细观非均匀性对岩石破裂过程和微震序列类型影响的数值试验研究

运用岩石破裂过程分析RFPA2D系统，研究了岩石介质细观非均匀性对宏观力学行为的影响和微震序列特征. 通过对不同均质度系数m=1.1，1.5，2，3，5的5个样本进行破裂过程的模拟，发现均质度不同会产生不同地震序列类型，主要有：前震-主震-余震型、主震型和震群型. 此外，对5种不同均质度系数的岩石样本破裂过程的模拟表明，岩石介质的非均匀性不仅对岩样宏观强度和宏观变形非线性行为有显著的影响，而且也显著地影响试样破裂模式. 随着均质度系数的提高，主破裂呈现脆断模式. 同时介质的细观结构随机性，也对试样宏观破裂模式产生重要影响.     

地震序列障碍体模型的数值模拟试验研究

运用岩石破裂过程分析RFPA2D系统,研究了断层上含非均匀性障碍体对地震序列类型的影响。通过对断层障碍体不同均质度系数m=1.1、m=1.5、m=6.0这3个样本进行破裂过程的模拟,发现均质度不同会产生不同地震序列类型,这些序列类型主要是前震主震余震型、主震型和震群型。此外,对3种不同均质度的障碍体的岩石样本破裂过程的模拟表明,岩石介质的非均匀性不但对岩样宏观强度和宏观变形非线性行为有显著的影响,而且对试样破裂模式也有显著的影响。     

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．     

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。     

含流体致密砂岩的纵波频散及衰减:基于双重双重孔隙结构模型描述的特征分析

致密砂岩普遍具有低孔、低渗及微裂缝发育的地质特征,并且呈现出很强的非均匀性.致密砂岩储层与常规砂岩储层比较,具有明显的岩石物理性质、渗流力学性质方面的差异.致密砂岩内部的非均匀性对弹性波频散、衰减有显著影响,其中包括孔隙结构的非均匀性,即岩石内部孔隙参数的不均一性,以及孔隙内部不相混溶流体的非均匀分布;此外,非均匀性的尺度也决定了波出现显著频散与衰减的频段.综合考虑致密砂岩孔隙结构非均匀性及流体斑块状饱和的非均匀性,本文采用双双重孔隙介质结构模拟了致密砂岩的弹性波响应,分析了同时具备两类非均质性岩石中的波传播特征.调查分析了两组分别来自中国鄂尔多斯盆地苏里格气田及四川盆地广安气田的不同类型致密砂岩储层的岩芯超声波实验数据,给出了岩石样本的弹性波速度频散与衰减曲线.结果显示理论模型预测结果与完全饱和、部分饱和岩石的实验数据吻合良好.对两个地区致密砂岩岩芯数据进行对比分析,苏里格致密砂岩样本总体上比广安致密砂岩渗透率高,在各孔隙度范围内,特征模拟显示苏里格样本的裂隙尺寸明显大于广安样本.广安致密砂岩在低孔隙度范围内发育了更多、更小的颗粒裂隙/接触.致密砂岩的速度频散与衰减结果受流体黏度、晶体破裂及流体斑块状饱和的共同影响.此外,孔隙度越大,部分饱和岩石中斑块状饱和机制对总衰减的贡献越低,与之相对,结构非均质性所占的比重则有所增强.     

断层结构非均匀性对地震活动性影响的细胞自动机模拟

基于断层强度分布的非均匀性,构建了由81×81个细胞单元组成的4种不同匀质度及其各自6种不同随机构型共计24个非均匀二维单断层模型样本,并通过设计的细胞自动机模拟程序,在保持其它模拟参数不变的条件下对它们进行了模拟试验.研究结果表明,随着断层结构非匀质度的增加,其宏观变形破坏行为由相对脆性向塑性变化;地震序列类型依次表...     

