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。     

遥感-岩石力学(Ⅷ)--论岩石破裂的热红外前兆

岩石破裂存在多种前兆，它是岩石力学和岩石工程中的一项重要研究内容。在总结多年遥感一岩石力学基础实验研究的基础上，对岩石破裂的热红外前兆进行了系统总结与分析，包括：前兆表现形式及其类型、前兆的时间及空间特征、前兆的机理等。研究表明：(1)岩石破裂的热红外前兆有平均红外幅射温度．时间曲线异常和热像异常2种形式，分别反映前兆的时空特征；(2)热像异常分为高温条带和低温条带两种类型，平均红外幅射温度．时间曲线异常分为降温、升温加速和降温转升3种类型：(3)前兆出现在岩石载荷峰前δ=(0．77～0．87)δp的应力区间内，与微破裂带的形成密切相关：(4)高围压和压性强的剪性破裂出现前兆的几率要大于低围压和压性弱的剪性破裂，而随着破裂向纯剪过渡，前兆出现的几率降低，且前兆发生的时间越接近岩石破裂时刻：(5)岩石破裂热红外前兆机理是岩石热弹和摩擦热效应的综合。     

遥感-岩石力学(VIII)——论岩石破裂的热红外前兆

岩石破裂存在多种前兆,它是岩石力学和岩石工程中的一项重要研究内容。在总结多年遥感-岩石力学基础实验研究的基础上,对岩石破裂的热红外前兆进行了系统总结与分析,包括:前兆表现形式及其类型、前兆的时间及空间特征、前兆的机理等。研究表明:(1) 岩石破裂的热红外前兆有平均红外幅射温度-时间曲线异常和热像异常2种形式,分别反映前兆的时空特征;(2) 热像异常分为高温条带和低温条带两种类型,平均红外幅射温度-时间曲线异常分为降温、升温加速和降温转升3种类型;(3) 前兆出现在岩石载荷峰前s = (0.77～0.87)sp 的应力区间内,与微破裂带的形成密切相关;(4) 高围压和压性强的剪性破裂出现前兆的几率要大于低围压和压性弱的剪性破裂,而随着破裂向纯剪过渡,前兆出现的几率降低,且前兆发生的时间越接近岩石破裂时刻;(5) 岩石破裂热红外前兆机理是岩石热弹和摩擦热效应的综合。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

岩石剪切破坏过程的RFPA2D数值模拟

运用岩石破裂与失稳过程分析RFPA^2D系统，对岩石剪切破裂过程进行了数值模拟研究。将剪切岩石视为非均匀弹－脆岩石材料，模拟结果再现了岩石剪切滑动形成从变形到破坏直至失稳的全过程，剪断面是滑动形成的主要形式，并首先在试样一端出现，然后再形成由一端及里的剪断面扩展直至另一端最后产生剪断面破坏贯通，形成统一的滑动面，岩石剪切破裂面分形维数还对应着剪断面的粗糙程度和力学行为。     

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。     

瓦斯与应力作用下煤体红外辐射响应研究

为探索瓦斯与应力作用下煤体红外辐射响应特征，利用自主研发的含瓦斯煤岩破裂温度变化检测实验系统，以平煤十一矿煤样作为研究对象，分析其在不同瓦斯压力下力学性质和红外辐射特性，并对差分最高辐射温度ΔT_MIR、累计差分温度ΣΔT_MIR、热像演化等在不同瓦斯压力下的时变特性进行对比分析。结果表明：随着瓦斯压力的增大，试样破坏形态从单斜面剪切破坏向剪张性失稳破坏转变，破坏发展明显增强；试样的峰值抗压强度、弹性模量随着瓦斯压力的增大而降低，峰值应变表现为先增加后快速降低；不同瓦斯压力下，试样整体上表现出增温趋势，低瓦斯压力(0～0.4 MPa)条件下临破裂前出现升温前兆，而高瓦斯压力(0.6,0.8 MPa)则表现为降温前兆；试样加载过程中出现低温异常条带和高温异常区域，且与宏观裂纹走向及位置一致；并揭示了瓦斯影响下煤岩红外辐射的响应机制：热弹效应、摩擦热效应、瓦斯膨胀吸热效应及吸附瓦斯解吸吸热效应，不同加载阶段热效应的影响程度不同。研究结果解释了煤岩瓦斯动力灾害温度异常变化的原因，明确了不同瓦斯压力下的红外预警前兆特征，可以根据矿井瓦斯压力的大小有针对性...     

