（固体地球物理学专业论文）地震序列产生机制的数值模拟研究.pdf

摘要 本论文运用岩石破裂过程分析r f p a 2 d 系统，通过数值模拟研究了岩石介质宏 观非均匀性和微观非均匀性及断层障碍体模型中障碍体非均匀性对地震序列产生 机制的影响；通过7 5 年海城m s 7 3 和9 9 年岫岩m s 5 4 的前震序列与模拟结果相对 比，探讨了海城一岫岩地区地震序列产生的机制。 主要开展了以下三个方面的研究工作： 第一方面的工作是研究岩石介质宏观非均匀性对地震序列类型的影响。讨论了 岩石宏观非均匀性对岩石的宏观变形的非线性行为、强度和破裂模式的影响。 第二方面的工作是研究断层障碍体模型对地震序列类型的影响。讨论了障碍体 的均质度不同对地震序列类型及破坏过程的影响。 第三方面的工作是通过海城、蚰岩两次地震的前震序列与模拟结果相对比，推 测两次地震震源介质具有不同的均质度系数和不同的应力场加载速率。 关键词：地震序列数值模拟非均匀性障碍体海城地震岫岩地震 a b s t r a c t an u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d ，r f p a 2 du s e df o ra n a l y s i so fr o c kf a i l u r e p r o c e s s ，i sa p p l i e dt os t u d yt h ei n f l u e n c eo fm a c r o s c o p i ch e t e r o g e n e i t y ，m i c r o s c o p i c h e t e r o g e n e i t yi nt h em o d e lo fb l o c ka n db a r r i e rh e t e r o g e n e i t yi nt h em o d e lo ff a u l t c o n t a i n i n gb a r r i e ro ns e i s m i cs e q u e n c et y p e s c o m p a r i n gb o t hp r e c u r s o r ys e i s m i c s e q u e n c e so fh a i c h e n gm s 7 3e a r t h q u a k ei n1 9 7 5a n dx i u y a nm s 5 4e a r t h q u a k ei n 1 9 9 9t ot h er e s u l to fs i m u l a t i o n ，t h ep a p e rt r i e dt oe d u c et h ef a r t h e rc a u s eo fs e i s m i c s e q u e n c e s - t h em a i nr e s e a r c hw o r ki nt h i sp a p e ri sf o l l o w i n ga tt h r e er e s p e c t s f i r s t l y ，t h ei n f l u e n c eo fm a c r o s c o p i ch e t e r o g e n e i t yi nt h em o d e lo fb l o c kr o c k o ns e i s m i cs e q u e n c et y p e si ss t u d i e d t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fr o c kw i t h d i f f e r e n tk i n d so fm a c r o s c o p i ch e t e r o g e n e i t i e ss h o w st h a tt h en o n - l i n e a rb e h a v i o ro f r o c kd e f o r m a t i o na n dm a c r o s c o p i ci n t e n s i t ya sw e l la sf a i l u r em o d ea r eo b v i o u s l y a f f e c t e db yt h em a c r o s c o p i ch e t e r o g e n e i “e s s e c o n d l y ，t h ei n f l u e n c eo fb a r r i e rh e t e r o g e n e i t yi nf a u l t so ns e i s m i cs e q u e n c e t y p e si ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a tr o c kf a i l ur ew i t hd i f f e r e n th e t e r o g e n e i t i e sc a n p r o d u c ed i f f e r