遥感-岩石力学(IV)——岩石压剪破裂的热红外辐射规律及其地震前兆意义-矿业114网 
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遥感-岩石力学(IV)——岩石压剪破裂的热红外辐射规律及其地震前兆意义
2011-07-25
完整岩体压剪破裂失稳是构造地震的另一种可能孕震机制。以此为模拟对象,采集中国首都圈地区的5 种 典型岩石,进行了岩石压剪破裂过程的红外辐射成像实验。研究发现:(1) 岩石压剪破裂过程存在热弹和摩擦热两 种热-力耦合效应,且压剪作用越强,压剪破裂过程中红外辐射升温现象就越明显。(2) 压应变占优势时,岩石压 剪破裂存在红外辐射异常破裂前兆。(3) 压剪破裂前兆有明显的“时空”特征,即:时间上,当载荷增加到约80% 破坏应力时,沿剪切区域的平均红外辐射温度开始出现加速升温前兆,且压剪比越高,出现前兆的时间越早;空 间上,破裂前沿剪切区域出现的高温异常条带具有前沿推进即“由一端向另一端迁移...
第 23 卷 第 4 期 岩 石 力 学 与 工 程 学 报 23(4): 539~ 544 Feb., 2004 2 004 年 2 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering 遥 感 -岩 石 力 学 (IV)— — � 岩 石 压 剪 破 裂 的 热 红 外 辐 射 规 律 及 其 地 震 前 兆 意 义 1 1, 2 1 1 李 永 强 吴 立 新 刘 善 军 吴 育 华 1 2 ( 中 国 矿 业 大 学 (北 京校 区 )3S 与 沉 陷 工 程 研 究 所 北 京 100083) ( 河 北 理 工 学 院 资 源 系 唐 山 063009) 摘 要 完 整 岩 体 压 剪 破 裂 失 稳 是 构 造 地 震 的另 一种 可 能 孕 震 机 制 。 以 此 为 模 拟 对 象 , 采 集 中 国 首 都 圈 地 区 的 5 种 典 型 岩 石 , 进 行 了 岩 石 压 剪 破 裂 过 程 的红 外 辐 射 成 像 实 验 。 研 究 发 现 : (1) 岩 石 压 剪 破 裂 过 程 存 在 热 弹 和 摩 擦 热 两 种 热 -力 耦 合 效 应 , 且 压 剪 作用 越 强 , 压 剪 破 裂 过 程 中 红 外 辐 射 升 温 现 象 就 越 明 显 。 (2) 压 应 变 占 优 势 时 , 岩 石 压 剪 破 裂 存 在 红 外 辐 射 异 常 破 裂 前 兆 。 (3) 压 剪 破 裂 前 兆 有 明 显 的“ 时 空 ” 特 征, 即 : 时 间 上, 当载 荷 增 加到 约 80% 破 坏 应 力 时 , 沿 剪 切 区 域 的平 均 红 外 辐 射 温 度 开 始 出 现 加速 升 温 前 兆 , 且 压 剪 比 越 高 , 出 现 前 兆 的时 间 越 早 ; 空 间 上, 破 裂 前 沿 剪 切 区 域 出 现 的高 温 异 常 条 带 具 有 前 沿 推 进 即 “ 由 一端 向 另 一端 迁 移 、 扩展 ” 的特 点 。 本研 究 结 果 对 地 震 、 岩 爆 、 矿 爆 、 边 坡滑 移 等 自 然 与 岩 石 工 程 灾 害 的遥 感 与 预 报 具 有 重 要 的基 础 意 义 。 关 键 词 分 类 号 遥 感 -岩 石 力 学 , 构 造 地 震 , 地 震 遥 感 , 热 红 外 异 常 , 岩 石 压 剪 破 裂 + TU 459 .2 文 献 标 识码 A 文 章 编 号 1000-6915(2004)04-0539-06 REMOTE-SENSING-ROCK MECHANICS(Ⅳ )— — LAWS OF THERMAL INFRARED RADIATION FROM COMPRESSIVELY-SHEARED FRACTURING OF ROCK AND ITS MEANINGS FOR EARTHQUAKE OMENS 1 1, 2 1 1 Wu Lixin , Liu Shanjun , Wu Yuhua , Li Yongqiang 1 ( Institute of RS/GPS/GIS and Subsidence Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing 100083 China) 2 ( Resource Department, Hebei Institute of Technology, Tangshan 063009 