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。     

含缺陷花岗岩破坏过程中的红外热像试验研究

在实验室通过红外热像仪对7块含相同预制单裂纹缺陷的花岗岩板状试样单轴压缩载荷下破裂过程的红外热像进行了试验研究(其中有一块试样中途折断,没有取得红外热像特征)。试验结果表明:试件加载过程中,微破裂越强,其红外辐射也就越强;在主破裂时,试件在局部破坏区域会产生高温条带的红外热像特征。试件受压过程中的红外温度异常表现为3种类型:(1)先降温,临破裂升温;(2)温度交替升降,破裂前升温;(3)缓慢升温,破裂前快速升温。同一种岩石,其破坏时的红外辐射表现不一定相同。     

遥感一岩石力学（VII）——岩石低速撞击的热红外遥感成像实验研究

利用热红外遥感成像技术进行岩石低速撞击瞬间的遥感监测，分别进行了以大理岩为主的不同岩性的垂直撞击实验、不同角度的倾斜撞击实验以及不同表面条件(潮湿度)的垂直撞击实验。发现：(1)岩石垂直撞击时，均存在一临界速度，不同岩性岩石的临界速度值有所差异，以大理岩为例，其临界速度约为15m/s；(2)辐射特征与撞击因子相关，大理岩在临界速度以内垂直撞击时，热红外辐射通量增量与弹体动能线性相关，热红外辐射温度增量与撞击速度二次相关；(3)不同角度撞击时，热红外辐射特征各不相同，其辐射强度基本上都比相同速度下垂直撞击时强，且在45^。角入射时达到峰值；(4)潮湿与干燥火理岩在垂直撞击时具有不同的热红外辐射特征，且其变化趋势与速度相关。     

岩石破裂过程中红外温度场瞬时变化异常探究

 为探寻岩石破裂失稳过程中红外温度场的突变异常,在提出“红外温变场(ITVF)”概念的基础上,以高温水浸透粉砂岩加载过程的红外监测试验为例证,对岩石破裂失稳过程中红外温度场的瞬时变化特征进行深入探究,结果表明：(1) 饱水粉砂岩破裂失稳过程中ITVF的特征参数(极差R、峰度K、突变比率MR)存在陡增的突变异常;(2) 3指标异常主要集中于峰后破裂阶段,趋于在压力降显现时刻伴随出现,出现频率在 88.8 % 以上;(3) 异常原因在于当变形进入塑性–峰后破裂阶段,试件表面破裂加剧发育引起红外温度场突变,一方面使得红外温变速率大幅度向极大或极小值方向迁移,导致R值出现突增异常;另一方面使得ITVF异常值的数量突然增加,引起K,MR发生陡增异常;(4) 在延性岩石破裂过程中ITF突变的异常现象具有一定的普遍性。该研究为探寻岩石灾变的红外异常前兆提供了新思路和新方法,对岩石灾变的红外预警技术的推广应用具有理论指导意义。     

岩石真三轴加载破坏的热–声前兆信息链初探

硬脆性岩石的突发性失稳往往会带来灾难性的后果,因而研究硬脆性岩石突发性失稳破坏的前兆信息是十分有意义的。为此对红砂岩试样开展不同中间主应力条件下的真三轴加载试验,结合红外热像技术研究岩石破裂的热红外热像演化和温度变化特征,并借助声发射和高速摄像技术分析岩石真三轴加载下的裂纹扩展源、裂纹扩展趋势、声发射特征及破裂演化机制,提出基于热红外的非接触式岩石破裂前兆预警指标,可在岩石因破裂而导致的温度异常变化前对岩石的破坏做出预警。研究表明:岩石破裂前存在四类前兆信息,依次为热红外温度前兆、声发射前兆、热像异常前兆及岩石宏观裂纹前兆。热红外温度前兆和声发射前兆出现时间相对较早,能优先从时间上预警岩石的破坏,热像异常前兆和宏观裂纹前兆的出现时间则较晚,也距离试件破坏较近,热像异常能指示岩石未来潜在的破裂区域。从岩石的内部、外部、时间和空间上初步建立硬脆性岩石的热–声前兆信息链,研究成果可为岩石突发性失稳破坏的分析和防治提供有益参考。     