e n ts e i s m i cs e q u e n c et y p e sa n df a i l u r em o d e f i n a l l y ，c o m p a r i n gb o t hp r e c u r s o r ys e i s m i cs e q u e n c e so fh a i c h e n gm s 7 3 e a r t h q u a k ei n1 9 7 5a n dh a i c h e n gm s 7 3e a r t h q u a k ei n1 9 9 9t o t h er e s u l to f s i m u l a t i o n ，w ec a nd e d u c et h a tt o we a r t h q u a k e sh a v ed i f f e r e n th o m o g e n e i t yo f e p i c e n t e rr o c km e d i u ma n dl o a dv e l o c i t yo fs t r e s sf i e l d k e yw o r d s ：s eis m ics e q u e n c e ：n u m e ric a isi m uia ti o n ：h e t e r o g e n ei t y ；b a r rie r ； h aic h e n ge a r t h q u a k e ；h aic h e n ge a r t h q u a k e 第一章引言 笫一节地震序列产生机制的研究意义 地震的发生是由于很复杂的地质因素引起的，因而其表现形式也是很复杂的。 经过对地震长期观测研究发现，地震的发生在空间和时问上呈现明显的疏密变化， 具有丛集的特征。一个较强地震发生前后，在其附近就有发生更多地震的可能。通 常把一组在空问和时间上丛集发生的地震称为地震序列。由于同一序列的地震丛集 发生在个狭小的空间范围内，并在一个特定的时段内连续发生，其发震背景( 所 处的构造环境及震源介质特性) 必定极为相似，其发震机制应具有某种内在联系。 通过对地震序列的研究，可以帮助判断一次地震事件或者某次大地震发生以后地震 活动的发展趋势，提取地震孕育过程和震源区物理状态的某些性质，了解大小地震 前后出现次序之间的内在联系，包括影响它们的相关因素等。这有助于判断一次地 震或一组地震事件发生后发震区或相关区域未来地震活动发展趋势，从而有可能加 深对地震过程的了解，可以提高对地震发生发展规律的认识水平。地震能否预测的 问题，实际上与地壳介质的非均匀性有直接的关系。结构均匀与非均匀的介质中产 生破裂的过程是不一样的，均匀介质中破裂的产生是突然的，而在非均匀介质中， 在主破裂之前可以观测到前兆现象。因此，要了解地震的发生过程或破裂过程，就 必须研究非均匀材料介质破裂的发生方式。前震和前震序列是公认的重要地震前 兆，因此研究地震序列产生机制对地震预报有重要的意义。 第二节地震序列产生机制在国内外的研究现状 国内外地震学家对地震序列进行研究最早可以追溯到1 9 世纪末日本地震学家 大森房吉对余震次数随时问衰减的经验关系一大森公式的研究开始，经过一百多年 探索，特别是近二十年研究进展，地震序列研究取得了丰富成果。现阶段地震序列 机理研究主要包括三个方面：室内岩石破裂实验、数学一物理模拟和地震模型的研 究，它们都是通过引入许多物理过程及简化假设来研究地震序列产生机理。主要研 究内容有：弹性和粘弹性体在构造力作用下的应力应变过程、断层速率状态、成核 过程、岩石蠕变、断层性质和应力场不均匀性、流体迁移及孔隙变化等对地震序列 的影响。 实验研究主要有两方面内容：1 力图了解地壳物质在地下深部所呈现的形变和 破裂特性；2 通过破裂现象所共有的特性，来探索复杂地震现象的各种特性，力图 通过实验研究以求从物理上加以阐明，它的特点是实验条件已知、可控、可重复； 可以设置多种多样的应力条件，例如恒应力破裂实验、恒应力率破裂实验、恒应变 率实验、循环加载实验等，实验可假设与地下深部相同的温、压状态下进行形变和 破裂实验，尽可能使地壳和地震现象简单化。目前通过岩石破裂实验得出下列结果： 前震活动具有明显的地区性，最可能发生在地壳介质力学不均匀性或破碎程度大的 区域，均匀程度不同介质的岩石破裂声发射实验( m o g i ，1 9 6 3 ) ，表明地震序列类型 与地壳介质不均匀性有很大关系，平田隆幸( 1 9 9 0 ) 通过村田玄武岩应力恒定的岩 石单轴压缩破裂实验，得到声发射a e 的时间序列亦有前主余型、主余型和震群型三 种，如图1 2 1 。但岩石实验也还存一些问题，因岩石介质的脆性还是很难捕捉到 破坏的全过程，特别是失稳前的破坏过程。 1 l ：i ：n 熹爻 接 鲁这 娟 ( a ) j 二 ( b ) ，俐： 一主余型 均匀一前主余型 均匀一震群型 图1 2 1 实验声发射数目时序曲线示意图 目前对于产生各种地震序列的机理涉及介质、力学及几何模型的研究，其中有 流变学模型、粘弹介质裂纹扩展模型、流变一断裂模型、脆性一韧性模型、流体迁移 模型等纯震源过程力学抽象模型；还有障碍体模型、凹凸体模型、成核模型等几何 模型。