应用非连续性模型模拟断层活动对青藏高原应力应变场的影响

在青藏高原的运动变形过程中,断层活动起着至关重要的作用.本文利用有限元数值模拟的方法,分别计算了在GPS做边界约束下青藏高原及周边区域的连续体模型和含断层的不连续体模型的运动状态和应力场分布.从连续性模型和非连续体模型的差异发现,断层存在与否很大程度上影响了青藏高原现代运动场的分布.主要体现在,断层的滑移运动（1）增加了青藏高原东西两侧的拉张趋势;（2）加大了青藏高原物质东移的速度;（3）改变了塔里木和柴达木盆地的运动状态.模拟结果显示,非连续模型的运动场分布与GPS观测结果吻合程度大大高于连续体模型结果,表明断层活动在青藏高原的运动学和动力学过程中起着重要的作用,在研究青藏高原的动力学机制中,必须考虑断层作用的影响.     

岩石破裂实验中的遥感观测与遥感岩石力学的开端

在岩石加载直到破裂的过程中,对岩石的红外辐射进行了遥感观测研究.使用的主要仪器有瞬态光谱仪、智能光谱仪、红外辐射温度计、红外光谱辐射计和红外热象仪.对26种岩石进行了实验.研究表明,岩石的红外辐射温度随应力的增加而增加;岩石的红外辐射波谱的幅值也随应力的增加而增加.岩石的红外热象的观测结果与岩石的红外辐射温度相一致.某些岩石样品破裂主断层形成前,在未来主断层的位置显示出条带状温度异常热象.本实验将遥感学中的最新技术引入岩石力学,以期在岩石力学中建立一个新的研究领域遥感岩石力学(或遥感岩石物理学).遥感岩石力学可望在地震预报,岩爆预报和岩体应力场的测量中得到应用.      

断层同震滑动的实验模拟——岩石高速摩擦实验的意义、方法与研究进展

岩石摩擦实验是断层力学和震源物理实验研究中主要的手段之一.传统低速率的岩石摩擦实验与以之为基础建立的速率状态变量摩擦本构关系理论体系,对于认识断层摩擦滑动稳定性和地震成核等地震成因机制问题具有重要意义.近20年来,断层力学领域兴起了用于模拟断层同震动态滑动的岩石高速摩擦实验.这种新的实验模拟方法揭示出断层同震滑动存在明显的摩擦生热效应,断层的力学性状主要表现为显著的滑移弱化和速度弱化,断层带物质在断层高速滑移过程中经历了各种复杂的物理化学变化.这些研究成果对于认识和评估断层同震弱化机制、断层带强度、地震能量分配、断层破裂模式、断层愈合等问题均具有重要启示.本文对岩石高速摩擦实验的意义、方法与研究进展进行了总结,提出了目前的前沿性问题和值得开展的工作.     

用有限元方法研究含摩擦多断层周围的应力场

本文使用有限元方法,研究了含摩擦多断层问题.在研究中,计算了几个物理模型（如共线、共轭等）和含摩擦多断层的应力场,并用计算机绘制出一批含摩擦多断层应力等值线图.结果表明,含摩擦多断层的应力场与单一断层相差甚远,在断层的交汇处,应力集中的范围和程度远大于断层的外端;断层的应力场在空间上分布很不均匀;高应力区和低应力区的分布随载荷作用方式和断层的形态各异.断层内的摩擦力对应力场的分布有很大的影响,并可能对断层的扩展行为起着非常重要的影响.     

具有孔边裂纹的岩石厚壁筒试件的破裂特征

用五种应力途径对由五种岩石制备的孔边有予裂纹的厚壁筒试件进行实验,研究上述条件下岩石的破裂特征。结果表明:对含径向并贯穿轴向裂纹的试件,其破裂沿裂纹方向,为典型的张开型破裂;含与定直径成45°角并贯穿轴向裂纹的试件,破裂亦呈张开型,其裂面始于裂纹前缘,但却折转约45°角与定直径近于平行;中心含与轴向成45°角的椭圆裂纹试件的破裂,仍沿裂纹面方向,为张开型与滑开型的复合破裂。     

滑动方向相反的含障碍体平行断层失稳破坏应变场变化特征的研究

通过对滑动方向相反的含障碍体平行断层失稳破坏岩石破裂实验的应变场时空分布特征的分析,探讨了岩石破坏过程和破坏方式。并且通过对平行断层和障碍体破坏所产生的相互作用和影响的分析,进一步研究了这种滑动方向相反的含障碍体平行断层失稳破坏的增、减震机制,结果表明是一种互为增震机制。最后通过数值模拟技术对实验的破坏过程进行了模拟,证明了实验结果与数值模拟结果一致,说明实验结果具有可靠性。     

