平直走滑断层亚失稳状态的位移协同化特征——基于数字图像相关方法的实验研究

亚失稳阶段是断层临近失稳的最后阶段,识别断层亚失稳状态,对评估断裂区内的断层失稳危险性具有重要意义．含平直走滑断层的岩石样品在卧式双轴伺服控制压机上加载产生黏滑,同时用高速相机以1000帧S_的速度记录样品变形,失稳过程中的数字图像,然后采用数字图像相关分析方法计算样品表面变形场,并通过定义表征断层位移累计值相对离散程度的协同化系数来描述断层失稳过程的协同化特征,结果表明：（1）局部预滑区进入亚失稳阶段之前,扩展速率非常缓慢;进入亚失稳I阶段后,扩展速率有所增加,但仍很缓慢,属于准静态扩展;在亚失稳II阶段,在占整个亚失稳阶段～1．5％的时间段内,断层先是以～0．9mS。的速率扩展,继而快速贯通整个观测区域,此时断层已转为准动态扩展．（2）在亚失稳I阶段断层位移协同化系数降为进入亚失稳前的一半,在亚失稳II阶段这一系数再降为进入亚失稳前的四分之一．这一系数持续下降意味着断层位移协同化作用的加强,亦可作为断层进入亚失稳阶段的特征之一．（3）此外,在断层失稳滑动阶段,观测区内断层出现三次整体滑动：初始滑动,快速滑动和调整滑动．断层在三次滑动之间存在两次短暂的停顿过程．     

三维裂纹布置角度对砂浆材料强度的影响

利用伺服控制试验系统及声发射设备对含有单椭圆裂纹的非均质砂浆材料进行物理试验,获得了单轴加载作用下不同布置角度的三维内部裂纹试样的全应力-应变曲线和声发射数据。找到了声发射数据与应力-应变曲线的对应关系。根据对应关系,判断出试样的起裂应力及破坏应力。分析了裂纹布置角度对材料强度的影响,分析表明：裂纹与加载方向为45º夹角时最难破坏,与加载方向成60º夹角时最容易破坏。此外,裂纹尖端起裂应力为试样极限强度的86.07 %～87.42 %。     

倾斜椭圆形裂纹的三维始裂状态

基于断裂力学理论,采用最大拉应力准则分析了压剪和拉剪应力状态下倾斜椭圆形裂纹的三维始裂状态.研究结果表明:(1)椭圆形裂纹的三维始裂位置受周边应力场的影响:在拉剪状态下,原生裂纹的始裂位置始终在裂纹短轴端部,而与原生裂纹的几何形状(b/a)和材料泊松比(v)无关,而在压剪状态下则受b/a和v的共同影响,并随b/a和v的...     

平直走滑断层亚失稳状态的位移场协同化特征——基于岩石数字图像变形相关分析方法

亚失稳阶段在断层的粘滑过程中是非常短暂的时段,并有可能导致断层的快速失稳,故识别断层亚失稳状态,对评估断裂区内的地震危险性具有重要意义.实验选择平直走滑断层的粘滑事件作为研究对象,研究亚失稳过程中位移场的时空响应特征,进而探索亚失稳状态的变形场标志.     

平直断层失稳前应变场演化特征的实验研究

了解与认识地震发生前一段时间内断层的应力应变等物理场的演化过程及其变化特征对于识别断层的状态信息与地震的孕育与发生机理十分重要.断层上何时何地进入亚失稳状态的识别对于预测可能发生的失稳事件尤其关键.     

声发射矩张量反演

地震矩张量反演是获取震源过程的有效方法.岩石变形过程中的声发射与地震类似,均是弹性应变能快速释放.如假设条件得到满足,矩张量反演方法同样可用于了解声发射震源过程.声发射矩张量反演可使用P波位移进行计算.当样品尺寸远大于声发射波长,且声发射由微破裂产生,声发射源的尺度很小时,P波矩张量反演可采用远场近似.本文首先针对声发射的特点,实现根据远场P波反演声发射矩张量的算法,并通过人工声发射实验对算法的正确性和可靠性进行了检验.最后,用声发射矩张量反演方法对花岗岩单轴压缩实验的声发射源特征进行了分析.结果表明：对于纯剪切破裂模式,声发射矩张量反演可得断层面;对于非纯剪切破裂模式,如纵向挤压导致的横向张性劈裂,由于存在多解性不能得到断层面,但可通过矩张量的迹区分破裂模式.     