关于介质差异涉及到地壳细结构方面的研究，近年来也产生了许多关于序列 特征的生成机制模型，介质的不均匀程度对序列的影响得到普遍认可，除介质差异 外，导致各类序列差异还与断层交汇、障碍体、闭锁区等预置构造有关，预置构造 的存在，决定了该区域成为应变集中及破坏易于发生的区域等，即地壳中介质及构 造的不均匀性同时决定了强地震的发生部位。因此上述不同的模型可以对应于符合 模型本身条件的特定地区的地震，在一定程度上反映地震序列时序特征和空间分布 特征。如随变形过程的发展，空间破裂局部化现象逐渐显著，微破裂时、空分布从 随机、散乱向有序、丛集演化，表现出的时序特征上随破坏的临近，会同时或先后 出现累积频次指数增长、应变释放加速、b 值降低、强度升级、短期平静等现象；空 问分布特征上会导致丛集、围空、交替活动等特征。 我国地震学家也早就关注并着手研究地震序列的成因问题及不同类型地震生 成机理的差异。提出地震序列类型与震源构造环境的不均匀程度存在密切关系，陈 运泰( 1 9 9 0 ) 张国民( 1 9 9 6 ) 、吴开统( 1 9 8 6 ) 等国内知名地震学家对地震序列发展的物理 过程也进行了深入探索，对地震序列的构造力学环境进行了研究。由于序列是一组 集中发生在狭小空间范围内的地震，它们有相近的构造条件，其发震机制也具有内 在联系。因此，根据序列的时、空图像、震源机制变化等可提取序列发生区域的活 动构造和应力场等方面的信息。 通过特定的地震序列生成机制模型，运用有限元方法进行数值模拟，分析地壳 构造应力场和构造变形场方面也得到了广泛的应用。如王仁等运用有限元方法反演 地壳应力场，并预测未来地震危险区。汪素云和陈培善运用有限元方法对我国及邻 区现代构造应力场进行了数值模拟计算，得到了我国构造应力场分布方向的整体图 像。除了运用有限元进行构造应力场的分析外，人们还利用有限元方法进行震源孕 育过程和前兆场的数值模拟分析。如张国民等利用有限元数值模拟的方法，研究了 短临前兆的复杂性。梁北援等对断层应力应变积累进行了数值模拟并计算了地震危 险区。梅世蓉等对唐山地震的孕震过程进行了模拟。陈修启和张国民对大同地震孕 震过程进行了数值模拟研究。然而，从总体上来看，有关地震孕育模式的研究，由 于处理岩石破坏问题的复杂性，很难对地质体从地震孕育、发生的全过程进行数值 模拟，更难以给出有关震源特征和孕震过程的时空分布图像，特别是由于地壳介质 的不均匀性和微破裂过程引起的非均匀应力场、应变场及微震活动性的时间与空间 分布规律。 焦明若等也提出了岩石介质细观非均匀性对地震序列类型及破坏方式的影响， 他是最先采用r f p a 2 d 系统进行地震序列的模拟工作，研究了岩石介质细观非均匀 性对宏观力学行为和微震序列类型的影响。通过对m = 1 1 ，1 5 ，2 0 ，3 0 ，5 0 五个 不同均质度样本进行破裂过程的模拟，发现均质度不同会产生不同地震序列类型， 主要有：前震主震一余震型、主震型和震群型。此外，对5 ) p 不同均质度系数的 岩石样本破裂过程的模拟表明，岩石介质的非均匀性不仅对岩样宏观强度和宏观变 形非线性行为有显著的影响，而且也显著地影响试样破裂模式。随着均质度系数的 提高，主破裂呈现脆断模式。同时介质的微观结构随机性，也对试样宏观破裂模式 产生重要影响。图1 2 2 是他们得出的岩石细观均质度不同的情况下的应力一应变 曲线。 c 廿 色 三 b m = 1 1 一埘= 1 5 m = n 一一口n # , i t u v ，糟：5 0 f , ； 么缓孑一，。三、国= 盈。 一- 二二j _ 、_ j 尸7 占( 0 0 0 1 ) 图1 2 2不同均质度情况下的应力一应变曲线( 摘自焦明若，唐春安，张国民，等。细观非均 匀性对岩石破裂过程和微震序列类型影响的数试验研究。地球物理学报，2 0 0 3 ，4 6 ) 从这些研究中给我们进一步研究介质非均匀性问题对地震序列的影响指引了 方向。但事实上对介质宏观结构非均匀性的研究应该更具有实际意义，因为实际自 然界的岩体几乎都由不同尺度的裂纹组成的，宏观裂纹造成介质非均匀性不同的情 况更接近于实际的地震地质环境：从目前地震的发生情况看，大多数地震都发生在 已有的断层上，断层障碍体的模型具有一定的普遍性，研究障碍体的均质度变化对 地震序列的影响就更进一步接近震源体实际情况，因此我们更观注宏观非均匀性和 断层障碍体非均匀性，试图在这两方面做进一步探讨。 第三节本论文研究内容及依据 本论文运用岩石破裂过程分析r f p a 2 d 系统，通过数值模拟研究了岩石介质宏 观非均匀性和微观非均匀性及断层障碍体模型中障碍体非均匀性对地震序列产生 机制的影响；通过障碍体模型对7 5 年海城m s 7 3 和9 9 年岫岩m s 5 4 的前震序列进 行数值模拟，与实际观测的序列相对比，探讨了该地区地震序列产生的机理及两个 地震序列及前兆异常差异性的产生原因。 主要开展了以下三个方面的研究工作： 第一方面的工作是研究岩石介质宏观非均匀性对地震序列类型的影响。讨论了 介质宏观非均匀性对岩石的宏观变形的非线性行为、强度和破裂模式的影响。 第二方面的工作是研究断层障碍体模型中障碍体均质度对地震序列类型及破坏 过程的影响。 