水的临界温度对大震孕育和发生的作用的模拟实验研究

对云南大理岩在临界温度附近的水中的破裂和溶解特性进行了试验研究.结果表明,试件的力学参数(破裂强度、弹性模量、剪切破裂能、断裂韧性等)随环境水温度的升高而降低,在临界温度附近有一个突然的下降,然后保持一个较稳定的低值.分析测量了每一试验温度下环境水中某些化学物质成分的含量、PH 值、电导率等.其与温度的变化与力学参数相仿,只是随温度呈增高的趋势,在380℃附近都存在一个突然的变化.这种变化是临界温度附近的水溶液对岩石的强烈的应力腐蚀作用所引起的.根据试验结果强调指出,地壳中处于临界温度附近的水溶液的存在和运移对震源过程、浅源大震的成因有重要的意义.      

利用岩石声发射活动性的应力履历效应估计地壳应力

引言 岩石的声发射活动性能够“记忆”岩石所受过的最大应力,这种效应称为凯赛效应。它是Kaiser,J.1953年在金属材料的拉伸试验中首先发现的。后来Goodman(1963)、金川忠等(1977)在岩石压缩试验中也证实了凯赛效应的存在。金川忠等(1978)认为,利用定向钻孔岩芯制备的定向试件声发射活动性的变化,可以确定地壳应力状态。这个应力状态与同一地点的套芯法和水压致裂法原地应力测量结果相比较,有可能估计测量地区应力状态的变化趋势。这对于判断天然断层的稳定性具有十分重要的意义。这个     

高温高压下岩石的破裂和摩擦(摘要)

虽然大多数地震都集中在原有断层上,但是在适当的环境条件下,实验室内的岩石试件破裂和摩擦实验也有助于了解震源机制的物理性质。这种环境条件包括高压差、地壳温度、化学腐蚀介质、孔隙压力、量值稳定的应力、应力率或应变率、构造载荷,潜在破裂体系附     

孔隙介质中波的衰减及其对冲击波的防护作用

孔隙介质对波的衰减极为显著,因此,它能有效降低介质中冲击波的能量。普遍来说,地球浅层介质均可视为孔隙介质,即可作为应对冲击波的天然防护材料,这对大型地下结构的安全防护有着重要的意义。本文通过对大振幅应力脉冲通过水或冰充填的人工节理孔隙介质的测量结果分析,讨论了节理中固相/液相水对爆炸效果的作用。基于双孔隙模型和部分饱和模型计算预测的P波速度以及岩石衰减和频散规律,与实测数据相一致。实验与模型预测均表明,节理中的水和冰对冲击波有较大的衰减,但是充水节理更为明显,且由于填充材料的不同会导致不同的介质性质。因此,在地球介质孔隙节理中充填不同衰减特性材料,可以满足不同情况下的冲击波防护需要。      

有效应力变化对致密砂岩孔隙结构及弹性波响应的影响规律

致密砂岩气藏具有裂缝发育和有效应力高的特征,研究不同有效压力下孔、裂隙介质地震波传播特征,有利于地震解释与地下储层的识别.但是前人的研究较少考虑岩石内部微观孔隙结构特征与孔隙、裂隙间流体流动的关系.本文首先通过选取四川盆地典型致密砂岩岩样,在不同有效压力下对岩石样本进行超声波实验测量.然后基于实验测得的纵、横波速度进行裂隙参数反演,得到不同有效压力下致密砂岩样本的裂隙孔隙度.再将裂隙孔隙度和样本岩石物理参数代入双重孔隙介质模型,模拟得到不同有效压力下饱水致密砂岩样本纵横波速度频散和衰减的变化规律.结果表明模型预测的速度频散曲线与纵波速度实验测量结果能够较好的吻合.最后统计分析了致密砂岩裂隙参数,得到了致密砂岩储层裂隙参数随有效压力及孔隙度变化特征.依据实际岩石物理参数建立模型,其裂隙参数三维拟合结果能够较好描述致密砂岩裂隙结构与孔隙度、应力的关联,可为实际地震勘探中预测储层裂缝性质提供基础依据.     

