破坏阶段前同步产生密集且大幅值的声发射、微震和电荷感应信号,持续时间较短;在试样失稳破坏阶段同步产生密集且最强的声发射、微震和电荷感应信号,持续时间较长。声发射监测数据能较好地反映岩石的微小破裂情况,对声发射、微震和电荷感应前兆信号相结合分析,可以更准确地获得岩石失稳破坏的前兆信息。     

不同实验条件下大理岩主破裂的分数维

以大理岩为样品,在围压10～60MPa下进行了三轴压缩条件下的变形破坏实验,统计并分析了主断裂面的分维几何特征。在环境因素和介质条件相同的情况下,D值不随标本尺度变化,表明岩石破裂结构的确具有自相似性。围压是影响D值大小的一种因素,在约35MPa以下,D值随围压增加而降低;在约35MPa以上,随围压的增加而增加。提出在分析野外断层迹线的分维特征时,尚应考虑断层形成时的环境条件及其可能的随深度的变化     

不同单轴加压方式下岩石声发射的时间过程与频率特征

本文利用两个频率通道同时接收花岗岩标本及石灰岩标本在不同单轴加压方式下的声发射信号,研究了从加压到破坏的整个形变过程中,不同频道接收到的声发射率的变化特征.发现在各种加压方式下,花岗岩和石灰岩在破坏前,由不同频率通道接收到的声发射率均急剧增长;而在破坏的瞬间,高频通道接收的声发射率增长快于较低频率通道的声发射率.这两点可用来预测岩石的破坏.声发射率随轴向应力的变化与加压方式有关.匀速加压,加压过程中保持一段时间恒压或降压均对应一定的声发射率状态.有可能通过追踪声发射情况,推测应力变化趋势.      

双向压缩条件下非均匀断层标本变形过程中的声发射活动特征

在双向压缩条件下,研究了一种非均匀断层模型标本在变形过程中的声发射(AE)时空特征.结果表明,随侧向应力sigma;2的增大,断层破裂强度提高,自加载至破坏的时间延长,破坏形式由突发失稳逐渐转变为渐进式破坏.预制断层及其非均匀性对标本变形过程中AE空间分布图象起明显的控制作用.预制断层,特别是预制断层上的强度不均匀部位及高强度段落,控制着微破裂空间分布的总体格局.破裂局部化均起始于断层上强度不均匀部位,随侧向应力sigma;2的增大,微破裂密集区域从预制断层强度不均匀部位逐渐扩展到整个高强度区段.侧向应力sigma;2的大小对AE时序特征具有显著影响.较低sigma;2条件下,断层表现为突发失稳,失稳发生在微破裂活动ldquo;增强-平静rdquo;的背景之上;而较高sigma;2条件下,断层表现为渐进式破坏,破坏前后AE频次持续增加,AER呈指数增长.sigma;2对b值变化也具有一定影响.当断层破坏表现为突发失稳时,b值在弹性阶段后期至弱化阶段显示出ldquo;前兆rdquo;性降低;而当断层表现为渐进式破坏时,b值变化平稳.      

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.      

应力扰动对断层摩擦声发射活动影响的实验研究

利用中尺度岩石摩擦实验开展了应力扰动对断层摩擦滑动过程中声发射活动影响的实验研究,据此讨论同震应力变化引起的小震活动特征及其预测意义.实验结果表明方波状应力扰动对粘滑失稳前的声发射活动有明显影响,即触发了一些声发射事件,使得粘滑发生前声发射活动增强并使出现的时间提前.这种影响随平均正应力的提高和扰动振幅的增大而增强,其...     

静围压下岩石纵波速的变化和各向异性

在500MPa静围压下研究了多种岩石样品的三维纵波速和波速各向异性。岩石样品采自美国南加州Whipple山的不同地层。实验得到如下结果:1.岩石的纵波速各向异性是一个普遍的特征。2.岩石样品的三维纵波速均随围压的增加而增加,但增量大小的次序与围压无关。3.岩石的各向异性普遍随围压的增加而减小。4.岩石内层理被压缩是岩石各向异性随围压减小的主要原因。 本文还首次提出了波的振幅随围压加载和卸载变化的现象。     

地壳温压条件下迁安石英岩变形破坏的实验研究

本文从实验的角度模拟了地壳温压条件下石英岩的变形破坏,并进行了相应的分区。实验结果表明:石英岩变形性状和失稳形式在不同温压条件下差异悬殊。其中,温度低于450℃时,试件在不同围压下均可能产生突发式失稳,但在围压高于400MPa时,试件剪切破裂贯通后才发生粘滑方式的摩擦滑移。温度高于500℃时,不同围压下的试件一致转变为渐进失稳。在这个过程中,石英岩变形最典型特征是非弹性变形组分的迅速增加。因此,遏制岩石突发失稳的因素之一可能是升温环境中增加的非弹性变形的阻滞作用。     

利用模板匹配技术检测米尺度岩石断层黏滑实验中的声发射事件

声发射观测是岩石摩擦实验中研究强震孕育机制的重要观测手段之一.传统的声发射观测以触发记录为主,难以捕捉并提取微弱的声发射信号.近年来天然地震学中发展的模板匹配技术可以在连续波形记录中识别出微弱的事件,大大提升事件检测能力.本文发展了适用于多通道连续记录的声发射信号的模板匹配技术,并将该技术应用于分析米尺度岩石断层黏滑失稳过程.研究结果显示:模板匹配技术识别出的声发射数量约为传统方法识别的5倍,相对完备震级降低约0.3.临近失稳,检测目录完备震级以上声发射率表现出幂律增加的特征,且声发射事件聚集在失稳破裂起始点附近.失稳后,检测目录完备震级以上声发射率表现出幂律衰减,其中失稳后早期表现出较慢的衰减速度.另外,失稳后早期声发射事件表现出随对数时间沿断层迁移的趋势.最后,通过与天然地震学观测的结果对比表明,声发射模板匹配识别技术是研究大尺度岩石摩擦滑动失稳过程中前震和余震时空演化规律的有效手段,该技术助于在方法上为室内实验和野外观测进行融合研究提供思路.     

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。     

二岩体系统破坏全过程的数值模拟和实验研究

利用岩石破裂过程分析RFPA2D软件系统对不同岩性的二岩体相互作用系统受力破坏过程进行了数值模拟。并与大理岩- 花岗岩组成的双试样串联加载变形及声发射实验结果进行了比较,解释了由破裂体与非破裂体组成的岩体系统失稳破裂前一些微震前兆规律,包括微破裂迁移、变形局部化等。对于地震失稳破坏现象的研究结果表明,弹性回弹区的性质与研究失稳破裂区的性质具有同等重要性。