致密储层岩石应力各向异性与材料各向异性的实验研究

本文在实验室中对四组来自不同地区的致密砂岩和页岩的波速和波速各向异性开展了研究.结合扫描电镜分析和波速应力敏感性测试,分析了引起致密砂岩和页岩各向异性的主要影响因素及规律.研究结果：（1）层理和微裂隙是引起致密砂岩各向异性的主要影响因素,而页岩的各向异性主要由定向发育的矿物成分导致,本研究中所用的致密砂岩各向异性强于页岩的各向异性.（2）平行地层方向的岩石波速高于垂直地层方向的岩石波速,超声波速随着应力增加而增加（3）波速各向异性随应力的变化分为两阶段,第一阶段随应力增加而减弱的应力各向异性,与定向排列的微裂隙相关.第二阶段随应力不再发生变化的材料各向异性,与基质中的矿物成分相关.（4）利用体积应变获得的裂隙孔隙度,以及矿物成分含量验证了这两类各向异性,应力各向异性与裂隙密度成正比,材料各向异性与黏土矿物含量线性相关.（5）根据波速各向异性随应力变化的两阶段,可以定量区分裂隙和基质（矿物）对岩石各向异性的影响,研究结果对体积压裂的裂缝扩展具有重要的意义.

     

应力主轴旋转条件下各向异性云母砂变形的试验研究

实际工程中人工填土由于碾压的施工方法不同都存在不同程度的各向异性,在这些工程的不同阶段内部土体受力状态将发生变化,应力主轴会发生一定角度的偏转,导致诱发各向异性的产生。为了研究这种工况下,土体的变形特性,文中以固有各向异性较为明显的云母砂为研究对象,采用香港科技大学的自动控制空心圆柱扭剪仪进行了应力主轴连续旋转的循环扭剪试验,根据试验结果获得云母砂的诱发各向异性变形规律。     

江苏及其黄海的加载卸载响应比异常

用江苏地震目录，对１９７４年以来江苏及其黄海Ｍｓ≥４．６级的１０次地震，进行加载卸载响应比的时间扫描。还用苏０９井１９８６－１９９４年的策略固体潮理论值及其余几个震例进行震前响应比时间扫描。其结果显示在江苏及其黄海的中等以上地震震前的几个月时间，几乎都有响应比异常。其实质是正地震比重增大、群集。特别是加上Ｍｓ≥２．９级正地震震群出现的前提，可以大大降低虚报率。这对于短临监测预报有一定现实意义。     

新疆部分强震前加载和卸载地震空间分布特征研究

借助地震空区Ｒ－ ｔ图分析原理,以新疆８ 次６ 级以上强震为例,分析研究强震前加、卸载地震的异常分布特征。结果表明：８ 次强震中有６ 次地震,震前在震中周围出现明显的加载地震相对集中分布或加载地震围空异常区,异常区出现于震前１ 年到１ 年半左右,其半径尺度为５０～９０ ｋｍ 。     

横波各向异性在裂缝和应力分析中的应用

针对裂缝性和低孔低渗地层的横波各向异性特征,反演得到横波各向异性参数,研究了裂缝的发育程度、方位和有效性,并对低孔低渗地层的应力场分布状态和方位进行了综合评价;通过对反演得到的快、慢弯曲波形进行频散分析以及计算单极横波各向异性大小,确定了引起横波各向异性的原因,并结合常规测井资料、岩心及FMI成像资料对分析结果进行了验证和对比,最后对研究区8口典型井的横波各向异性进行了综合处理和评价,得到了该区的横波各向异性特征以及和总的应力场走向.结果表明,利用横波的各向异性参数可以有效的评价裂缝的发育程度、走向及有效性,并能准确的确定地应力分布状态和最大水平应力方位.     

与强地震有关的视电阻率各向异性变化

研究了27个强地震附近41个地电台的视电阻率变化,在震前1年尺度～短临阶段,在超过95％的台站上与震源机制解最大主压应力方位正交（或近于正交）测道的视电阻率变化最显著,主应力方位（或近于该方位）的测道的变化反之,其物理机理比较清晰.可以确认：在强地震孕育晚期阶段,在震源区及附近视电阻率各向异性变化是客观存在的地球物理现象,在震中区附近可观测之.     

