脆性材料强破裂前兆的初步研究

本文依据现有的实验结果初步研究脆性材料在破坏孕育过程中发生的强破裂的前兆特征.以应变(形变)突变、破裂弹性波限幅等物理变化特征确定强破裂;研究总结了不同试样、两种加载方式的破坏试验中的多个强破裂的前兆特征变化:一类为包括定点和场的应变变化特征,另一类为包括声发射率(破裂频度)、b值、波谱及微破裂时空分布等的声发射变化.此外,还有突发电磁扰动和应变扰动.然而,所有这些前兆特征变化并非在所有材料试样、所有强破裂之前同时都出现,也不是所有测点、任何方位都能观测到.同时指出,至今未见到对一次破坏实验中的系列强破裂(至少3~5个)前兆特征的系统对比研究,这正显示了这类研究的艰难,深入开展强破裂前兆研究对地震预测可能有重要意义.     

由含断层岩石非均匀性产生的地震前兆的数值模拟研究

使用新开发岩石破裂过程分析软件(RFPA2D)，通过一系列模型实验，研究岩石中预制断层面几何特征和力学非均匀性对地震前兆产生的影响。模型使用5个具有不同均质度的岩石样本进行数值模拟研究。数值模拟结果表明，不同均质度岩石破坏在地壳中会产生不同的地震前兆现象。在一些区域，可以观测到明显的前兆，而在另一些地区却很难观测到明显的前兆现象。模拟结果与实验观测和自然界实际观测结果由很好的一致性。     

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。     

地震前兆时空非均匀性指标Cv值的实验检验

在双向加载条件下，对两种构造和介质不同的岩石标本进行变形实验，测量了标本表面不同部位的应变．在此基础上，利用王晓青和陈学忠等提出的描述地震前兆非均匀分布的参量————Cv值，分析了标本变形失稳过程中应变异常的分布，以期从实验角度检验Cv值方法并探讨其物理意义．研究表明，Cv值的变化与岩石变形特征的变化有关，是描述前兆分布非均匀性的一种有效指标；Cv值在失稳发生前先异常上升，然后下降，并在Cv值恢复过程中或恢复后伴随着失稳事件的发生．因此，Cv值是一种有效的预报指标．      

岩石标本受压时氡和钍射气量的实验结果

本文叙述继续过去已进行的工作^[1],对岩石标本在实验室内加压,观测其氡和钍的射气量.所用实验装置与过去基本相同. 实验结果仍说明地下水中氡含量的变化作为地震的一种前兆现象是与岩石破裂有关,但局部地区的破裂过程、岩性等有差异,可使地震前后氡含量异常变化呈现多种状态.     

岩石破坏过程磁场效应实验研究及其对地震预报的意义

地震前岩石圈存在可观测的磁场前兆异常, 岩石破坏过程的磁场效应规律却鲜有研究.本文设计建立了岩石破坏磁场效应监测实验系统, 测试分析了岩石破坏过程磁场与载荷、声发射、电磁辐射之间的关系, 探讨了岩石破坏磁场产生机制与岩石破坏磁场效应对地震预报的意义.结果表明: 岩石在受载破坏过程能够产生磁场, 磁感应强度与载荷变化存在良好的对应关系.在受载前期, 磁感应强度波动增加, 受载中后期, 磁场强度显著增加; 主破坏发生时, 磁场强度快速增加并达到最大值.磁感应强度与累积声发射计数平均相关系数达到0.825, 呈高度相关, 表明磁场变化能够反映岩石的变形破坏阶段和状态.岩石破坏磁场的产生主要与电性变化有关, 运动电荷或电流的变化产生了磁场.岩石破坏磁场与电磁辐射同属于电磁信号, 磁场是一种极低频、连续、脉冲式的信号, 信号频率一般为0~20 Hz; 电磁辐射是一种瞬态、阵发性的电磁波, 信号频率一般为kHz~MHz.相对于电磁辐射, 磁场前兆异常先出现, 岩石破坏的磁场监测结果对于评估地震的临震预报具有显著的意义.

