地震预测方法Ⅱ:评述

本文分析了各种地震预测方法对地震的预测情况.首先通过岩石力学实验和有限元模拟计算结果分析了含裂纹岩石材料的变形破坏过程;其次,将实验室岩石破坏过程的观测结果和有限元模拟计算结果外推到地壳岩石的变形破坏过程,从地震发生的物理力学机理出发,对多种地震预测方法进行了评述,研究这些地震预测方法的有效性和尚待解决的问题,同时对利用物理化学方法预测地震的前景进行了讨论.     

煤样变形破坏声电效应的演化规律及机理研究

通过实验研究不同煤样变形破坏全过程的声发射和电磁辐射效应的演化规律,分析了煤样变形破坏过程中电磁辐射和声发射信号的相关性和煤样变形破坏的微观机理,提出了煤样变形破坏过程中电磁辐射和声发射信号分别是在煤样内的裂纹面滑移和裂纹扩展时产生的观点,较好地解释了煤样变形破坏过程中声电效应的变化规律和特征,为进一步提高电磁辐射及声发射、电磁辐射综合预测煤岩动力灾害的可靠性和准确性提供了理论基础.     

岩石破裂的两阶段模型

提出了岩石破裂的两阶段模型。在第一阶段，裂纹或局部的破坏是互不相关的，与以前含裂纹的负载相应，在岩石内随机萌生。随着岩石中损伤的累积，大丛集的空间上密集的裂纹和局部破坏区发育的可能性逐渐增大。在裂纹群扩展到足以形成更大一级破坏（第二阶段）岩石裂纹的地方先出现临界破坏密度。通过统计分析可知，空间上邻近的裂纹群内出现裂纹相互作用和协同裂纹时，裂纹群的最初发育是以业已存在的裂纹群中的随机变量为基础进行预测的。这样，模型中不稳定的第二阶段的开始可从随机的、不相关的破裂的产生中计算出来。本文提出的模型综合了固体强度的动力学概念（时间相关）岩石的分散等级结构及导致破裂增加的裂纹群。该模型的优点是对于包括地震过程在内的大范围尺度级别的破裂过程它都是正确的。引入了裂纹等级（裂纹大小）概念，提出了裂纹集结作用和破裂过程从一个级别向另一个级别的转变。     

在围压条件下切口岩石破裂过程的实验研究

本文根据地震的断层说观点在室温、围压600—1,200巴条件下研究了具切口的花岗闪长岩、辉长岩和大理岩试件的破裂发展过程。在连续增加的差应力作用下观测到:切口内部充填的软弱夹层首先发生剪切变形和破裂,接着在切口端部一侧扩展张性裂纹,然后在切口前缘方向扩展剪切裂纹,最后发生贯通试件的剪切和张裂-剪切主破坏。张裂纹扩展长度受到围压的强烈抑制。岩石的切口结构和岩性变化对破裂迹线的空间展布和主破坏机制有重要影响。讨论了实验结果在断层扩展型地震的形成过程及其在预报预测方面的意义     

花岗岩变形破坏的阶段性模型--应力速度及预存微裂纹密度对断层形成过程的影响

依据对具有较高微裂纹密度的筑波花岗岩和极低微裂纹密度的花岗斑岩 2种极端的岩石标本、在等应力速率的快速加载 (约 6MPa/min)和蠕变加载 (轴向应力保持在约 95 %破坏强度 ) 2个极端的加载条件下的实验结果 ,讨论了预存微裂纹密度与加载速度对多晶质结晶岩变形破坏过程的影响。实验中利用高速多通道声发射波形数字记录系统 (每秒可记录多达 5 0 0 0个声发射事件的 32通道波形 ) ,获得了岩石标本破坏前微破裂活动的详细时空分布数据。声发射的发生率、震级 -频度关系中的b值及震源的空间分布揭示出岩石变形破坏过程中微破裂活动具有 3个典型阶段 :初期阶段、第 2阶段和成核阶段。尤其是在成核阶段 ,还观测到发生率和b值有大幅度前兆性起伏。一般而言 ,在相同加载条件下预存微破裂密度越高 ,或对同一岩石加载速度越慢 ,对应的断层成核过程就越长 ,因此最终破坏的可预报性也越高。为了进一步探讨微破裂活动的阶段性特征及其物理本质 ,还利用亚临界破裂扩展模型对声发射数据进行了理论分析     

X射线岩石CT的历史与现状

采用X射线CT技术无损探测岩石内部结构和裂纹演化过程 ,起源于 2 0世纪 80年代后期 ,由最初对CT图像的认识逐步深化为对岩石裂纹演化规律的分析和应用研究。基于室内岩石试件扫描断面的CT图像 ,目前在岩石变形破坏过程的实时监测、加荷条件多样化、裂纹演化规律性、裂纹宽度的定量测量、岩石裂纹三维图像重建、损伤演化与损伤变量分析、CT成果应用研究等方面取得了一系列进展。岩石CT面临的主要问题是如何获得各种试验条件下精确的CT图像及其成果的应用研究。岩石CT的生命力在于自身理论、技术发展和在相关领域的应用程度     

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.      

