不同围压条件下花岗岩变形破坏过程中的声发射时序特征

在室温、围压 50— 60 0MPa范围内 ,采用以Pb为围压介质的三轴实验装置 ,对花岗岩变形破坏过程中的声发射序列特征进行的研究表明 ,花岗岩强度随围压增加而增大 .低围压下 ,样品破坏时系统不失稳 ,破裂前后声发射稀少且时间分布较为随机 .随围压的增高 ,样品破坏时系统失稳 ,随后出现粘滑 ;声发射出现时间随围压增加而提前 .以破坏时应力降发生时间为界 ,一个显著的特征是破前声发射累积数随时间指数增长 ,增长速率随围压增加而加快 ;而破后各粘滑段的声发射累积数随时间却呈线性增长 .声发射b值随围压增加有减小的趋势 .声发射序列时间结构的 f(α) α谱研究表明 ,其多分形性质主要决定于时间密集特征 ,标度指数α的分布范围随围压增加有减小的趋势 .粘滑过程中 ,应力降幅度、应力降释放率及粘滑事件时间间隔均随围压增加而增大。     

不同围压条件下花岗变形破坏过程中的声发射时序特征

在室温、围压５０－６００ＭＰａ范围内,采用以Ｐｂ为转压介质的三轴实验装置,对花岗岩变形破坏过程中的声发射序列特征进行的研究表明,花岗岩强度随围压增加而增大。低围压下,样品破坏时系统不失稳,破裂前后声发射稀少且时间分布较为随机。随围压的增高,样品破坏时系统失稳,随后出现粘滑;声发射出现时间随围压增加而提前。以破坏时应力降发生时间为界,一个显著的特征是破前声发射累积数随时间指数增长,增长速率随围压增加     

粘滑过程中的多点错动

最近十多年来,通过高密度宽频带台网对许多地震的观测发现,一些大地震并非只由一个震源引起,在地震的瞬间可能有多个震源存在.例如汶川地震就曾经被拆解为多个顺序发生的次级地震.那么在实验室尺度上的粘滑事件可能存在类似于天然大地震的多震源或多点位错现象吗?本文从声发射和应变场两方面来分析粘滑过程中震源多点错动的现象,包括对粘滑事件的定位,近场声发射波的初动方位空间分布,应变场形态,快速滑动应变波振荡频率和失稳瞬间的应变增量初动方位空间分布等.     

粘滑过程中的多点错动

在实验室利用分布式多通道瞬态信号采集系统,从近场条件下研究了岩石粘滑过程中沿断层的声发射信号的初动到时和初动方向空间分布,并结合瞬态高频应变记录系统观测沿断层的应变分布特征,对粘滑过程中的震源错动行为进行了研究。实验在双轴伺服加载系统上进行。分析表明,一次突发应力降对应的瞬时震源滑动过程是由多次更短暂的微小错动组成的,每次短小错动都产生自己的声发射事件,并依次对应不同的应变值快速改变。而每一次的微小错动也可能不止一个位错点,而是对应空间上多个启动点,从振动波初动信号的空间分布形式与沿断层应变场不均匀分布中可以找到证据。近场条件下观测到的粘滑过程多点错动现象对于理解震源过程的复杂性,解释现场地震震源不确定性与震源机制解的高矛盾比现象提供了可能的依据。     

应力扰动对断层摩擦声发射活动影响的实验研究

利用中尺度岩石摩擦实验开展了应力扰动对断层摩擦滑动过程中声发射活动影响的实验研究,据此讨论同震应力变化引起的小震活动特征及其预测意义.实验结果表明方波状应力扰动对粘滑失稳前的声发射活动有明显影响,即触发了一些声发射事件,使得粘滑发生前声发射活动增强并使出现的时间提前.这种影响随平均正应力的提高和扰动振幅的增大而增强,其...     

