具有多種斷層結構巖樣的形變和破裂特征的試驗研究＊

胡毅力,許 峻,許昭永,陳順云,張永安,張曉曼

(1.云南大學地球物理系,昆明 650091;2.云南省地震局,昆明 650224;3.昆明理工大學激光研究所,昆明 650041)

具有多種斷層結構巖樣的形變和破裂特征的試驗研究＊

胡毅力1,許 峻2,許昭永2,陳順云2,張永安3,張曉曼1

(1.云南大學地球物理系,昆明 650091;2.云南省地震局,昆明 650224;3.昆明理工大學激光研究所,昆明 650041)

在巖石板上切割出多條切縫并以石膏填充,將其分為 3個構造特征區:A區(斷層交匯區)、B區(左行左列巖橋區)、C區(右行左列巖橋區)。采用雙軸加壓、定點應變、聲發射信息系統和實時全息干涉計量方法(激光)進行觀測研究。結果表明:在巖樣破壞孕育過程中,各個特征區都出現了特大破裂。每個特大破裂發生前定點應變、激光干涉條紋圖(應變場)和聲發射信息都出現了特征變化。特大破裂的發生有先后,其前兆特征的出現也有先后,并且各區有各自的特點,某些前兆還可能在各區之間交替出現。研究認為,三個區的斷層結構性質不同,這就導致了不同的破裂順序,甚至產生不同的前兆現象。

多個切縫巖樣;多種斷層結構;激光全息計量;定點應變;微破裂信息分析

0 引言

目前,對地震機理的實驗研究主要分為兩類:一類是摩擦實驗,另一類是破裂實驗。介于二者之間的方法是在巖樣上刻出一條裂縫進行破裂觀測研究。關于試樣上預刻單裂縫在不同受力時裂紋的形成、擴展的研究較多(李世愚等,1989;趙豫生等,1988;Huanget al,1990;趙永紅等,1992,1993;Nolen-hoeksema, Gordon,1987),關于預刻雙裂縫的相互作用對裂紋的形成、擴展的影響的研究也較多(Kranz,1979;Wanget al,1987;杜異軍等,1989;張之立,方興,1989;張之立等,1989),但對預刻多裂縫(3條以上)的研究甚少。地震的形成機制非常復雜,它并不總在斷層上發生,也并不總在同一地點發生,同一斷層或塊體交界處也可能發生多個大地震。這些地震在交界區域內何處形成、發生順序怎樣、前兆特征如何等問題目前研究不多。針對這些問題,我們在實驗中將巖樣切割出 4條裂縫,以雁列式斷層組成塊體邊界,并制造 3個性質不同的構造區,進行初步研究。前人曾以焦散陰影光學方法結合聲發射定位對有機玻璃試樣進行研究(許昭永等,2002;陳順云等,2002;胡毅力等,2006)。楊潤海等(2006)曾對拼合巖樣作形變場研究。陳順云等(2003)研究了多切縫巖石板試樣破壞孕育過程中的聲發射特征。本研究中,我們依然用實時全息干涉計量技術、聲發射及多點應變測量對巖石試樣進行多種物理現象的觀測研究。

1 試驗方法

1.1 試樣及加載

試樣采用云南大理產 200 mm×200 mm×15 mm粗粒花崗巖和大理巖石板(各做了兩個試件,本文敘述花崗巖上的實驗結果),在其上用金剛砂鋸片切割出雁列式斷層組成的 V形塊體邊界(圖1a),切縫以石膏填充。把樣品分為 5個構造特征區:A區(斷層交匯區),B區(左行左列巖橋區),C區(右行左列巖橋區),D區和 E區在試樣上方切縫端部處。在防震平臺上架設雙軸小型壓機,垂直向和水平側向壓力最大可達 3.0×105N。在巖樣上布設多個應變片和微破裂信息檢波器(圖 1a)。加力方式:實驗開始,在試樣側向和垂直向(X和Y方向)同步加力,達一定程度后(σx=σy=5 MPa)大致保持σx不變,分階段增加σy,以便能夠記錄到破裂孕育過程中激光條紋圖像的變化,直到試樣最后斷裂。從一開始加力即同時開始應變和微破裂(聲發射)記錄,而從荷載超過 60%破裂應力的某一階段開始(應變)圖像激光攝影記錄。

圖 1 實驗裝置簡圖試樣構造、加力方式及儀器布置框圖(a)和實時全息干涉計量攝像裝置(b)Fig.1 Scheme of the experimental setup block diagram of the sample structure,way of loading and apparatus arrangement(a)and set-up of photography by real-time holometry(b)

