岩石破裂时电磁辐射的机理研究

本文提出了岩石破裂时的电磁辐射是裂纹尖端电荷随着裂纹加速扩展运动所产生的假说.应用断裂力学方法推导了岩石破裂时初始裂纹长度与裂纹扩展加速度的关系,并计算了其速度和加速度值.根据破裂岩石的电子发射理论,解释了裂纹尖端带电荷的现象.利用岩石在单轴压缩致裂过程中记录到的近场电磁辐射的实验结果,计算了裂纹扩展时裂纹尖端的电荷量和远场电磁辐射强度.通过对电磁辐射波谱分析的研究,得到岩石破裂时电磁辐射频率上限的估计值.最后对岩石破裂时出现的声光电磁现象在理论上作了统一的定性的解释.     

不同应力途径下辉长岩的微破裂特征

本文对济南辉长岩经历不同应力途径后岩石晶粒内的微破裂特征的观测进行了研究.实验中岩石样品首先承受较高的围压(使应力差达到岩石强度的80%),然后分别按 A,B,C 三种途径进行实验.三种途径已在另一文中作了叙述(见地震学报第2卷第3期237页).实验结束后,将岩石样品切开,制成标准薄片及光片.通过显微镜的观测发现,三种应力途径所引起的微破裂性质明显不同.在 B 型实验中,长石晶粒内的微裂纹表现得短小,其长度多数不超过长石晶粒短轴的长度.整个岩石样品内微裂纹的分布密集于较小的范围内.在 C型实验中,倾斜裂纹数量增多,长石晶粒中的裂纹比 A 和 B 实验更长和更多,出现一种星状的微裂纹.观测到的辉长岩的微观现象可能说明与岩石标本过密、超膨胀现象有关.      

裂纹系微破裂集结和动态扩展的实验研究

研究了裂纹系的动态破裂,重点考察了裂纹系相互作用.选用大理石、玻璃为实验材料,将其加工成薄板状,并在板内预制各种不同形态的裂纹系,在单轴压下用可见光透视观察裂纹系动态相互作用的破裂过程.实验中发现,岩石的动态破裂过程和玻璃有很大差别,岩石的裂纹系动态相互作用后期是通过微破裂演化来实现的,而在玻璃中观察不到.裂纹系的不均匀应力场分布是破裂演化的初始原因.通过实验,给出大理石材料中各种不同形态裂纹系的动态破裂演化的全场过程图像,直观地揭示了含裂纹系岩石变形破坏的实质.实验显示了不同几何形态的裂纹系的破裂发育过程有明显区别.在微破裂集结时,周围的破裂部分闭合.因此,用二维模型描述的微破裂图像和实际有很大出入.为了消除这个差距,必须研究三维破裂.本文的实验结果表明,裂纹(断层)不能起到阻碍破裂扩展的作月;裂纹(断层)作为障碍体,和预存裂纹之间存在强烈的相互作用,使得样品的强度降低几乎一个量级.讨论了上述结论对于认识地震(包括矿震)断层行为的意义.     

分析地震波估算地壳内的应力值

本文讨论了利用破裂力学理论说明地震破裂的过程, 认为地震本质上是岩石在应力作用下的低应力破裂现象.它是岩石中的裂纹不断稳态扩展、最后进入失稳扩展的结果.分析了在扩展过程中应力和位移的变化, 发现任何将要破裂的那一点的应力都要由初始应力0升高到屈服应力y 以后才破裂, 破裂后裂纹面上的点的应力降到0.在破裂前和破裂后的位移, 都可由弹性力学方程给出.在破裂的一瞬间破裂的端点产生的非弹性位移, 则不能由弹性力学方程给出.它可以由断裂力学中的裂纹滑开位移公式近似给出.根据位错模式由于计算弹性波辐射场的位错量 D(, t), 正是破裂瞬间产生的非弹性位移, 所以用弹性位移公式来计算地震位错量是错误的.我们采用了裂纹滑开位移公式来计算地震位错量, 从而导出了较合理的计算地震释放总能量的公式 ET=yDS(y 为屈服强度;D为平均位错;S 为断层面积)以及估算初始应力值0的公式:0 =[Dmax/L4y/(1-) ]1/2(L 为断层长度).用它们计算了一些地震的 Er 和0, 分别列于表1和表2.这些结果比以往的结果要更合理一些。 结果表明:(1)地震多数是在低应力作用下(即低初始应力)发生的(约100——200巴);(2)地震释放的总能量约比地震波能量大一个数量级.      