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。     

地震序列的有序度及多分形特征

为研究不同类型地震序列物理过程的差异，我们研究了１５１例国内外的地震序列主震后早期的地震有序度和多分形特征的差异。主要结果为：能量分配的不同是序列主震后早期的主要分类标志。地震序列的能量熵值可作为序列早期分类的定量指标．序列蠕变熵值的变化速率可作为后续强余震的预测依据之一．对于主震型序列，由于介质的均匀性相对较好，余震破裂可以充分扩展，子系统作用顺利，从而导致能量分配比较集中（Ｑｃ值较低），时间结构的多重分形Ｄｑ变化幅度较大。反之，对于震群序列，由于震源区存在多个障碍体，使得子系统的作用受到一定程度的阻碍，破裂不能顺利扩展，因此，可能会造成能量分配比例失调，表现为大事件增多，Ｑｃ值较高，余震过程相对拉长，时间多重分形Ｄｑ差值变小．由此可见，不同类型的地震序列在主震后早期能量分配的集中程度的差异以及时间多重分形跨度的变化，很可能反映了余震区破裂扩展的充分程度。     

单轴压缩下昌平花岗岩大破裂前后声发射的序列特征——强震完整序列的实验模拟

引言 茂木清夫首次把岩石样品和模拟样品破裂的声发射序列与天然地震的序列特征加以对比研究,指出两者存在极其相似的序列特征,并进一步指出这种序列特征主要是由介质物性的均匀程度所决定的。Scholz从不同的角度重复了茂木的实验,但认为岩石样品     

地震破裂扩展面上多个障碍体的实验研究

本文用不同种类不同尺度的岩芯模拟了不同性质的障碍体,在单轴压力下研究了多个不同障碍体分布在岩石介质上不同位置时的性质和作用,探讨了多个障碍体对地震破裂扩展面的影响。实验结果表明,岩石介质的破裂过程与多个障碍体的排列组合形式有关,当几个障碍体在岩石介质的中轴线上直排列时,在动力轴方向上,位置靠后面的障碍体不易发生破坏;而几个障碍体在岩石介质的最大剪切面上排列时,障碍体较易发生破坏;障碍体在岩石介质上呈品字排列时,易使破裂应力分支,使个别障碍体不受影响。本文同时讨论了多个障碍体与某些复杂地震现象及地震序列类型的关系。     

岩石非均匀性对地震活动状态影响的数值模拟研究

地震的孕育、发生与震源位置及其岩石力学性质有着密切的联系,本文借助数值模拟方法研究了岩石均质度在岩样变形直至破裂过程中对声发射事件活动状态的影响。数值模拟结果表明,岩石非均匀性对岩样声发射活动状态的时间演化过程有着较大影响,所得结论进一步支持了分区研究强地震前兆异常的必要性。     

Weak Zone Related Seismic Cycles in Progressive Failure Leading to Collapse in Brittle Crust

Until quite recently our understanding of the basic mechanical process responsible for earthquakes and faulting was not well known. It can be argued that this was partly a consequence of the complex nature of fracture in crust and in part because evidence of brittle phenomena in the natural laboratory of the earth is often obliterated or obscured by other geological processes. While it is well understood that the spatial and temporal complexity of earthquakes and the fault structures emerge from geometrical and material built-in heterogeneities, one important open question is how the shearing becomes localized into a band of intense fractures. Here we address these questions through a numerical approach of a tectonic plate by considering rockmass heterogeneity both in microscopic scale and in mesoscopic scale. Numerical simulations of the progressive failure leading to collapse under long-range slow driving forces in the far-field show earthquake-like rupture behavior. En Echelon crack-arrays are reproduced in the numerical simulation. It is demonstrated that the underlying fracturing induced acoustic emissions (or seismic events) display self-organized criticality—from disorder to order. The seismic cycles and the geometric structures of the fracture faces, which are found greatly depending on the material heterogeneity (especially on the macroscopic scale), agree with that observed experimentally in real brittle materials. It is concluded that in order to predict a main shock, one must have extremely detailed knowledge on very minor features of the earth's crust far from the place where the earthquake originated. If correct, the model proposed here seemingly provides an explanation as to why earthquakes to date are not predicted so successfully. The reason is not that we do not understand earthquake mechanisms very well but that we still know little about our earth's crust.     