     

试论岩石破裂和破坏的差异对地震模拟及前兆研究的影响

本文分析讨论了实验地震学研究中很少论及的岩石破裂和破坏的很大差异,指出仅以岩石破坏实验模拟地震特别是前兆研究存在诸多不足.建议以岩石破裂来模拟地震特别是前兆研究,由此可给出较为完整的地震活动图像.岩石破坏前兆已研究的相当多,但大破裂前则未必出现如破坏那样的前兆.大破裂前兆特征比破坏前兆更能反映地震前兆的复杂性,其识别更难,更符合实际.同时议及以岩样的整体黏滑模拟地震研究特别是前兆研究的不足.建议加强对局部现象——大破裂（或黏滑）的前兆特征、预测方法的深入仔细研究.     

岩石应力状态改变引起岩石热状态改变的研究

岩石的应力状态发生改变是否能引起岩石的热状态发生改变，是一个值得研究的重要问题，我们在实验室对岩石试件进行实验，实验得出岩石的温度随岩石受到的压力增加而显著增加，在试件破裂前出现明显的破裂温度前兆；实验还发现岩石内部温度随压力变化的不均匀性，不同测温点的温度变化不同，其变化量可相差几度。     

强震前短临地震前兆时空分布非均匀性变化特征

给出一个描述前兆时空分布非均匀性的参数——CV值．研究了华北北部地区６级左右强震前水氡与电磁波观测值异常的时空分布非均匀性的变化特征．结果表明,在强震前,水氡与电磁波观测异常台站的空间分布非均匀性发生了显著变化,CV值有明显的升高过程．这说明,震前短临地震前兆异常在空间上分布的非均匀性增强,变得更加不均匀．这可能与地壳应力场的增强过程有关．如果这个结果得到进一步证实,不仅有助于认识地震孕育发生过程,还对地震预报具有现实意义,并将为充分利用现有前兆资料进行地震预测研究,开辟一条新的途径．      

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.      

水饱和裂纹对地壳岩样中地震波速及各向异性的影响

选择４种地壳岩石样品,经干燥或水饱和处理后在不同围压条件下测量了在其中传播的纵、横波的速度及其各向异性．在大气压条件下低孔隙度(＜１％岩样中,水饱和样品中的纵波速度明显地比干燥样品中的高,但横波速度的差别不大．因为在低孔隙度岩样中纵波速度对孔隙流体的反应比横波速度敏感,可以用泊松比的变化来反映随着围压的增加晶粒间流体对弹性波传播特性的影响．根据实验数据,按Ｏ’Ｃｏｎｎｅｌｌ模型分别计算了干燥和水饱和岩样中的裂纹密度,与通过实测体应变曲线得到的裂纹孔隙度十分吻合．利用横波的速度和偏振特性可以推断岩样中定向排列微裂纹的空间取向情况．研究表明,同时测量在岩样中传播的纵、横波的速度,通过Ｖｐ／Ｖｓ比值可以给出有关颗粒边界流体的证据,也可以估计岩样中的裂纹密度．     

水饱和裂纹对地壳岩样中地震波速及各向异性的影响

选择４种地壳岩石样品,经干燥或水饱和处理后在不同围压条件下测量了在其中传播的纵、横波的速度及其各向异性．在大气压条件下低孔隙度(＜１％岩样中,水饱和样品中的纵波速度明显地比干燥样品中的高,但横波速度的差别不大．因为在低孔隙度岩样中纵波速度对孔隙流体的反应比横波速度敏感,可以用泊松比的变化来反映随着围压的增加晶粒间流体对弹性波传播特性的影响．根据实验数据,按Ｏ’Ｃｏｎｎｅｌｌ模型分别计算了干燥和水饱和岩样中的裂纹密度,与通过实测体应变曲线得到的裂纹孔隙度十分吻合．利用横波的速度和偏振特性可以推断岩样中定向排列微裂纹的空间取向情况．研究表明,同时测量在岩样中传播的纵、横波的速度,通过Ｖｐ／Ｖｓ比值可以给出有关颗粒边界流体的证据,也可以估计岩样中的裂纹密度．     