第三方面的工作是通过研究海城、岫岩两次地震的构造背景及地质条件，选择 障碍体模型对两次地震的前震序列进行数值模拟，与实际观测的序列相对比，探讨 了该地区地震序列产生的机理及两个地震序列及前兆异常差异性的产生原因，推测 出两次地震地壳介质的均质度系数和应力场加载速率的相对大小。进一步解释两次 地震的前震序列、前兆异常和宏观异常在空间分布上产生共性和个性的成因，通过 与模拟结果的对比，推断出两次地震应力场、变形场和微震活动的时空分布，形象 地给出了变形的局部化、微破裂、主破裂等直观图像，进一步讨论有关地震序列、 前兆异常可能产生的应力条件。 本文利用岩石破裂过程分析系统r f p a 2 d ，该系统是一个能模拟岩石介质逐步 破坏过程的数值模拟工具。它显著特点之一是在微观统计力学的基础上充分考虑地 质体材料的非均匀性，采用w e i b u l l 分布描述微元体力学性质( 如弹性模量、强度、 泊松比等) 的非均匀性，通过单元的弱化来模拟材料变形破坏的非连续性，是一种 运用连续介质力学方法解决非连续介质力学问题的新型数值分析方法，具有应力分 析和破坏分析两大功能。r f p a 2 u 的应力分析采用有限元法，破坏分析则是根据一 定的强度破坏准则来检验材料中是否有单元破坏，本文的强度准则采用修正后的库 仑准则。在加载过程中，由于单元的破坏是脆性的，因此将单元破坏释放的弹性能 看成是声发射所释放的能量。考虑到岩石的声发射( 微震) 是介质微破裂的产物， 根据声发射率与损伤具有一致性的假设，可以通过统计破坏单元数和释放的能量来 研究声发射的时空发展规律。 利用数值模拟方法，可以克服实验研究费用高、受实验条件、人力、物力和财 力的限制的缺点，不仅具有通用性强、方便灵活、以及可重复性等特点，而且可以 得到许多在常规实验室试验中难以观测的重要信息。本文通过数值模拟对地震序列 机理的研究结论与实验室结果有很好的对应关系，进一步证明了前述关于地震序列 类型与地壳介质及构造环境不均匀性的密切关系，与地震实例进行对照，为研究震 源区介质和应力条件提供依据。 第二章数值模拟软件一r f p a 2 d 系统 第一节r f p a 2 d 方法基本原理及工作程序 r f p a 2 d 是一个以弹性力学为应力分析工具、以弹性损伤理论及其修正后的 c o u l o m b 破坏准则为介质变形和破坏分析模块的岩石破裂过程分析系统。其基本思 路是：( 1 ) 岩石介质模型离散化成由微观基元组成的数值模型，岩石介质在微观上 是各向同性的弹一脆性介质。( 2 ) 假定离散化后的微观基元的力学性质服从w e i b u l l 统计分布规律，由此建立微观与宏观介质力学性能的联系。( 3 ) 按弹性力学中的基 元线弹性应力、应变求解方法，分析模型的应力、应变状态。r f p a 2 d 利用线弹性 有限元方法作为应力计算器。( 4 ) 引入适当的基元破坏准则( 相变准则) 和损伤规 律，基元的相变临界点用修正的c o u l o m b 准则。( 5 ) 基元的力学性质随演化的发展 9 是不可逆的。( 6 ) 基元相变前后均为线弹性体。( 7 ) 岩石介质中的裂纹扩展是一个 准静态过程，忽略因快速扩展引起的惯性力的影响。 r f p a 2 d 的工作程序由三部分工作完成：( 1 ) 实体建模和网格剖分。用户选择基 元类型，定义介质的力学性质，进行实体建模及网格剖分；( 2 ) 应力、应变分析。 依据用户输入的边界条件和加载控制参数，以及输入的基元性质数据，形成刚度矩 阵，求解并输出有限元分析结果；( 3 ) 基元相变分析。运用相变准则对应力计算器 产生的结果进行相变判断，然后对相变基元进行弱化处理，最后形成迭代计算刚度 矩阵所需数据文件。在整个工作流程中，对于每一步给定的位移增量，首先进行应 力计算，然后根据相变准则来检查模型中是否有相变基元。如果没有，继续加载增 加一个位移增量，进行下一步应力计算。如果有相变基根据基元的应力状态进行刚 度弱化处理，然后重新进行当前步的应力计算，直至没有新的相变基元出现。重复 上述过程，直至达到所施加的荷载、变形或整个介质产生宏观破裂。在系统执行过 程中，对每一步应力、应变计算采用全量加载，计算步之间是相互独立的。 第二节岩石介质非均匀的统计理论描述 从微观的角度来说，构成岩石的每一个微元体可以认为是均匀的、连续的介质， 但是这些微元体之问的力学性质可能有较大差别，微元体间表现出很大的离散性， 这种力学性质的离散性可以用物理统计的方法来描述，进而岩石材料的复杂构成特 性就可以通过弹性力学来解决了。方法采用- y w e i b u l l 分布来描述微元体的力学属 性的离散性，即： 荆= 丢斟” 口ol 口o 在这里a 代表材料微元体力学性质( 强度、弹性模量、泊松比和容质等) ，q 。代表 微元体力学性质平均值，m 定义了分布函数的形状，其物理意义反映了岩石材料的 均质性，函( a ) 是岩石具有某一力学性质a 的微元体概率密度。式( 1 ) 反映了某 种非均匀材料构成组分的分布情况。随着形状系数i l l 的增加，微元体的力学属性将 集中于一个狭窄的范围之内，这时材料只有极少数的低强度或低弹性模量的微元体 存在；而低形状系数m 值的材料则不然，微元体力学性质分布范围很宽，而且微元 的力学性质参数值也比较低。