围压条件下花岗岩声发射特征的实验研究

围压条件下花岗岩声发射特征的实验研究

1声发射事件与声发射事件的时序关系岩石圈的平均源地震源深度主要分布在受花岗岩和闪长岩等发育曲线控制的岩石圈高强度区域。在实验室模拟真实温度和压力环境，监测岩石圈内微破裂形成的声音传播（ae）事件的时空发展特征。这是研究岩石条件性质及其破坏特征的有效方法。根据岩石裂隙过程的规模，这是了解地震源过程尤其是地震序列时间发展的意义。由于问题的复杂性,在研究温度和压力同时对岩石变形破坏过程产生的影响之前,首先研究单因素的影响是必要的.本文将在室温条件下,着重研究不同围压下花岗岩变形破坏过程中的声发射时序特性.2岩石破裂事件的ae信息失采实验在中国地震局构造物理开放实验室高温高压三轴实验系统上进行.轴压伺服控制,围压人工控制.压力值的设定已考虑了固体围压介质的摩擦影响.加压途径是:轴、围压先以静水压的比例平稳缓慢地加载到预定的围压水平,再围压恒定,待系统稳定之后轴压以2×10-4s-1的等应变速率继续加载.实验用样品为北京居庸关花岗岩,矿物组分为:钾长石10%—15%,斜长石45%—50%,石英30%—35%,黑云母5%,平均粒度为0.8mm.样品为圆柱体,高20±0.2mm,直径10±0.2mm.装样方式如图1所示,装样前样品在60℃的烘箱内长时间干燥.AE探头的频率响应为5MHz,采样时间间隔0.2μs,8位采样精度,每次触发采样2048点.用硅油将AE探头耦合于容器下底座上端面的固定位置,对AE信号进行间接记录.由于波存仪向计算机转储数据引起的“死时间”问题,Lockner、刘力强等曾分别进行过讨论.Lockner对比了数次破裂实验与理论模型结果,认为岩石破裂实验中检测到的AE数量不足所发生的微破裂数目为1%.其中既有频率响应的问题,亦有“死时间”的影响.不论如何看待Lockner的这一观点,至少有一点是肯定的,即由于“死时间”造成的信息失采是严重的.根据以往的研究结果,一般加载前期由于AE事件在时间上稀疏发生,AE之间的时间间隔始终大于“死时间”,此时无信息丢失;随差应力的增大,AE逐渐密集,部分相邻事件间时间间隔可能会小于系统“死时间”,此时将漏记部分事件“信息获得/丢失”比有所降低;当AE密集到一定程度之后(例如破裂的瞬间AE连续发生),将产生“死时间”的饱和现象,此时“信息获得/丢失”比将基本固定在某一数值范围之内不再有大的改变.因此,同一套AE记录系统的“信息获得/丢失”比并不是一个常数,随实验条件(岩石强度、围压、加载速率、采样长度、采样频率、通道数等)而改变;对同一次实验而言,又随实验的时间进程而改变.“死时间”长短,可进行具体的仪器标定,亦可给出本组实验中AE事件间最小的时间间隔,以之表征“死时间”的上限.本文采取第二种方式.统计表明,本组实验中AE间最小时间间隔为0.4174s(Htp36号实验,532.8541s及533.2715s分别记录到两次AE事件).因而对本组实验来说,“死时间”一定小于0.4174s.由于“死时间”的影响,与真实的微破裂序列相比,检测得到的AE序列有丢失,原则上只能称之为“准序列”.但为叙述方便,本文仍称其为“AE序列”.另外,由于观测系统8位测量精度的限制,使得波形的振幅分布最大只可能跨越2个数量级,因而大事件的强度限幅严重(图2、3、5).通常以波形最大振幅平方的对数或以所有振幅平方和的对数来标度AE强度.与地震记录不同,声发射记录的是加速度,从波形数据无法直接得出位移记录,并且许多大事件的记录限幅,因而对加速度记录进行积分会使取得的位移曲线产生畸变.还有另一种做法是直接定义AE能级正比于传感器输出电压平方和的对数.考虑到AE记录的物理含义,本文定义AE强度为ΜAE=lg[∫g(t)dt]‚积分对全波形进行.g(t)的定义与地动振幅标准差函数类似,即g(t)=√1Δt∫t+Δt/2t-Δt/2a2(t)dt,式中a(t)为AE波形t时刻附近一个极小时间区间[t-Δt/2,t+Δt/2]内加速度记录的平均值.g(t)给出表面运动强度随时间的变化,包含了持续时间的概念及振幅强度随时间变化的细节.