锆石微破裂过程的离散元模拟

锆石中富含放射性元素U和Th,其U-Pb、U-Th-He与裂变径迹分析方法是最常用的地质热年代计,但这些年龄均与锆石的辐射损伤程度有关。锆石中放射性元素U和Th衰变所导致的晶体自辐射损伤,会改变晶体的物理和化学性质,在微观上表现为蜕晶化,宏观上则表现为密度降低和体积膨胀。不同生长环带间的差异膨胀产生相对膨胀力,导致锆石发生微破裂。为了探究微破裂的发育过程与机制,本文基于锆石自辐射损伤-体积膨胀经验关系,利用离散元模拟方法,模拟核-边双层锆石自辐射损伤过程中内部应力分布;结合锆石的弹性模量与抗拉强度,模拟自辐射损伤与围压对核部高U、Th(模型Ⅰ)与边部高U、Th(模型Ⅱ)两类锆石微破裂发育的影响。结果显示随着自辐射损伤及体积膨胀的增大,锆石微破裂过程具有显著的阶段性:模型Ⅰ边部破裂对称发育,从单条逐渐发育成空心“十”字与“米”字形破裂网络;模型Ⅱ核部发育的多个同心状破裂是由早期放射状破裂随自辐射损伤增强而拓展并逐渐相连而形成。围压的影响效果与自辐射损伤程度有关:低自辐射损伤下,围压增加会抑制模型Ⅰ边部与模型Ⅱ核部破裂的发育与拓展;高自辐射损伤下,随着围压的增大,模型Ⅰ放射状破裂密度增大,而模型Ⅱ同心状破裂数目减少。锆石中微破裂的发育将晶体分割成若干亚颗粒,改变原子扩散出颗粒的路径与距离,因此本文对锆石微破裂过程的研究,对于理解锆石中元素的扩散及相关的地质应用具有参考意义。

岩石微破裂信号的小波降噪处理方法研究

【目的】隧道在开挖过程中,施工环境比较复杂,微震监测设备接收到的微破裂信号中含有一定的噪声,噪声的存在会对事件定位和岩体失稳信息的判断造成一定的影响。为了使岩石内部微破裂的位置定位更加准确,以及其他参数的计算更加精确,需要对监测到的信号进行降噪处理。【方法】选取4个现场典型波形,用小波分析方法的db小波基函数和sym小波基函数对其进行降噪处理,得出信噪比值。【结果】通过对信噪比值和波形分析比较发现,db10小波函数具有较好的降噪效果,信噪比可以达到73.8491,且信号降噪后,不会丢失原始信号的有效信息。【结论】db10小波函数降噪法是深埋隧洞岩石微破裂信号的最佳小波降噪方法,该研究成果对震源其他参数的精准确定具有重要意义,对提高岩体失稳预测的精度具有重要作用,也是建立智能化预警系统的重要基础。

微破裂弹性回跳模型和一次地震的三种波

经典弹性回跳模型是历史上最有影响的地震模型之一,热力学弹性回跳模型对经典弹性回跳模型进行了合理的补充。根据存在着震前超低频应力—密度波和临震微破裂波的设想,进一步补充了热力学弹性回跳模型,新模型或可称为"微破裂弹性回跳模型"。这个模型与很多实测结果符合得很好。因为大多数地震都要经历应变累积、微破裂和主破裂三个阶段,所以,一次地震一般都会先后出现三种不同类型的波,即:超低频应力—密度波(应变波)、微破裂波以及普通地震波。这一认识对深入理解地震现象以及对地震的监测和预警都是有意义的。

从汶川地震看震前的“微破裂波”

根据对包括汶川大地震等一些实测资料的分析,并借用断裂力学和断裂物理的概念,可以认为存在一种震前出现的"微破裂波"。即,震前地层中发生的"微破裂"过程可以产生"微破裂波"。由于破裂过程的微观复杂性,微破裂波中有电磁波、声波和重力波等不同成分,而且有频率覆盖范围宽、信号相对较弱等特点。微破裂波一般都产生于主破裂之前约1～10天之内。只要有合适的有着足够高灵敏度和足够宽的频率响应能力的仪器系统,就可能探测到微破裂波,也就获取了一种重要的有临震预警意义的信息。