大理岩试件中裂缝的逆向共轭剪破裂

本文介绍了以激光全息干涉法观测单轴压缩下,大理岩岩样表面的变形位移场。全息干涉图可以反映出由于岩石内部微裂隙丛集激增所导致的变形局部化,实验采用板状大理岩试件,在中心处预制了不同角度的裂缝,实验在MTS伺服压机中加载直至宏观破坏,观测了裂隙的发展过程。实验表明:当裂缝角小于45时,先在裂缝尖端处的张应力集中部位出现新裂纹,它的起裂角(与原裂缝的交角)90,裂纹弯向压力方向并趋于稳定。当>45时,在上述张裂纹稳定后,在裂缝尖端附近再次发生张裂,其起裂角60,同样弯向压力方向后稳定。在这些前期张破裂稳定后,在张裂的相反方向,也即裂缝的共轭方向上,出现内部微裂隙的丛集,并随后发生宏观的剪破坏,我们认为此逆向剪切破坏与大理岩的多晶组构有关,与应变弱化过程中变形和应力的调整有关。      

单轴压缩下干燥和饱水岩石中超声P波的衰减

根据脉冲传播和频谱比方法的基本原理建立了一套超声波衰减和波速测量系统。研究了单轴压缩下超声P波在干燥和饱水的小浪底砂岩和房山大理岩中的衰减和速度。常压下,水饱和样品的Q_P值低于干燥样品。初始加载时,在大多数情况下,Q_p值明显增加即衰减减小;当应力水平达破裂强度50-60％后,岩石开始膨胀,Q_p减小即衰减增加;临近破裂Q_p减至最小。Q_p的变化量达一个数量级。单轴压缩下,在干燥和饱水的砂岩、大理岩中,V_p分别增加为27％和28％,44％和11％。径向Q_p和V_p随单轴压力的变化比轴向小得多,呈现明显各向异性。在本实验条件下,波在裂纹表面的摩擦耗散是主要的衰减机制,水的作用主要是潮湿和润滑裂纹表面,促进滑动,增加衰减。     

利用含可控裂缝人工岩样研究裂缝密度对各向异性的影响

利用新方法制作出含可控裂缝的双孔隙人工砂岩物理模型,具有与天然岩石更为接近的矿物成分、孔隙结构和胶结方式,其中裂缝密度、裂缝尺寸和裂缝张开度等裂缝参数可以控制以得到实验所需要的裂缝参数,岩样具有真实的孔隙和裂缝空间并可以在不同饱和流体状态下研究流体性质对于裂缝介质性质的影响.本次实验制作出一组具有不同裂缝密度的含裂缝人工岩样,对岩样利用SEM扫描电镜分析可以看到真实的孔隙结构和符合我们要求的裂缝参数,岩样被加工成八面棱柱以测量不同方向上弹性波传播的速度,用0.5 MHz的换能器使用透射法测量在饱和空气和饱和水条件下各个样品不同方向上的纵横波速度,并得出纵横波速度、横波分裂系数和纵横波各向异性强度受裂缝密度和饱和流体的影响.研究发现流体对于纵波速度和纵波各向异性强度的影响较强,而横波速度、横波分裂系数和横波各向异性强度受饱和流体的影响不大,但是对裂缝密度的变化更敏感.     

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。     

水对受力岩石变形破坏宏观力学效应的实验研究

为了了解水对受力岩石的宏观力学效应,在MTS电液伺服材料试验系统上,对不同饱水度的砂岩、花岗闪长岩、灰岩和大理岩进行了单轴压缩试验,取得了这几种岩石的单轴抗压强度和弹性模量随饱水度变化的定量结果.结果表明,水对受力岩石的力学效应与岩石中的含水状态是密切相关的,自然状态的砂岩、花岗闪长岩浸水后,其峰值强度和弹性模量随饱水度的增加而迅速衰减,当饱水度达到某一定值时,这两种岩石的峰值强度和弹性模量基本稳定下来;文中用函数Y=Aexp（-Bx）+C对实验结果进行了最小二乘法拟合.实验中求得水饱和状态和自然状态砂岩的泊松比并没有明显差异,说明在宏观上水对该种岩石受力变形的作用是各向同性的.通过10^-5/s和10^-4/s两种不同应变率试验,发现水对受力岩石的力学效应具有时间依赖性,这一特点说明仅从有效应力原理来考虑水对受力岩石的力学效应是不够的,而应考虑应力腐蚀这样复杂的过程.此外,大理岩的试验结果表明,水对受力的碳酸盐类岩石的作用机理是一个值得进一步探讨的问题,它与水对受力的含SiO₂类岩石相比,可能存在差异.     