在地震的强地面运动过程中,g(t)与强度包络线函数成正比.由于AE强度仅涉及本次实验结果之间的相互比较,因而上述自标度方式是可行的.3实验的主要结果和讨论3.1突发式破坏特征在室温条件下进行了两组实验,分别以铅和氯化钠作围压传压介质,围压范围为50—600MPa.两组实验结果基本类似.如表1所列,岩石强度随着围压增加而增加.以200—300MPa围压为界,随围压增加,岩石从渐进式的张剪性破裂转化为剪切破裂,再进一步转化为突发式的剪切破裂与粘滑.从样品的破坏情况看,卸样后发现样品均存在贯通的主破裂面.由显微切片可见,在主破裂面内石英和长石破碎,形成细粒的线状碎裂带,部分已经断层泥化.除主破裂面外,其余部分基本没有破裂和变形迹象.主破裂的性质以及系统稳定性随围压而变化:在围压小于200MPa时,破裂面与σ1方向(轴压方向)夹角为15°—20°,表现为张剪破裂;在应力-应变曲线上(图2),破后无明显的应力降,峰后曲线平缓或略有强化,表现出渐进式破坏特征和随后的稳滑.围压大于200MPa时,主破裂面为单斜或共轭的剪切破裂,破裂面与σ1方向夹角约30°.其中在200MPa下发生主破裂时出现小的应力降,体现为准突发式破坏和粘滑,AE也有所增加;围压等于及大于300MPa条件下,主破裂时系统失稳,有显著的应力降,随后有准周期粘滑,AE在主破裂前即开始大量出现.3.2围压对样品的影响AE实验对地震问题的研究缘于其时序特征与地震序列的可类比性,60年代在单轴条件下即开始了这方面的工作.AE的时序特征与岩石材料性质密切相关,并受围压、温度、干湿程度等环境因素的影响.限于篇幅,本文着重对铅作围压介质的实验结果进行讨论.为便于比较,差应力均按各自的破坏强度进行归一化,即采用了σ/σ0.围压较低的条件下(图2a、b),差应力达破坏强度的90%左右才有个别AE出现,破裂前后AE稀少且时间分布较为随机.意味着在浅表地层的压力条件下,无法积累引发较大破裂的能量.在该压力条件下的微破裂事件一般是随机、单一的,不足以诱发块体层次模式所预期的群体破裂事件.在300MPa以上的较高围压状态下(图2d—g),样品破坏时应力应变曲线上出现明显的应力降,随后出现粘滑.围压越高,粘滑的规则性越好.随围压的提高,破坏前、后AE事件明显增多,并显现出时间上的丛集特征.3.3围压较低情况下个别ae研究破坏前AE时序特征随围压的变化,对类比认识中强地震前源区小地震活动规律并由此定性推断源区应力场的变化具有参考意义.由于岩样破坏前未发生宏观破裂,因而这一时段的AE可定性地认为是源于微小的脆性破裂事件.由图3可见,围压较低时,破坏前仅在临近破裂时有个别AE发生;随围压的增加,AE出现的时间提前,这一现象在张流等的工作中曾有报道,表明较高围压条件下,微小的应力扰动(差应力增量)即可诱发微裂隙的产生或贯通、扩展.在更高的围压条件下,AE时间分布在总趋势逐渐密集的基础上,一定程度上表现出反复出现的密集-平静特征.失稳前AE活动的另一个重要特点是,AE累积数ΣAE符合指数型的增长模式,ΣAE=αeβ(σ/σ0),式中σ0为岩石破裂强度,σ/σ0为归一化差应力(由于等应变速率加载,因而σ/σ0含有时间的概念,两者总体趋势一致),α、β为常数,β表征AE累积数随σ/σ0的指数增长速率.β随围压增加而增大,AE总数在破裂前也大体上随围压的增大而增加(表2).3.4ae“强度”mae只要AE数量足够,无论失稳前、后还是整个实验过程,AE数-强度关系符合幂律的标度关系logN=a-bMAE(图4),与已有的基本认识一致,其中N为强度大于等于MAE的AE数量.尺度无关的标度范围一般仅跨越2个数量级,少数甚至仅跨越1个数量级,这主要由于AE记录系统的8位测量精度限制了AE波形幅度的分辨率(28),使之最大只能达到2个数量级所致.关于AE“强度”MAE,如前所述有多种自定义方式,仅是AE相对大小的一种自标度形式,并不等同于地震学中“震级”.因此,还有以AE信号的电压值作为“强度”标度的做法.由于AE能量与微破裂扩展尺度成正比,因而b值反映了微破裂数目与微破裂尺度之间的标度关系.