1.2 應力場檢測實時全息干涉計量方法

實驗采用的實時全息干涉攝影系統由帶有液門的實時全息干涉系統、攝像機及具有連拍功能的數字照相機組成。光路布局為反射方式,如圖1b所示。此外,我們還采用了用物光再現的參考光和原參考光產生的干涉圖紋進行檢測的方法,改善了光場的質量,并可在液門后的位置進行記錄(熊秉衡等,2002)。

1.3 破裂事件檢測和應變測試

(1)破裂事件檢測

在巖石試樣表面布設 8個 PZT壓電晶體傳感器(圖 1a中星號所示),用微破裂信息采集存儲分析系統記錄(許昭永等,2002)。

(2)應變測試

在巖石試樣表面布設 9個應變測點(圖 1a中小方框及數字所示),用中國地震局地質研究所構造物理實驗室研制的 LB-2數字應變儀觀測巖石破裂孕育過程中的應變變化。同時,在壓機拉桿上布設應變點,以測定壓力變化。LB-2數字應變儀有 16個通道,每道采樣率為 1～1 000 Hz、可調,每道(A/D位數)16 Byte,與計算機相連,數據直接進入計算機。

2 分析方法

2.1 應力應變

試件受力后,光程要發生相應的變化:一是因試件厚度的微小變化;二是因試件折射率的微小變化。對于平面應力(σ3=0),z(σ3)方向的應變

對于光學各向同性材料,物光和參考光之間的光程差為

其中d為試件厚度,A為絕對應力光學系數,v為泊松比,E為楊氏模量,n為折射率,σi(i=1,2,3)為主應力,Cf、Ct分別為反射和透射系數;N為條紋序數,λ為波長,n-(AE/v)可視為試件的有效折射率。于是,由(4)式可定量計算z方向試件的應變εz。通過z方向應變與主應力之和的關系式(1)可以計算主應力之和的分布。

對于同樣材料,反射系數與透射系數二者之比

對于有機玻璃,取n=1.5,則R=4。

這表明對于同樣材料的試樣,用透射式可以一次完成的觀測研究過程,用反射式則需幾次才能完成。前文所述分階段加壓完成試驗即因此不得已而為之。

2.2 微破裂定位

因試件為薄板,微破裂定位采用平面定位,采用與地震定位類似的方法(許昭永等,2002)。

2.3 聲發射強度的 b值分析

利用尾波持續時間(T)估算聲發射事件強度。即充分考慮背景噪音后取一合理值作為尾波截斷時峰值(本文取為 0.067 V,滿刻度為1.0 V);選加壓過程中某一事件作為參考,本文取第一個事件作為標準事件(參考值),計算出下式中的常數a1、a2、a3值,從而得到以此事件為標準事件的震級(強度)計算公式:

其中,Δ為破裂點到接收點的距離,單位為 mm;T為波列(尾波)持續時間,單位為 s。每道記錄的“震級”均以此式進行計算,取平均值作為該事件 “震級”即 AE強度(王彬等,1999)。

對于天然地震,有著名的古登堡—李克特經驗關系

其中,M為震級,N為地震發生頻度或累計頻度,a、b為常數,b即為通常所說的b值。Lockner和Byerlee(1993)的研究表明,此關系對于聲發射事件也同樣適用。

3 大理花崗巖的實驗結果

圖 2a為加載過程示意圖。從加載開始,即開始記錄聲發射和幾個測點的應變變化。在31.7 MPa時保持壓力穩定,制作干板(需 30 min左右)作第一次全息實時觀測。壓力再升高約7 MPa時條紋全部消失,再次保持壓力穩定,制作干板,重新開始新一輪觀測。在 45.0 MPa時最后一次制作干板,做包括破壞在內的觀測研究。試樣的最終破壞應力為 47.5 MPa。在制作干板時,應變和聲發射繼續處在連續采集記錄狀態。

圖 2 加力方式及各測點應變隨壓力增加的變化(a)加載過程示意圖;(b)第一次保壓(32 MPa)制作干板之前各測點應變隨壓力增加的變化;(c)第一次保壓制作干板之后(32～39 MPa)各測點應變隨壓力增加的變化;(d)試樣破壞前(應力 45 MPa之后 )的應變變化(A區:1、2、3;B區:4、5、6;C區:7、8、9)。Fig.2 Loading pattern and the variation of strain at different measuring points with the increase of load(a)Schematics of loading process;(b)Variation of strain at different measuring points with the increase of load before the load was kept constant(stress is 31.7 MPa)while making holographic plate for the first t ime;(c)Variation of strain at different measuring points with the increase of load(from 32MPa to 39MPa)after the load had been kept constant while making holographic plate for the first time;(d)Strain variation on the sample before the failure of rock