岩石微破裂进程的自组织临界特征探讨

运用RFPA2D作为研究手段对岩石在单轴压缩条件下破裂过程的自组织行为作了数值模拟,再现了岩石破裂过程中的应力积累(stress buildup)、应力转移(stress transference)和应力阴影(stress shadow)等“3S”现象,探讨了自组织临界特征,澄清了临界自组织现象等概念。研究结果表明,岩石破裂过程中的自组织行为是一个动态力学过程,并不一定只是在自组织临界状态点之后才发生,而是在临界状态点附近前后都能发生,只不过显现程度各有差异,临界状态点之后现象更为显著。     

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.     

断层自发破裂动力过程的有限单元法模拟

断层自发破裂动力过程的研究对于认识地震过程及减轻地震灾害有着重要的科学意义.为合理地模拟断层的自发破裂过程,本文首先对经典的滑移弱化摩擦关系进行了改进,然后利用有限单元方法对破裂过程进行动态数值模拟.模拟结果表明,利用改进后的摩擦关系能够产生脉冲型(pulse-like)破裂模式,而经典的滑移弱化摩擦关系不能产生这种破裂形态.模拟结果还显示,断层自发破裂过程受初始应力场及摩擦关系影响,当初始应力场中剪应力水平较低时,容易产生脉冲型破裂;但当初始剪应力较高时,会产生裂纹型(crack-like)破裂.这个现象与在实验室里进行的岩石破裂实验结果是一致的.在相同的初始应力情况下,若滑移弱化摩擦本构关系中的动摩擦系数较大,断层将易于产生脉冲型破裂;若动摩擦系数较小,将倾向于产生裂纹型破裂.此外,本文也采用速率弱化摩擦关系对断层自发破裂过程进行了模拟,结果发现,在初始场及其他条件不变时,如果摩擦关系中的b-a值较小,容易产生脉冲型破裂;如果b-a值较大,会产生裂纹型破裂.     

断层自发破裂动力过程的有限单元法模拟

断层自发破裂动力过程的研究对于认识地震过程及减轻地震灾害有着重要的科学意义.为合理地模拟断层的自发破裂过程,本文首先对经典的滑移弱化摩擦关系进行了改进,然后利用有限单元方法对破裂过程进行动态数值模拟.模拟结果表明,利用改进后的摩擦关系能够产生脉冲型（pulse-like）破裂模式,而经典的滑移弱化摩擦关系不能产生这种破裂形态.模拟结果还显示,断层自发破裂过程受初始应力场及摩擦关系影响,当初始应力场中剪应力水平较低时,容易产生脉冲型破裂;但当初始剪应力较高时,会产生裂纹型（crack-like）破裂.这个现象与在实验室里进行的岩石破裂实验结果是一致的.在相同的初始应力情况下,若滑移弱化摩擦本构关系中的动摩擦系数较大,断层将易于产生脉冲型破裂;若动摩擦系数较小,将倾向于产生裂纹型破裂.此外,本文也采用速率弱化摩擦关系对断层自发破裂过程进行了模拟,结果发现,在初始场及其他条件不变时,如果摩擦关系中的b-a值较小,容易产生脉冲型破裂;如果b-a值较大,会产生裂纹型破裂.     