典型构造微破裂集结的实验研究

通过大理岩破裂实验 ,考察了典型构造中微裂纹的演化、集结的过程和特征 .根据损伤理论 ,分析了构造对微破裂演化的控制作用 .根据微破裂集结临界条件的相似原理 ,认为这些特征可以类推到公里尺度 ,它们有助于解释地震中短期阶段的前震或广义前震分布 ,作为地震前兆的一次效应 .其它物理效应为二次或三次效应 .微破裂集结时局部密度突然加大 ,有助于解释部分前兆记录突跳现象 .非集结部分出现部分微裂纹愈合 ,密度反向变化 ,有助于解释一些前兆记录在短临阶段记录中出现反向的现象 .考察了不同构造的不同部位微破裂萌生和演化的范围差异 ,这些差异有助于解释不同地质构造孕震区域的孕震过程 ,从而可解释板缘和板内地震前兆记录的差异 .这种差异可能被不同观点学者分别引用 ,以论证地震是否有前兆记录的问题 .然而 ,在考察不同地区的前兆记录时 ,必须注意不同地区的地质背景 .

岩石微破裂发育的扫描电镜即时观测研究

对含预制缺陷的大理岩平板施加单轴压缩,在扫描电镜下即时观察并记录了试件表面微破裂的发育及演化过程;根据记录资料,研究了裂纹密度分布和几何形状及其与材料本身颗粒大小和应力水平之间的关系,并拟合了经验关系式。试件分为带圆孔(直径5mm)和带割缝(与外载方向成45°,贯穿试件厚度)两种。整体尺寸均为20×10×2.5mm。实验表明,在室温下,大理岩材料受准静态单轴压缩时,微裂纹多发育在颗粒边界上,虽然从宏观上看,从割缝逐渐生长出来的新生裂纹似乎是沿一条圆滑的路径扩展而逐渐转向与外力方向平行。但是从微观上看,微裂纹的扩展和连通始终是沿颗粒边界曲折前进的。裂纹的密度先是随应力而提高。然后逐渐趋于稳定;裂纹在某个带上集中而形成主破裂时,其周围的部分裂纹会闭合;同时还观察到,卸载时裂纹闭合且宏观断裂的宽度变窄。这一现象在录象记录中表现得尤为明显。

地震微破裂成核过程的实验模拟研究

以透明试件受压破裂过程模拟均匀岩体的破裂过程 ,用实时全息干涉摄影系统记录试件应力场分布及其变化 ,用瞬态波形自动记录仪记录微破裂的位置和强度 .通过两种方式所获数据来探索地震微破裂成核过程与应力场关系 .

岩石微破裂损伤演化诱致突变的数值模拟

基于岩石变形过程中损伤局域化现象，根据岩石材料随机性的特点，通过二维网络系统损伤演化的有限元数值模拟发现：岩石微破裂在损伤演化过程中显示出从均匀随机的无序逐渐向局域化的有序转化特征，不论微破裂如何演化，最终都诱致岩石网络系统产生突变破裂现象。用岩石微破裂与声发射具有一致性的假设，模拟出岩石破裂过程中声发射空间分布的规律。

微破裂成核过程和应力(场)关系的实验研究

利用实时全息干涉计量摄影装置记录有机玻璃板微破裂过程中应力（场）的变化，讨论了微破裂的丛集过程及其与应力（场）的关系，宏观裂缝的分叉和延伸规律，大破裂与微破裂的关系。研究结果表明，大破裂发生前微破裂有丛集（成核）现象，微破裂的丛集与局部应力集中有关，大破裂（宏观裂缝）延伸方向是应力场高梯度变化方向，大破裂的发生位置与微破裂的丛集无明显关系。

含硬包体试样微破裂图象演变过程的实验研究

含硬包体试样在双轴加压下的微破裂图象为：加压初期，微破裂先在试样周围活动，中部形成空区；随σ１增加，微破裂空区逐步变小；σ１再增加，微破裂在原空区内活跃，而原活跃区的微破裂则减少；临近主破裂时，微破裂逐步形成条带；条带上的微破裂来回跳跃；微破裂空间分维Ｄｓ从小到大，临近主破裂前转为降低．这些特征在以往破裂实验中很少提到，但与强震前地震活动图象的长期活动特征有一定的相似性．