地震重复间隔及震时位移与无震位移比值的实验研究

了解地区地震重复间隔对地震区划与地震预报均十分重要。鉴于在自然条件下研究地震重复间隔的艰巨性,本文利用实验方法探讨影响粘滑事件重复时间间隔的因素。实验表明,粘滑事件在一定条件下具有准周期性。岩性、围压和应变速率不同,事件的周期不同。高围压下周期长。应变速率对粘滑事件周期的影响较复杂,在100MPa围压下,位移速率变化,每次事件的位移量不变。在300 MPa围压下,由于位移速率减慢,每次事件的位移量增大。 定义一个事件过程中震时位移量和无震位移量之和为全过程总位移量,并且定义α为震时位移量与总位移量之比值。实验表明,每次粘滑事件中存在无震位移量。微密岩石的α值比疏松岩石的大;同种岩石高围压下α值比低围压下小;断面上随着粘滑次数增多,α值变大。α值的变化范围为0.1—0.5。     

固体围压下完整花岗岩粘滑现象的实验研究

本文用完整的花岗岩样品在固体围压三轴实验装置上压缩,研究围压和应变速率对岩样变形破裂过程、粘滑应力降、粘滑复发间隔及样品主破裂几何分布的影响。结果表明,加载速率较低时,粘滑应力降较大,复发间隔较长且分布无规律。加载速率越大,粘滑应力降越小,复发间隔也近似相等,粘滑事件表现出准周期性。围压和应变率较低时,岩石的主破裂会演变成两个交叉的共轭断裂面;而围压和应变率较高时,岩石的主破裂则演变成单一断裂面或入字形断裂面。本文结果对认识中国大陆板内地震孕育、发生及重复过程;研究地震重复发生的机制及影响地震复发间隔的主要因素都有重要意义。     

声发射序列研究的进展

天然地震实际上是地球介质的一种声发射现象。本文首先讲述了研究声发射序列的意义;尔后重点介绍了其研究现状,内容包括:声发射的时间序列特征、振幅一频度关系、时空分布和震源机制、谱特征及分维概念的引进;最后指出了利用声发射序列进行岩体破坏预测的问题。     

循环加载下岩石破裂过程中声发射b值变化特征及意义

1 研究背景 声发射是指岩石在受力过程中发生变形和破裂,其应变能释放所监测到的一种物理现象,而b值是表征地震震级—频度关系的参数,研究人员发现,b值具有非线性特征,且与岩石破裂过程密切相关.因此,利用岩石试件变形破坏过程中产生的声发射事件模拟地震,进而研究不同加载条件下岩石变形破坏过程中的声发射b值变化特征,可用于监测岩石受力破坏过程中内部预存微裂隙的活动状态,有助于揭示岩石损伤机理及岩石的破坏程度,也可作为岩石失稳预警参数,捕捉地震发生的前兆信息.     

不同温压条件下声发射应变能释放特征——加速模型参数物理含义的初步讨论

利用不同温、压条件下的花岗岩变形实验数据,研究声发射（AE）事件应变释放特征,探讨加速模型参数m值与温压环境的关系.常温条件下,声发射应变显示一定的加速释放特征,但m值随围压增加未显示出趋势性的变化,表明常温条件下m值与岩石强度关系不密切.围压固定时,m值随温度升高逐渐变大,声发射应变从加速释放逐渐过渡到匀速释放,这意味着不同温度条件下岩石变形过程中内部微破裂形式的差异,可能导致应变释放类型的较大差异（即m值的较大差异）.在浅表地层的温压条件下,岩石破坏前显示一定的加速释放特征,m小于1;在渐进式破坏区段,应变释放呈逐渐减弱的减速释放态势,m明显大于1;在深部温压条件下,应变释放加速特征明显,m值明显较低.此外,完整岩样破裂前声发射应变加速释放特征显著,而宏观剪裂面的黏滑之前,声发射应变基本上匀速释放.     

