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《中国地震局地质研究所》 2003年
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几种构造型式变形破坏过程的实验研究

陈顺云  
【摘要】:大陆块体被不同活动构造带分割成不同尺度的块体,这些块体的运动控制着大陆内部的地震活动,强震活动的空间和时间分布明显与块体边界断层和块体的变形协调有着极为密切的关系。块体相交汇处往往形成X形、V形、Y形等构造型式,研究含有这些形状构造的块体将有着重要的现实意义。为此本文采用三种方法:实时全息术、焦散线法和声发射技术,主要开展了Y型、V型两种典型构造型式的实验研究,并进一步研究另外三种典型断层对声发射b值的影响。 全息干涉计量术研究中,在应力集中的预制裂纹尖端附近干涉条纹因为太过密集而无法判断条纹的级数。条纹级的判定一直是难题。焦散线法在实验力学中应用成熟,但最近才开始在地学实验中应用,而且焦散线法发展成熟于拉剪裂纹研究,应用于压剪其有效性得进一步分析。本文初步分析了焦散线法应用于压剪实验测量应力强度因子的有效性,并将二者结合,找到了一种判定实时全息干涉条纹级数的方法。实时全息条纹级数N_(o.J)为: N_(o,Ⅰ)=P_ⅠD~(5/2)γ~(-1/2)cos(θ/2) (1) N_(o,Ⅱ)=P_ⅡD~(5/2)γ~(-1/2)sin(θ/2) (2) N_(o,Ⅲ)=P_ⅢD~(3/2)γ~(1/2)sin(θ/2) (3) 其中,D为焦散线特征长度,N_(o.J)实时全息条纹级数,P_J为常数,J=Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ表示裂纹的类型,(r,θ)属于裂纹前缘坐标系。此三式也即为焦散线法和全息术的理论关系,这一结果有助于推动两种光学方法的综合应用。 在含Y型构造标本的实验研究中,干涉条纹密集有两类:一是发散型,由中心向外扩散;另一是汇聚型,由外向中心汇聚.前者中心为凸区,为“峰”;后者中心为凹区,为“谷”,它们的交界处称为“应变空区”(strain gap),对应于试件保持原状的区域,即“无应变区”。条纹级数为零。焦散阴影区属于高应变(力)区,可称为应变核,条纹级数最高。分析表明:应变空区几乎不发生微破裂,微破裂总是从高应变(力)区产生,且几乎就发生在应力集中区与应变空区相联的条带内,最终表现为微破裂(声发射)的带状性或成丛分布,主破裂总是从应变核(焦散阴影区)开始,然后向应变空区急剧发展,最终导制试样崩溃,然而发展时也并非向任意一个应变空区进行,而是向裂缝较近的应变空区迅猛扩展,形成主断裂。 在含V型构造标本中存在下列三种构造区:A区,断层交汇区;B区:左行左列岩桥区;C区,右行左列岩桥区。(1)微破裂定位表明,声发射有区域群发性,并有成群的迁移特征。微破裂从A区向B区迁移最后到C区。在迁移初期,声发射在原发生地与迁移地两处交替发生。用“累计频度—能级”关系对局部b值的分析显示:主破裂前,C区b值明显减小。(2)66%破裂应力之前,各测点应变随压力增加而增大,无突跳、波动等特殊变化。之后,随压力增加各点应变都增大的较多,A、B、C区先后所有测点应变出现突变一陡升和陡降。临近主破裂时更突出。(3)实时全息观测显示:随时间增加压力增大,条纹越来越密。压力再增加,条纹形状出现畸变。分析表明,各区应力场及主应力方向发生了变化但并不相同。95%破裂应力之后,随着临近主破裂,这种变化更明显,差异亦更明显。 借助于中国地震局地质研究所构造物理实验室开发的新实验系统取得的现有数据,进一步分析了三种标本——挤压型雁列断层(右型左阶)、拉张型雁列断层(左型左阶)和拐折断层—受压破坏过程的声发射b值特征。发现:(1)声发射b值总休体特征受构造影响明显。构造式发生变化时,b值整体特征也将随之发生变化。从挤压型雁列作用到拉张型雁裂 作用时,b值明显降低;从拉张型雁列作用向粘滑转变时,b值明显降低;从断层滑动到破 裂转变时b值明显升高。(2)b值还受载荷的调制,载荷似不能改变b值的整体特征,但对 局部特征有影响。不同的断层形态,b值受载荷的影响并不一样。 总体而言,本文的特点有:1.得到了焦散线法与实时全息术之间的理论关系,从而为 全息术条纹判读问题提供了一种方法。把两种光学方法的综合应用向前推进了一步。2.有机 玻璃标本上,利用焦散线法和实时全息术可以直观的观测到应变核和应变空区,破裂总是 从应变核(焦散阴影区)开始,然后向应变空区发展,最终导制试样崩溃.且应变空区几乎 不发生微破裂.这些有可能为地震观测提供一定的依据。3.声发射具有群发性,在不同性 质的构造区具有成群的迁移特征,每个区都能观测到干涉条纹的畸变、相应定点应变的突 跳。进一步补充的新系统的实验数据也表明,不同断层性质,声发射b值特征有明显的差 异。这些有可能为前兆研究提供参考。
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