2001年昆仑山口西MS8.1地震对周围断层的应力影响数值分析

大地震的发生往往会引起周围区域形变场和应力场变化,且对临近断层上的应力状态也有影响.2001年11月4日,昆仑山口西发生了半个世纪以来中国最大的M_S8.1级地震.本文基于已有的滑动模型,建立了三维含地形高程的横向不均匀性椭球型地球有限元模型,采用等效体力方法,分析了此次M_S8.1地震产生的全球同震位移和应力场变化.与解析方法相比,该模型考虑了地形、Moho面起伏和地球介质横向不均匀性;与一般的有限元数值模拟相比,该模型考虑了地球曲率和椭率,合理地规避了有限块体模型假定边界位移为零所引入的误差.计算得出同震位移与GPS观测数据可以很好地吻合.据库仑破裂应力准则和震源参数,计算得出昆仑山口西M_S8.1地震的发生造成了汶川、芦山、改则和当雄地震的发震断层上库仑应力增加,对这些地震的发生起促进作用;而造成玉树和德令哈地震发震断层上的库仑应力变化为负值,在一定程度上抑制了这些断层的地震活动性.此外,计算结果显示地球地形高程、介质非均匀性和椭率对昆仑山口西M_S8.1地震同震变化计算有一定的影响,其中地形和椭率造成的同震位移场相对误差约10%.     

基于InSAR同震形变观测反演2010年新西兰南岛Mw7.1 Darfield地震同震破裂分布

2010年9月4日新西兰南岛Canterbury平原发生了M_w7.1地震,震源深度约为10 km.本次地震发生在一条震前不为人所知的断层上.我们利用覆盖整个震区的合成孔径雷达(SAR)观测资料,通过干涉处理分析获得雷达视线向(LOS)同震形变场;以此资料为约束反演了断层的几何参数以及同震破裂分布.结果显示,该地震造成四条相对独立断层的破裂.大部分的地震矩释放发生在Greendale断层(编号1-4),其错动以右旋走滑为主,最大破裂约为8.5 m.其它三条断层中,经过震源的逆冲断层最大破裂为5.1 m (编号6),位于Greendale断层以西的逆冲断层最大破裂为3.5 m (编号5),位于Greendale断层北面的走滑断层最大破裂为1.9 m(编号7).反演的Greendale断层地表滑动与地质调查得到的地表破裂在形态和数值上均吻合较好.本次地震释放的地震矩为5.0×10¹⁹N·m,矩震级为7.1.板块边界带形变场分析表明,Darfield地震的发生受边界带应变分配在该地区残留构造应力场控制,其复杂性体现了区域构造应力场的特点.地震对其周围地区的应力场影响较大,库仑应力增加区与余震分布有一定对应关系,并在2011年Christchurch 6.3级地震发震断层区域造成约0.1bar的库仑应力增加,对此地震有一定的触发作用.     

川滇地区应力场研究进展

川滇地区是中国大陆与周边板块动力传递的关键部位,而应力状态是探索其动力传递与形变机理的关键参数.在川滇地区已经开展了大量的应力场研究,不同方法给出了特定尺度和深度范围的区域应力场信息,但如何充分利用时空分辨率不一致的多学科应力应变数据,科学处理不同数据的权重,并提出有效合理的融合方法,得到经得起物理检验的川滇地区统一构造应力模型,是亟需解决的关键问题.本文总结了近年来川滇地区应力场研究进展,分析了浅部地应力测量、震源机制解、b值、各向异性、高温高压岩石实验、数值模拟等方法优缺点,从浅部应力场、深部应力场、应力模型三个方面对前人的研究成果进行了梳理和归纳,从不同尺度揭示了川滇区域现今深浅部应力量值特征、应力方向非均匀性特征,为构建区域应力模型提供多方面、多尺度的约束,也为川滇形变动力过程与强震预测研究提供了力学基础资料.     

岩石高速摩擦实验与地震物理过程

简述了最近20年来国内外岩石高速摩擦实验研究领域的进展和动态:岩石高速摩擦实验技术的发展实现了对高滑动速率、大位移的地震过程的实验模拟;其结果揭示了岩石和断层泥在地震滑动速率下的力学性状,深化了对断层滑动弱化机制、临界滑动距离、以及地震发生过程的认识和理解;实验在假玄武玻璃成因方面取得了重要进展,并提出了断层发生地震滑动可能留下的其它地质证据,可望为研究断层滑动性状与地震物理过程提供新的思路和信息.岩石高速摩擦实验今后的发展方向主要包括:发展具有加温系统和孔隙压系统的岩石高速摩擦实验装置,研究水热作用下岩石和断层泥的高速摩擦性状;室内实验和地震资料分析相结合研究断层滑动和地震机制;室内实验和野外地质调查相结合探索断层发生地震错动的地质证据等等.     

