闭合裂纹面相互作用的实验研究

为了研究地震过程中断层面的相互作用,设计了四类裂纹面状况不同的断裂力学实验。实验结果表明,裂纹面的状况对于含裂纹材料的σ_c(2^1/2)值有强烈的影响,并利用断裂力学的原理对结果进行了分析。 实验中解决了如下技术关键: 1.可用三点弯曲、局部受拉、单面启裂、双面贯穿的方法,在脆性材料板状试件（玻璃板、岩石板）以及有机玻璃板中预制中心穿透裂纹。 2.在裂纹端部预计裂纹扩展的区域内粘贴电阻应变片,用以判断并测量裂纹初始扩展及其相应的破坏应力σ_c的方法。     

地震震源的研究:/

简述了1999~2002年中国学者在地震震源的观测、实验和理论方面所取得的一系列成果. 他们对精确定位、地震矩张量反演和震源参数反演等方法进行了改进和发展，并利用这些方法，研究了许多重要地震事件的破裂过程，并结合地面形变测量，研究了地震破裂与区域应力场、地质构造运动的关系. 总之, 在实验和理论研究领域中，中国学者在地震成因、地震发生的应力与构造条件、地震破裂动力学、岩石断裂力学、地震破裂成核等方面取得了一系列进展.      

岩石粘滑及天然地震应力降

众所周知.岩石的摩擦滑动有两种方式,一种是粘滑,另外一种是稳滑.当发生粘滑时,应力突然下降并伴随有急剧的能量释放.从1966年 Brace 等人指出粘滑可能是导致浅源地震的原因以来,粘滑作为一种震源机制已引起地震学家的普遍关注.但是,粘滑的研究还有许多问题,如粘滑发生的条件,围压对粘滑及其应力降的影响,特别是室内粘滑实验应力降远高于天然地震应力降这一问题,到目前还没有解决(陈顒,1988).本文建立了一个岩石摩擦的自锁模型,这一模型能够反映围压与粘滑之间的关系.分析结果表明,天然地震应力降低于室内粘滑实验应力降是由围压刚度引起的.      

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.      

岩石破裂电磁辐射频率与弹性参数的关系

为进一步研究岩石破裂电磁辐射特征,本文根据岩石破裂电磁辐射是由岩石破裂时产生带电粒子扰动引起的假说,通过断裂力学理论中的张开位移法计算岩石破裂过程中的裂纹宽度,由电磁辐射频率与破裂宽度之间的关系,研究电磁辐射频率与弹性参数之间的关系,并给出了它们之间的关系表达式.通过建立具有中心贯穿裂纹的无限大平板模型,根据破裂宽度计算了在该模型条件下几种岩石破裂过程中产生电磁辐射频率范围.理论模型计算出来的频率范围主要集中在实验观测的中高频段,并体现出频率随弹性参数的变化.     

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.     

岩石破裂电磁辐射频率与岩石属性参数的关系

为进一步明确岩石破裂电磁辐射频率特征,基于岩石破裂电磁辐射是由岩石破裂时传播裂纹引起原子扰动产生的假说, 通过断裂力学理论中小范围屈服条件下张开位移法计算岩石破裂时的裂纹宽度,由单脉冲电磁辐射频率与裂纹宽度之间的关系,研究电磁辐射频率与岩石属性参数之间的关系,并给出了它们之间的关系表达式;单独讨论了不同属性参数对电磁辐射频率的影响.结果表明,电磁辐射频率随弹性模量增大而增大,随岩样尺寸和强度增大而减小,随泊松比的变化、岩石弹模的不同电磁辐射频率有变化;当弹模较小时,泊松比的影响也较小,而当弹模很大,即岩石刚度很大时,泊松比的增大会导致频率的增大;裂纹初始长度的变化受试件尺寸的影响,进而影响频率,当尺寸较大时,裂纹长度对频率影响较小,当尺寸较小时,频率随裂纹长度增大而增大.通过计算几种常见岩石破裂时电磁辐射频率值发现,岩石破裂时电磁辐射频率达到10⁵ Hz量级,这与现有的实验结果相吻合.     

破裂带发展的扫描电镜实验研究及其对地震前兆的启示

在扫描电镜下对带割缝的大理岩试件进行了单轴压缩实验.在加载的全过程中,观察了试件表面裂纹的产生、扩展、平面分布以及断裂扩展前缘处的微裂纹在主断裂扩展前后的开、闭变化,并分析了它们与外载之间的关系.在显微照片上量测了主断裂的宽度随外载水平及测点所在部位的变化规律.在实验测定和结果分析的基础上,解释了脆性岩石材料在宏观裂纹扩展时的断裂能明显偏离线弹性断裂力学预测值的原因,提出了以标量作为岩石损伤力学中的损伤量的设想,探讨了实验结果对了解地震前兆（如大地形变和地下水位异常）可能起到的作用.将实验观察到的微破裂活动与1975年海城7.3级地震前地下水位异常做了对比分析,发现两者在时空分布方面有许多相似之处.     

