应力减小引起地震

最近完成的岩石力学实验表明,在三轴应力状态下最大主应力的增加、中等主应力的变化(增加或减小)和最小主应力的减小都能导致岩石的破坏。由此启示,地震的发生既可能由地壳中的最大主应力的增加引起,又可能由中等主应力或最小主应力的减小引起。讨论了地壳中可能引起应力减小的作用,并从地震活动的规律性探讨了应力减小引起地震的可能性。指出在地震研究的各个领域中,不仅应考虑应力增加和能量积累过程中发生的地震,还应考虑在应力减小和能量减小过程中引起的地震。      

唐山地震由应力减小引起的可能性

唐山地震城源周围的水压致裂资料的分析表明,震前最大水平应力和最小水平应力均处于减小的过程中。过去认为观测到的应力减小过程反映了地壳更深部位的应力增加,从而导致地震的发生。近年来进行的岩石力学实验表明,减小最小主应力或中等主应力均有可能导致岩石破裂。由此引入了应力减小引起地震的概念。根据这一概念重新分析了唐山地震的成因。既然震前已观测到应力的减小过程,则唐山地震就有可能是由应力减小引起的。     

应力途径的研究

本文回顾了五年来应力途径研究工作的进展。实验表明几种岩石的强度、延性和脆性、体积变化和破坏前兆等与应力途径有关。三个主应力的变化(最大主应力的增加,最小主应力的减小和中等主应力的增加或减小)都能引起岩石的破坏,而破坏前兆的表明却有很大差别。这对了解岩石的性质和研究地震成因及前兆规律性有一定的意义。     

中等主应力变化引起的岩石破坏与地震

用真三轴试验机对福田花岗岩和山口大理岩进行了实验研究.表明,如果从一定的应力状态开始,保持最大主应力和最小主应力不变,单独改变中等主应力可以引起岩石的破坏.在这种情况下破坏前声发射率急剧增长的前兆比由最大主应力增加引起岩石破坏时的声发射前兆出现晚得多.联系这一现象对中等主应力变化引起地震的可能性进行了探讨.      

水渗透引起的应力场调整及岩石强度弱化的初步研究

本文采用二维线弹性的两相多孔介质理论,对水库蓄水后由水渗透引起的耦合应力变化及岩石强度弱化进行了数值模拟计算。结果表明,由于水的渗透使得岩石中的孔隙压力增大,耦合应力随之减小,从而导致岩石的有效应力减小,同时抗剪强度也相应减小,其减小的量值可以与地震时断层面上的应力降相比。根据计算结果,本文讨论了由水渗透引起地震的可能机制。     

依据断层摩擦准则估算的地壳主应力量值关系式及其参数分析

基于Zoback(1992b)提出的估算地壳构造应力量值的思路和2个假设,考虑了3个主应力分别为垂直主应力(对应3种构造应力类型)的情况,比较系统地建立了依据应力形因子和断层摩擦强度估算构造主应力量值的关系式。讨论了摩擦系数、孔隙压力系数和应力形因子对构造主应力量值的影响:在最大主应力为近水平的情况下(应力类型为走滑型或逆断型),最大主应力量值(或随深度线性增加的斜率)随摩擦系数取值的增大而增大,随孔隙压力系数取值的增大而减小。在最小主应力为近水平的情况下(应力类型为走滑型或正断型),最小主应力量值(或随深度线性增加的斜率)随摩擦系数取值的增大而减小,随孔隙压力系数的增大而增大。并且,3个参数对主应力量值估算的影响很大,如果摩擦系数取值较大,同时孔隙压力系数取值较小,最大主应力随深度增加的斜率与最小主应力随深度增加的斜率之间的差异就大,有可能导致不合理的结果出现。该方法只是对地壳岩石发生脆性破裂或摩擦滑动时的构造应力量值进行近似估算,估算结果并不是地壳稳定状态下的构造应力量值。     

