岩石声弹性理论与应用的研究进展

大量岩石实验证明了岩石声弹现象的存在,即岩石的弹性波波速会随着岩石的应力状态的改变而改变,即岩石的声弹性现象.岩石的声弹性现象为地应力无损检测提供了可能.目前许多研究已经分别给出了岩石声弹性的细观和宏观理论,并初步应用到地应力测量方面.为了促进岩石声弹理论的应用,本文总结了岩石声弹性的细观和宏观理论研究及其在地应力测量方面应用研究的进展.     

围压条件下岩石的抗拉强度

用水压致裂法对7种岩石的厚壁圆筒试件进行不同围压下的抗拉强度实验,并从试件致裂瞬间的内壁环向应力σt,环向应变εt等五种参数随围压变化的角度,对围压条件下岩石的抗拉强度进行研究。结果表明,若用σt表示岩石的应力抗拉强度,则σt随围压的增加而减少,并由低围压时的拉应力逐渐过渡为高围压时的压应力。高围压时,虽然试件已处于三向受压状态,但其破裂仍表现为典型的张性破裂。从另一意义上讲,处于高围压环境中的岩石,其内部不可能存在拉应力,拉应力只在低围压状态中存在。若岩石的应变抗拉强度由εt表示,即使岩石三向受压,张性破裂的εt始终是拉应变,岩石的抗拉强度由应变来表征似乎更合理。εt先随围压的增大而增大,当围压超过某一特征值后,εt反随围压的增大而有所减少。 将上述结果应用于岩体(或地震)破裂,可以证明,当岩体内存在σ_3<μ(σ_1+σ_2)的应力状态时,即使三向受压,岩体照样会出现张性破裂。由此认为,地震的震源也存在着张性破裂的可能。     

频率域声-弹耦合地震波波动方程有限差分方法

本文针对声-弹耦合介质,为尽可能的减少频率域正演模拟的计算内存,提高计算效率,在一阶非均质位移-应力波动方程的基础上,借助等效交错网格思想并充分考虑密度参数空间变化对地震波传播的影响,推导了声-弹耦合地震波波动方程.在流相介质和固相介质中分别采用非均质情况频率域二阶声压标量波、二阶纯位移控制方程,为保证流、固相介质间地震波能量的稳定传输和有效交换,提出了声-弹耦合界面转换过渡层方法,并详细阐述了过渡层与上下介质空间差分具体耦合方法.在与非均质纯位移波动方程正演结果对比分析的基础上,首先采用各向同性单层流相介质模型进行正演模拟验证了声-弹耦合方程数值模拟中过渡层策略的有效性和准确性,随后又数值模拟了地震波在声-弹耦合介质简单模型和复杂Marmousi2模型中的传播,验证了本文方法稳定性和准确性,同时该方法可以简单的推广到三维情况.

     

围压对浅表岩石力学行为的影响

结合山体滑坡和油田开采等工程问题,大量测定和研究了若干完整的和含弱面的岩石的力学参数和破坏特性.结果表明,围压(对应于地下深度)对地壳浅表岩石力学行为的影响已不可忽视,因此,上述工程问题都应给予考虑.这种影响表现为随围压(深度)的增加不仅强度增加,而且破裂性质由张性迅速向张剪性过渡,岩石由脆性向半脆性、半延性过渡,破裂由单一面向破裂带过渡;随围压(深度)的增加,弱面影响逐渐减弱,从而导致杨氏模量的增加.研究还表明,岩体周围介质的特性对岩体破坏行为有明显影响,随着周围介质刚性增加和流动性减小,岩石明显地表现出由突发式破坏向渐进式破坏过渡.     

致密砂岩波速各向异性及弹性参数随围压变化规律的实验研究

为研究致密砂岩储层弹性波速度各向异性及弹性参数随围压的变化规律,应用地质力学研究所从美国New England Reaearch Inc引进的Autolab2000岩石物性实验设备,对采自长庆油田延长组储层的3组典型致密砂岩,对其X、Y、Z三个方向分别取样,进行了不同孔隙介质(干燥、饱水及饱油)条件下弹性波速度随围压(5~180 MPa)变化规律的实验研究工作,得到了X、Y、Z三个方向分别在干燥、饱水及饱油时的弹性波速度,并对X、Y、Z三个方向的各向异性进行计算和对比分析.同时根据测得的弹性波平均速度得到样品的弹性参数随围压的变化规律,对实验曲线进行拟合,获得不同孔隙介质条件下弹性波速度、各向异性、弹性参数随围压的变化规律及其拟合公式.结果表明,垂直方向速度值最低,横波各向异性指数小于纵波各向异性指数;随着围压的增加,致密砂岩波速增大,其各向异性以幂函数形式减小,体模量、弹性模量、剪切模量和拉梅常数以对数函数形式有不同程度的增加,泊松比因所含介质不同而有不同的变化趋势,除个别线外,拟合系数皆在0.956以上.在围压高于140 MPa时,干燥、饱水和饱油状态下的泊松比皆在0.24左右.     