Experimental study on the effect of the critical temperature of water on the preparing and occurring of large earthquakes

The features of fracturing and dissolving of Yunnan marble in distilled water near the critical temperature have been studied experimentally. The results indicate that the mechanical parameters of the samples (fracture strength, Young’s Modulus, shear fracture energy and fracture toughness) drop with the temperature of the environment water, near the critical temperature (380°C), these parameters have sudden changes (drop), then keep stable values roughly. The contents of some chemical materials in the water, PH value and conductivity at every experiment temperature have been analysed and measured. At 380°C, there all exist sudden changes. According to the results, it is pointed out that the sudden changes are related to strong stress corrosion of water near its critical temperature to the rock and the exist and its migration of the water solution near the critical temperature in the crust have important significance to the earthquake source process, the formation cause of the low-focal depth earthquakes in the crust. The Chinese version of this paper appeared in the Chinese edition ofActa Seismologica Sinica,14, 156–163, 1992. This work was sponsored by the Chinese Joint Seismological Science Foundation.     

不完整岩石样品的断裂与摩擦滑动

在单轴压力下对具有锯口面的岩石样品的破裂和摩擦滑动进行了实验室试验。当锯口面与轴应力方向垂直时（拼合样品）,研究了岩石的强度,破裂形态和前兆。对于锯口面与加载轴成65°和75°的样品,发现在宏观断裂发生之前有粘滑现象发生。粘滞时的应力降和轴向位移的变化比断裂时要小得多。实验发现,在锯口样品中的断裂往往从锯口一侧发生,穿过间断面而向另一侧发展。本文还简要地讨论了这些结果的意义。     

水对高应变率扭剪变形实验中大理岩强度的影响

利用 Kolsky 扭转棒作为实验装置,笔者在常温常压条件下对干燥的和潮湿的大理岩试样进行了一系列的动态简单剪切的实验变形研究,以期了解在高应变率(373-1-1736-1)时岩石中孔隙水对于岩石抗剪强度的影响.结果表明,孔隙水的存在不但没有降低,反而稍微提高了岩石的抗剪强度.结合前人在静态条件下的实验研究资料,笔者认为水对岩石变形的作用机制随应变率的变化而改变.在低应变率(例如:10-9-1)时,水对岩石变形的影响分别表现为压溶作用、应力侵蚀作用和降低有效应力的效应.压溶作用和应力侵蚀作用导致岩石强度的降低;而有效应力的降低则导致岩石强度的相对提高.      

Experimental Study of the Earthquake Recurrence Period and the Trend of Post-seismic Development

In order to study the earthquake recurrence and the characteristics of earthquake series, rupture tests of rock samples and plexiglass samples were made. On rock samples, a number of acoustic emission (AE) and strain measuring points were deployed; the load was one side direct shear. The variation characteristics of AE and strain at different detecting points around the extra large fracture were observed and studied. On plexiglass samples, a series of inclined cracks were prefabricated by a small-scale compressive testing machine. The samples were then loaded on a shockproof platen, when the samples were loaded, the stress intensity factor (SIF) was determined by the laser interferometric technique and shadow optical method of caustics. The fracture conditions such as material toughness around the extra large fracture were also studied. From those experimental results and the theory of fracture mechanics, the earthquake recurrence period and the trend of post-seismic development were studied.     