裂纹间动态相互作用的实验观测与理论分析──以共线剪切裂纹归并为例

本文以共线剪切裂纹的归并为例,研究裂纹系的动态相互作用．实验结果表明：在张破裂的意义上,小间距共线剪切裂纹的内端部实际上是阻碍结构,通过迂回弯曲的张破裂归并．本文提出一种估计张破裂扩展途径的近似方法,利用张应力破裂判据找出了潜在的破裂扩展途径的第一近似,较好地模拟了共线裂纹的破裂途径,和现有的数值模拟方法比较,可以大大缩短机时,简化计算程序,保证精确度．本研究结出了岩石剪切破裂“隧道效应”（即破裂跳过障碍体,而障碍体本身不破坏）的机理,还给出了脆性介质在摩擦、磨损过程中碎屑产生的机理．     

中国强震前兆地震活动图像机理的三维数值模拟研究

建立了含有母体岩石、硬包体和随机分布的小裂纹的三维有限元模型，计算了包体和各层实体中的应力分布. 利用最高应力破裂准则、释放破裂单元刚度生与死的方法，模拟强震前岩石的破裂和小震的空间分布特征. 结果表明，文中三种模型都显示出强震前在孕震体即包体附近出现了高应力集中单元. 它们是形成小震空区、条带和地震空间丛集图像的基础. 随机裂纹的存在，有利于在孕震体（包体）外的裂纹端部应力集中，先发生小震，形成包围孕震包体的前兆地震活动图像，而包体中的应力逐渐增加，为发生强震提供了条件. 包体的形状和几何位置是影响强震前兆地震活动图像形态的重要因素. 引入材料的黏弹性，导致了其中应力随时间迅速减小和弹性层某些部位应力随时间的增加. 但在本文设定的构造模型框架和介质参数下，下层黏弹性的存在对上层母体的应力随时间的增加影响不大.     

岩石试件尺寸对裂纹应力场影响的数值分析

用数值方法和岩石力学实验模拟地震断层的破裂过程时, 模型或试件的尺寸选取不合适将影响断层附近的应力场. 本文利用二维弹性有限元方法, 计算了一个含椭圆孔的岩石试件在不同尺寸下的应力场, 并与相应的无限域椭圆孔问题的解析解进行了比较. 数值分析结果表明, 含椭圆孔的岩石试件在单轴压缩情况下, 其边界效应对内部应力场的影响不容忽视; 试件的临界尺寸长宽比约为3:2, 孔的尖端到边界的距离与孔的长轴的比值约为7.3. 这种数值分析试件尺寸的方法, 不仅可以为岩石力学实验提供理论依据, 同时也为确定数值模拟断层错动等问题中几何模型的大小提供了参考价值.      

Numerical analysis on the influence of rock specimen size on crack stress field

Introduction Earthquakes are excited by dislocations of rocks, which are generated once the stresses on two sides of rocks accumulate to a certain extent. Numerical simulations and rock mechanics ex-periments are two important avenues to explore the rupture processes of seismic faults. Several methods are widely used in numerical simulations, such as the boundary element method (BEM), (Das and Aki, 1977; Fukuyama and Madariaga, 1995, 1998), the finite difference method (FDM), (Madariaga, 1…     

采用接触预压式元件的钻孔变形法地应力测量的全过程力学分析

本文考虑了元件预加接触压力、套芯应力解除和元件率定等手续,对采用接触预压式元件的钻孔变形法地应力测量的全过程进行力学分析,得出了孔壁折算位移的精确公式,从而揭示了初始接触压力、套芯解除半径和率定实验的试件大小等因素对折算位移的影响。文中对围压率定法优于哈斯特率定法的原因作了进一步解释;还讨论了围压法率定中围压室隔层对围压传递的影响。文末提出了恰当使用这种地应力测量法的若干建议。     