遥感-岩石力学(Ⅶ)--岩石低速撞击的热红外遥感成像实验研究

利用热红外遥感成像技术进行岩石低速撞击瞬间的遥感监测,分别进行了以大理岩为主的不同岩性的垂直撞击实验、不同角度的倾斜撞击实验以及不同表面条件(潮湿度)的垂直撞击实验.发现(1)岩石垂直撞击时,均存在一临界速度,不同岩性岩石的临界速度值有所差异,以大理岩为例,其临界速度约为15 m/s ;(2)辐射特征与撞击因子相关,大理岩在临界速度以内垂直撞击时,热红外辐射通量增量与弹体动能线性相关,热红外辐射温度增量与撞击速度二次相关;(3)不同角度撞击时,热红外辐射特征各不相同,其辐射强度基本上都比相同速度下垂直撞击时强,且在45.角入射时达到峰值;(4)潮湿与干燥大理岩在垂直撞击时具有不同的热红外辐射特征,且其变化趋势与速度相关.     

岩石压剪断裂核与板块内部地震

 在中国大陆内部发生的地震属于地球板块内部地震。它的发震机制是在应力作用下,原有断层裂面端部形成特殊形状的岩石破碎区--岩石压剪断裂核而导致断层扩展。该模式已被单江震源地质遗存所证实,且理论、试验、遗存一致,微观、宏观相符。通过试验研究,取得岩石压剪强度、岩石破碎后的扩容与膨胀应力、压剪断裂判据、压剪断裂试验过程中闭合裂缝面应力向缝端转移及断裂前闭合裂缝面出现开位等系列结果。根据岩石压剪断裂核模式分析,压剪断裂核内岩石破碎先于地震发生,衍生热红外等诸多现象,在临震前显现异动。因此,板内地震的发生具有可预测性。     

遥感-岩石力学(VII)——岩石低速撞击的热红外遥感成像实验研究

利用热红外遥感成像技术进行岩石低速撞击瞬间的遥感监测,分别进行了以大理岩为主的不同岩性的垂直撞击实验、不同角度的倾斜撞击实验以及不同表面条件(潮湿度)的垂直撞击实验。发现(1)岩石垂直撞击时,均存在一临界速度,不同岩性岩石的临界速度值有所差异,以大理岩为例,其临界速度约为15m/s;(2)辐射特征与撞击因子相关,大理岩在临界速度以内垂直撞击时,热红外辐射通量增量与弹体动能线性相关,热红外辐射温度增量与撞击速度二次相关;(3)不同角度撞击时,热红外辐射特征各不相同,其辐射强度基本上都比相同速度下垂直撞击时强,且在45°角入射时达到峰值;(4)潮湿与干燥大理岩在垂直撞击时具有不同的热红外辐射特征,且其变化趋势与速度相关。     

拐折非连通断层加载失稳的热辐射演化特征

 为研究构造活动及其失稳过程的红外异常特征,选择拐折非连通断层作为模拟对象,利用单轴加载试验系统和红外热像仪,对模型受力及失稳过程的热辐射时空演化特征进行试验研究。结果表明：(1) 随着应力的增高及阶段性变化,热像首先在下部断层出现1个高温异常点,强度逐渐增强,临近失稳前在岩桥端部又出现2个高温异常点,并具有交替出现的特征,最终演化为一热条带,继而断层连通失稳。“三点高温”和“交替演化”的红外辐射异常特征,与断层预滑、岩桥区应力集中及迁移有因果关系;(2) 岩桥区的平均红外辐射温度(AIRT)在断层活动过程中呈现3个阶段的变化特征,表现为低应力阶段的基本不变或变化很小、中间应力阶段的缓慢上升和临失稳阶段的加速上升。AIRT短暂降温之后的加速上升是断层破裂失稳的重要前兆;(3) 断层周围不同区域的AIRT变化特征不同,与不同区域应力性质差异存在密切关系。应力、应变、红外辐射等多参数的对地集成观测是未来构造活动及其灾变分析的关键。