岩石细观破裂的实验观测研究及其对认识地震活动性的启示

对合一条预制中心割缝的大理岩六边形试件进行了对边均匀加压实验，在扫描电镜下实时观测了细观裂纹的起裂、扩展过程，研究了它们与外载大小和方向之间的关系．用实验过程中拍摄的显微照片测量与计算了裂端距（割缝周围次级裂纹开裂点至割缝端点的距离）与外载方向之间的关系，并分析了当加载方向变化时裂纹扩展的特征及变化规律．最后将实验结果与滇西北洱源－鹤庆断裂尾端张性盆地的发育过程做了对比，发现两者在受力方向改变时，次级断层的发育过程具有相似之处．     

三轴压缩下软弱面对岩石破裂的影响

将岩石标本分为三组,分别锯至直径的1/3、2/3及完全切断。每组的切口与轴向的交角分别取20°,30°,40°和50°。然后用环氧树脂将切断的标本粘合,将锯开的切口填充,形成人为软弱面。将上述标本及完整岩石标本分别在0.79千巴及3.03千巴的围压、10~(-5)/秒的常应变率下进行实验,发现: (1)在部分切口的标本中,明显由两个紧接的主要破裂过程组成,第一个是软弱面的破裂,第二个是岩石标本中新的破裂。(2)全切口标本中破裂面完全沿软弱面发展;2/3切口标本中,大多数破裂面沿软弱面发展,但在3.03千巴围压下,切口与轴向成20°,50°角的标本中,主要破裂面取与软弱面共轭的方位;1/3切口标本中,破裂面较复杂,但都交汇在切口端点,且取向大都在软弱面共轭方位,但夹角较小。(3)切口对标本破裂强度有明显影响,切口越大,强度越低;切口的角度对全切口标本及2/3切口标本的强度也有明显影响,在30°左右强度最小,而对1/3切口标本的强度没有影响。结合上述结果对地震断裂与软弱面的关系进行了讨论。     

Fracture Toughness Measurements and Acoustic Emission Activity in Brittle Rocks

Fracture toughness measurements under static loading conditions have been carried out in Barre and Lac du Bonnet granites. An advanced AE technique has been adopted to monitor real-time crack initiation and propagation around the principal crack in these tests to understand the processes of brittle failure under tension and related characteristics of the resulting fracture process zone. The anisotropy of Mode I fracture toughness has been investigated along specific directions. Microcrack density and orientation analysis from thin section studies have shown these characteristics to be the primary cause of the observed variation in fracture toughness, which is seen to vary between 1.14 MPa.(m)^1/2 and 1.89 MPa.(m)^1/2 in Barre granite. The latter value represents the case in which the crack is propagated at right angles to the main set of microcracks. The creation of a significant fracture process zone surrounding the propagating main crack has been confirmed. Real-time imaging of the fracture process and formation of fracture process zone by AE techniques yielded results in very good agreement with those obtained by direct optical analysis.     

地震应力降与岩石破裂应力降

从应力降的静态理论,讨论了地震应力降的精度,并利用野外观测的最大位移和由地震波得到的地震矩,分别计算了十个研究较充分的地震应力降.对不同作者的结果作了比较,可以看出,应力降有因子为2的变化范围.但从统计观点看,地震应力降是分布在几巴到几百巴的数量级,大多数位于20-60巴;总结了地壳中代表性岩石在地壳温度、压力条件下,粘滑及脆性剪切破裂时的应力降,它们与温度、压力、岩性、含水矿物的存在有关.取值范围是从零到几千巴数量级;讨论了地震断层的物理状态,指出地震应力降是一种平均结果,并由于静态理论忽略了断层面破裂所消耗的能量,所以地震应力降比实际的应力降要低.      

破裂带发展的扫描电镜实验研究及其对地震前兆的启示

在扫描电镜下对带割缝的大理岩试件进行了单轴压缩实验.在加载的全过程中,观察了试件表面裂纹的产生、扩展、平面分布以及断裂扩展前缘处的微裂纹在主断裂扩展前后的开、闭变化,并分析了它们与外载之间的关系.在显微照片上量测了主断裂的宽度随外载水平及测点所在部位的变化规律.在实验测定和结果分析的基础上,解释了脆性岩石材料在宏观裂纹扩展时的断裂能明显偏离线弹性断裂力学预测值的原因,提出了以标量作为岩石损伤力学中的损伤量的设想,探讨了实验结果对了解地震前兆（如大地形变和地下水位异常）可能起到的作用.将实验观察到的微破裂活动与1975年海城7.3级地震前地下水位异常做了对比分析,发现两者在时空分布方面有许多相似之处.