真三轴压缩时几种岩样微破裂定位的初步结果

实验用盈江花岗岩、蝴蝶泉斜花岗岩及龙陵花岗岩在真三轴压机上压缩(σ_1>σ_2>σ_3)直至岩样破裂.采用8通道高速微破裂数据采集分析系统对岩石破裂孕育过程中的微破裂时空分布做了初步分析.结果表明:在声发射变化的第Ⅰ阶段,微破裂较多;第Ⅱ阶段微破裂较少.但都分布紊乱且遍布整个岩样.当应力继续上升达声发射变化的第Ⅲ阶段,微破裂再次增多并逐步形成空区,只在主破裂前很短时间才形成条带分布.

微破裂向量扫描技术原理

对Semblance叠加公式进行了扩展,考虑了震源机制及其求解过程,开发了微破裂向量扫描技术,在开发区使用地震台网扫描地下空间破裂活动释放的能量,以适应地表监测微破裂时信噪比较低、地下微破裂多为剪切错动的特性。类似于开发区观测环境的算例结果表明,当信噪比降低至0.5时,人们仍可辨别破裂能量释放点,并估计破裂的震源机制。由此可知,利用不影响生产的、稀疏的、三分量的地震台网在地表监测开发区的地下破裂并使用微破裂向量扫描处理技术是可行的。

共线不连通断层标本变形过程中群体微破裂事件的时空演化

设计了共线不连通断层物理模型,在概念上可模拟与地震孕育相关的障碍体或强固区。开展了中等尺度辉长岩标本的双轴破裂实验,对4600余次微破裂事件进行了精确定位,据此对共线不连通断层标本变形过程中群体微破裂事件时空演化的统计特征进行初步研究。由于强闭锁作用,变形过程中在98%的峰值强度,以前围绕不连通区域显示一系列在时间上依次递进、空间上逐步收缩、长轴方向随之改变的"空区"演化图像。在峰值强度后的弱化阶段,较大的声发射事件在被动盘明显丛集,而主动盘则小AE事件呈弥散性分布。与弹性变形阶段相比,弱化阶段AE主体活动区域从主动盘迁移至被动盘,并且AE较大事件次数明显增多、应变能释放急剧增加,声发射率在不连通区域破裂前的瞬间达到最高值。b值在不连通区域破裂失稳前显示"趋势性降低—快速回升"这一典型变化过程。对比研究还表明,破裂型失稳较粘滑型失稳具有更为明显、丰富的微破裂前兆。

硬石膏断层带摩擦稳定性转换与微破裂特征的实验研究

断层带摩擦稳定性转换及其对应的微破裂特征对于地震成核条件和慢地震机理研究具有重要的意义.本文利用双轴实验装置研究了硬石膏断层带摩擦稳定性的转换及其对应的应变变化、微破裂特征,并分析了实验标本的微观结构.实验结果表明,σ_2和加载点速度对断层滑动稳定性具有显著影响.在低σ_2条件下,硬石膏断层带出现不稳定滑动,变形以局部化的脆性破裂和摩擦为主;随σ_2的增加,断层由不稳定滑动向稳定滑动转换,断层带变形方式逐渐转变为分布式的破裂.在低σ_2条件下,硬石膏断层带在较低加载点速度下表现为速度强化且滑动稳定,在中等加载点速度下表现为速度弱化并伴有准周期性的黏滑,在较高加载点速度下又有转向速度强化的趋势,σ_2的提高使得速度弱化的范围逐渐减少,滑动趋于稳定.上述两次转换对应不同的微破裂特征,在较高速度下从速度弱化转换为速度强化时,断层滑动伴有能量较小但频度很高的微破裂活动,而在较低速度下从速度弱化转换为速度强化时,断层滑动伴有间歇性的微破裂,这与断层带的微观结构特征有较好的对应关系,表明其转换机制是不同的.