前人對于在 60%破裂應力之前,波速、形變、聲發射等的特征變化的研究很多,結果較明確,同時由于反射式光測較為困難,本文僅對較高應力后的變化特征加以研究。

3.1 全息圖像及定點應變

圖 2b為在第一次保壓制作干板之前各測點應變隨壓力增加的變化過程。從圖中可看出,此時間段各點應變都隨壓力增加而增大,只是變化的多少不同,并無突跳、波動等特殊變化。圖形上的抖動為手控加載不穩所致。對于聲發射事件,除試樣邊角較多外,其余成 “滿天星”狀零散分布(圖略 )。

圖 2c為在第一次保壓制作干板之后,應力從32 MPa升高到 39 MPa時各測點的應變變化。從圖中可看出,此時間段有些點的應變隨壓力增加而增大很多,其中一些點的應變甚至較劇烈,出現突升或突降。經查看,這些點分布在A區。

圖 3為第一次制作干板之后應力從約 32 MPa升高到 39 MPa的實時全息觀測。從圖中可看出,隨時間增加壓力增大,條紋越來越密。并且試樣 A區出現異常:圖像由幾部分特征條紋組成,如我們先前所述的應變空區,即高應變區包圍著的相對低應變區,其中,靠近上邊切縫(斷層)端點處的條紋最密。在其背后的相應位置布設的應變測點也顯示此時出現較大應變(圖 2c)。這一階段的微破裂空間分布如圖 6a所示,本階段微破裂多出現在A區。

圖 3 第一次保壓制作干板之后(應力從 32MPa到 39MPa)實時全息觀測(a)時間靠前;(b)時間靠后Fig.3 The first round of real-time holographic observation after the load had been kept constant while making holographic plate for the first time—the stress is from 32MPa to 39MPa,in which(a)is of an earlier and(b)is of a later time

圖 4為第二次保壓制作干板之后(應力約從39 MPa到 45 MPa)的實時全息觀測。從圖中可看出,隨時間增加壓力增大,條紋越來越密,試樣中部最密。同時,條紋形狀出現畸變:先是 A區從光滑連續型變成在切縫處轉折,隨后 B區條紋由光滑變曲折,接著轉向將兩預制切縫端部橫向相連(圖 4d)。這一階段的微破裂空間分布如圖6b所示,本階段微破裂從 A區向 B區遷移,并且多出現在B區。

圖 4 第二次保壓制作干板之后的實時全息觀測(a)時間靠前;(b)時間居中;(c)時間居中;(d)時間靠后Fig.4 The second round of real-time holographic observation after the load had been kept constant while making holographic plate for the second time—the stress is from 39MPa to 45MPa,in which(a)is of the earliest time,(b)and(c)are in the intermediate while(d)is of the latest time

在第三次保壓制作干板(應力大于 45 MPa)之后,隨壓力增加臨近破壞,條紋變密速度更快(圖 5a):A區條紋很快消失;B區依然出現兩預制切縫端部橫向相連的條紋,并且條紋更密,奇變形狀更清晰。隨后 C區也出現清晰的奇變(圖5b):條紋在切縫處由連續逐漸錯斷。在破壞之前,條紋全部消失。A、B、C三個區都未出現如圖 5c所示的宏觀裂縫。這一階段的微破裂空間分布如圖 6c、d、e所示,本階段微破裂從 B區向 C區來回遷移,并且最終多出現在 C區。試樣的斷裂情況如圖 5c所示。

圖 5 第三次保壓制作干板之后(鄰近主破裂前)的實時全息觀測(a)時間靠前;(b)居中;(c)時間靠后Fig.5 The third round of real-time holographic observation after the load had been kept constant while making holographic plate for the third time—the stress is great than 45 MPa just before the failure of rock,in which(a)is of the earlier time,(b)is of the later,while(c)shows the position of macro cracks

同時,A、B、C區先后出現劇烈的應變變化(圖 2d),臨近破壞時大多數測點的應變都出現了顯著的下降。并且B區比 C區先出現大幅度突降。茂木清夫(1984)和許昭永等(1989)的結果是,臨近破壞時有的測點應變(突)升,有的(突)降,有的平緩,甚至有的反向突變。本實驗結果之所以與前人的結果不同,是由于布點位置及觀測方式不同。

3.2 微破裂的時間、空間分布

聲發射事件定位結果如圖 6所示。對聲發射事件按其序號進行分解,分別研究 AE事件發生的時空特征。結果如下:

