突变理论在地学中的某些应用（综述）

自然界，特别是地学、生物学领域，不连续变化的现象非常多，诸如地震、火山喷发、岩石相变、地磁场倒转、古生物灭绝、基因突变；地貌现象中的断层与褶皱、断陷盆地、谷地走廊、高原边陲和大孔夫子坡等等。是显见的突变事件和不连续现象，     

基于突变理论的小煤窑采空区失稳判据及应用

小煤窑采空区突发性垮塌灾害是榆神府矿区重大地质灾害问题之一。采用工程地质分析及数理推导的方法,分析了小煤窑采空区成灾条件及致灾机理,构建了顶板–残留煤柱岩石力学系统,推导了基于尖点突变模型的采空区系统失稳力学判据。以枣稍沟小煤窑为例进行分析,结果表明,该方法简便实用,计算结果可靠,为小煤窑采空区稳定性定量评价提供了一种新途径。     

狭窄煤柱冲击地压失稳的突变理论分析

本文用突变理论研究了狭窄煤柱冲地压失稳过程的机制。导出了失稳的充要力学条件判据及突变时煤柱的突跳量与释放能量的简单表达式，提出了刚度效应－扰动触发响应失稳新理论。本文的讨论，从整体上深化了对部地压失稳机制的认识。     

基于突变理论深埋硬岩隧道的失稳分析

在分析隧道开挖引起围岩扰动和损伤的基础上,运用突变理论探讨了深埋硬岩隧道失稳的机理;基于势能原理,建立了深埋硬岩隧道失稳的尖点突变模型,导出了失稳的力学判据条件。结果表明:深埋硬岩隧道的失稳不仅受岩体特性及所受载荷的影响,而且与围岩中弹性区刚度和塑性区刚度的比值有关;开挖过程中,围岩受扰动和损伤程度越大,岩体完整性系数越小,力学参数指标弱化程度越高,塑性区范围越大,刚度比越小,围岩系统发生失稳的可能性就越大。工程实例分析表明,分析结果与实际经验基本一致;研究成果可为预防隧道失稳、采取合理的施工工艺和支护措施提供参考依据。     

基于突变理论的地下工程洞室围岩失稳判据研究

地下工程围岩体系是高度非线性的复杂大系统,其稳定判据至今没有一个统一的认识。突变理论注重研究系统状态发生突变时外界的控制条件,主要阐述非线性系统如何从连续渐变状态走向系统性质的突变。应用突变理论对围岩体失稳的突变过程进行探索,旨在从理论上弄清其突变条件。能量突变判据和熵突变判据从物理学的观点考虑了围岩系统失稳的可能性,位移模突变判据、洞周屈服区面积突变判据和广义黏塑性剪应变突变判据则主要是根据数值计算中直观判别条件（关键点位移、洞周屈服区面积和广义黏塑性剪应变）考虑围岩失稳的可能性。将以上5种判据应用于某地下洞室断面,对围岩系统的稳定性进行分析,根据系统突变条件从不同的方面判别其发生失稳的可能性,可为工程的设计施工提供一定参考。     

突变理论在断层活动机理分析中的应用

本文扼要阐明了突变理论的基本思想，介绍了突变理论的Ａ３尖点突变模型，建立了断层过程中的势函数，在此基础上，通过对平衡曲面方程的Ｔａｙｌｏｒ级数展开，求取了其标准形式，结合Ｔｈｏｍ的Ａ３类尖点突变，讨论了在不同情况下断层的活动方式。     

突变理论在断层检测中的应用尝试

简述了突变理论中的尖点突变模型及其表达式，将地震信号转化为尖点突变的标准形式，在时间域内计算突跳势、突跳时间等突跳参数，发现突跳参数曲线上异常的位置与地下断层的位置有关。在这里尝试将突变理论应用于断层的检测，分析了突变理论在断层检测理论上的可行性，对实际地震剖面进行分析解释，取得了一定的效果。这说明利用突变参数进行断层的检测是可行的，突变理论将为地震资料解释提供一种新的途径。     

突变理论在地震资料解释中的应用

阐述了尖点突变理论,建立了地震信号尖点突变模型并转化为尖点突变的标准形式,在时间域内提取突跳势、突跳时间;在频率域内提取突跳势、突跳次数等参数。运用突变理论对实际地震资料进行构造解释表明:突跳参数曲线上异常的位置与断层的位置有关,为地震资料解释提供了一种新的途径。      

