共线不连通断层标本变形过程中群体微破裂事件的时空演化

设计了共线不连通断层物理模型,在概念上可模拟与地震孕育相关的障碍体或强固区。开展了中等尺度辉长岩标本的双轴破裂实验,对4600余次微破裂事件进行了精确定位,据此对共线不连通断层标本变形过程中群体微破裂事件时空演化的统计特征进行初步研究。由于强闭锁作用,变形过程中在98％的峰值强度,以前围绕不连通区域显示一系列在时间上依次递进、空间上逐步收缩、长轴方向随之改变的“空区”演化图像。在峰值强度后的弱化阶段,较大的声发射事件在被动盘明显丛集,而主动盘则小AE事件呈弥散性分布,与弹性变形阶段相比。弱化阶段AE主体活动区域从主动盘迁移至被动盘,并且AE较大事件次数明显增多、应变能释放急剧增加,声发射率在不连通区域破裂前的瞬间达到最高值。b值在不连通区域破裂失稳前显示“趋势性降低—快速回升”这一典型变化过程。对比研究还表明,破裂型失稳较粘滑型失稳具有更为明显、丰富的微破裂前兆。     

雁列式断层组合变形过程中的声发射活动特征

着重研究拉张或挤压型雁列式断层标本变形过程中声发射(简称AE，下同)的时空演化特征. 结果表明，预置构造对AE空间分布格局具有较强的控制作用，随着差应力的增加，AE首先在两个端点附近丛集，之后向两端点连线附近集中，出现明显的破裂局部化现象，较大事件还通常集中于某一端点附近反复发生. 前期微破裂丛集图象指示后期宏观破裂的扩展方向及扩展范围. 拉张和挤压型雁列区宏观破裂方向分别与轴向应力方向垂直和平行. 雁列式断层标本变形过程中，破裂前的弱化阶段相对较长、弱化过程明显. 微破裂事件累积频次指数增长可能是系统失稳前的典型征兆之一，而雁列区宏观破裂之后，AE数量逐渐减少、应变释放相对减弱. 摩擦滑动过程中，大的粘滑失稳前未见有AE活动前兆性的增强过程.雁列区的b值变化在失稳前显示趋势性降低——快速回升这一典型的变化过程，b值降低一般发生在差应力增强过程之中，并有可能延续至弱化阶段，而快速回升则一般发生在破裂失稳前的短时期内. 对比研究表明，构造差异所导致的b值差异远大于b值随差应力的增加而产生的变化量，而对同一构造标本，力学状态的改变会导致AE序列时序特征的急剧变化，较高的加载速率对应较高的应变能释放及明显的低b值. 先期破碎带由于较低的破坏强度，其对差应力的微小变化具有特殊敏感性，从而成为源、兆分离、窗口或敏感点效应等地震活动性前兆现象的一种可能的原因.      

雁列式断层变形过程中物理场演化的实验研究（二）

在双轴压缩条件下对由挤压型和拉张型雁列式断层组合而成的复杂雁列断层系变形过程中声发射、断层位移及应变的时空演化进行了实验研究，结果表明，复杂雁列式断层系的变形过程及相应的物理场演化并非是两种雁列式断层的简单叠加，而是包含着它们之间的相互作用。能量较强的声发射事件成核部位主要集中在应力水平较低的张性雁列区附近的主于断层上，而不是应力水平较高的压性雁列区，但这种事件发生的时间则明显受控于压性雁列区的变形过程     

雁列式断层变形过程中物理场演化的实验研究（一）

在双轴压缩条件下对挤压型和拉张型雁列式断层变形破坏过程中声发射、断层位移及应变场的时空演化进行了实验研究。研究表明，两类雁列式断层具有类似的变形破坏过程，即前期以雁列区的破裂贯通为主，后期以沿断层的滑动为主。但挤压型雁列区内可积累较高的应变能，有较强的应变释放和声发射活动，雁列区对滑动始终起着阻碍作用；而拉张型雁列区内难以产生快速的应变释放和较强的声发射活动，雁列区对后期的滑动也无明显的阻碍作用。两类雁列区贯通所引起的失稳均有明显的前兆，而在随后滑动过程中失稳前兆的出现，取决于断层不同部位或段落之间是否有应变传递     