WEIGHTED STACKING FOR ROCK PROPERTY ESTIMATION AND DETECTION OF GAS*

Amplitude versus offset concepts can be used to generate weighted stacking schemes (here called geo-stack) which can be used in an otherwise standard seismic data processing sequence to display information about rock properties. The Zoeppritz equations can be simplified and several different approximations appear in the literature. They describe the variation of P-wave reflection coefficients with the angle of incidence of a P-wave as a function of the P-wave velocities, the S-wave velocities and the densities above and below an interface. Using a smooth, representative interval velocity model (from boreholes or velocity analyses) and assuming no dip, the angle of incidence can be found as a function of time and offset by iterative ray tracing. In particular, the angle of incidence can be computed for each sample in a normal moveout corrected CMP gather. The approximated Zoeppritz equation can then be fitted to the amplitudes of all the traces at each time sample of the gather, and certain rock properties can be estimated. The estimation of the rock properties is achieved by the application of time- and offset-variant weights to the data samples before stacking. The properties which can be displayed by geo-stack are: P-wave reflectivity (or true zero-offset reflectivity), S-wave reflectivity, and the reflectivity of P-wave velocity divided by S-wave velocity (or ‘pseudo-Poisson's ratio reflectivity’). If assumptions are made about the relation between P-wave velocity and S-wave velocity for water-bearing clastic silicate rocks, then it is possible to create a display which highlights the presence of gas.     

利用时移层析成像方法揭示与2014年云南鲁甸MS6.5地震有关的P波速度变化

基于双差层析成像的时移层析成像方法能够获得不同时间段之间的地下介质的速度变化,且不同的数据分布和质量对结果影响较小.在本研究中我们使用云南地震区域台网所记录到的P波绝对到时及相对到时数据,利用时移层析成像方法得到了2014年鲁甸M_S6.5地震发生前后震源区高精度的P波速度变化的时空分布.结果表明:2014年鲁甸地震发生后,震源区同震期P波速度下降,但没有下降至最大,而是在震后1—4个月内下降至最大,接着P波速度开始上升,震源区开始愈合,愈合过程从浅层逐渐发展至深层,逐渐恢复至震前水平.同时发现在空间上P波速度变化与余震分布变化相一致,鲁甸地震同震应力变化与速度变化之间也有较好的一致性,所以认为地震引起的应力变化是造成鲁甸地震速度变化的一个重要原因,余震的动态和静态应力造成了震源区介质物理属性的改变从而影响了P波速度的变化.     

压力对含裂缝岩石各向异性速度的影响

深入了解压力作用下裂缝性岩石的声学各向异性,在地球物理应用中具有重要意义.本文基于各向异性微分等效介质模型,结合不同压力下含硬币状定向排列裂缝岩石以及不含裂缝岩石在不同方向上的超声速度测量数据,计算得到不同压力下的裂缝参数,并进一步分析了压力引起的裂缝参数的改变,及其对岩石各向异性速度的影响.结果表明,岩石的裂缝密度与...     