由此可见，岩石微元体力学性质分布函数中的常数m 反映了岩石材料内部结构的均质度，可以将其定义为均质度系数，m 越大，岩石越 均质；反之，则越不均质。图2 2 1 显示了不同均质度系数材料的强度或弹性模量 的分布图( u 代表强度或弹性模量等力学性质参数) 。 西刚 u 图2 2 1 具有不同均质度系数材料微元体力学性质分布形式 第三节岩石本构关系的微观统计损伤模型 岩石的本构关系在一维情况下可以用岩石的应力一应变全过程曲线来描述。基 元是构成模型介质特征的最小单元，分为基质基元、空气基元、接触基元三种，基 元在一定的应变条件下，将由一种突然转化为另一种，这时其力学性能全然改观， 称之为相变，其临界条件即为相变点。 一b l f i 仃= e c e 1 t z ) 上式为基元强度分布为w e i b u l l 分布时岩石单轴受压的应力一应变关系，亦即 岩石的本构方式程。对应图2 2 1 ，图2 3 1 是按照式( 2 ) 得到的不同均匀性系数m 条 件下的岩石应力一应变曲线。综合整个曲线的发展规律，可以看出，随着均质度系数 m 的增加，岩石的强度和峰值强度及其对应的应变量均有不同程度的提高。此外， 均质度系数对岩石变形的非线性行为起到决定性的作用，降低均质度，岩石变形的 非线性行为明显增强，而且达到峰值应力后期曲线表现出弱化( 软化) 行为，残余强 度的降低也是渐进的；反之，变形的线性增强，变形后期表现出显著的脆性和极低 的残余强度。 由上述结果可见，岩石的非均匀性是导致非线性行为的一个重要方面，是破裂 问题研究中必须考虑的重要因素之一。 f 图2 3 1岩石介质应力一应变关系随均匀度系数变化图 岩石破裂过程分析r f p a 2 d 系统的基本思想是： ( 1 ) 引入基元力学参数的统计分布规律，以反映岩石材料的非均匀性o ， ( 2 ) 通过相变基元的参数弱化或退化，模拟材料破裂的非连续性； ( 3 ) 相变基元的力学性质不可逆； ( 4 ) 基元相变前后均为线弹性体。 r f p a 2 d 包括两个方面的功能：应力分析和破坏分析。r f p a 2 d 的应力分析采用 有限元法进行。破坏分析则是根据一定的破坏准则来检查材料中是否有单元破坏。 对破坏单元则采用刚度特性退化( 处理分离) 和刚度重建( 处理接触) 的办法进行 处理。为了模拟试验加载情况，采用位移加载方式。对于每一步给定的位移增量， 首先进行应力计算。然后根据破坏准则来检查模型中是否有破坏单元。如果没有， 继续增加一个位移增量，进行下一步应力计算。如果有破坏单元，根据单元的拉或 剪破坏状态进行刚度退化处理。然后重新进行当前步的应力计算。重复上述过程， 直至整个材料产生宏观破坏。由于单元的破坏是脆性，因此将单元破坏释放的弹性 能看成是声发射所释放的能量。到目前为止，对于如何选择破坏准则，还没有一个 统一的认识。考虑到岩石类脆性材料的抗拉强度远小于抗压强度，因此本文采用了 修正后的库仑( c o u i c m b ) 准则( 包含拉伸截断) 作为基元相变临界点，见图2 3 2 。 其中c o 代表基元的i 类相变阀值，t 0 代表基元i i 类相变阀值。其数学表达式如下： 旷篝罴啦狐1 一篇万1 0 c ，o - i口一一高赢盯，仃c 一丁二丽万l 或 、 0 3 - - o - t , o - 1 钮i1 + s i n 0 爿 式中仃。( 仃。= c 。) 为i 类相变阀值，o - ，( 仃，= 矗) 为i i 类相变阀值。0 为摩擦角。 其中d r 。= 五h i ，旯为压拉比。同时需要注意的是：c 伽l o m b 准则是摩擦准则，在这 个准则中正应力必须满足o - 0 的关系，才满足其物理假设。所以只有 啦水。弧 1 - 篇i 1 时，( 见图2 3 2 ) ，c o u l o m b ：准贝1 才真正有效。而当仃i 仃。时，c o u l o m b 准则的物理 假设不再被满足，而是满足单轴拉伸准则。：芷r f p a 2 d 系统的各组成模块中，基元 相变分析是进行破裂过程分析的基础。 o ： 。一。 、 t o 图2 3 2o 一o 。平面内修正莫尔一库伦破坏准则一岩石单轴抗压强度示意图 o 。一岩石单轴抗压强度o 。一岩石单轴抗拉强度 第四节r f p a 2 d 方法研究岩石声发射规律的基本思路 r f p a 2 d 方法根据统计微观损伤力学和岩石声发射的基本原理，在解析简单模 拟岩石声发射规律的基础上，提出了用有限元方法研究岩石声发射规律的基本思 路。 在载荷和环境因素作用下，岩石内部积累的应变能超过了岩石强度后，一部分 应变能将以弹性波的形式释放出来，这就是声发射现象。对这种应力波进行观测和 分析就是声发射技术，声发射技术是用来诊断材料内部状态和力学特征的一种声学 方法。因此，在外载荷和环境作用下岩石破裂过程中内部结构状态的变化就可以通 过应力波的变化规律反映出来。声发射技术通过接收岩石在结构发生破裂时的声波 了解发声地点的具体情况，这样就可以在时间和空间上分析岩石破裂过程中各阶段 的力学行为同结构变化之间的关系，了解缺陷目前的状态，还能了解缺陷的形成历 史和发展趋势，探索主破裂发生的前兆信息和破裂后的演化规律。