最小主应力减小引起岩石破坏时中间主应力的影响

过去曾用常规的三轴试验机研究过减小围压引起的岩石破坏。这种实验的局限性在于中等主应力和最小主应力始终保持相等。本实验使用茂木的真三轴试验机研究了单独减小最小主应力引起的岩石破坏。发现岩石的强度、变形、延性和脆性等力学性质与常规实验有明显的差异。证实了茂木在增大最大主应力引起岩石破坏的一系列实验中阐明的中等主应力效应,在减小最小主应力引起岩石破坏的实验中仍然存在。     

从水压致裂结果讨论华北地区构造应力场

本文分析讨论了华北地区的应力场,认为本区深部水平应力东高西低。平原区各测点的水平主应力值是深度的线性函数,鄂尔多斯隆起区的水平主应力值随深度的增加而增大。平原区500米深度以内至今仍表现为引张性质。 京津唐渤地区,深部最大水平主压应力方向为北东东向或近东西向。30米深度以内,应力方向比较分散,30米以下,随深度增加,主应力方向有旋转趋势。 应力改变触发地震的机制,主要是由于最小水平主应力的减小,或两个水平主应力同时减小     

地震断裂和应力场

本文讨论了地震断裂和构造应力之间的关系。首先综述了地震机制研究的结果,指出断层面解可以给出较好的断层面的取向,而得不到确切的应力场;认为地震是一个复杂的破裂过程,而P波初动只反映了破裂开始的状态。应用了库仑准则对地震断裂进行了讨论,得出在各向同性介质中,最大主应力与断层面的夹角α≤45°,断层面解只是它的一个特例,μ=0,即没有内摩擦,或相当于围压很高的岩石试验结果;在软弱面存在的情况下,断裂面与最大主应力的夹角可以分布在更大的范围内,可以大于45°,也可以小于45°,这范围取决于破裂参数S_w,μ_w以及中等主应力σ_2。讨论了震前应力变化的过程,指出了五种基本可能引起地震的过程     

中主应力对岩石变形局部化的影响

岩石局部化变形在水利、石油、核废料处理、二氧化碳地质储存以及工程地质和岩土工程中都具有很强的实际意义,为了研究中主应力对于岩石局部化变形的影响,本文把轴对称拉伸和压缩状态的变形带角属性选做边界条件,推导得到RR模型中的本构参数,最后预测得到其他应力状态的变形带角,与Dunham白云岩真三轴实验数据进行比较,发现中主应力对岩石强度、变形率以及变形带角都有影响;变形带角在最小压应力值固定的情况下,随着平均应力的增加而增加,随着最小压应力的增加而减小,与认为中主应力对岩石强度以及变形没有影响的摩尔库伦条件预测结果不同.     

岩石损伤模量分析

从能量的角度出发定义损伤变量,通过应力-应变曲线卸载段有效应力与总应力之间的假定关系,确定损伤模量的计算方法。在单轴和三轴条件下,对岩石损伤相关参数进行统计研究,重点对损伤模量进行计算和对比分析。结果表明,单轴及低围压下损伤模量基本呈逐渐减小的趋势,而随着围压的增大,损伤模量呈先减小后保持动态稳定的趋势。损伤变量的计算充分考虑到围压的影响,可进一步增进对岩石损伤的认识。     

