遥感-岩石力学(I)——非连续组合断层破裂的热红外辐射规律及其构造地震前兆意义

以构造地震孕震机制之一即非连续组合断层破裂发震为模拟对象，利用双轴加载实验系统和红外热像仪，对雁列和同线非连通这两种非连续组合断层在双轴加载破裂失稳过程中的红外辐射特征进行了模拟实验研究。研究表明：双轴加载过程中岩石表面红外辐射温度的变化对应岩石应力变化，具有阶段性规律，包括初始、弹性、应力闭锁、解锁和屈服破裂5个阶段。自弹性阶段开始至解锁阶段，岩石表面的平均红外辐射温度(AIRT)的动态曲线表现为“上升-下降-再上升”的演变特征：而断层雁列区和非连通区在解锁阶段其热像出现高温异常条带，非连通区的高温异常条带还具有“增强-减弱(平静)-再增强”的演变特征。其地震前兆的时空意义为：(1)构造地震活动区卫星遥感AIRT的上升趋势可作为地震中期预警指标；(2)热像局部正异常条带预示未来震源位置；(3)AIRT下降与热像局部热异常条带的减弱(平静)一起，可作为构造地震的短临前兆。     

岩石加载过程中红外辐射温度场演化的定量分析方法

为探讨岩石加载过程表面红外辐射温度场演化的定量分析方法,引入分形、熵和统计学理论,提出用特征粗糙度、熵和方差作为指标定量描述岩石加载过程中红外辐射温度场的演化特征,并以含孔岩石试样加载过程热成像观测试验结果为例,对3种指标的定量刻画能力及特点进行对比分析。结果表明:(1)3种指标都能较好地定量刻画岩石加载过程中红外辐射温度场的演化与分异特征,在岩石加载过程中随着应力变化出现阶段性变化特征,在破坏前出现红外异常前兆,且效果均好于以往使用的指标AIRT;(2)3种指标有不同的特点,熵对于试样加载过程红外辐射的阶段性特征刻画较好,随应力增加各个阶段的红外辐射变化分界明显;而特征粗糙度和方差在临近岩石破裂时发生大幅度突然性升高,对于岩石破裂的红外前兆的识别更具优势。研究结果为岩石受力与灾变过程红外辐射的定量分析提供了新的方法。     

页岩变形过程中表面红外辐射演化规律探究

为探寻含裂隙岩体变形失稳过程中表面红外辐射演化规律,对沉积类岩石油页岩内部原生孔隙裂隙进行CT扫描定位,以单轴压缩过程中红外监测实验为例证,探究其表面红外辐射温度演化规律,并以表面辐射最高温度、平均温度及变异系数三个统计量为指标进行分析。结果表明:(1)不同于花岗岩、大理岩、砂岩等完整岩石单轴压缩过程中表面温度随应力增加表现为上升现象,含孔隙、裂隙岩石油页岩表面温度随应力增加则表现为下降;但临近试件发生破坏,二者均会产生温度陡然升高的现象;(2)平均温度与最高温度曲线具有共性特征,随载荷增加,二者表现出明显的阶段性,即快速下降阶段-缓慢下降阶段-快速上升阶段,且最高温度曲线临近破坏具有更高的敏感性;(3)变异系数曲线可以较好地反应试件表面辐射温度离散程度,随应力增加,首先表现为快速增长,随后进入相对稳定期,临近破坏时刻再次出现快速增长;稳定期后变异系数曲线的快速增长预示岩石破坏;(4)油页岩变形失稳过程中表面温度下降与其内部气体逸出及孔隙、裂隙坍塌破坏相关。原生裂隙在加载初期表现为温度降低,临近破坏时该区域则转变为升温区。该研究为预测沉积类岩体特别是含有天然裂隙岩体变形失稳过程中表面红外辐射变化规律提供了新的内容。     

遥感-岩石力学(III)——交汇断层粘滑的热红外辐射与声发射规律及其构造地震前兆意义

以构造地震孕震机制之三即交汇断层粘滑发震为模拟对象,利用双轴加载实验系统和红外热像仪对自然界经常出现的断层组合模式--不同交汇角度的组合断层的物理模型进行了室内加载实验,利用红外热像仪和声发射仪分别测定了加载过程中试样表面的红外辐射及断层活动的声发射时间序列.结果表明(1) 声发射及红外辐射的时间序列特征受加载过程中试样的力学行为所控制,并表现出阶段性变化特点;(2) 声发射与红外辐射特征与断层几何结构有密切关系,当主应力与主断层成45°角时,红外辐射异常区主要沿主断层发育;(3) 垂直交汇的断层与斜交断层的声发射及红外辐射特征有明显差异,交汇角度(1°～90°)越大,交汇点处的红外辐射异常越明显.     