因为岩石的声发 射测量是通过有限的局部测量点获得周围大范围介质的体信息，克服了应力和变形 测量中只能通过传感器获得介质中局部点信息的缺点，为预测岩体结构的破坏提供 了更加丰富的信息。 由于岩石内部弹性波的释放同岩石内部微裂纹的产生( 损伤) 是直接相关的， 因此，可以预料，岩石的声发射与岩石的损伤参量、本构关系等之间存在内在的必 然联系。作为一种直观的估计，如果暂时不考虑各自的发射频率和能量的大小，假 定每一个岩石基元的破裂对声发射均有一份贡献，那自然可以得到结论：在单位体 积内岩石的损伤比率与岩石的声发射之问存在着正比的关系。基于这种思想，提出 了声发射累积量与损伤具有一致性的假设： n o c d 其中，n 是岩石的声发射，d 是岩石损伤参量。并进一步在理论上推导了一维条 件下岩石本构关系同声发射累积量之间的联系。在这个基础上，同时研究了不同加 载条件和均质度下的声发射特征，得到了三种地震中的基本模式：( 1 ) 主震型；( 2 ) 前震一主震一余震型；( 3 ) 群震型。这一结论与m o g i ( 1 9 8 5 ) 的试验结果完全一致。 依据上式，d 是单位体积或面积中存在微缺陷的数量，因此，声发射比率应同 岩石破裂的面积成正比。在r f p a 2 d 系统中，一个基元的状态是非“好”即“坏”。 一个基元发生相变之后，可认为出现一个微裂纹，这样无论发生相变基元尺寸如何， 均代表一条微裂纹，这时的声发射数量只能是1 个。如采用非均匀网格剖分，尺寸 不同的基元发生相变后产生的声发射数量将没有可比性，因为不同面积基元上发生 的相变数量都是一样的，显然这是不符合实际情况的。基于这样的考虑，在r f p a 2 d 中，采用了均匀剖分网格。 第三章岩石介质宏观非均匀性对地震序列类型和破坏方式的影响 第一节引言 岩石是经历了漫长的地质构造作用由多种矿物晶粒、胶结物及孔隙组成的复杂 的混合体，除了存在裂纹、裂沟、断裂面、节理和断层等缺陷，也存在孔隙和孔穴 等缺陷组成的非常不均匀的介质，在外载荷作用下，岩石内部缺陷的扩展及相互作 用决定了岩石的宏观变形和破坏的性质。过去已有的工作多集中在均匀介质假设基 础上研究岩石的局部破坏，而很少关注或涉及岩石自身的宏观非均匀性( 如岩石介 质含不同程度裂纹问题) 所引起的应力不均匀性和由此导致的变形局部破坏问题。 导致岩石的不稳定主要原因之一就是因为岩石发生了破坏，岩石无论发生剪切的局 部破坏还是整体破坏，其造成破坏的根源，就是岩石材料中包含有各种尺度不同的 缺陷。这些缺陷不论大小、尺度都能使材料的强度降低，从而导致材料弱化。 地震预报问题实际上也是与地壳介质的非均匀性有直接的关系。结构均匀与非 均匀的介质中产生破裂的过程是很不一样的。在中国大陆上有前震和前震序列的地 震占有一定的比例。据不完全统计，我国m s 5 5 的浅源地震，震前3 0 天内，在震 中区范围内，出现前震的概率为4 0 。我国1 9 7 5 年海城和1 9 9 9 年岫岩地震的成功 预报，主要是依据震前发生的前震序列。因此对前震序列进行深入研究，对强震的 预测预报具有重要的意义，同时也引起了地震学家对地震序列机理研究的兴趣。 本章运用岩石破裂过程分析r f p a 2 d 系统，研究了岩石介质宏观非均匀性( 含 裂纹) 对宏观力学行为和微震序列类型的影响。通过对5 种不同岩石介质结构的宏 观非均匀性样本进行破裂过程的数值模拟，发现非均匀程度不同会产生不同地震序 列类型，主要有：前震一主震一余震型、主震型和震群型。结果表明，岩石介质结构 的宏观非均匀性不仅对岩样宏观强度和宏观变形非线性行为有显著的影响，而且也 显著地影响试样破裂模式。随着非均匀程度的降低，主破裂呈现脆断模式，而随着 非均匀程度的增加而呈现韧性破坏特征。 第二节模拟计算的数学模型 本文采用5 种具有不同非均匀程度即含多裂纹的岩样，研究非均匀性对破裂过 程的影响，方案见表3 1 。其中m 为均质度系数；裂纹越多，非均匀程度越高，均 质度越低；e o ，o o 、u o 分别代表了材料的弹模、强度、泊松比的平均值。本文采 用单轴受压的平面应变模型。岩样的尺寸为2 6 0 m m x1 3 0 m m ，划分为2 6 0 1 3 0 个基 元。整个加载过程采用位移控制的加载方式。每步加载位移量s = 0 0 0 2 m e 。加载 总步数依具体方案而定。模型中基元的拉、压强度比为1 l o ，内摩擦角为3 0 。 模型示意图见表3 1 ，模型基本力学性质参数见表3 2 。 1 6 表3 1 不同非均匀程度模型一览表 测试5 种不同 麒 蒸 麓 鬻 非均匀程度含 多裂纹的模型 对地震序列类 型和破坏方式 的影响 鬻 样本号s 一1s 一2$ - 3$ - 4s - 5 非均匀程度 1 氐 n i l , , - 间 表3 2 含裂纹模型基本力学性质参数表 第三节 计算结果与分析 1 岩石宏观非均匀性对应力一应变曲线的影响 图3 3 1 为5 种具有不同宏观非均匀程度岩样的应力一应变曲线。数值模拟结 j s 一2 - - 一s 一3 p “ i 2 “i “s 一4 s 一5 磊 5 瓤j 乞蹿爨帆。= 一 图3 3 1 不同非均匀程度岩样的应力一应变曲线 果清楚地表明，应力一应变关系和强度特征强烈地依赖于岩样的宏观非均匀程度。