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…     

山东济阳坳陷岩层空隙比与应力传递速度的相关性研究

统计了不同深度测层的群井降水附加应力从开始传递到水位响应的间隔时段，在此基础上建立了应力在地层中传递深度－时间相关模式，进行了有关参数反演，并结合相关地质、气象等资料，提出了岩层空隙比－应力传递速度的相关模型。该模型说明了应力传递速度与岩层结构、构造的内在联系，为不同类型应力在不同空隙比岩层中的单层传播速度、组合层段传播所需时间计算提供了简单、有效的方法，也为识别降水引起的附加应力对深井水位动态的干扰提供了依据     

水压致裂试验过程中的地电效应研究

本文总结了在水压致裂试验现场多台电法仪器测量和记录到的加压过程中的地电效应,并得到一些能反映岩石破裂情况的有意义的结果:（1）随着压力增加,电阻率明显上升.当压力超过岩石临界应力的一半以后,电阻率即很快地下降,卸压后又逐步回升,其变化椭圆的长轴方向与岩石破裂面的延伸方向是一致的;（2）以压力孔为中心的自然电位及ZK2,ZK14孔的井下电位都伴随着加压过程而变化,强烈反映了过滤电场与孔隙水压力的相关性.      

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。     

剪切破裂与粘滑——浅源强震发震机制的研究

周口店花岗闪长岩的高温高压三轴实验和理论分析表明,剪切破裂和摩擦滑移具有类似的孕育过程和发生机制。剪切破裂贯通强度就是一种摩擦强度。剪切破裂和摩擦滑移各自都有渐进式和突发式之分。突发式摩擦滑移是已有断层的粘滑滑移。突发式剪切破裂则是完整岩石的初始粘滑滑移。考虑到地壳温度随深度增加,完整岩石剪裂强震要求较高的围压,因此,多数浅源强震的发震方式很可能是已有断层的粘滑     

伪谱算法在声波数值模拟中的数值频散分析

本文推导了声波方程频散函数, 分析了伪谱法的空间网格大小和采样周期对数值频散的影响, 通过数值模拟实验得到了最佳空间参数选择方法。 结果表明: 伪谱方法稳定数值模拟的最大空间采样间距选取原则是使中波长(奈奎斯特频率的一半)的采样点数为2个; 对于所有维度, 稳定性随空间采样间距的增加而增加, 但不易变化太大, 变化太大时需要适当减小震源子波的主频, 以满足空间合理采样; 空间采样间距的大小设置, 需要考虑满足采样定理和稳定性计算条件, 并且稳定性条件对空间采样间距的要求更加严格; 伪谱法数值模拟的最佳(数值频散最小)空间参数选择为中波长2个采样点, 对应主波长约6~7个采样点。 以上研究对于采用伪谱法进行声波方程数值模拟过程中, 如何合理选择模拟参数提供一些参考。     

带窗洞加强肋复合墙体抗震性能及抗侧刚度影响因素研究

进行了1榀开窗洞1:2比例的加强肋复合墙体模型的伪静力试验,通过对墙体中钢筋应变进行分析,研究墙体的受力性能和破坏模式,探究在低周反复荷载作用下带窗洞加强肋复合墙体的承载力、滞回及耗能能力、延性和刚度退化等抗震性能,并与不开洞墙体的抗震性能进行对比。在试验研究的基础上,建立具有不同窗洞参数的有限元数值模型,探究窗洞位置、大小、肋柱截面及肋柱配筋率的改变对加强肋复合墙体抗侧刚度的影响。结果表明:带窗洞加强肋复合墙体按照砌块-外框-肋梁的顺序依次破坏,破坏模式以弯剪型破坏为主;相比不开洞加强肋复合墙体,带窗洞墙体的抗侧刚度等抗震性能明显较差;相同窗洞尺寸情况下,窗洞居中时加强肋复合墙体的抗侧刚度相对较大;窗洞开洞率小于12.9%的墙体洞边可不设肋柱;洞边加强肋柱对开窗洞墙体的抗侧刚度提升作用显著,但其提升作用随着窗洞肋柱截面的增大而逐渐减弱;增大加强肋柱配筋率对墙体抗侧刚度的提高不明显。     

缝长,尺度对水压致裂应力测量结果的影响规律

本文从弹性力学、断裂力学的基本理论出发,结合室内实验和野外观测结果研究了尺度、缝长对水压致裂应力测量结果的影响规律。研究结果表明,室内实验样品的孔径比不应大于四分之一,最好小于十分之一,较大的绝对尺度可以使实验结果变得稳定。野外实际测量除了满足上述要求外,裂缝单翼长度不应小于十倍的钻孔半径,否则测不到可靠的封闭压力。据此,进行大尺度水压致裂室内模拟实验对于提高压裂技术,完善水压致裂应力测量理论是非常必要的。     

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     

利用钻孔形变测量介质中应力场——有关地应力测定中的元件和测量数据处理的讨论

在坑道中或地表上,对地壳形变所进行的各种观测,是了解地下应力活动的重要手段。目前,国内外开展在岩石中钻孔进行应力测定存在的问题,是受局部偶然因素的影响较大,需要注意克服。 求取地下岩体中的实际应力值,不仅是地震预报工作的需要,也是建筑、水坝、隧道、