节理岩桥裂纹扩展的热红外前兆信息研究

由于岩质边坡内部锁固段岩桥应力聚集较高,含节理的岩质边坡易发生突发性失稳。对含不同岩桥长度花岗岩试件开展单轴试验,采用红外热像仪全程监测,研究岩质边坡破裂前的热红外热像和温度变化特征,并借助声发射和高速摄像机分析裂纹开展源、裂纹扩展趋势、声发射特征及演变机制。研究表明:岩桥试件破裂前存在两种热红外前兆,未来破裂处热像异常前兆和热红外平均温度-时间曲线异常;热红外前兆出现时间提前于声发射前兆,随着岩桥长度的增加,热红外前兆提前性变得更为突出;下部预制节理裂隙尖端处的热像变化可以预测未来裂纹扩展方向,定位表面裂纹开展源头;利用断裂力学应变能密度因子理论,揭示了单轴应力状态下岩桥长度对起裂扩展的影响机制。热红外前兆相较于其他前兆形式更提前可靠,采用红外热像仪监测岩桥试件破裂前的变化特征,研究结果为节理岩质边坡的防治提供理论依据。     

考虑应变速率效应的煤岩能量演化和红外辐射特征分析研究

为了研究煤岩材料破坏的加载速率效应,利用岩石力学加载试验系统及红外辐射监测平台,开展不同等级速率的单轴压缩试验,并从破坏形态、力学性质、能量演化和红外辐射特征等角度进行分析。研究结果表明：随着应变速率增加,试样破坏形态由中、低速率下的剪切破坏向高应速下的全面剪胀失稳破坏转变;试样应变速率的对数与峰值强度呈正相关,可以采用二项式描述;应变速率与能量演化密切相关,存在塑性向脆性转变的临界速率;高应变速率试样0.75σ_c 时热像图上出现高温异常突变点,低应变速率试样0.98σ_c 时才出现高温异常区域;低应变速率试样最高温值出现在应力峰值前几秒,中、高应变速率试样最高温值与应力峰值几乎同时到达,临破裂前出现了“V”型异常转折现象。研究结果可以为岩石动力灾变预警提供参考。     

混凝土破裂与渗水过程的红外辐射特征

 对内含水体的混凝土试样进行单轴压缩加载,利用红外热像仪并辅以声发射仪,观测加载过程中试样的红外辐射与声发射变化特征,研究混凝土破裂与渗水的红外异常前兆。实验结果显示,随着应力的阶段性发展,试样表面的红外辐射呈现早期整体性均匀上升、中期局部高温异常、后期低温异常的主要特征,声发射相应出现早期微量增加、中期均匀增加、后期快速增加的特征。加载中、后期红外热像出现的局部辐射温度“先升后降”现象是混凝土破裂–渗水的重要红外异常前兆,其出现的时间要早于应力和声发射前兆。整个破裂与渗水过程中,高温区域包围低温区域的温度场分布是热像的主要特征。基于实验结果,分析试样红外辐射阶段性变化以及破裂、渗水异常前兆的机制,讨论应力、红外及声发射灾变前兆时间差异性的原因。实验结果对水库大坝以及其他储水混凝土工程破裂与渗水的遥感监测与灾变预警具有重要的意义。     

非连续断层破裂红外辐射与声发射、应力场的对比研究

应用RFPA^2D程序模拟雁列和共线非连通两种非连续断层的应力场和声发射场，并与相同条件下的热红外辐射成像试验进行对比，分析非连续断层的温度场与应力场及声发射场之间的关系。研究结果表明：数值试验的声发射与实际试验中的热红外辐射温度具有类似的时序变化阶段和空间演化特征。通过对热红外图像与应力场的比较以及对裂纹破裂模式的分析，讨论试件各裂纹表现出的红外辐射特征差异，以进一步了解非连续断层的破裂过程和破裂机制。     