基于超声尾波的岩石介质波速变化实验研究

<正>1研究背景实验室岩石加卸载破裂实验是认识和理解地震孕育现象和机制的重要手段。为了揭示地震孕育发生的物理过程,众多学者在不同观测条件下开展了大量实验。除传统的应变、位移及声发射观测手段外,目前较为先进的方法是,基于岩石变形热红外观测系统以及数字图像互相关等技术观测介质的热场变化。但是,在野外地震观测中,可能无法使用上述观测手段对地下介质的应力状态和微小的应力变化进行高精度变化测量。可见,受严苛的观测条件所限,目前这些实验室观测手段尚难以应用于野外实际观测。     

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.     

高围压下岩石材料的断裂力学实验

近年来,岩石断裂力学理论和实验发展非常迅速、并在许多大型工程的设计与施工中得到广泛的应用.1988年关于岩石断裂韧性实验测试方法的国际标准也已正式公布(ISRM,1988).与此同时在地球物理学及地震学界,岩石断裂力学的研究工作也日趋增多.并取得了许多新的研究成果(Das,et al.,1986;Atkinson,1987).      

不同温压条件下弹性波在岩石中传播速度的实验研究

对以岩浆岩为主的岩石类型进行了不同温压条件下弹性波传播速度的实验研究，结果表明：（１）岩石的物质组成是决定弹性波传播速度的主要因素。以岩浆岩为例，由酸性到基性波速呈增加趋势；（２）岩石中弹性波的传播速度随环境条件改变而变化。一般说来，随温压条件的升高而升高     

岩石加载变形过程中超声尾波与声发射变化的实验

文中采用尺寸为50mm×50mm×150mm的花岗闪长岩、大理岩以及砂岩3种不同的岩石样品,开展了超声尾波和声发射同步观测研究。结果显示:1)尾波变化与声发射演化过程存在良好的对应关系,声发射频度增加时尾波的变化随之改变,尤其是声发射频度增加的早期阶段尾波便出现变化。这预示了分析尾波可获得岩石早期的损伤信息。2)不同变形阶段,尾波变化的物理机制不同。加载初期,尾波变化存在明显的散射体改变特征;随后,在线弹性变形阶段则以波速变化为主;加载后期,散射体的改变增加,且与波速变化共存,散射体的改变效应与岩石微破裂的程度有关。3)随着载荷的增加,波速增加的幅度总体呈逐渐减小的趋势,这与通过直达波获得的认识基本一致。4)岩石变形过程中产生的微破裂会改变尾波变化的物理机制,散射体效应将显著增强。同时,声发射波形将对超声尾波造成干扰,因此在仅利用尾波资料分析岩石损伤时需要关注相关的问题。总之,超声尾波变化和声发射均可反映岩石内部的损伤情况,且不同的变形阶段尾波的变化机制不同,二者的联合观测可起到相互验证的作用,有利于提高观测结果的可靠性。     

岩石的粘弹性谐振Q模型

实验表明,在应变小于10-6范围内,砂岩对地震波的吸收主要由孔隙流体的局部运动引起,而且Q值随频率的变化出现谐振现象。据此,作者认为,地壳上部地震波能量的耗损可以表示为以下两种成分的线性组合:1.由滑动摩擦、热弹性驰豫、位错运动等引起的能量消散,它们主要与岩石的固相成分有关,可近似地用恒Q模型描述;2.由孔隙流体运动引起的能量消散,可以用谐振公式描述。根据这一认识,利用描述因果关系的Kramers-Krnig关系式可推导出表示地壳上部岩石粘弹性（复弹性模量,相速度频散和衰减函数）的公式,它们综合地描述了由各种机制引起的波的频散和吸收,并在谐振Q值等于参考常数Q值时退化为目前常用的Futterman模型。作为这种谐振Q模型的应用,介绍了它用于Q值测量结果外推和频散一吸收研究以及粘弹性介质中反射地震道合成的结果。     