岩石受压过程中应力反复对电阻率的影响

在岩石电阻率随压力变化的不同阶段,部份地减低轴向压力后再加压(每回总压降约为破坏应力的10%).研究这种特殊的加载方式下,即所谓应力反复对电阻率的影响.结果如下:(1)对高水饱和度岩石,随压力不断增加电阻率变化的总趋势为上升——平稳——下降的变化形态(包括饱和度为100——70%).对低饱和度岩石(实验中饱和度为70%和50%),电阻率变化的总趋势已改变.(2)对高饱和度岩石共作了十一次应力反复实验.除了水饱和度为71%的岩石在压力为30MPa 处,应力反复时电阻率无明显变化外,其余均呈现电阻率的负异常(下降幅度约2%左右),我国地电台在震前观测到的地电阻率变化以负异常为主.实验结果为解释这种负异常提供一种新的可能机制.(3)在电阻率随压力变化的下降段,特别是接近岩石破坏时,应力反复所引起的电阻率负异常与一般情况下出现的负异常相比,有以下三个特征:a)负异常的幅度要大一个数量级(约-20%);b)不仅应力下降时电阻率下降,而且应力恢复时电阻率仍然下降;c)各个方向电阻率变化的差别很大(约10%).以上这三个特征可作为岩石临近破坏的标志.而一般的电阻率负异常可能只与应力反复有关,并不意味着岩石处于临近破裂的危险状态.(4)低饱和度岩石,应力反复可能引起电阻率的正异常.作者还用      

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.      

陶瓷材料地磁场古强度研究的可靠性探索

目前来自以烧制陶瓷为主的考古磁学古强度数据存在较大的离散度,且缺少验证性的实验研究,制约了对人类历史时期地磁场强度变化的认识.本文以现代烧制的陶片为材料,采用了目前国际上接受程度最高的双加热方法测量其古强度,并进行了岩石磁学实验.结果显示,仅一个样品所测得的地磁场强度与参考值相符(测量值46.4±3.7μT,参考值48.2μT).两个样品古强度数据虽然通过了各项可靠性检验,但最终结果存在约20%的偏差(测量值38.6±3.8μT、43.5±4.1μT,参考值50.4μT),岩石磁学实验结果显示其载磁能力在加热前后发生了明显变化.因此,对于陶瓷样品,pTRM系列各项检验并不能完好地验证其载磁能力是否发生了改变;岩石磁学实验应该作为其古强度研究的第一步筛选条件.     

岩石声弹性理论与应用的研究进展

大量岩石实验证明了岩石声弹现象的存在,即岩石的弹性波波速会随着岩石的应力状态的改变而改变,即岩石的声弹性现象.岩石的声弹性现象为地应力无损检测提供了可能.目前许多研究已经分别给出了岩石声弹性的细观和宏观理论,并初步应用到地应力测量方面.为了促进岩石声弹理论的应用,本文总结了岩石声弹性的细观和宏观理论研究及其在地应力测量方面应用研究的进展.     

地下煤层自燃区岩石磁性增强特征及机理研究——以内蒙古乌达和宁夏汝萁沟煤矿为例

采用室内加温实验和岩矿测试分析手段,对地下煤层自燃区采集的岩石标本,测定其在不同温度条件下岩石磁性、含铁氧化物含量及其结构的变化情况,分析其特征和变化规律,探讨温度变化引起岩石磁性变化的机理.实验研究表明,温度变化可引起岩石磁性变化,通常在加温过程中多数岩石样品在低于400℃时其磁性较弱且没有明显的变化,继续升温达到含铁氧化物居里点温度前磁性增加,高于居里点温度后磁性消失;再由居里点温度或以上降温过程中磁性显著增强,并在常温下获得较岩石加温前更强磁性,但磁性变化较大.磁性变化主要与岩石中的黄铁矿、赤铁矿、菱铁矿、褐铁矿等含铁氧化物含量及其结构变化有关,岩石样品加热至700℃再冷却到常温以后,其铁磁性矿物含量明显增加;矿物结构有所变化,加温前一般为不规则微粒状、短脉状,加温后多为规则微粒状,且颗粒大小比加温前略有减小,一般为10~150 μm,大多属于多畴(MD)结构,部分膺单畴(PSD)结构.磁性增强的主要原因是含有少量含铁矿物的岩石在温度升高时产生了新的铁磁性矿物(如磁铁矿、磁黄铁矿、磁铁矿等).上述研究成果对解释煤层自燃区磁异常的成因具有重要意义.     