断层冲击地压失稳瞬态过程的试验研究

 以白光数字散斑相关方法作为试验的观察手段,采用双轴加载方式对一种花岗闪长岩进行直剪摩擦滑动试验,通过搭建高速数据采集系统对断层冲击地压失稳瞬态过程进行研究,观测和分析冲击失稳过程中断层位移演化时间和空间的特征。试验结果表明：(1) 断层冲击地压发生与侧向压力量值有关,断层冲击地压发生需要满足一定的侧向应力条件,当侧向压力较小时,断层发生稳滑,不会发生冲击地压;(2) 随着侧向压力的增加,发生断层冲击的峰值应力增加,断层冲击地压发生时的应力降增加;(3) 冲击失稳过程中断层位移演化在时间上表现出间隔滑动特征,并且滑动间隔时间随着侧向压力的增加而增加,断层第一次失稳滑动的距离和滑动速度大于第二次滑动的距离和滑动速度;(4) 冲击失稳过程中断层位移演化在空间上表现出滑动的差异性特征,断层不同位置处的失稳滑动量值和滑动演化特征不同,表现出断层观测点的滑动量值随着与加载端的距离增加而增加的趋势。     

不同应力路径下岩桥试验的声发射特征研究

 岩质边坡中岩桥贯通是导致边坡失稳的重要因素,通过开展不同岩桥长度岩样的常规三轴加荷、三轴卸荷以及三轴加卸荷试验,研究在不同应力路径下岩桥贯通破坏过程中的声发射特征,以及围压和岩桥长度对声发射特征的影响。结果表明：岩石压密阶段与线弹性变形阶段声发射事件较少,塑性阶段声发射事件明显增多,破坏阶段声发射计数率、累计能量以及幅值均达到峰值。声发射特征的明显变化可为紧接的岩样破坏提供预警作用,幅值变化较其他指标更为敏感,因此幅值的监测对于各阶段演化以及破坏预警更有效。本试验中,岩桥试样达到峰值强度后不会立即跌落至残余强度,而是出现2次应力跌落,应力跌落均对应声发射特征达到峰值,2次应力跌落中会出现“平静期”或“峰后回升”现象,其声发射特征与塑性阶段相似,但幅值、计数率与累计能量均大于塑性变形阶段,表明在这一阶段岩样裂纹仍以较快速率扩展,最终导致岩桥贯通破坏。不同应力路径下累计能量由大到小依次为：三轴加卸荷、三轴卸荷和常规三轴。随着岩桥长度与围压的增加,声发射计数率峰值和累计能量逐步增长,破坏程度更加剧烈。     

多暗色矿物类岩石单轴加载过程中红外辐射定量研究

对首都圈地区的多暗色矿物类岩石(花岗闪长岩、辉长岩及片麻岩)进行了单轴加载至破裂过程的热红外遥感监测实验,发现:(1) 在加载至应力峰值过程中,岩石平均红外辐射温度与应力呈线性正相关关系;(2) 在加载至应力峰值过程中,岩石平均红外辐射温度与所受机械功呈三次曲线关系;(3) 应力峰后-破裂过程中,岩石沿剪切破裂带辐射温度升高,而在应力松弛或张性区,辐射温度有所降低;(4) 损伤岩石在单轴加载过程中红外辐射温度变化与完整岩石相比总体规律相似,但波动性较大。基于实验分析,建立了岩石应力与红外辐射温度以及机械能与红外辐射温度的定量关系;并对地震遥感及其热红外前兆的物理-力学机制进行了讨论。     

遥感-岩石力学(II)——断层双剪粘滑的热红外辐射规律及其构造地震前兆意义

以构造地震孕震机制之二即断层粘滑发震为模拟对象,利用双轴加载实验系统和红外热像仪,对4类断层组合条件下双剪粘滑过程中的红外辐射温度场的时空演变特征进行了模拟实验研究.研究表明断层表面温度场的时空演变不仅与应力水平有关,还与组成摩擦面的两侧岩性及其粗糙度有关.具体表现在(1) 应力集中和摩擦作用强的区域,其红外辐射较强;而应力松弛和摩擦作用弱的区域其红外辐射较弱.(2) 当两断层岩性及摩擦面条件对称时,红外热像呈双蝶翼形;当摩擦面粗糙,红外热像呈非对称、非均衡时空演变特征,如串珠状、针状、倒针状、条带状、单蝶翼形或其依次变化.卫星热红外遥感与差分干涉雷达(D-INSAR)技术相结合,并以活动断层预滑及其后续粘滑为监测重点,可望成为构造地震遥感监测和地震短临时-空-强预报的新途径.     