圖 6 聲發射事件定位結果圖(圓圈表示AE事件,圈越大事件越大;星號表示 PZT探頭;圈邊數字表示AE事件的序號)(a)應力在 32～39 MPa之間;(b)應力在 39～45 MPa之間;(c)、(d)和(e)應力均大于 45 MPa;(f)應力從 32 MPa到破裂Fig.6 Variation of micro cracks(AE events) location with ti me(circle:AE event,the larger the circle,the larger the event;＊:PZT transducer;numeral by a circle represents the serial number of event occurrence)(a)32MPa45MPa;(f)stress from 32MPa to failure

(1)聲發射有區域群發性,在一定時間段內,絕大多數聲發射總在某一特定位置發生。從圖 6a～e看出,聲發射主要分為三個區域:A區、B區和 C區。

(2)聲發射具有成群的遷移性,即在一個地方發生了一群之后再向其它地方遷移,在遷移初期,聲發射在原發生地與遷移地兩處交替發生。圖 6a顯示 AE事件始發于 A區,到了第 18個事件以后,向B區遷移,此時A區AE事件尚未停止發生,還會零星地發生。從圖 6b中 A區事件序號可以看出A區的事件已不是成群發生,主發射場已明顯轉移到 B區,隨后向 C區遷移(圖 6c),在 C區發生了一系列事件以后回到B區(圖 6d),主發射場仍明顯地在B區。類似于A區與B區之間 AE事件交替發生一樣,此時在B區與 C區之間AE事件也交替發生(圖 6d),A區從此時到最后都很少再有事件發生。到了加壓后期,事件完全遷移至 C區,A區和 B區這兩個AE事件發生的主要場所則幾乎再無事件發生。

(3)相對較大的聲發射事件,每個時期每個區域均有發生,但 C區在最后時期相對集中(圖6e),并在 C區即主大斷裂區外圍空,該處巖橋區斷裂后試樣崩潰。

3.3 聲發射的 b值變化

本實驗巖樣中含有多條宏觀裂縫,含有多個不同斷層結構的構造區。筆者在研究巖樣整體b值(圖 7a)的同時,也根據不同的區域(圖 7b、c、d)分析了相應的聲發射b值。

Scholz(1968)的研究結果表明,在主破裂(破壞)發生前,巖樣b值下降。本實驗僅重點比較在 60%破裂應力后整個試樣b值與單個區域b值的關系。圖 7展示了試件不同區域聲發射頻度與強度的關系。它清晰地顯示出,A、B、C單個區域的b值(圖 7b、c、d)都比整個試樣的b值(圖7a)偏低,其中 C區更為明顯(圖 7d)。結合前面的微破裂定位及強度分析,可知主大破裂區發生最后崩潰前,b值會有明顯減小現象。

圖 7 試件不同區域聲發射頻度與強度的關系(n:頻率;N:累積頻率)(a)整個試樣;(b)A區;(c)B區;(d)C區Fig.7 Relation between the AE frequency and AE intensity in different zones of the sample(n:frequency;N:accumulating frequency)(a)The whole sample;(b)Zone A of the sample;(c)Zone B of the sample;(d)Zone C of the sample

4 討論與結論

4.1 敏感點(破裂易發點)與多點破裂

大地震雖然多數發生在塊體邊界上,但是在塊體內部特別是鄰近邊界處也時有發生,即使是發生在邊界上也并不總在同一地點。本試驗盡量簡化但又盡可能設置一些可重復的復雜因素,使研究結果既有重復性又有代表性和一般性。如圖1a所示,試樣上有 4條切縫,分 5個區,其中 D、E區有壓塊邊界效應暫不分析。A區為兩組雁行裂紋的交匯點,B區為張性雁行裂紋相交點,C區為壓性雁行裂紋相交點,三點為不同構造相交處,為破裂事件發生的敏感區域。加壓導致了不同塊體之間發生輕微相對變形,塊體相交區域為受力集中區,事件群正好發生于此。由于交匯點的不同性質,導致了不同的破裂順序和不同的前兆特征。從斷裂力學的觀點看,A區處于兩條裂紋端部受力擴展同向運動(即加強)區,B區處于兩條裂紋端部受力擴展相向運動區,C區處于兩條裂紋端部受力擴展相背運動區。在相同條件下,A區先破裂,C區最后破裂。由此可說明本實驗的意義:一是有多個破裂區,二是多組破裂有一定的先后順序;三是在幾個破裂區交替發生大破裂。這為野外地震研究提供了有效方法。當然,這不是唯一方法,如斷層的間斷膠結、愈合或分段轉折也可造成多個破裂區。