在 单轴加载情况下，越不均匀的岩样峰值载荷前非线性越明显，载荷峰值后的曲线越 平缓，而越均匀的岩样的载荷峰值后的曲线则越陡直。此外，岩样的最大强度也与 岩样的非均匀度有关，岩样的非均匀程度越低，则其强度越高。结果应力一应变曲 线则变得更加线性，峰值强度后立刻出现失稳破坏，应力降也大，显示出明显的脆 性破坏特征，而宏观非均匀程度高的岩石介质破坏时应力降一般相对较小，并呈现 韧性破坏特征。 2 岩石宏观非均匀性对微震序列类型的影响 图3 3 2 为声发射一应变曲线。模拟结果表明，随着宏观非均匀性的减弱，宏 观破裂前变形的线性增强，非线性及声发射出现得较晚，声发射的数量较少；而随 着宏观非均匀程度的增加，由于岩样的变形非线性现象明显增强，与此相对应的声 发射数也较多，在主破裂发生前，声发射持续产生，主破裂发生后仍然有声发射产 生，而主破裂之前产生的声发射显然对预测主破裂的发生有某种指示意义。较均匀 材料在达到峰值强度后立刻出现失稳破坏，破坏前、后的声发射极少( s 一1 和s 一2 ) ， 表现出极强的脆性破坏特性。同时也可以看到，介质由极不均匀到非常均匀，其主 破裂时的地震强度从弱到强，前兆显示度则由强到弱。因此，均匀与不均匀介质达 到破裂的过程是明显不同的。非均匀程度由高到低，则分别产生了震群型( s 一5 ) 、 前震主震余震型( s - 3 和s 4 ) 和主震型( s - 1 和s - 2 ) ，这与m o g i 对4 种不同均 质度岩石进行破裂实验的结果是一致的。反过来，我们也可以根据微震序列类型推 断出地壳介质的力学不均匀性程度( 破碎程度) 。越来越多资料表明了地震序列类 型具有明显的地区性特征，地震序列中的前震对预测主震有着重要意义，如果能将 前震与震群型地震区别开来，也就是说有效地识别前震，无疑将大大推进地震预测 的实用化进程。 1 8 “拉q j ，扶m 一 囡：。1 0 0 匐 兰 l j j l 一霉 回 “ij 回 “- 。l 。 图3 3 2 不同均质度情况下所产生的声发射微震序 3 岩石宏观非均匀性对破坏空问分布的影响 图3 3 3 给出了4 个含多裂纹试样破坏过程的模拟结果及含裂纹试样破坏过程 的剪应力分布图。可以看到，应力场明显地受岩石宏观非均匀性的影响。当非均匀 程度很高时，由于岩石强度较低，裂纹开始扩展的时间则较早( 试样s - 5 ) 。反之， 当岩石非均匀性很低时，裂纹开始扩展的时问则较晚。然而，由于裂纹扩展、贯通 并最终导致岩石宏观破坏的时间顺序却不一定随着非均匀程度的增加或减小而发 生正变变化。如s 一2 试样虽然强度高于试样s 一3 和试样s 一4 ，但宏观破坏的时间则 较早。此外，在单轴加载条件下，裂纹扩展的形态和贯通的模式以及最后的破坏方 式有显著的差异。如s - 2 试样破坏是沿对角线方向；s - 3 试样破坏则是沿压应力方 向发生劈裂破坏；s 一4 试样破坏则是侧向与底部的贯通导致的破坏；s 一5 试样与s 一4 类似。原因很简单，就是因为多裂纹间产生了复杂的相互作用，并导致岩石内部应 力场的不均匀分布，而出现了局部应力集中的结果。同时，预置裂纹的原始分布状 况和裂纹分布密度也是重要影响因素。那么，由于在岩石试样内产生了复杂的应力 场分布和局部应力集中，结果使得有些裂纹较活跃，有的则被抑制。最明显的是试 样s 一4 、s - 5 上部预制裂纹几乎没有扩展。 对非均匀性的研究，对研究地震前兆具有重要的意义。如对中等均匀的地壳介 质所在地区的地震序列类型进行仔细分析，就有可能准确判定前震，从而预测主震 的发生。这一点对于地震预报问题的研究是极其重要的。当然，造成不同地震序列 类型的物理机制可能还有许多其他因素，但介质的非均匀性是一个重要的因素之 o s t e p l s t e p l 4 0 3 5 6 9 5 4 s t e p 13 04 6 2 0 7 0 6 8 1 5 0 1 5 0 1 5 0 谬群蕊漫算m“臻蔼震襞 s t e p l 2 54 57 01 5 0 图3 3 3 四个不同含多裂纹试样破坏过程的应力分布图 第四章断层障碍体模型中障碍体的均质度对地震序列类型和破坏方 式的影响 第一节引言 本章运用岩石破裂过程分析r f p a2 。系统，研究了断层上含非均匀性障碍体对地 震序列类型的影响。d a s a n d a k i 在1 9 7 7 年提出了断层面上的障碍体强度与构造应力 大小的关系决定断层破裂的方式。当构造应力相对很高时，断裂穿过障碍体，障碍 体完全破裂则可能前、余震较少( 弧立型) ；当障碍体强度相对很高时，破裂将绕过 障碍体，从而不发生主震( 震群型) ；当构造应力与障碍体强度相当时，破裂开始时 障碍体没破，但随着应力在破裂过程中向障碍体的集中，最终造成障碍体的破裂， 这种情形相应于一个完整的前一主一余序列的产生。由于障碍体可使应力高度集中， 障碍体区域有可能成为强震危险区，本章通过设定障碍体的均质度系数，研究障碍 体的均质度差异对地震序列的影响，模型图见图4 1 1 。 位移加载 位移加载 o ：口 图4 1 1地震障碍体模型图 本章设定断层障碍体均质度系数i l l ：1 1 ，1 5 ，6 o 的3 个样本进行破裂过程的模 拟，发现均质度不同会产生不同地震序列类型，主要有：前震一主震一余震型、主 震型和震群型。