不同荷载作用下拉破裂的声发射特征研究

采用类岩石材料研究了不同加载条件下的张拉裂纹的破裂过程,并利用声发射(AE)测试技术分析了劈拉试样和三点弯曲试样在断裂过程中裂纹的萌生、起裂、扩展和破裂全过程的声发射特征。试验结果表明,声发射的阶段性突发特征反映了张拉裂纹阶段性扩展的力学机制。但是,在不同的加载条件下,张拉破裂的声发射特征有所差异：在弯拉应力作用下,试样拉破裂的声发射特征表现可分为声发射数的渐进增长、快速增长、突发式增长和逐渐下降4个阶段;而在劈拉应力作用下,试样破裂的声发射特征可分为声发射数缓慢增长、声发射数突发和声发射数的稳定发展3个阶段。在弯拉应力作用下,裂纹的萌生和聚集阶段的声发射特征明显,但在劈拉应力作用下几乎观察不到其声发射特征变化。不同破裂模式下的声发射特征值得进一步研究。     

5°拐折断层在黏滑过程中物理场演化与交替活动的实验研究

在实验室利用96通道应变记录采集系统和分布式多通道瞬态信号采集系统,观测了预切5.拐折断层的标本在变形失稳过程中应变场和声发射事件的时空演化.实验在双轴伺服加载系统上进行.在Y方向按位移控制方式加载,位移速率先后取0.5μm/s、1μm/s、0.5μm/s和0.1μm/s.观测得到:1)标本沿断层发生周期性的黏滑失稳,...     

断层三维扩展过程的实验研究

实验研究三维断层的形成和扩展对于理解实际断层作用过程具有重要意义．在双轴压缩条件下开展了断层三维扩展过程的实验研究,利用多通道数字化高密度应变观测和基于可见光图像分析的数字散斑相关测量技术对岩石样品应变场的详细结构进行了动态观测和分析,同时利用多通道声发射全波形三维定位系统对样品内部微破裂的发育过程进行了观测．实验结果表明,断层在三维空间的扩展模式与二维明显不同,表现出更复杂的空间展布形态和变形机制．断层的三维扩展过程可以划分为3个基本阶段：第一裂纹扩展阶段——翼裂纹扩展阶段、转换阶段——花瓣裂纹活动阶段和第二裂纹扩展阶段——贝壳断面形成阶段．不同阶段具有不同的主导裂纹扩展方式,并对应不同的变形场和微破裂分布．其中,花瓣裂纹活动阶段在三维断层的发育过程中至关紧要,它是从表面似二维扩展向三维扩展转换的关键,也是三维断层扩展区别于二维断层的核心所在。     

应力时空演化揭示出的汶川地震前亚失稳过程

近年来从岩石实验研究针对应力水平进入峰值强度后至断层快速失稳前的短临阶段变形物理场的时空演化过程提出了亚失稳阶段的概念,该阶段的基本特征为应力由峰值前的积累为主转为峰值后稳定释放并加速至最终快速失稳,这一过程伴随着其他变形物理场的相应转变.把握该阶段应力场的转变特征对认识未来地震危险区及其变形阶段至关重要.以2008年汶川地震为例,运用基于区域多个地震震源机制反演定量应力张量的方法对强震前是否存在可观测的亚失稳应力状态进行了研究.获得的震源附近紫坪铺水库区域临震前应力状态时空演化过程显示,水库测震台网开始运行的2004年8月至2007年6月期间该区域归一化有效平均应力水平相对较低且均匀分布,随时间无明显变化;而2007年6月后至汶川主震发生前应力水平局部显著增强.基于不同时段的定量应力进一步获得了随时间演化的增量场,显示2007年6月后除了汶川附近和彭县附近为应力增强区,其他大部分区域表现为幅值相对较低的应力释放,表明研究区在2007年6月后应力水平明显弱化;而在2007年6月之前的应力增量场却显示区域应力随时间以积累为主.根据应力演化特征及分时段的应力增量场可推断孕震区在2007年中期达到强度极限,峰值前区域应力随时间平稳变化并以积累为主,而峰值后则转变为明显的应力释放.该现象显示汶川地震前区域应力存在由积累为主转为释放为主的可观测阶段,符合实验研究中断层由稳态进入亚失稳状态的应力演化特征.结合其他研究结果,推测汶川地震前震源断层及附近区域存在联动加速变形过程,与震前亚失稳应力状态相关.