由表3的平均值可以看出,破前b值总体上略大于破后b值.若理解破前AE主要由脆性微破裂产生、而破后AE主要由宏观破裂面摩擦滑动过程中的微小滑动事件产生,则上述结果似乎表明,室温下粘滑b值略小于脆性破裂的b值.这一认识与焦文杰等较低围压下的结果有一致之处,但粘滑b值与脆性破裂b值之间的数值差异非常微小,并无统计上的显著差别,说明在室温、高围压条件下,岩样介质状况(如破碎程度等)对b值的控制影响作用甚微.不考虑破裂或粘滑的差别,由表3可见,全过程的b值随围压增加有减小的趋势.这表明室温条件下应力状态是影响b值的主要因素.这一结果提示我们,地震研究中b值的趋势性降低可能表征研究区所处环境应力(实验中以围压表征)的增强,但环境应力并不是必震的条件,在较高的环境应力条件下,大的应力降过程的发生(地震失稳)尚需构造差应力(实验中以轴压提供)的作用.3.5大应力降作用下的微滑动事件岩石破裂实验中的“应力降”在物理机理上是清晰的,对应于系统失稳所导致的突然的应力释放过程,在形式上表现为差应力曲线瞬间的降落.应力降的大小定义为终止差应力值与初始差应力值之差.由图2(d—g)可见,围压增加到300MPa时出现明显的应力降,400MPa之后应力降更大且在粘滑阶段呈准周期释放态势.围压越高,粘滑规则性越好.着重于其粘滑过程,本节选择围压为400、500及600MPa时的Htp37、Htp38及Htp39号实验结果进行对比分析.平均起来,粘滑过程中的应力降、应力降释放率(单位时间内释放的应力降)及粘滑事件的时间间隔均随围压增加而增大(表4、图2).这定性类比于大地震的准周期性活动中,较强的应力环境孕育较大地震、而较大地震的活动周期相对较长这一观测事实.第一个大应力降由于完整岩样的宏观破裂产生,其后的粘滑事件则发生在已破裂的断裂面上.相同围压条件下,一般而言第一个大应力降的数值最大,表明破裂应力降一般大于粘滑应力降,这也是高围压下岩石破裂强度大于摩擦强度的证据之一.相同围压条件下,准周期性应力释放过程中,应力降幅度有起伏地降低,时间间隔逐渐加长.这表明破裂面即使是在高围压下,短时间内仍不能及时愈合,并且次级裂纹在较大的差应力作用下已不断贯通、生长,因而岩样聚蓄应变能的能力逐步降低.以大应力降的发生时间为界划分各阶段(如图2中数字所示),如前所述,破坏前AE主要由脆性微破裂产生,而破坏后AE主要由摩擦滑动过程中的微小滑动事件产生,二者时间分布的一个显著区别是,随系统每一次大失稳(以大应力降表征)的临近,破坏前AE累积数随时间指数增长,即ΣAE=αeβ?t,而破后AE累积数随时间却呈线性增长,即ΣAE=α′+β′t(图5).依据Das等关于裂隙成核模式的研究,在脆性域内,假定含裂隙的介质在缓慢的载荷作用下,由于裂纹尖端的应力-腐蚀,裂隙以亚临界速度传播,传播速度v与应力强度因子k之间的经验关系一般写作v∝ek,不同的介质材料均有类似的关系,仅比例系数有所改变.对无限、均匀介质中的二维裂纹,有k=CΔτX1/2,其中C为几何常数,Δτ为静态应力降,X为二维裂纹的长度或二维圆形破裂的半径.在Δτ与时间无关的假定下,由前述两式可得v=e-k0v0ek0√(X/X0)‚其中X0、k0及v0分别为准静态破裂生长起始时(t=0)的初始裂纹长度、初始应力强度因子及初始传播速度.由上式可知,不论裂隙X以何种形式增长,均导致尖端传播速度v按指数增大(加速到无穷大时定义为失稳).由于裂隙尖端以指数增加的速度v破裂、扩展,因而常温下完整岩样破前微破裂(AE)累积数的指数增长即不难理解.岩样首次突发式破坏之后,宏观破裂面已经产生.其后的AE主要由于高围压下破裂面摩擦滑动过程中的微小滑动事件产生.不光滑的破裂面两侧“壁垒”会对滑动产生阻挡作用.由于岩样介质的相对均匀,“壁垒”颗粒的大小、强度等不会有较大差别,因而在等应变率匀速变形过程中,其阻挡作用的大小也基本相当,这可能是破后微滑动AE累积数随时间线性增长的主要原因,并与针对断层运动提出的摩擦-滑块成核模型所预期的第一阶段、即稳定滑动阶段相吻合.