True Triaxial Stresses and the Brittle Fracture of Rock

This paper reviews the efforts made in the last 100 years to characterize the effect of the intermediate principal stress σ ₂ on brittle fracture of rocks, and on their strength criteria. The most common theories of failure in geomechanics, such as those of Coulomb, and Mohr, disregard σ ₂ and are typically based on triaxial testing of cylindrical rock samples subjected to equal minimum and intermediate principal stresses (σ ₃=σ ₂). However, as early as 1915 Böker conducted conventional triaxial extension tests (σ ₁=σ ₂) on the same Carrara marble tested earlier in conventional triaxial compression by von Kármán that showed a different strength behavior. Efforts to incorporate the effect of σ ₂ on rock strength continued in the second half of the last century through the work of Nadai, Drucker and Prager, Murrell, Handin, Wiebols and Cook, and others. In 1971 Mogi designed a high-capacity true triaxial testing machine, and was the first to obtain complete true triaxial strength criteria for several rocks based on experimental data. Following his pioneering work, several other laboratories developed equipment and conducted true triaxial tests revealing the extent of σ ₂ effect on rock strength (e.g., Takahashi and Koide, Michelis, Smart, Wawersik). Testing equipment emulating Mogi's but considerably more compact was developed at the University of Wisconsin and used for true triaxial testing of some very strong crystalline rocks. Test results revealed three distinct compressive failure mechanisms, depending on loading mode and rock type: shear faulting resulting from extensile microcrack localization, multiple splitting along the σ ₁ axis, and nondilatant shear failure. The true triaxial strength criterion for the KTB amphibolite derived from such tests was used in conjunction with logged breakout dimensions to estimate the maximum horizontal in situ stress in the KTB ultra deep scientific hole.     

京、津、唐、张地区地震应力场的方向特征

根据1960年至1977年京、津、唐、张地区地震 P 波初动方向资料求出平均节面解, 给出判别结果可信度的曲线.推断本区构造应力场最大主压应力轴方向为北东65°—75°, 最小主压应力轴方向为北西15°—25°, 中等主应力轴基本直立, 应力场方向显现出均匀性和稳定性.估计地壳岩石的断层角不小于27°.推断引起本区地震的原因是受水平附加张力的作用.未发现唐山大震前平均节面解的显著改变.      

不同三轴应力条件下岩石电阻率变化的试验研究

作者试验研究了在不同三轴应力条件下,饱水砂岩的电阻率变化与施加应力的方式及应变积累速率的关系.试验方式为开始在一定的静水压力下,保持最小主应力（3）不变,考察了两种应力积累过程:1.以快速——慢速——最快速三种加载速率施加最大主应力（1）,中间主应力（2）称之谓 Ⅰ 型;2.以慢速——快速——恒压——最快速四种加载速率施加1、2称之谓Ⅱ型.两种应力过程的1、2,均加至破强度的80——90%后,再快速卸载至原静水压.同时,其应变速率控制在10-6——10-7/秒范围内.实验结果与某些大地震前后的一些地电变化的实测记录相吻合.从而揭示了地震前后视电阻率异常的阶段性变化特征,可能与地震在孕育过程中应变能的积累方式、应变速率、能量释放（地震活动）等因素相关联.为实测电阻率的前兆现象（地电异常）的理论解释提供了实验基础.      

热红外震兆成因的模拟实验研究

对完整岩石破裂前和既存断层粘滑失稳前的红外辐射温度场进行了遥感观测研究,发现岩石破裂前出未来断层处出现条带状的红外热像,粘滑失稳前断层闭锁点出现升温现象,声发射测量表明,岩石破裂前已有大量微破裂产生,地壳中的既存断层和大震前的微小破裂均可能为震前地壳中的热能转移提供通道,从而导致地面热外震兆的出现。     

强地震前兆异常特征与深部流体作用探讨

根据华北几次强震前后地下流体和重力异常特征,结合大地测深资料探讨了地震发生前后深部介质的变化和地壳浅层应力场变化特征。地震发生前震中区地下水位异常主要表现为下降型,气体异常呈上升型,重力和形变也出现异常;在外围地区地震前地下水位异常以上升型为主。 海城地震和大同–阳高地震前地下水位上升、下降异常有方向性分布的趋势,呈 X 形分布,这意味着地壳浅层应力场是压扭型的,并存在垂向应力的作用。在孕震过程中,地球深部流体向上运移,使得震源区及其附近的岩石膨胀、密度降低,震中区地壳浅层应力场呈拉张型,造成地下水储容积增大,地下水位出现了下降型异常。 在特定的构造单元内,地下流体、重力异常的空间分布特征能较好地反映地球深部物质运动和地壳浅层应力场特征。     

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