遥感-岩石力学(Ⅴ)——岩石粘滑过程中红外辐射的影响因素分析

利用双轴加载实验装置和热红外成像仪器对岩石剪切滑移过程中的红外辐射进行了成像实验。研究表明,摩擦速率、正应力、摩擦面粗糙度、岩石强度与矿物颗粒硬度是影响岩石粘滑过程红外辐射的重要因素(1)摩擦以等速率进行时,岩石摩擦裂隙表面平均红外辐射温度的时间曲线为直线型,局部最高温度的时间曲线为3次曲线型,而岩石表面平均红外辐射温度与所受机械功线性相关。当所受机械功相等时,摩擦速率越高,温升幅度越小;(2)红外辐射强度与正应力线性相关;(3)摩擦面粗糙度对平均红外辐射温度影响不大,但对局部最高辐射温度影响较大;(4)岩石强度或其矿物颗粒硬度越高,红外辐射温度就越高。     

遥感-岩石力学(IV)--岩石压剪破裂的热红外辐射规律及其地震前兆意义

完整岩体压剪破裂失稳是构造地震的另一种可能孕震机制。以此为模拟对象,采集中国首都圈地区的5种典型岩石,进行了岩石压剪破裂过程的红外辐射成像实验。研究发现:(1) 岩石压剪破裂过程存在热弹和摩擦热两种热-力耦合效应,且压剪作用越强,压剪破裂过程中红外辐射升温现象就越明显。(2) 压应变占优势时,岩石压剪破裂存在红外辐射异常破裂前兆。(3) 压剪破裂前兆有明显的“时空”特征,即:时间上,当载荷增加到约80%破坏应力时,沿剪切区域的平均红外辐射温度开始出现加速升温前兆,且压剪比越高,出现前兆的时间越早;空间上,破裂前沿剪切区域出现的高温异常条带具有前沿推进即“由一端向另一端迁移、扩展”的特点。本研究结果对地震、岩爆、矿爆、边坡滑移等自然与岩石工程灾害的遥感与预报具有重要的基础意义。     

冲击倾向性煤体破坏过程声热效应的试验研究

介绍自行设计的多系统、同步监测试验机构，并对冲击倾向性煤体分别进行单向加载和循环加载破坏试验。利用系统所具有的红外热像、声发射、应变等监测方式，分析两种加载条件下，冲击倾向性煤体破坏过程的声、热效应及破坏前的异常信息特征。对比研究不同监测方式下，冲击倾向性煤体中同一破坏事件的响应速度以及各自响应的灵敏度；获得冲击倾向性煤体的固有物理力学特性，并发现强冲击倾向性和非冲击倾向性煤体单轴压缩时的最终破坏前兆点分别为0．9和0．7个荷载强度比，也说明强冲击倾向性煤体的失稳破坏更突然、更难于预测。     

岩石撞击的热红外成像探测研究进展与方向

岩石撞击的热红外成像探测是遥感技术的一项新颖而颇具潜力的应用，亦是遥感-岩石力学交叉学科的重要研究内容。分析岩石撞击热红外成像探测的试验技术原理与特点，介绍前期试验探索成果及新近研究进展。主要包括：热红外技术用于固体撞击瞬态过程监测的试验探索、Hopkinson压杆撞击（包括不同角度、含水岩石靶元的撞击）、岩石与岩石之间的撞击、不同类型岩石的落球撞击、基于红外辐射特征的撞击参数反演研究以及矿山诱灾分析的应用基础研究。讨论岩石撞击辐射升温的物理机制，包括岩石破裂作用机制、岩石热弹效应以及岩石物理学机制。指出岩石撞击热红外成像探测的未来发展方向为辐射规律与物理机制、定量分析与遥感模型、谱段优选与实用技术。