加载破裂和卸载破裂的焦散阴影区动态特征的实验研究

以实时全息干涉计量方法和焦散阴影光学法，用有机玻璃试样直观、形象地研究加载过程和卸载过程破裂时的应力（应变）场、塑性区或成核区（阴影区）不同地动态特征变化．结果发现，在低应力时，预制裂缝端点先出现应变核（条纹密集区），进而形成焦散阴影区．这些核和阴影区会随荷载增加变大，随卸载而减小．在一定的压力范围内重复加载卸载（循环加载），焦散阴影区则反复增大缩小；但在高应力时，尤其在将出现大破裂时，加载和卸载的焦散阴影区变化是不可逆的，其变化也完全不同．加载破裂时的焦散阴影区由慢到快迅速扩展；而卸载时的焦散阴影区则扩展较慢，并且在尖角形前方有一圆形阴影．      

单轴加载条件下瑞利波偏振和不同震相波速对应力敏感性的实验研究

岩石应力状态的改变会使接收到的波形发生变化,这是利用弹性波检测介质性质和应力变化的基础.研究对应力敏感的弹性波参数及其分析方法对于发展介质应力监测技术具有重要意义.本文在实验室内以长方体花岗岩为样本,在不同的单轴压力下重复激发超声波且用三分量的传感器接收,利用记录的全波形信息研究了不同震相的到时、Rayleigh波偏振与岩石应力状态变化的关系.结果表明:①不同震相的波速对应力变化的敏感性为10-8/Pa数量级,且敏感程度从大到小依次为:Rayleigh波＞S波＞P波.②随着应力的增大,Rayleigh波偏振变强,但其敏感性随应力增大而变小,这反映出了介质性质的非线性变化特性.③应力较小时,Rayleigh波偏振对应力的敏感性比波速大数倍.     

应力诱导各向异性介质中地震波的传播

主要讨论了应力变化如何影响各向异性介质中波速度的问题。推导了一般各向异性介质在初始应力下的Christoffel方程,得到介质中3种波的相速度和初始应力的关系表达式;通过实验数据验证了单轴应力能够诱导各向异性,当施加单轴应力时,速度在沿应力的方向增加最大,在垂直应力的方向增加最小,实验结果与理论推导一致;用Christoffel方程的数值解模拟在3种对称情况下的弹性各向异性介质中初始应力对波速度的影响。数值结果表明:初始应力对各向异性介质中波传播速度的影响,随着各向异性强度的增加而增大,而且速度越慢,影响越大。     

加卸载响应比与震前应力积累模式研究

加卸载响应比是一种中短期地震预测方法.按照该方法,通常在大地震发生之前加卸载响应比时间序列会出现明显的异常高值.早先的研究发现,震前临界区域的选择对加卸载响应比的计算有很大影响.我们发展了一种使用震前应力积累区域取代传统圆形区域计算加卸载响应比的算法,提高了加卸载响应比的地震预测能力,其震前库仑应力场分布采用地震断层位错模型将同震滑移量反向滑移的方法计算.美国南加州近20年来发生的4次M6.5地震以及2008年中国汶川MS8.0地震的研究事实表明,使用库仑应力算法得到的加卸载响应比时间序列,前兆变化相对于圆形区域算法更为明显,且对目标地震的位置、震级预测更为明确.库仑应力算法的这一独特性质,使我们可以针对不同地区的活动构造特征对未来地震发生的地点和大小提供信息和约束.     

区域加载应力与断层带周边应变场分析

断层两侧应力的积累与释放是产生地震的直接原因,因此在活动断层周边建立了大量的地应变观测站.地壳里面包含有多种结构面,各种力学性质不同的岩石以某种叠加层序或侵入关系混杂在一起,它们必然影响变形场的形态与变化.     

不同温压条件下蛇纹岩和角闪岩中波速与衰减的各向异性

在实验室中研究了蛇纹岩和角闪岩样品在不同温压条件下的纵、横波速度和Q值．这两种岩样对应的主要组成矿物叶蛇纹石和普通角闪石都具有很强的晶格优选方位（LPO）．随着围压的增加,波速和Q值均增大,但是在相互正交的三个方向上（垂直或平行于层理面及线理方向）增大的速度并不相同,这与微裂隙的逐渐闭合密切相关．在600MPa的围压下升高温度直到600℃以上,由于微裂隙的热扩张受到约束,波速和Q值下降幅度很小．观测到的波速和Q值的各向异性具有不同的机理,波速各向异性主要与定向分布的微裂隙和主要矿物的LPO等构造因素有关;高围压下纵波Q值各向异性与速度各向异性正好相反,可能是由于形成层理面的定向排列的平板状矿物晶体沿不同方向边界之间接触程度不同造成的．     

不同温压条件下蛇纹岩和角闪岩中波速与衰减的各向异性

在实验室中研究了蛇纹岩和角闪岩样品在不同温压条件下的纵、横波速度和Q值．这两种岩样对应的主要组成矿物叶蛇纹石和普通角闪石都具有很强的晶格优选方位（LPO）．随着围压的增加,波速和Q值均增大,但是在相互正交的三个方向上（垂直或平行于层理面及线理方向）增大的速度并不相同,这与微裂隙的逐渐闭合密切相关．在600MPa的围压下升高温度直到600℃以上,由于微裂隙的热扩张受到约束,波速和Q值下降幅度很小．观测到的波速和Q值的各向异性具有不同的机理,波速各向异性主要与定向分布的微裂隙和主要矿物的LPO等构造因素有关;高围压下纵波Q值各向异性与速度各向异性正好相反,可能是由于形成层理面的定向排列的平板状矿物晶体沿不同方向边界之间接触程度不同造成的．     

震前应力积累与加卸载相应比预测效力研究

加卸载响应比理论是近年来关于震源区介质破坏演化物理过程的重要发现,其研究极有可能为地震预报开辟一条物理预报的新路.当震源区介质处于稳定状态时,对加载和卸载的响应几乎是相同的,而当介质处于不稳定状态时,其响应就会发生明显的变化,这一现象可以被用作为地震发生的重要前兆.     