拐折断层黏滑过程的实验研究

采用位移、应变和声发射等测量手段,研究了预置5°拐折断层的房山花岗岩样品的黏滑过程,分析了不同加载速率下5°拐折断层失稳的黏滑特征及相关物理场的演化过程。实验结果表明: 1)5°拐折断层的黏滑周期与加载速率在数值上呈负对数相关关系; 2)在不同的加载速率下,大多数的5°拐折断层失稳是双震事件, 2次子事件的间隔时间大多在100～200ms之间; 3)采用不同的观测手段,即使采样速率一致,其临震响应也存在差异性,如断层失稳前沿断层的应变测量结果呈现明显的应变弱化,断层位移则未见明显的变化; 4)断层黏滑过程中的声发射事件呈现明显的沿断层迁移的特征。认识强震的发生机理和余震特征需要进一步研究断层失稳过程的动力学信息。     

Experimental Study on the Stick-slip Phenomenon of Intact Granite under Solid Confining Pressure

In this paper,compression tests of intact granite samples have been made in a triaxial testing machine with solid confining pressure.From the tests,the influences of confining pressure and loading rate(axial strain rate)on the deformation and fracture process of rock samples,on the stress drop and recurrence interval of stick-slip events,and on the geometric distribution of the main fracture have been studied.The experimental results show that the loading rate influences the stress drop and recurrence interval of stick-slip events greatly.At lower loading rates,the stress drop of stick-slip events is greater,their recurrence interval is longer and shows no regularity in distribution.When the loading rate goes higher,the stress drop will become smaller and the recurrence interval will tend to be constant and stick-slip events show a quasi-periodicity.At lower confining pressures and strain rates,the main fracture may evolve into 2 X-shaped conjugate shear faults; whereas at higher confining pressures and     

雁列式断层组合变形过程中的声发射活动特征

着重研究拉张或挤压型雁列式断层标本变形过程中声发射(简称AE，下同)的时空演化特征. 结果表明，预置构造对AE空间分布格局具有较强的控制作用，随着差应力的增加，AE首先在两个端点附近丛集，之后向两端点连线附近集中，出现明显的破裂局部化现象，较大事件还通常集中于某一端点附近反复发生. 前期微破裂丛集图象指示后期宏观破裂的扩展方向及扩展范围. 拉张和挤压型雁列区宏观破裂方向分别与轴向应力方向垂直和平行. 雁列式断层标本变形过程中，破裂前的弱化阶段相对较长、弱化过程明显. 微破裂事件累积频次指数增长可能是系统失稳前的典型征兆之一，而雁列区宏观破裂之后，AE数量逐渐减少、应变释放相对减弱. 摩擦滑动过程中，大的粘滑失稳前未见有AE活动前兆性的增强过程.雁列区的b值变化在失稳前显示趋势性降低——快速回升这一典型的变化过程，b值降低一般发生在差应力增强过程之中，并有可能延续至弱化阶段，而快速回升则一般发生在破裂失稳前的短时期内. 对比研究表明，构造差异所导致的b值差异远大于b值随差应力的增加而产生的变化量，而对同一构造标本，力学状态的改变会导致AE序列时序特征的急剧变化，较高的加载速率对应较高的应变能释放及明显的低b值. 先期破碎带由于较低的破坏强度，其对差应力的微小变化具有特殊敏感性，从而成为源、兆分离、窗口或敏感点效应等地震活动性前兆现象的一种可能的原因.      

Spatio-temporal characteristics of acoustic emission during the deformation of rock samples with compressional and extensional en-echelon faults

Introduction By the experimental techniques of acoustic emission (AE) and surface strain observation, a lot of achievements on the study of deformation and fracture process of samples with en-echelon faults has been obtained (Bomblakis, 1973; LIU, et al, 1986; DU, et al, 1989; LI, et al, 1989; ZHANG, FANG, 1989; ZHANG, LI, 1989; MA, et al, 1995a, b; LI, et al, 2000). However, there still exist many problems. For example, most of discussion on the spatio-temporal evolution of microf…     

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,...     