不同结构的岩石试件变形破坏与孔隙压力关系的实验研究

根据华北地区地震地下水位动态观测井的含水层岩性、埋深与承压水头大小等实际条件，对具有不同结构的四种岩性试件，在不同围压、初始孔隙压力、变形速率下，进行了变形破坏过程中孔隙压力变化特征的实验研究，探讨了岩性、结构、围压、初即孔隙压力，变形速率等因素对井水位映震特征的影响。     

岩石介质中多裂纹扩展相互作用及其贯通机制的数值模拟

运用岩石破裂过程分析RFPA^2D系统，通过对岩石试样中预置的一组右行右阶雁列式裂纹扩展过程的数值模拟，研究了非均匀岩石介中多裂纹扩展的相互作用模式及其贯通机制。数植模拟再现的受压混合型裂纹扩展过程中逐步演变的全场变形过程，以及与细观非均匀性有关的声发射和断续扩展模式的“岩桥”现象，清晰地揭示出多裂纹扩展的相互作用及其贯通机制。模拟结果说明，对于岩石这种地质介质而言，忽略其非均匀性影响，可能会掩盖岩石变形与破裂过程中的许多与非均匀性有关的特殊现象，包括声发射或微震模式、岩桥或雁行断裂等。     

含预制软弱带的岩石破裂过程的数值模拟

考虑到岩石脆性破坏过程中介质的不均匀性之特点，对岩石样品中含预制弱介质条带的岩石样品破坏过程进行二维有限元数值模拟，并对弱介质带的破坏贯通过程、新的断层的产生和有关的地震活动进行了研究．数值模型展示了岩石从变形、微观破坏到整体破坏的全过程以及微震活动的时空分布特征．应力、应变和微震活动的时空分布形象地描绘了岩石变形的局部化和时空迁移等现象，这与实际地壳中所观测到的现象是一致的．此外，模拟结果与实验观测结果也是一致或相似的．      

岩石加速破裂行为的物理自相似律

掌握岩石变形破坏过程中体积膨胀点至峰值强度点之间加速破裂行为的演化规律,是实现地质灾害物理预测的关键.本文考虑裂纹张开和闭合两种情况,基于断裂力学建立了三轴应力作用下裂纹扩展临界尺度与等效应力的关系.对微元体破坏概率,分别采用以等效应力表达的Weibull分布函数和裂纹尺度分形函数,通过对比导出了形状参数m与裂纹分布分维D_f关系的表达式.一个有趣的发现是,岩石峰值强度点与体积膨胀点应变比仅与m或D_f有关.对岩石蠕变或准蠕变破坏,合理的m值范围为[1.0,4.0],在此范围内应变比近似为常数1.48,该常数是描述不同尺度岩石加速破裂规律的物理自相似常数.实例分析表明,基于岩石加速破裂规律构建的多锁固段脆性破裂理论,其适用性广,尤其在崩滑和大地震预测领域,具有良好应用前景.此外,本文给出了b值与m值定量关系,以解释b值的物理意义,并探讨将其用于地震预测的可行性.     

不连续岩石试件加载变形与破坏前后声发射波形的线性度分析

对单节理岩石试件加载变形破坏过程中的声发射波形数据使用时间线性度和空间线性度的算法进行了处理分析，研究了所得时间线性度（ｒ）和空间线性度（ａ）作为地震前兆指标的可能性。所得结果表明：时间线性度（ｒ）在不同节理角的岩石试件破坏前和破坏后，都呈现下降；而空间线性度（ａ）也表现为下降，且下降幅度更大一些。在不同节理角岩石变形过程的声发射事件中，最大声发射事件（破坏瞬间）发生之前ｒ和ａ都呈现下降的异常变化     

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.     