岩石的粘弹性谐振Q模型

实验表明,在应变小于10^-6范围内,砂岩对地震波的吸收主要由孔隙流体的局部运动引起,而且Q值随频率的变化出现谐振现象。据此,作者认为,地壳上部地震波能量的耗损可以表示为以下两种成分的线性组合:1.由滑动摩擦、热弹性驰豫、位错运动等引起的能量消散,它们主要与岩石的固相成分有关,可近似地用恒Q模型描述;2.由孔隙流体运动引起的能量消散,可以用谐振公式描述。根据这一认识,利用描述因果关系的Kramers-Krnig关系式可推导出表示地壳上部岩石粘弹性（复弹性模量,相速度频散和衰减函数）的公式,它们综合地描述了由各种机制引起的波的频散和吸收,并在谐振Q值等于参考常数Q值时退化为目前常用的Futterman模型。作为这种谐振Q模型的应用,介绍了它用于Q值测量结果外推和频散一吸收研究以及粘弹性介质中反射地震道合成的结果。     

在围压作用下硬包体模型若干力学性质的研究

为全国了解硬包体力学模型的基本力学性质,本文对软、硬匀质介质模型,非匀质软、硬包体模型及含有软弱层或空穴的不连续介质模型进行了三维弹性有限元分析。在常规围压作用下,得到了各具不同特征的位移场、应力场及变形势能密度场,对硬包体模型的发震条件、震源分布及前兆机理进行了探讨性研究。     

基于岩石变形声发射实验结果讨论岩石失稳的可预测性

根据室内岩石变形声发射实验结果,计算了声发射序列的地震非均匀度GL值,并以此探讨岩石破裂失稳的可预测性.     

基于岩石变形声发射实验结果讨论岩石失稳的可预测性

根据室内岩石变形声发射实验结果,计算了声发射序列的地震非均匀度GL值,并以此探讨了岩石破裂失稳的可预测性。在双轴压缩、等速率加载条件下,含障碍体断层、挤压雁列断层和Ⅲ型剪切断层等非连续岩石标本在临近滑动失稳前,声发射活动均出现了显著的均匀—非均匀的状态变化,表现为GL值出现持续大于1的异常变化,GL值异常的位置与破裂成核部位相重合,并与断层走向一致;改变统计窗长、窗内分割数及能级统计下限计算声发射序列的GL值,结果表明,GL值计算结果具有一定的稳定性。综合分析认为,地震非均匀度(GL值)可以较好地刻画岩石失稳前夕因破裂成核导致的声发射活动在时间分布上的状态变化,GL值持续异常是岩石失稳的显著性标志,对预测岩石失稳具有较好的指示意义。     

氯化钠传压介质高温高压岩石变形实验的应力和围压修正

该固体围压介质高温高压岩石变形实验装置的应力和围压修正方法是从长春地质学院岩石变形实验室的三轴实验系统中经过实验总结出来的,简便易行,可应用于同类系统的实验设备。确定了该实验装置采用氯化钠传压介质时氯化钠的传压特性和内部摩擦力的大小,并进一步确定出样品实际所受的围压和应力与表观值间的关系,求出修正量,从而应用于具体的实验研究中     

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。     

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。     

几种岩石骨架模型的适用性研究

在地震岩石物理中,Biot-Gassmann理论通常用来研究饱和流体对岩石地震特征的影响以及描述地震响应与岩石物性之间的关系.然而Biot-Gassmann理论并没有阐述多孔岩石的骨架与基质之间的关系,因此出现了各种各样的岩石骨架模型分别从不同的角度建立了岩石骨架与岩石基质之间的关系,如Krief模型、Nur模型(临界孔隙度模型)和Pride模型等都是广泛使用的岩石骨架模型.本文将这些常见的岩石骨架模型应用于Biot-Gassmann理论中,进行理论模型正演、速度预测以及Biot系数计算等,并与实验室测量数据对比,分析发现Pride模型比Krief模型和Nur模型的适用范围更广,以及Krief模型和Nur模型不能适用于低压、低孔岩石的特点.     

基于异向波速模型的微震定位改进

针对波速分层的区域岩体,在异向波速模型的基础上,对垂向上的应力波按岩体波速值大小作分段区别,推导震源应力波走时关系式,建立分层速度定位目标函数,基于此提出一种由参数准备、层速度反演、微震定位三个模块组成的分层速度定位模型SV,并采用遗传算法进行优化求解.然后,对分层速度定位模型在已构建微震监测系统的白鹤滩水电站左岸岩质边坡进行验证.微震事件重定位结果表明,分层速度定位模型定位微震事件的最大、最小和平均偏离层内错动带程度指标较单一速度模型分别降低了57.17%、36.51%和57.35%,证明了定位模型在波速分层的区域岩体微震定位应用中比单一速度定位模型更加合理可靠.