一种新型微破裂信号并行采集电路的设计与实现

基于STM32微处理器,以Cirrus Logic公司的CS3301A,CS5372A,CS5376A相组合,利用以太网传输技术,设计了一种新型微破裂信号并行采集电路。该电路主要由可编程增益放大器、24位Δ-∑A/D转换器、多功能数字滤波器组成,具有动态范围宽、信噪比高、道间串扰小,功耗低等优点。其采样率可在1-4ksps范围内可调。解决了单通道采集电路中存在的拾震能力不强、波形不全面等问题。野外测试表明该电路采集的波形很好,在微震监测中具有可靠的应用性。

裂纹系微破裂集结和动态扩展的实验研究

研究了裂纹系的动态破裂,重点考察了裂纹系相互作用.选用大理石、玻璃为实验材料,将其加工成薄板状,并在板内预制各种不同形态的裂纹系,在单轴压下用可见光透视观察裂纹系动态相互作用的破裂过程.实验中发现,岩石的动态破裂过程和玻璃有很大差别,岩石的裂纹系动态相互作用后期是通过微破裂演化来实现的,而在玻璃中观察不到.裂纹系的不均匀应力场分布是破裂演化的初始原因.通过实验,给出大理石材料中各种不同形态裂纹系的动态破裂演化的全场过程图像,直观地揭示了含裂纹系岩石变形破坏的实质.实验显示了不同几何形态的裂纹系的破裂发育过程有明显区别.在微破裂集结时,周围的破裂部分闭合.因此,用二维模型描述的微破裂图像和实际有很大出入.为了消除这个差距,必须研究三维破裂.本文的实验结果表明,裂纹(断层)不能起到阻碍破裂扩展的作月;裂纹(断层)作为障碍体,和预存裂纹之间存在强烈的相互作用,使得样品的强度降低几乎一个量级.讨论了上述结论对于认识地震(包括矿震)断层行为的意义.

煤层气井微破裂试验测试技术及应用

根据煤层气勘探开发新区内煤储层参数资料和实际应用情况 ,研究了微破裂试验的测试工艺技术和数据分析方法 .介绍了微破裂试验的测试方法、设备组合、施工程序以及数据分析解释 ,并通过实例阐述了微破裂试验在煤层气井测试工作中的应用 .结果表明 ,在煤层气勘探开发新区 ,注入压降试井测试前进行一次微破裂试验 ,可以获取有用的储层信息 。

CCSD主孔微破裂脉次生包裹体的均一温度

CCSD主孔中发育有十分丰富的脆性变形现象,按其充填特征大致可划分有石英和方解石充填的微破裂、有矿物薄膜的微破裂和既无矿物充填、又无矿物簿膜的微破裂等3大类。石英微破裂脉和方解石微破裂脉次生包裹体的均一温度分别为110℃～215℃和90℃～190℃,表明前者的形成要早于后者,按现代地热梯度23.4℃/km算,两者的形成深度分别为4.7～9.2km和3.8～8.1 km,9.2km大致可作为宏观上岩石圈发生脆性变形的最大深度或岩石圈由韧性变形域向脆性变形域过渡的界线.片麻岩、榴辉岩和超基性岩微破裂脉的次生包裹体均一温度显示三者由韧性变形域向脆性变形域过渡的深度是不一致的,依次为9.2km、8.5km和8.1km,反映主孔主要岩石类型的脆性变形行为存在有一定差异.根据微破裂的充填物特征和相互切割关系,大致可确定主孔中脆性破裂的形成深度和先后关系:石英微破裂脉,形成最早,深度为4.7～9.2km,方解石微破裂脉的形成深度为3.8～8.1km,8.1 km以上开始出现有矿物薄膜的微破裂,既无矿物充填、又无矿物簿膜的微破裂则是地壳深度3.8km以上的主要脆性变形构造类型.可见,微破裂次生包裹体的均一温度或许可作为宏观上建立CCSD主孔脆性变形构造剖面的重要依据之一。

岩石变形实验中的微破裂与地震的联想

根据室内岩石变形实验中岩石的微破裂和应变能释放等情况，联想到与地震发生的几种相似现象；①岩体在较低的应力状态下亦有可能发生地震；②小震的发生预示岩体内应变和应变能的释放，但应力却未必释放；③主震时应变能大量释放，但仍有相当多的应变能残留在岩体中，这应是老震区发生地震的原因之一。

岩石微破裂震源过程的声发射研究进展

从岩石微破裂的破裂模式和震源机制、声发射事件波形的振幅频谱特征、介质特征等方面,对地震研究领域岩石微破裂声发射近期的一些研究结果进行了简单综述。