此外，对3 种不同均质度的障碍体的岩石样本破裂过程的模拟表明， 岩石介质的非均匀性不仅对岩样宏观强度和宏观变形非线性行为有显著的影响，且 也显著地影响试样破裂模式。 第二节模拟计算的数学模型 本模型中单元划分为2 0 0 2 6 0 ，试样尺寸断层面两盘为l o o m m 2 0 0 r a m ，障碍体 为2 0 m i n x5 0 r a m ，障碍体的均质度m 分别取1 1 、1 5 、6 0 。模型的基本力学性质参数 见表4 1 ，表4 2 为试样弹性模量的分布图，其中单元的亮度代表了弹模的大小。为 了更真实地模拟地壳内部的远场应力与位移，试验采用单轴位移加载平面应变模 型，每步加载0 0 0 0 5 m m ，垂直向定常加载0 ：= 2m p a 。 表4 1模型基本力学性质参数表 表4 2不同障碍体均质度数值模型弹性模量分布图 不同 | | | | | | | | | | | | | | | | | | 一 均质 _ 鬣：翩乩螽菇变爨_ 匿；瘟沁血瑙辚霆爨 ；瓣一抽黑隧隔隔 度的 羹霉磬 数值 睡蠹! 澜 啊日孵。”嗡1 - 眨蔫 l眨渭 模型 l _ 均质度 m = 1 1m = i 5= 6 0 2 声发射频度曲线 从图4 3 2 声发射频度分布上可以明显看出，随着障碍体均质度系数m 的提高， 宏观破裂前变形线性增强，非线性及声发射出现得较晚，声发射的数量较少如 m = 6 0 ；而随着均匀质度系数的降低，由于岩样的变形非线性现象明显增强，与此 相对应的声发射数也较多，在主破裂发生前，声发射持续产生，主破裂发生后仍然 有声发射产生，! t l ：l m = 1 5 。主破裂之前产生的声发射显然对预测主破裂的发生有某 种指示意义。较均匀材料( m = 6 0 ) 在达到峰值度后立刻出现失稳破坏，破坏前、 后的声发射极少或几乎没有，表现出极强的脆性破坏特性。均质度由低到高，则分 别产生了震群型、前震一主震一余震型和主震型。模拟给出的微震序歹l j m ：1 5 为前 震一主震一余震型，m = 1 1 为群震型，m = 6 o n 主震型。 4 0 3 5 基3 0 。2 5 篓2 0 蠢1 5 靛1 0 5 0 ( a ) m = 1 1 】_ 矗b j ll 【山i 玉一- l l j 1 5 06 07 08 09 0 加载步 6 0 0 5 0 0 g4 0 0 赵 爨3 0 0 警2 0 0 ，工 1 0 0 o ( b ) i y i = i 5 i 一 一一- 一i i 山 ji i i h 4 05 06 07 0 加绒步 ( c ) m 2 6 0 ji 。i 。 0l o2 03 04 05 06 07 08 09 01 0 01 l o 1 2 0 1 3 0 加载步 图4 3 2 不同均质度情况下所产生的声发射微震序列随应变变化分布图 3 非均匀性对破坏过程的影响 本节给出了m = 1 1 、m = 1 5 和m = 6 0 的障碍体岩样破裂过程的模拟结果。从图 4 3 3 中可以看出，应力明显地受岩石非均匀性的影响。均质度系数越低，岩样主 破裂发生前破坏的基元数量越多，其分布则越表现出无序、随机的特点，主破裂产 生的宏观裂纹分支较多，且不集中，变形局部化呈离散性分布；均质度系数越高， 主破裂前的破坏基元数量越少，主破裂产生的宏观裂纹分支也越少，且都集中在某 个较狭窄区域内，变形局部化则集中在较特定的区域，破坏特征表现得更明显。此 的 加 o 。越爨墨越板 外，从图中也可以看出，均质度越低，岩样破坏越早，如m = 1 1 时在加载不久s t e p 3 0 开始产生微破裂，m = 1 5 n 是在s t e p 4 8 开始产生破坏。而均质度较高即m = 6 0 则是在 s t e p 9 8 开始产生破坏。均质度越高，则破坏开始出现时间较晚。同时，均质度越低， 破坏持续时间越长，表现出明显的塑性特征。而均质度高时，破坏持续时间短且突 然，表现出明显的性破坏特征。如m = 6 o 时试样在s t e p 9 8 - - 步中即发生完全破坏。 从声发射结果中也可以清楚地看到，均质度较低时m = 1 1 时岩样主破裂前的单元破 裂数量比较多，分布表现出无序性和随机性。主破裂产生的宏观裂纹分支相对较多， 也很不集中。随着均质度的提高，主破裂前声发射很少，前兆信息不明显，主破裂 突然发生，并且声发射集中在某一特定的区域。 由于断层面上障碍体的均质度不同，同样会产生不同的地震序列类型。障碍 体为极不均匀介质时( m = 1 1 ) ，会产生震群型地震序列；障碍体为较不均匀介质， 可产生前震主震一余震型；障碍体为非常均匀介质，则产生主震型地震序列。因此 可以推断震群型地震序列常发生在地壳介质非常不均匀的地区，而主震型地震序列 类型常发生在地壳介质完整性好的地区，前震一主震余震型地震序列常发生在地壳 介质介于上述两者之间的地区；此外，随着均质度的降低，岩石试样主破裂前的前兆 信息( 声发射a e ) 显著，而随着均质度的增加，主破裂前的前兆信息逐渐减少，甚至 没有前兆信息发生。 s t e p 2 0 s t e