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。     

Analysis of reservoir heterogeneity-induced amplification effect on time-lapse seismic responses of fluid substitution: A physical modelling study

Seismic wave propagation through a fluid-saturated poroelastic layer might be strongly affected by media heterogeneities. Via incorporating controlled laboratory simulation experiments, we extend previous studies of time-lapse seismic effects to evaluate the wave scattering influence of the heterogeneous nature of porous permeable media and the associated amplification effects on 4D seismic response characteristics of reservoir fluid substitution. A physical model consisted of stratified thin layers of shale and porous sandstone reservoir with rock heterogeneities was built based on the geological data of a real hydrocarbon-saturated reservoir in Northeast China. Multi-surveys data of good quality were acquired by filling poroelastic reservoir layers with gas, water and oil in sequence. Experimental observations show that reservoir heterogeneity effect causes significantly magnified abnormal responses to the fluid-saturated media. Specifically, reflection signatures of the gas-filled reservoir are dramatically deviated from those of the liquid fluid-filled reservoir, compared with ones of the homogeneous media. By removing the influences unrelated to reservoir property alterations, 4D seismic estimates of travel-time and frequency-dependent characteristic are reasonably consistent with fluid variations. Nevertheless, strong 4D amplitude difference anomalies might not correspond to the regions where fluid variations occur. We also find that 4D seismic difference attributes are evident between oil- and water-filled models, whereas significant between oil- and gas-filled models. Meanwhile, rock physics modelling results reveal the predicted 4D seismic differences are obviously smaller than those calculated from seismic observations. The results in this paper, therefore, implicate that the effect of a reservoir's heterogeneous nature might be beneficial for hydrocarbons detection as well as monitoring small variations in pore fluids.     

基于数值流形法的反倾层状岩质边坡倾倒破坏分析

边坡破坏是累积性过程,从变形到破坏的过程中会产生永久位移,如果永久位移过大,极有可能产生滑坡.因此根据不同工况下采集到的位移数据,分析地震作用下反倾层状岩质边坡在不同内摩擦角下的破坏特征.利用二维数值流形法(NMM),以青藏高原金沙江流域西藏昌都地区芒康县索多西乡贡扎倾倒滑坡为研究对象,依据实地考察数据及室内力学试验得...     

基于数字岩心动态应力应变模拟的非均匀孔隙介质波致流固相对运动刻画

地震波传播激发的不同尺度的流固相对运动(宏观、中观和微观)是许多沉积岩地层中地震波频散和衰减的主要原因,然而野外观测和试验测量都难以对非均匀多孔介质孔隙压力弛豫物理过程进行精细刻画.通过数字岩石物理技术,本文建立了三个典型的数字岩心分别用于表征孔隙结构、岩石骨架和斑状饱和流体引起的非均质性,利用动态应力应变模拟技术计算数字岩心的位移和孔隙流体增量图像.通过分析和比较三个数字岩心的位移和孔隙压力增量图像,细致刻画了发生于非均匀含流体多孔介质内的宏观、中观和微观尺度的流固相对运动:1)宏观尺度的波致孔隙流体流动导致波长尺度上数字岩心不同区域的孔隙压力和位移差异;2)中观尺度的流体流动发生在软层与硬层之间、气层与液层之间;3)微观尺度的流体流动发生在孔隙内部或相邻孔隙之间.数值模拟试验也证明基于数字岩心的动态应力应变模拟技术可以从微观尺度上更好的理解波致孔隙流体流动发生的物理机理,从而为建立岩石骨架、孔隙流体、孔隙结构非均质性和弹性波频散-衰减特征的映射关系奠定基础.