单轴压缩下砂岩内部P波速度的变化特征

平行或垂直岩石层理进行单轴向加载直至样品破坏强度的95%左右稳压,在充水或不充水时,观测到的干燥样品及饱和样品内部P波速度的变化特征如下: 1.样品临破坏前P波速度在垂直与平行岩石层理方向上的变化具有很大的差异性。2.P波振幅及波形也随着应力的不断增加而发生变化。     

探头不同耦合方式AE法岩石应力测量效果比较

以凯瑟效应测量岩石试样先存应力,声发射探头与试样的耦合是不共重要环节,国内外学者采用的耦合方法,归结起来主要是面耦合与线耦合两种方式,作者以同一试样作了这两种耦合方法的对比实验,证实地耦合的测量效果优于面耦合,作者指出：使用圆柱状试样不仅制作简便,节省制作费用,而且由于探头与试样作线耦合获得更高的测量精度。     

岩石的塑性成分对失稳型式的影响

石英岩、花岗岩、花岗闪长岩、辉长岩和玄武岩在室温、固体围压(最大0.7GPa)下所进行的三轴压缩试验表明,岩石的塑性成分含量对突发失稳应力降没有明显影响,但影响岩石的失稳型式。塑性成分条件是突发失稳和强震的必要条件之一,只有当塑性成分不超过某种限度时,才可能发生突发失稳和强震。文中初步地建立了塑性成分条件的定量判据     

中尺度地壳岩体中人工力源应力场的实验研究

利用人工力源进行中等尺度地壳岩体中的应力场实验研究的首次实验,于1982年10月至11月在唐山古冶进行。 一、实验原理、场地和设备 此次实验以水压致裂法应力测量中的注水压力作为人工力源,在水压致裂孔（简称实验孔）的附近布设装有地应力传感器的观测孔,用地应力测量系统进行现场实测。 这类实验在国内外未见报道。它不仅能够通过实验检验地应力相对测量方法的效     

Dynamic stress concentration in pre-stressed poroelastic media due to moving punch influenced by shear wave

During the occurrence of earthquake, the shear wave propagates in the rocks present inside/at the Earth’s crust. The propagation of shear wave may lead to the progression of punch present inside the rock medium. As a result of this, substantial stress accumulated at the vicinity of propagating punch inside rock medium which significantly affects the stability of various geological and human-made structure and, hence, may cause failure of structure. Therefore, the analysis of stress concentration at the vicinity of punch moving due to shear wave propagation has become prominent in the area of seismology. In the present paper, an analytical perspective has been employed to discuss the influence of velocity of moving punch associated with the propagation of shear wave on developed dynamic stress concentration (DSC) in three types of pre-stressed vertical transversely isotropic (VTI) poroelastic media viz. granite (an igneous rock); sandstone (a sedimentary rock); and marble (a metamorphic rock). The closed form expression of DSC for the force of constant intensity has been derived with the aid of Weiner-Hopf technique along with Galilean and two-sided Fourier integral transformations. The noticeable influence of different affecting parameters (viz. velocity of moving punch associated with the shear wave propagation, horizontal compressive/tensile initial stresses, vertical compressive/tensile initial stress, porosity, and anisotropy parameter) on dynamic stress concentration has also been reported. Numerical computation and graphical illustrations have been carried out for the aforementioned three different types of porous rocks to investigate the profound impact of affecting parameters on DSC. Moreover, some noteworthy peculiarities have also been derived from the obtained expression of dynamic stress concentration.     

关于震源体物理意义的实验研究

运用固体传压介质岩石三轴试验装置模拟震源失稳振动过程，采取多点布设电阻应变片的方法，对试件突发失稳振动行为及其在试件－压机系统中的传播过程进行观测，测试结果为：应力振动的初动半周期平均约为０．１１ｍｓ，与岩石类型，周压及应力降等因素无关，振幅逐渐衰减；在试件－压机系统中，振动波从试件错动面处向外传播，其速度约为３．３０ｍ／ｍｓ；在失稳初动半周期内，振动波向试件以上传播的距离为３６３ｍｍ，传播的范围