非均匀性对岩石介质中裂纹扩展模式的影响

运用岩石破裂过程分析ＲＦＰＡ２Ｄ系统,通过对岩石试样中预置的倾斜裂纹扩展过程的数值模拟,研究了材料非均匀性对岩石介质中裂纹扩展模式的影响．数值模拟再现了受压试样在裂纹扩展过程中逐步演变的应力场和应变场,以及与岩石非均匀性有关的声发射和断裂扩展模式的“岩桥”现象．模拟结果说明,岩石的非均匀性对含裂纹试样的变形、破裂过程及其破坏模式有很大的影响．     

复杂应力条件下地基岩石细观破坏研究

为了研究复杂应力条件下的深基坑岩石细观破坏问题,本构方程采用由应变空间导出的弹塑性损伤细观力学模型,借助有限元计算方法,实现了岩石三维破裂过程的数值模拟。采用细观破坏单元网格消去法,实现了有限元模拟裂纹扩展过程;利用位移加载来实现岩石逐渐破裂过程;数值模拟灰岩单轴拉伸及压缩破坏试验、双轴拉伸破坏试验和三轴受压破坏试验,得到其非线性应力—应变曲线和不同载荷阶段弹塑性损伤破裂演化系列图像;分析细观非均匀性对岩石宏观破裂力学行为的影响。研究表明,在复杂应力条件下,随着围压增大,峰值抗压强度明显提高,塑性变形明显增大。本文研究对深基坑施工过程中预防工程事故的发生具有借鉴意义。     

基于能量耗散原理的非均质岩石损伤破坏元胞自动机模型研究

基于能量耗散理论建立非均质岩石的动态损伤破坏元胞自动机,分析单轴压缩试验中岩石破坏截面的损伤状态,得到该情况下的岩石裂隙微观动态发展过程、损伤演化关系以及全程应力应变曲线。研究发现：①加载过程中,均质度较低的岩样裂纹的萌生和扩展较为分散,损伤速率低;均质度较高的岩样裂纹的萌生和扩展非常集中,表现为脆性破坏。②损伤演化曲线呈3阶段S形发展。③随着岩石均质度参数的增加,岩石的峰值强度和峰值应变都有所提高,峰后曲线越来越陡。④给出的衡量岩石脆性破坏强弱程度的指标参数,能够较好地描述岩石破坏形式随着均值度参数m变化的规律。     

受载条件下大型灰岩样品的电阻率前兆特征

用实验方法研究了500mm×500mm×1000mm的大型天然灰岩样品从微裂到大破裂的电阻率前兆特征,对资料的初步分析表明:(1)电阻率异常的时空演化进程与岩石从受力、变形到破坏的整个过程密切相关;(2)电阻率异常的空间分布具有差异性,时间演化具有阶段性;(3)在整个加载过程中电阻率变化有明显的“趋势”异常,岩石大破裂前观测到了“短期”前兆和“临震”突变。这些实验结果为大地震前野外地电阻率法观测资料的物理解释提供了实验依据。最后,利用所观测到的电阻率前兆特征对受载条件下灰岩样品的变形破坏过程进行了初步讨论。     

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。      

关于岩石的剥离破坏过程及混合破坏准则

基于热力学定律研究了岩石在强动载作用下的损伤演化过程。从分析可以看出，材料在强烈应力波作用下的损伤演化过程是一个不可逆的热力学过程，其中伴随着能量的耗散过程。同时也是一个强烈非平衡过程，线性近似不能很好地描述它，必须采用更强烈的损伤对于应力的依赖关系。岩石是充满随机分布的微裂纹的介质，其数目及尺寸服从一定的分布，仅仅用一个损伤量还不能准确地反映损伤的程度。因此本文基于密度准则及微损伤的统计描述，建立了一个混合的破坏准则，所反映的微裂纹的信息更多。     

具有空间分布裂缝岩石的随机介质模型

利用随机过程的谱展开理论以及Hudson等人的裂纹介质模型构造一种裂纹数密度是空间平稳随机过程的随机介质模型。这个模型可以将裂纹的微观参数(裂纹数密度)与裂纹介质的宏观性质(弹性常数)联系起来,能灵活、有效地描述实际非均匀裂纹介质。模型算例表明,弹性常数的空问分布特征与裂纹数密度的有差别,而且对不同的弹性常数影响不同。通过改编自相关长度的大小,可以模拟裂缝在两个坐标轴方向上具有不同分布尺度的情况。最后,利用高阶的交错网格有限差分方法,我们模拟了地震波在具有随机分布裂缝岩石中的传播特征。