龙马溪页岩弹性各向异性与矿物分布之间的关系探讨

岩石弹性各向异性特征是普遍存在的,但导致岩石弹性各向异性的原因复杂且仍然存在一定争议.本研究以龙马溪页岩为例,试图建立页岩弹性各向异性和矿物分布之间关系.研究使用无损超声波探测获取岩石弹性各向异性参数,并使用背散射技术获取岩石矿物分布特征.研究通过引进变异系数来描述矿物或孔裂隙在不同方向的差异性,并通过2个正交方向的变异系数建立微观异质性指标,用于表征微观尺度上矿物或孔裂隙在不同方向的差异程度.微观背散射图像显示,龙马溪组页岩主要由石英和伊利石构成,且这两种矿物和孔裂隙在X和Y面上都有定向排列特征.相应地,它们的变异系数在X面和Y面上均表现出随角度增大而降低的特征;而在Z面,石英、伊利石和孔裂隙变异系数变化不明显,这与Z面上矿物和孔裂隙无明显方向性的特点一致.无损超声波探测结果显示,波速在X和Y面上随角度增加而减小,这与主要矿物和孔裂隙变异系数变化趋势相同;而在Z面,波速变化不大,与主要矿物和孔裂隙变异系数变化不明显的特征一致.以上观测结果说明,宏观波速与矿物的微观变异系数明显相关,暗示岩石弹性各向异性与矿物分布直接相关.

     

Correlating P-wave Velocity with the Physico-Mechanical Properties of Different Rocks

In mining and civil engineering projects, physico-mechanical properties of the rock affect both the project design and the construction operation. Determination of various physico-mechanical properties of rocks is expensive and time consuming, and sometimes it is very difficult to get cores to perform direct tests to evaluate the rock mass. The purpose of this work is to investigate the relationships between the different physico-mechanical properties of the various rock types with the P-wave velocity. Measurement of P-wave velocity is relatively cheap, non-destructive and easy to carry out. In this study, representative rock mass samples of igneous, sedimentary, and metamorphic rocks were collected from the different locations of India to obtain an empirical relation between P-wave velocity and uniaxial compressive strength, tensile strength, punch shear, density, slake durability index, Young’s modulus, Poisson’s ratio, impact strength index and Schmidt hammer rebound number. A very strong correlation was found between the P-wave velocity and different physico-mechanical properties of various rock types with very high coefficients of determination. To check the sensitivity of the empirical equations, Students t test was also performed, which confirmed the validity of the proposed correlations.     

基于等效介质理论的煤层气储层岩石物理建模与应用

地震岩石物理建模作为表征油气储层物性参数与地震参数间映射关系的主流工具,鲜有应用于煤层气储层,关键制约因素在于煤层气储层特有的吸附气和双重孔隙的等效计算问题尚未有效解决.为此,本文将吸附气视为类似煤基质的固相,将双重孔隙分解为基质孔隙和裂隙两部分;尝试利用自相容近似模型计算煤基质、吸附气和基质孔隙混合后煤基质干骨架的等...     

超深碳酸盐岩油气储层岩石弹性性质高温高压超声实验研究

面向超深碳酸盐岩油气勘探开发中储层精细地震刻画问题,研发了高温（200℃）、高压（200 MPa）岩石弹性性质超声测量系统.收集塔里木盆地9块奥陶系超深碳酸岩储层岩石样品,通过高温高压条件下超声纵、横波速度测量发现,在围压保持69.0 MPa不变的情况下,当温度从25℃上升到200℃时,干岩石样品的纵、横波速度以及体积模量与剪切模量随着温度的升高而下降,纵波速度与体积模量最大降幅分别达到3.54%和7.54%,横波速度与剪切模量最大降幅分别达到4.57%和8.93%;在温度保持200℃不变情况下,当围压从69.0 MPa上升到137.9 MPa时,干岩石样品的纵、横波速度以及体积模量与剪切模量随着围压的升高而升高,纵波速度与体积模量最大升幅分别达到1.78%和3.39%,横波速度与剪切模量最大升幅分别达到1.95%和5.26%.在超深碳酸盐岩油气储层环境下,温度对碳酸盐岩岩石骨架弹性性质的影响可能超过围压对岩石骨架弹性性质的影响.岩石样品温度与围压循环实验表明,干岩石弹性性质与温度以及围压的变化关系不具可逆性,碳酸盐岩岩石样品弹性模量与温度之间总体上存在线性关系,其截距与斜率由碳酸盐岩岩石中方解石的含量控制.