应力方向一致和介质各向异性前兆——亚失稳现象震例

最新的岩石物理试验表明,应力-应变曲线中的在强度极限点和失稳点之间可以划分出亚失稳和临失稳两种状态,其变化特点和过程不同,前者从应力积累转为应力释放,后者则由平稳释放转为加速释放.两种阶段分别对应地震之前的短期和临震阶段.     

汶川8.0级地震的余震触发作用和对断层的应力加卸载作用

采用可变滑动震源模型,计算和研究了汶川M_S 8.0地震产生的应力变化及对后续6次强余震的应力触发作用,并定量分析了汶川地震对附近活动断裂带的库仑应力加卸载作用。结果显示:汶川地震产生的库仑破裂应力变化分布图案复杂性强,主要由发震断裂复杂的空间展布形态以及震源断层活动具有逆冲兼右旋走滑两种性质决定。汶川地震产生的库仑破裂应力变化对多数强余震存在一定的触发作用。汶川地震的发生对附近的断裂带有不同程度的影响,其中青川断裂中段和北段、岷江断裂南段和灌县-江油断裂南段,主要是以强烈的库仑破裂应力加载作用占主导地位,有利于强余震序列的孕育、加速以至于发生;东昆仑断裂带和鲜水河断裂带受到了轻微的应力加载作用;龙泉山断裂带、华莹山断裂带和西秦岭北缘断裂带主要受到了轻微的卸载作用。     

饱和砂土的液化应力条件

本文的研究课题是探讨饱和砂土的液化应力条件。首先,指出在液化势判别中现场土单元的受力条件与液化试验土样的受力条件的不同是一个重要的影响因素。如果以最大往返剪切作用面上的应力分量表示液化应力条件,这个影响会得到合理的考虑。对于三轴液化试验、简切液化试验的受力条件和平面应变状态下土单元的受力条件,证明了最大往返剪切作用面的位置只由静力有效应力分量来确定而与往返应力无关。这个特点使得最大往返剪切作用面上的静力有效应力分量和往返应力分量的表达式十分简单,便于应用。为了建立液化应力条件引进了一个往返剪切作用函数,这个函数是以最大往返剪切作用面上的应力分量表示的。由此确定出来的液化应力条件能够对现行的几种液化试验的结果作出统一的解释。这样,所给出的液化应力条件的适用性得到了必要的试验证明。     

不同加载频率及循环应力比条件下舟山海相软黏土动力特性试验研究

不同地域的软黏土表现出不同的动力学特性,针对舟山地区海相软黏土,采用Wille动三轴仪开展了一系列不排水三轴试验,研究了不同加载频率及循环应力比对软黏土的动应力-应变-孔压及软化指数等的影响规律。结果表明：低频荷载的应力-应变滞回曲线对应的面积较大且曲线趋势更倾向于应变轴,随着循环次数的增加土体的软化程度明显增加(软化指数减少),且在高循环应力比下产生较大的累积塑性应变和残余动孔压;在低频较大循环振次和高频荷载作用下,不仅需要关注循环应力比CSR的影响,也需要进一步分别关注围压和轴向偏应力各自数值不同所导致的土体累积塑性应变、残余动孔压的变化;降低循环应力比可以显著减少不同频率荷载对软黏土地基动力特性的影响。此外,实验所测的累积塑性应变和残余动孔压分别采用相关修正模型拟合,取得了一致的拟合结果。该研究将为舟山海相软黏土的工程应用提供参考依据。     

沉积盆地方位各向异性和EDA各向异性的有效作用范围

同时具有一垂直于层理面的对称轴的层理诱发或岩性诱发的方位各向同性和具有一水平对称轴的裂隙诱发的张性扩容(EDA)各向异性被认为是沉积盆地的共性,因而能普遍地观测到剪切波分裂现象。具有圆柱形对称正交轴的两个各向异性的这种横向各向同性的组合导致正交对称,这有两个主要作用:(1)快速分裂剪切波的偏振方向可能不再平行于裂缝或裂隙组的走向,甚至是近垂直传播;(2)这样的正交对称系,必然有许多方向(称之为剪切波点状奇异性),即剪切波显示出扰动或异常特性,或许仍然在近垂直方向.除非能正确地识别构造的不规则性或间断性的效应,否则它们将被错误地解释.相比之下,这种特性的三维几何形态识别,对岩体各向异性的可能组合施加了比较严格的约束.为了解这些现象的几何形态,本文提出剪切波分裂特性的三维模型,它已经对裂隙和层理诱发的各向异性的组合作用范围进行了计算.