含坚固体试样破裂孕育过程中声发射的强度特征及其地震学意义

用类似于天然地震中尾波持续时间确定震级的方法,通过岩石力学实验研究了含坚固体试样破裂孕育过程中声发射的强度特征。结果表明:在加压初期,声发射强度相对平稳,当应力达78 % 的破裂应力时,声发射强度显著增加,当应力达92% 的破裂应力时,声发射活动强度达到极大值,比加压初期大20 % 以上;随着应力的进一步增加,声发射强度减小,达极小值,出现一个相对平静的阶段;应力再增加,声发射活动强度回升,紧接着,主破裂发生。从声发射强度的空间分布上看,从加压初期的平稳到极大值的出现,声发射都发生在坚固体的外围,随着活动强度减弱,并出现低值之后,强度回升,这个过程基本上发生于坚固体及其上方,随后主破裂发生,坚固体也局部破裂。这和澜沧耿马地震前的地震时间进程具有现象上的相似性     

雁列断层变形过程中的声发射特征

对拉张型、挤压型雁列断层变形过程中岩桥区和主断层上的声发射特征进行了对比研究，结果表明，雁列断层变形中的声发射对应着多种机制：拉张型雁列岩桥区的声发射为单一事件组成，波振幅小、持续时间短、主频高、震源机制为张裂型；挤压型雁列岩桥区的声发射也是单一事件，波振幅较大、持续时间短、主频较低、震源机制为双剪型；而雁列主干断层上的声发射由多事件组成，波振幅大、持续时间长、主频低、震源机制与挤压型雁列岩桥区的声发射机制不同。这些特点与各区域所处力学状态有关     

断层几何结构与物理场的演化及失稳特征

在双轴加载条件下，研究了几种具不同几何结构的断层系变形破坏过程中应变、断层位移和声发射事件的时空分布，并对典型失稳事件的特征进行了分析．研究表明: 具不同几何结构的断层系有不同的变形物理场演化图象；根据物理场演化特征和变形机制的差异，可识别出两类粘滑型失稳、破裂型失稳及混合型失稳，不同类型的失稳在前兆上有明显差异；失稳类型与断层几何结构及变形阶段密切相关．因此，研究自然界断层的几何结构，对地震预报和地震前兆观察研究极为重要.      

地震断层面上凹凸体和障碍体含义的解析

由凹凸体和障碍体研究引入的非均匀地震破裂模式,可解释主震前破裂的成因及主破裂之后的应力集中,对地震危险性分析具有重要的理论价值。本文在国内外研究成果的基础上,深入研究了凹凸体和障碍体在地震破裂过程中的作用和意义,解析了凹凸体和障碍体的本质含义,对比分析了两种模式的异同之处,给出了两种模式在不同滑动模型中的适用性,为地震安全性评价提供了有力的理论依据。     

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.      

煤岩变形破裂电磁辐射的实验研究

对受载煤体变形破裂产生电磁辐射进行了实验研究及规律分析,并对煤岩变形破裂电磁辐射的机理进行了探讨分析．研究结果表明,煤体变形破裂时能够产生电磁辐射,电磁辐射信号与声发射信号并非严格同步,电磁辐射信号较声发射信号丰富,电磁辐射与煤岩体的变形破裂过程密切相关．煤岩电磁辐射技术在揭示煤岩变形破裂机理,预测、预报地震,矿山煤岩灾害动力现象及岩石混凝土建筑稳定性方面有着非常广泛的应用前景．     

岩石构造对声发射统计特征的影响

利用一套最新型的全波形、宽动态声发射观测系统,对两种不同构造的花岗岩在三轴压缩变形实验中的声发射活动进行了对比研究。二者在声发射空间分布,声发射与体积扩容的对应关系,声发射频谱特征及频度能级统计参数等方面均有明显差异。这表明,岩石构造对声发射的基本统计特征有显著的控制作用。其原因在于岩石构造的差异造成变形方式和变形过程的不同     