考虑突变理论的顺层岩质边坡失稳研究

应用突变理论,以顺层岩质边坡为例,考虑地下水对滑面带介质的应变和水致弱化性质,以及地下水对边坡后缘张裂缝的水力效应,构建了边坡的尖点突变模型,分析了顺层岩质边坡失稳的力学机制：边坡失稳过程主要是内部因素和外部因素共同作用的结果,内部因素主要是地下水通过物理化学作用软化了滑面带岩体,使滑面带岩体刚度比降低,在边坡失稳的过程中起主导的定性作用;外部因素主要是指边坡后缘张裂隙的静水压力,不仅使得边坡的滑动势能增加,还对边坡造成一种扰动的作用,加速滑坡的启动。在突变分析的基础上,推导了边坡后缘张裂缝临界充水高度和临界降水强度的关系式,建立了边坡滑移破坏的水力判据;给出了边坡岩体在渐进软化过程中的位移变化规律,剪切位移并非均匀增长,而是呈现出阶梯状跳跃式上升。同时,进行了室内物理模型试验（当刚度比 ）,在一定程度上验证了考虑突变理论来分析顺层岩质边坡失稳的力学机制和边坡岩体在渐进软化过程中位移变化规律的合理性。并提出了此种类型边坡的处治技术与优化方法建议。     

老采空区覆岩失稳活化机理的实验研究

以霍州矿务局辛置煤矿2204工作面为背景,通过相似模拟实验,分析老采空区覆岩破坏的结构类型、覆岩失稳活化的机理以及老采空区砌体梁结构的失稳形式及其稳定条件。研究结果表明,采动破坏后老采空区及其上覆地层的岩体结构可以划分为四种类型,这种次生岩体结构对老采空区的活化有重要影响,其存在形式将决定老采空区活化的基本特点。通过对老采空区砌体梁结构进行的力学分析,得出滑落失稳主要取决于关键块和邻近岩体的物理力学特性和W/T的比值以及地表建筑物等对其施加附加荷载的大小,回转失稳与关键块和邻近岩体的物理力学特性和悬露岩块的厚长比h/l值有关。     

四川汶川地震断裂带科学钻探2号孔（WFSD-2）岩性特征和断裂带的结构

以WFSD-2钻孔岩心为研究对象,通过详细的岩心编录和岩石学、构造地质学等研究,识别出该钻孔岩心具有6段岩性,从上向下依次为彭灌杂岩（0-599.31m）、三叠系须家河组二段（599.31-1211.49m）、彭灌杂岩（1211.49-1679.51m）、三叠系须家河组三段（1679.51-1715.48m）、彭灌杂岩（1715.48-2081.47m）、三叠系须家河组四段（2081.47-2283.56m）。彭灌杂岩主要以花岗岩和火山岩为主,三叠系须家河组沉积岩以砂岩、粉砂岩、泥岩、页岩、煤层（线）和砾岩为主。3套彭灌杂岩与三叠系须家河组沉积岩重复出现,时代较老的岩性段逆冲覆盖在新的地层之上,表明龙门山构造带由一系列逆冲岩片叠置而成。岩心中断裂岩较为发育,主要为断层角砾岩、碎裂岩和断层泥,反映出脆性变形作用的特点。通过对断裂岩的统计分析,厘定了20余条产状不同、规模不等的次级断裂带,断裂带宽度和断裂密度峰值显示FZ600、FZ720、FZ782、FZ817、FZ922、FZ951、FZ1449、FZ1681、FZ2082为主要断裂带,其中FZ1681系规模最大的一条断裂。依据断裂岩的组合特征可以将岩心中断裂带的结构以断层泥为核部划分为两大类：对称型断裂带和不对称型断裂带。根据地表破裂带、WFSD-1钻孔岩心中主滑移带位置的几何关系、岩性分层等因素,可推断汶川地震主滑移带应位于FZ1134、FZ1449或FZ1681之中,同时也暗示该地区经常发生类似汶川地震的大地震活动。研究表明,龙门山地区经历了强烈的构造缩短和快速隆升作用,暗示龙门山地区构造活动非常强烈。     

岩石失稳破裂的变形突跳研究

针对在非刚性加载条件下岩石失稳破裂过程中变形突跳的特性, 根据时间的不可逆性, 研究了岩石试样在普通试验机下的变形规律及突跳特性, 得到了与尖点突变模式相似的突变机构。再利用突变理论中尖点突变模型研究由试验机和岩石试样组成的力学系统的失稳机制, 结果表明:两者得到的岩石变形突变量非常相似, 且具有同一变化趋势。     

基于能量原理的露天矿边坡开挖稳定性突变研究

基于边坡系统能量的原理,借助FLAC3D有限差分法内嵌FISH语言进行了三维露天矿边坡模型在开挖过程中能量计算的二次开发。将能量与突变理论相结合,以边坡系统的总耗散能作为状态变量,构建了边坡系统的能量耗散突变判别准则。以大孤山露天矿西北帮边坡为例,通过能量耗散突变分析、塑性区演化分析、安全系数变化分析及关键点位移分析可知,以上分析得到的边坡稳定性演化规律具有一致性,验证了提出的突变判别准则的适用性,研究结果表明：能量突变特征值 是露天矿边坡在第ki步开挖后发生失稳的充要力学条件;当进行至第6～8步开挖时,边坡局部岩体系统发生了失稳,且第7、8、9三个台阶受开挖扰动的影响较为严重,与现场的实际开挖情况相符,为预防露天矿边坡在开挖扰动过程中的局部围岩系统失稳提供了一定的理论支持。     