塊體的強度跟宏觀裂紋之間的距離與位置以及裂紋數量都有著密切關系,要解決此問題還有很多情況必需考慮,需另作研究。

4.2 多個破裂區的前兆特征

預設多個破裂區的目的是研究多區內出現的前兆的異同及時間上的差異。本實驗對形變(包括定點應變和干涉圖像)、微破裂(包括空間時間分布,b值)等進行觀測研究。從干涉圖像上看,3個區都有條紋變密的過程,但條紋形狀及其演變卻有很大差異:A區有空區和轉折,B區轉向,C區略有錯斷。這標志著應力場及主應力方向都發生了變化。定點形變為一小范圍的平均應變,其突變—陡升或陡降標志此處出現大破裂,此前的特征變化為此區的前兆。每個區都有大破裂發生,此前也都有小破裂發生,條件合適,本區的b值也減小,頻譜特征也有變化。這就是說,多區破裂,每個區都有可觀測到的前兆變化。

實驗過程中,往往此區發生大破裂時彼區也有反映,如低頻小破裂、形變特征變化等,單從某一特定量很難判斷哪區何時發生大破裂(地震),須綜合分析比較才可得出結論。

4.3 干擾因素的排除

首先要排除一些不確定的或者是引起誤會的因素。如用聲發射事件做頻度—能級特征分析時,必須考慮聲發射產生的空間特征。不同區域,b值不盡相同,用所有事件去做統計并不一定能很好地說明問題,特別是對多點破裂。而進一步把區域細分,在小的區域里,聲發射事件會明顯減少,給統計的有效性帶來考驗。頻度—能級關系會顯示出“失真”現象。但累計頻度則要好得多,用累計頻度—能級關系可得到更可靠的結果。另外,由于彈性波的衰減,觀測系統的觸發電平門檻在樣品空間上并不均勻,遠離觸發傳感器的聲發射信號必須達到較高的能級才能被記錄到,小事件必然丟失,這必然導致聲發射記錄低能級段上的頻度—能級關系不符合負相關模式。考慮到環境噪音和大事件限幅的情況,整個實驗過程中所用觸發電平較高,上述的頻度—能級關系只會在較高能級時才表現出負相關性(圖 7)。

本文所采用的聲發射定位,并非實時速度,這無疑給定位結果帶來了誤差。如前所述,經過已知發射源和正演反復檢驗,可以保證定位結果對于我們所做的研究來說是可靠的。

再者從觀測上盡量減少干擾。壓低干擾背景,提高觀測精度是常用的方法,本文不再贅述。

綜上所述,我們采用具有多個不同性質的斷層結構巖樣,模擬帶有 V型構造的塊體活動特征,研究巖樣的多點大破裂,發現其前兆特征是明顯的,復雜性也是突出的,要取得更大進展,尚需進一步研究。

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Experimental Study of the Characteristics of Deformation and Fracture of Rock Block with Various Structure of the Fault

HU Yi-li1,XU Jun2,XU Zhao-yong2,CHEN Shun-yun2ZHANG Yong-an3,ZHANG X iao-m an2
(1.Department of Earth Sciences,Yunnan University,Kunm ing650091,Yunnan,China)
(2.Earthquake Administration of Yunnan Province,Kunm ing650224,Yunnan,China)
(3.Laser Institute,Kunming University of Science and Technology,Kunm ing650041,Yunnan,China)

V-shaped block boundaries consisting of en echelon faults(slots or prefabricated cracks)Were cut in a coarse-grained granite board.The slots Were filled with gypsum.According to the structural characteristics, the board w as divided into three zones:Zone A(w here the faults converge),Zone B(w here the faults form left lateral and left-stepping rock bridges),and Zone C(where the faults form right-lateral and left-stepping rock bridges).A n observational study was made by means of biaxial loading,fixed-point strain measurement,A Einformation system,and real-time holometry(laser).Results are as the following:A ll extra-fractures emerge in various structural zones during process of preparing failure of the sample.Before extra-fracturing, the variation characteristics such as the strains atmeasuring points increased with the increase of stress,message of A E events and fringes are observed by real-time holometry.Extra-fractures occurred in order,and the precursors of the extra-fractures emerged in order too.The three zones had their own characteristics with regard to the fracturing.some precursors emergeal ternately in various zones.When examined from the structural characteristics,it can be seen that the three zones are places where different structures meet and therefore are sensitive sections for events to occur.This has led to different orders of fracture or even resulted in different precursors.

prefabricated cracks;various structure of fault; laser holometry; rock block; strain;microcrack analysis

P315.8

A

1000-0666(2010)03-0320-09

2009-09-27.

云南省自然科學基金(2007DOBM)資助 .