EXPERIMENTAL STUDY ON THE CHANGES OF ULTRASONIC CODA WAVE AND ACOUSTIC EMISSION DURING ROCK LOADING AND DEFORMATION

The coda wave propagation path has received extensive attention as it is more sensitive to small changes in the medium than the direct wave. During the process of loading, the wave velocity, medium or source changes may cause the coda wave to change. The physical mechanism of change in the ultrasonic coda wave varies during different deformation stages. Meanwhile, there exist local damages in the rock sample during the deformation, and it will be accompanied by acoustic emission. Combining the ultrasonic coda wave and acoustic emission is beneficial to characterize the coda wave characteristics and damage degree of the sample at different deformation stages. In this paper, three kinds of rocks, including granodiorite, marble and sandstone with the sizes of 50mm×50mm×150mm, are used to carry out observations of ultrasonic coda wave and acoustic emission during the whole process of loading so as to study characteristics of the coda wave at different deformation stages. The major results are given below: 1)There is a good correspondence between the coda wave variation and the acoustic emission evolution process. When the acoustic emission frequency increases, the coda wave changes accordingly. In particular, the coda wave changes in the early stages of increased acoustic emission frequency, which indicates that the early damage information of rock can be obtained by analysis of the coda wave. 2)The physical mechanism of the coda wave change is different in different deformation stages. At the initial stage of loading, there are obvious scatterer changes in the coda wave change; then, in the linear elastic deformation stage, the wave velocity change is dominating; in the late-stage of loading, the scatterer change increases and coexists with the wave velocity change, the scatterer change effect is related with the rock micro-fracture degree, the rock will locally be damaged before rupturing, and the role of the scatterer will be enhanced. 3)With the increase of loading, the amplitude of increase of the wave velocity generally decreases gradually, which is basically consistent with the understanding obtained through the direct wave. The interference of acoustic emission can be eliminated because of the Kaiser effect when analyzing the coda wave. The consistency of the wave velocity change and stress loading and unloading is further verified. 4)The micro-fracture generated during rock deformation will change the physical mechanism of the coda wave change, and the scatterer effect will be significantly enhanced. At the same time, the acoustic emission waveform will cause interference to the ultrasonic coda wave. This means that attention needs to be paid when analyzing rock damage using only coda wave data. In short, the ultrasonic coda wave and acoustic emission can reflect the damage inside the rock, and the change mechanism of the coda wave in different deformation stages is different. The joint observation of the two can play a mutual verification role, which is conducive to improving the reliability of the observation results.     

岩石破裂声发射m值和岩石力学性质

实验测定了多种岩石在破裂应力的50％时杨氏模量E和声发射的m值。结果表明:m值和E有很好的线性关系m=1.39+1.44E×10~(-11)P_a~(-1)。同时观测数种岩石破裂孕育过程中的E和m值。结果表明:在加载初期,E和m值都较低。随着压力增加,E和m值也增加。在破裂应力的35％至75％时,E和m值大致平稳。破裂前,岩石应力—应变曲线的斜率E和声发射的m值均明显下降。但E值下降滞后于m值。建议利用m值评定场地岩石力学性质及其稳定性。     

岩石破裂中的光声效应

在实验室条件下研究了花岗岩样品受单轴压缩破裂过程中的光和声发射效应,所得可见光谱轮廓与空气分子的光谱相似,但具有能量高于紫光的成份。除在主破裂时有大的光脉冲和声发射外,在主破裂前也记录到弱的光脉冲,它们与大的声发射率有同步现象。     

单节理岩体变形与破坏过程中声发射能量的特征及意义

对含石膏夹层的单节理岩体模型单轴下变形破坏过程中的声发射事件全波形能量分析表明，声发射事件能量与变形过程密切相关，其分布反映破裂扩展尺度的分布，事件能量越大，对应破裂尺度越大，反之越小；破裂方式受节理角θ和夹层物质泊松比ν控制，θ小于ａｒｃｔｇ（０。７０７·（１一ν）／ν）时，Ⅱ型破裂为主，声发射能量集中在少数事件上，θ大于ａｒｃｔｇ（０．７０７·（１－ν）／ν）时，以Ⅰ型破裂为主，声发射能量分布相对分散     

煤岩变形破裂电磁辐射的实验研究

对受载煤体变形破裂产生电磁辐射进行了实验研究及规律分析,并对煤岩变形破裂电磁辐射的机理进行了探讨分析．研究结果表明,煤体变形破裂时能够产生电磁辐射,电磁辐射信号与声发射信号并非严格同步,电磁辐射信号较声发射信号丰富,电磁辐射与煤岩体的变形破裂过程密切相关．煤岩电磁辐射技术在揭示煤岩变形破裂机理,预测、预报地震,矿山煤岩灾害动力现象及岩石混凝土建筑稳定性方面有着非常广泛的应用前景．     

岩石破裂中的光声效应

在实验室条件下研究了花岗岩样品受单轴压缩破裂过程中的光和声发射效应,所得可见光谱轮廓与空气分子的光谱相似,但具有能量高于紫光的成份。除在主破裂时有大的光脉冲和声发射外,在主破裂前也记录到弱的光脉冲,它们与大的声发射率有同步现象。