矿山动力现象的突变机理及其控制研究

用突变理论研究了一种矿山动力现象产生的机理，得出了判断该种矿山动力现象发生的充要条件，讨论了控制矿山动力现象的途径及工程实践。     

汶川地震断裂带科学钻探一号孔（WFSD-1）断层泥孔段泥浆体系的研究与应用

汶川地震断裂带科学钻探项目一号孔（WFSD-1）钻遇了30多米的断层泥。针对断层泥钻探的主要问题,对断层泥钻探泥浆体系进行了研究与应用,形成了具有高密度、低失水、低渗透、润滑减阻特点的泥浆体系,再加上重泥浆体系对地应力的平衡作用,成功地解决了断层泥的钻进取心问题,为顺利完成钻孔施工任务奠定了坚实的基础。     

四川龙门山安县-灌县断裂带的特征——以汶川地震断裂带科学钻探3号孔（WFSD-3）岩心为例

汶川地震断裂带科学钻探（WFSD）是由科技部、国土资源部和中国地震局联合组织实施的汶川地震断裂带科学钻探研究项目,计划在同震地表破裂带（龙门山映秀-北川断裂和安县-灌县断裂）的上盘布置5口科学群钻：WFSD-1、WFSD-2、WFSD-3、WFSD-3P和WFSD-4,其中WFSD-3和WFSD-3P位于龙门山前山断裂安县-灌县断裂的上盘。以WFSD-3钻孔岩心为研究对象,进行详细的岩石学、构造学、野外编录等研究。WFSD-3钻孔岩心中的断裂岩主要由断层角砾岩、碎裂岩和断层泥组成,未见假玄武玻璃。钻孔中存在26条规模不等的断裂带,断裂密度显示FZ634、FZ1215和FZ1250为主要断裂带,而FZ1250可能为2008年汶川地震的主滑移带。安县-灌县断裂在地表和WFSD-3P、WFSD-3钻孔岩心中的断层倾角分别约为60°、46°和38°,显示安县-灌县断裂倾角从地表至深部逐渐变缓,为一铲式逆冲断层。     

郯庐断裂带早新生代的活动性质研究

郯庐断裂带是新生代以来中国东部大陆大地构造演化中最重要的构造带之一,对郯庐断裂的认识制约了大型盆地的形成演化的认识及油气资源的评价。本文在野外实地调查的基础上,从郯庐断裂带与地层的穿切关系入手,借助最新的地震反射剖面以及第一手野外资料,判定郯庐断裂带在新生代早期经历了强烈的活动,表现为左旋兼具逆冲的性质。通过分析覆盖在郯庐断裂带之上火山岩中的断裂发育样式和地震反射剖面上的地层覆盖关系,认为中新世以来,相当于渤海湾盆地的东营运动之后,构造应力场发生了变化,郯庐断裂带不再有显著的活动,发育了新的断裂体系。郯庐断裂新生代兼有垂向位移的走滑活动奠定了中国东部古近纪盆地形成、沉积演化和油气资源成藏的基本格局。     

动力扰动诱发承压水底板关键层失稳的突变理论研究

应用突变理论建立了承压水底板关键层在动力扰动下失稳的双尖点突变模型,探讨了动力扰动诱发煤层底板关键层失稳的机制,给出了关键层在动力扰动下失稳的判据,揭示了关键层动力失稳的机理。研究表明,关键层破坏与否,不仅取决于关键层的内因如几何尺寸和岩石的性质等,还取决于外部作用力的大小和方式;承压水等静载荷作用对关键层结构振动频率的变化有一定的影响;对于受承压水等静载荷作用的底板关键层,不同的动压,如扰动的幅度、作用时间和频率的不同组合会对底板关键层结构产生不同的影响,有的是弹性振动,有的是稳定破坏,有的是突然断裂或失稳。     

沉积盆地的突变特征及尖点突变模型的应用研究

以云南第三系盆地为例，详细论述了沉积盆地构造、沉积的复杂多变性及成藏的特殊性。沉积盆地的复杂多变性使沉积盆地具有剖分性、平衡特征的复杂多变性以及不连续的突变性等特征，这些特征与尖点突变特征相似或相近，建立起与尖点突变模型的关系，并利用反映沉积盆地多种突变特征的地震反射序列来检测其是否突变和突变程度，从而，可获得沉积盆地结构和地层介质结构的变化情况以及油气分布。良好的应用效果表明，尖点突变模型为油气勘探提供了可靠的新方法技术。     

汶川地震断裂带科学钻探一号孔（WFSD-1）定向钻进技术的应用

汶川地震断裂带科学钻探1号孔（WFSD-1）发生的孔内事故钻具无法进行处理,需进行定向钻进（侧钻）绕过事故钻具,用LZ-89型连续造斜器在580．07m水泥孔底上侧钻,用3h20min造斜进尺3m就偏出新孔转入正常钻进。介绍了该次定向钻进（侧钻）的技术要点。