用活动块体应变能预测研究强震活动的理论及实验依据

从弹性力学、断裂力学角度,以总应变能预测研究块体地震活动,并从岩石破坏试验结果论述这种预测研究的实验依据,最后结合实例证明,用块体应变能积累释放进行强震活动预测研究在实际应用中的可行性。这种分析研究方法可能对地震危险区及最大震级预测有实际应用价值。     

岩石蠕变过程中声发射活动的实验研究

在常温下、单轴加压下对两种岩石完整样品进行蠕变破坏过程中声发射活动实验.根据实验获得的数据讨论了蠕变三个阶段中声发射活动特征.在瞬态蠕变阶段,随着加载,声发射活动逐渐增强;在稳态蠕变阶段,在较低的声发射活动背景上,可能出现较强的信号,声发射幅值-频度关系的 m 值可能稳定于某一低值,也可能下降;进入加速蠕变阶段,声发射活动水平增强,m 值下降加快,也可能表现为明显回升后再下降,并与岩石样品的性质有关.将蠕变破坏三个阶段中声发射活动与地震孕育过程中某些地震活动图象变化(如 b 值、前震活动)进行了联系,提出地壳岩石蠕变破坏机制形成前震——主震——(余震)型地震序列类型的可能性.      

从断裂力学观点探讨 b 值的物理实质

岩石试验声发射及天然地震的 b 值到底反映了什么样的物理实质,是一个长期以来引起争论的问题.本文运用断裂力学的观点和方法,研究岩石试验试件内微裂纹系中各裂纹的扩展顺序及声发射能量,由此确定整个声发射序列,并进而确定 b 值.如果假设裂纹长度的分布密度函数为 p()=B-.经过力学分析和数学推导,可得到关系式 b=3/2.由此看出:b 值的物理实质是,它反映了介质的断裂构造状态————包括介质中裂纹系的空间分布及其它影响材料中裂纹扩展的物理量(如断裂韧度、摩擦系数等)的空间分布.这一结论与大多数实验及观测结果相符.我们的研究结果与茂木清夫观点有共同之处.茂木清夫认为:介质的不均匀性是决定 b 值的重要因素.介质的不均匀性一词固然也包括了介质的断裂构造状态在内,但是本文之观点比茂木更进一步说明了问题的实质.      

地震临界点理论的实验研究

按照临界点理论 ,在大地震或岩石等脆性材料破坏发生之前能量会加速释放 (AER) ,这种加速过程呈幂律变化 (power law) .本文通过大尺度岩石破裂声发射实验 ,对这一临界现象进行了研究 .实验分别采用 3种岩石试件 ,并且实现了不同轴压加载历史以及三轴应力状态 ;实验利用声发射技术记录了微裂纹产生和扩展时所释放的弹性能 (声发射 ) ;实验结果证实了临界点理论 ,在不同的实验条件下 ,岩石材料在受压破坏之前弹性能会出现明显的加速释放过程 .本文还对使用AER预测中期地震进行了初步研究 .     

岩石蠕变过程中声发射活动的实验研究

在常温下、单轴加压下对两种岩石完整样品进行蠕变破坏过程中声发射活动实验.根据实验获得的数据讨论了蠕变三个阶段中声发射活动特征.在瞬态蠕变阶段,随着加载,声发射活动逐渐增强;在稳态蠕变阶段,在较低的声发射活动背景上,可能出现较强的信号,声发射幅值-频度关系的 m 值可能稳定于某一低值,也可能下降;进入加速蠕变阶段,声发射活动水平增强,m 值下降加快,也可能表现为明显回升后再下降,并与岩石样品的性质有关.将蠕变破坏三个阶段中声发射活动与地震孕育过程中某些地震活动图象变化(如 b 值、前震活动)进行了联系,提出地壳岩石蠕变破坏机制形成前震—主震—(余震)型地震序列类型的可能性.     

三维破裂及其在地震和断层研究中的应用（综述）

文中提出若干断层破裂和震源过程的重要问题,包括断层分布的形态、震源多重事件的非共面性、震源迁移和动力来源等,这些问题用目前二维力学模型无法回答,只有用三维模型才有可能。综述了三维岩石断裂力学的实验和Ｇｒｉｆｉｔｈ－Ｉｒｗｉｎ理论研究的进展情况,指出三维破裂研究既包括三维裂纹的破裂,也包括无初始裂纹的Ｈｅｒｔｚ接触引起的破裂。总结了岩石三维破裂的特征,并简述了三维破裂在震源过程和断层形成问题研究中的一些证据和研究前景,认为一些地震前兆机理问题有可能在三维模型中得到解答。同时也讨论了三维震源与断层模型简化为常用的二维模型的条件。     

雷达用于地震预测的基础实验研究

为将雷达技术应用于地震预测,在实验室对花岗岩等不同岩性的27个岩石试样进行了加压实验观测研究,使用的雷达测量仪器是美国HP公司生产的专用RSC测量系统,观测8mm,2cm,3cm和5cm四个雷达波段,在加压的过程中自动连续测量岩石试样的雷达波反射强度随压力的变化,实验表明：反映岩石试样微波反射特性的雷达波反射强度随压力变化而变化,在实验的27个岩石试样中,无一例外,只是在不同试样、不同波段或不同极化方式的实验中存在变化幅度和趋势的差异. 岩石试样反射波强度的相对变化量为百分之几到百分之十几,花岗岩的最大变化量达到202%(113号试样),砂岩的最大变化量达到279%(212号试样). 实验结果为将雷达技术应用于地震预测、岩体及岩土工程稳定性监测和稳定性评价提出了实验依据,奠定了物理基础.