Comparison of seismic effects during deep tunnel excavation with different methods

The rapid release of strain energy is an important phenomenon leading to seismic events or rock failures during the excavation of deep rock.Through theoretical analysis of strain energy adjustment during blasting and mechanical excavation,and the interpretation of measured seismicity in the Jin-Ping Ⅱ Hydropower Station in China,this paper describes the characteristics of energy partition and induced seismicity corresponding to different energy release rates.The theoretical analysis indicates that part of the strain energy will be drastically released accompanied by violent crushing and fragmentation of rock under blast load,and this process will result in seismic events in addition to blasting vibration.The intensity of the seismicity induced by transient strain energy release highly depends on the unloading rate of in-situ stress.For mechanical excavation,the strain energy,which is mainly dissipated in the deformation of surrounding rock,releases smoothly,and almost no seismic events are produced in this gradual process.Field test reveals that the seismic energy transformed from the rock strain energy under high stress condition is roughly equal to that coming from explosive energy,and the two kinds of vibrations superimpose together to form the total blasting excavation-induced seismicity.In addition,the most intense seismicity is induced by the cut blasting delay; this delay contributes 50% of the total seismic energy released in a blast event.For mechanical excavation,the seismic energy of induced vibration(mainly the low intensity acoustic emission events or mechanical loading impacts),which accounts only for 1.5‰ of that caused by in-situ stress transient releasing,can be ignored in assessing the dynamic response of surrounding rock.     

Characteristics of the AE Distribution and Triggering Mechanism of a Simulated Meter-Scale Fault after Stick-Slip Events

With the more complete acoustic emission (AE) catalog improved by the multi-channel AE matched-filter technique (MFT), we study the spatiotemporal evolution of the AE activities after laboratory stick-slip events incorporate with the slip data recorded by displacement transducers on an ~1.5 m granite fault. The results show that the number of the AE events identified by MFT is about 9 times larger than that of the traditional method. A logarithmic expansion of early AE events along the fault strike is observed as a function of time, whereas the fault does not slip in the same manner. Thus, we related the expansion of the early AE events along the fault to the stress transfer caused by the adjacent AE events. Moreover, there is a good correlation between the cumulative number of the later AE events and the amount of fault slip. It suggests that the stress change caused by the continuous slip of the simulated fault after the stick-slip events response for the later AE events near or on the simulated fault.     

不同结构岩石标本声发射b值和频谱的时间扫描及其物理意义

对几种不同结构的岩石标本在变形过程中声发射b值和频谱随时间的变化特征进行了对比研究 ,其中包括完整花岗岩标本、含有天然愈合节理的花岗岩标本、含有拉张型和挤压型雁列式断层以及平直断层的标本等。研究表明 ,声发射b值和频谱的特征不仅会受标本结构的影响 ,而且在同一标本的不同变形阶段也可能表现出不同的特征 ,其机制与变形方式以破裂为主或以摩擦为主有关。当变形以破裂为主时 ,声发射b值和频谱在失稳前会出现明显的下降 ;当变形以摩擦为主时 ,声发射b值和频谱在失稳前变化相对较小 ,且上升或下降均可能出现。实验结果意味着b值和频谱特征作为失稳前兆 ,在不同的构造环境下可能会有不同的特征 ,而强震孕震区内不同断裂构造的存在会造成前兆时空分布的非均匀性     

亚失稳准动态及同震过程变形场时空演化特征 ——实验与分析

断层亚失稳模型指出,在临震亚失稳阶段中各种物理量存在规律性的时空演化特征,控制这些物理参数变化的根本原因是震源的力学过程。为深入观测和分析该过程,文中介绍了一套自主研发的64通道、16位分辨率、4MHz采样频率、可并行连续采集的超动态变形场观测系统(UltraHi DAM),首次实现了在4MHz频率下对应变信号和声发射信号的同步采集。依托该系统对断层失稳变形的全过程,特别是失稳前几s到若干μs的瞬态变形过程,即亚失稳准动态阶段进行了精细、深入的观测,解析了相关的震源力学问题,获得以下认识:1)伴随断层局部卸载而出现的应变局部化加速是进入亚失稳准静态阶段的近场判据;2)亚失稳准动态阶段的应变场特征(应变调整)表现为以应变逐点的逐次加速和往复传递;3)准动态过程中每个子阶段都存在短暂的准备期,其可能有助于临震预测;4)一次断层失稳事件(实验室地震)可以伴随发生多次震源应变高频震荡以及对应的多次声发射事件。