即由于应力的增加以及滑动造成的应力重新分配,导致断裂面端部的应力稳定地增加,断裂面滑动随之稳定地发育和生长.但模型所预期的第二个阶段、即断裂面加快滑动阶段,在实验系统的精度范围内,在大的粘滑失稳前,本组实验均未能观察到AE序列先兆性的显著的加速变化特征.由表5可见,相同围压下,各阶段粘滑AE累积数随时间的线性增长速率β′之间无明显的差别.但从其平均结果来看,线性增长速率β′随围压的增高而明显趋缓,说明在等应变加载情况下,随围压的增加,发生微滑动事件的难度加大,微滑动事件发生所需输入的能量随之提高.另一个值得提及的现象是,在粘滑过程中的粘滞阶段,临近应力降发生之前,均可见差应力曲线的一次或数次微小抖动(微小的应力降,表征系统一种微小的宏观失稳),如图2(e?—?g)中小箭头所指。这种现象是否破前和粘滑前的长周期亚临界失稳扩展所致,尚需深入讨论.若是,则其进一步发展成为失稳扩展的力学条件对其后的失稳预报具有重要意义.3.6u3000ae时间序列的多标度分形结构临界现象中,指数型的分形标度关系是表征系统临界行为的最重要的物理规律.对自然界真实系统的非线性动力学过程而言,简单的标度关系往往是一系列的,多标度分形理论对理解这样一大类非线性动力学系统所产生的复杂结构具有重要意义.地震领域的工作显示,群体地震事件的时、空分布在一定的标度范围内显示自相似或自仿射的分形特性,并且有人尝试运用多标度分形理论对其予以描述.文献综述了近期的主要研究结果.实验方面,平田隆幸的工作显示,岩石破裂实验中在时间、空间及强度方面都发现了分形结构;雷兴林等曾针对两种不同粒度花岗岩三轴压缩实验的AE定位结果,测算了微破裂源空间分布的容量维并着重探讨了分维值与岩样粒度之间的关系.在多标度分形理论中,系统不是如简单分形那样由参数空间中的一点来表征,而是对测度集合所有标度特性的系统描述.首先计算q阶信息维Dq谱Dq=1q-1limε→0log[X(q)]logε,X(q)=∑i(Ρi)q,式中Pi为标度取ε时的分布概率.具有不同标度指数的子集通过q值的改变得以区分.由下述两式不难得到奇异性指数α(q)及局域标度指数谱f(α)α(q)=ddq[(q-1)Dq],f(α)=qα(q)-(q-1)Dq.若时间序列具有尺度无关的标度性质,则f(α)谱一定表现出一些普适的几何特征,如f(α)对α轴上凸、在q=0处取得极大值、在q=±∞处具有无穷大的斜率等.这些普适特征可定性地作为判断时间序列是否具有指数型标度关系(即多标度分形关系)的依据.考虑到计算f(α)-α谱对样本数的要求,此处不区分破坏前、后等阶段,仅着重考察围压对f(α)-α谱形态的影响.当q从-4到4变化时,全时段的结果显示(图6):f(α)-α谱均对α轴上凸,在统计误差范围内f(α)在α(0)处取极大.这表明AE时间序列具有指数型的多标度分形特征.但f(α)-α谱两端不对称,f(αmin)一端相对较高.由于f(α)表征标度指数α在某个子集上的取值概率,因而这一现象表明,在AE时间序列诸多标度类型中,靠近αmin一端所占比例较大.由于α(q)随q增大而单调下降,αmin相应于qmax>1,主要反映分布概率Pi较大(密集)子集的性质,因而前述现象表明,室温下AE时间序列的多标度分形性质主要决定于其时间密集特征.标度指数α的数值分布范围(αmax-αmin)随围压增加有减小的趋势(表6),表明AE时间序列的标度类型随围压增加而减少,意示着其时间结构随围压增加趋于简单、有序.由表6可见,(αmax-αmin)的减小主要是由于αmax随围压增加而减小造成的.安镇文等在地震的多分形研究中发现,在大震前两年左右,多分形谱有变窄而谱的右端(即αmax一端)左移的现象,认为这反映了密集区内地震活动明显的涨落.根据固体物理学的研究,谱的这种变化揭示出介质密度由低向高的过渡,表征了环境应力的集中增强程度.本文的实验结果与他们的震例计算及理论认识相一致.4围压特征和时间序列特征4.1室温、固体围压介质条件下花岗岩强度随围压增加而增大,破坏时随围压增加从渐进式(系统不失稳)逐步转变为突发式(系统失稳),从张剪性破裂逐渐转变为剪切破裂,破后的滑动行为从稳滑