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典型断层组合及不同温压条件下岩石变形过程中的声发射活动特征

蒋海昆  
【摘要】:为系统研究断层组合形式及温压环境对岩石变形过程中微破裂时空演化特征的影响,本文主要开展了以下几方面的工作:(1) 在前人研究成果的基础上给出声发射定位的慢度离差模型;(2) 重点进行了四个大尺度标本的双轴压缩破裂实验,分别预置拉张和挤压型雁列式断层、共线不连通断层和含圆柱型障碍体的平直断层,后两者在概念上可模拟与地震孕育有关的“强闭锁区”和断层面上的障碍体或坚固体。共进行了一万六千余次微破裂事件的时、空、强定位和一万余次微破裂事件的破裂机制反演,据此重点讨论了不同典型断层组合条件下微破裂的时空演化、破裂扩展和破裂机制问题;(3) 在不同的温压条件下开展了39个高温高压实验(固体围压介质),重点研究不同温、压环境对AE时序特征的影响。三组实验的温、压条件分别是:室温(20℃)下围压从50MPa-850MPa改变、400MPa围压下温度从室温(20℃)-900℃改变、以及模拟地壳温压条件直至35km深度;(4) 基于实验结果及已有的研究成果,提出一个表征地震活动过程的简单物理概念模式,据此对部分地震学观测事实进行了初步的解释。 论文在以下几方面取得积极进展: 1、声发射定位方法的理论和数值试验研究 依据慢度离差模型的基本原理,给出一种仅依赖于初至到时的声发射定位及瞬时波速联合反演方法。通过数值试验对参数设置、探头数量及其与AE空间位置的关系、震相到时的噪声干扰等问题进行探讨,并对真实定位的误差分布给出统计上的圈定。数值试验结果表明:到时噪声小于测量时间单位的50%时,平均定位误差小于1.3,最大误差为5.0;97%以上的“AE”事件的定位误差小于物理不可分辨精度3mm。 该方法的最大特点在于可以不预先知道速度信息并且不需对速度结构进行均匀性假定,这对速度结构复杂并随时间(加载过程)变化的AE定位问题显得尤其重要。通过与标本破裂后表面宏观裂纹的对比分析,进一步证实了定位方法的正确性及较高的定位精度。 2、典型断层组合变形过程中声发射时空演化及破裂扩展 根据16通道AE波形记录结果,对一万六千余次AE事件进行了三维定位并确定其发生时间及能级大小。进而详细研究了四种典型断层组合变形过程中群体AE事件的时空动态演化过程,这不但丰富、深化了前人的认识,而且取得一些新的重要结论。与标本破裂后表面宏观裂纹相比较,完整地描述了变形过程中标本的动态破裂扩展图象。 2.1 从AE时序特征来看,破前随差应力的增加,不同断层组合标本AE活动均明显增强。雁列式断层和含障碍体的平直断层标本破裂前AE累积频次指数增长,而共线不连通断层标本则显示线性增长趋势。因而,AE累积频次指数或线性增长均是系统失稳前典型的微破裂前兆特征,其差异可能缘于构造组合形式的不同。相对于弹性变形阶段而言,雁列式断层标本破裂前的弱化阶段相对较长,而共线或平直断层标本则弹性变形时间较长,弱化阶段不甚明显。一般情况下峰值差应力对应最大的AER,而挤压型雁列式断层标本和含障碍体的平直断层标本在弱化阶段后期还显示破裂失稳前短时期内的相对平静现象。 2.2 从AE空间分布格局来看,预置构造对雁列式断层组合变形过程中AE空间分布格局具有较强的控制作用,破裂前局部化现象十分明显,前期的微破裂丛集图象指示并勾勒出后期宏观破裂的具体部位、扩展尺度及方向。雁列式断层组合AE主要分布于雁列区预置断层两个端点附近及其连线附近发生。结构不均匀性的影响随差应力增加逐渐显著,在变形的中后期较大事件通常集中于某一端点附近发生,拉张型雁列式断层雁列区最终破裂扩展与σ_1方向垂直,而挤压型雁列区最终破裂扩展方向则与σ_1方向平行。共线不连通断层破裂失稳前最


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