China) Abstract The fracturing of initial rock mass is another mechanism of tectonic earthquake. Taking it for experimental modeling object, five kinds of typical rocks were collected from the capital area of China, Beijing, and thermal infrared (TIR) radiation imaging experiments were conducted in condition of compressively-sheared rock fracturing. It is discovered from the experimental study that:(1) there are two thermal-stress coupling effects, thermoelastic effect and friction-heat effect, in the process of compressively-sheared rock fracturing, and the higher the ratio of compressive stress to shearing stress is, the more obvious the TIR radiation temperature increment is, (2) in condition of dominating compressive strain, there exists abnormal TIR radiation omen of rock fracturing, (3) the TIR omen of rock fracturing is of obvious temporal-spatial features, i.e., the average TIR radiation temperature of rock surface increases rapidly as the load reaches to about 80% of the compressive-shear strength,and the higher the ratio of the compressive stress to the shearing stress is,the earlier the appearance of the TIR omen is, and the front edge of the abnormal high temperature strip along the shearing face will move forward until fracturing. The results are basically meaningful for the remote sensing and the forecast of some natural and 2 * 003 年 6 月 3 日 收 到 初 稿 , 2003 年 7 月 27 日 收 到 修 改 稿 。 全 国 优 秀 博 士 学 位 论 文 专 项 基 金(200046)和 北 京市自 然 科 学 基 金重 点 项 目 (8001003)联 合 资 助 项 目 。 作者 吴 立 新 简 介 : 男 , 1966 年 生 , 博 士 , 现 任 教 授 、 博 士 生 导 师 、 中 国 矿 业 大 学 (北 京校 区 )3S 与 沉 陷 工 程 研 究 所 所 长 , 主 要 从 事 开 采 沉 陷 理 论 与 控 制 技 术 、 GIS 理 论 与 算 法 、 3S 集 成 与 应 用 、 数 字 矿 山 理 论 与 关 键技 术 、 地 震 遥 感 及 遥 感 -岩 石 力 学 等 方 面 的教 学 与 研 究 工 作。 E-mail: wlx@cumtb. edu. cn。 • 540 • 岩 石 力 学 与 工 程 学 报 2004 年 rock engineering disasters, such as earthquake, rock burst, mine burst and landslide. Key words remote sensing-rock mechanics, tectonic earthquake, earthquake remote sensing, thermal infrared abnormity, rock compressively-sheared fracturing 1 引 言 垫 块 岩 石 的压 剪 破 裂 是 自 然 界 经 常 发 生 的一种 地 质 模 具 力 学 与 岩 石 工 程 力 学 现 象 , 如 地 震 、 滑 坡、 岩 爆 、 试 样 矿 柱 屈 服 等 。 以 地 震 为 例 , 其 发 生 机 制 除 断 层 粘 滑 [1] 错动 发 震 之 外 , 另 一种 可 能 机 制 即 是 地 壳 局 部 完 应 变 片 [ 2] 整 岩 体 随 应 力 增 加而 破 裂 发 震 。文 [3~ 9]围 绕岩 石 的单 轴 抗 压 实 验 、 文 [8~ 10]对 岩 石 双 剪 摩 擦 滑 移 实 验 和 岩 石 撞 击 实 验 进 行 了 一系 列 岩 石 受 力 至 破 裂 过 程 中 的红 外 辐 射 特 征研 究 ,发 现 了 一系 列 定 性 规 律 , α [ 11, 12] 得 出 了 一些 定 量 结 果 。 以 上研 究 , 为 地 震 卫 星 图 1 岩 石 压 剪 实 验 加载 示 意 图 遥 感 热 红 外 异 常 现 象 的物 理 -力 学 机 制 提 供 了 合 理 解 释 , 但 对 于 压 剪 破 裂 的红 外 辐 射 前 兆 及 其 地 震 预 报 意 义 尚 缺 乏 探 索 。 Fig.1 Diagram of compressively-shearing load test for rock 实 验 方 法 为 通 过 油压 手 动 控 制 对 岩 石 试 样 施 行 大 体 匀 速 的加压 (2~ 5 kN/s), 直 至 破 裂 , 利 用 红 外 热 像 仪 观 测 并 实 时 记 录 试 块 表 面 热 红 外 辐 射 温 度 随 应 力 的变 化 情况 。 中 国 首 都 圈 属于 构 造 地 震 多 发 地 区 , 中 强 及 以 上构 造 地 震 的短 临 预 报 对 首 都 北 京的社 会 经 济可 持 续 发 展 与 国 家 稳 定 具 有 极 为 重 要 的现 实 意 义 。 为 探 索 建立 首 都 圈 构 造 地 震 卫 星 遥 感 短 临 预 报 的科 学 基 础 、 分 析 方 法 与 关 键参 数 , 作者从 首 都 圈 采 集 多 种 岩 石 , 针 对 完 整 岩 体 破 裂 的地 震 孕 育 机 制 , 进 行 了 岩 石 压 剪 破 裂 过 程 的热 红 外 辐 射 成 像 规 律 实 验 研 究 。 3 实 验 结 果 3.1 不 同 剪 倾 角 下 剪 切 带 上 的 应 变 规 律 压 剪 条 件 下 岩 石 变 形 要 比 单 轴 条 件 下 复 杂 得 多 。 同 一剪 倾 角 下 多 次 重 复 实 验 表 明 , 剪 切 带 上的 应 变 形 式 与 剪 倾 角 有 密 切 关 系 : 剪 倾 角 为 45ꢆ时 , 剪 切 带 上的应 变 形 式 多 为 “ 先压 后 剪 ” 型 , 压 应 变 在 加载 过 程 中 占 优 势 的时 间 比 例 要 大 于 剪 应 变 ; 剪 倾 角 为 60ꢆ或 70ꢆ时 , 剪 切 带 的应 变 类 型 多 为 单 一的 剪 应 变 。 2 实 验 设 计 压 剪 实 验 是 岩 石 剪 切 实 验 经 常 使 用 的一种 , 如 图 1 所 示 , 其 中 , α 称 为 剪 倾 角 。 本次 实 验 使 用 的 压 力 机 为 长 江 -200 型 ; 压 剪 模 具 的剪 倾 角 有 3 种 , 分 别 为 45ꢆ, 60ꢆ和 70ꢆ。 红 外 辐 射 遥 感 装 置 为 TVS-8100MKII 型 红 外 热 像 仪 , 其 温 度 灵 敏 度 为 ( 1) 剪 倾 角 为 45ꢆ时 剪 切 带 的应 变 类 型 图 2 所 示 为 编 号 3-7 的石 灰 岩 在 45ꢆ剪 倾 角 下 载 荷 -时 间 和 应 变 -时 间 曲 线 的对 照 图 (其 中 应 变 为 正 时 表 示 压 应 变 占 优 势 , 为 负 时 表 示 剪 应 变 占 优 势 , 以 下 同 )。 从 图 中 看 出 , 载 荷 -时 间 曲 线 以 及 应 变 -时 间 曲 线 形 式 相 似 , 同 步 变 化 。 从 加载 开 始 到 最 大 压 应 变 点 A, 载 荷 、 应 变 均 呈 上升 趋势 , 两曲 线 基 本平 行 ; A 点 之 后 , 载 荷 继 续 上升 , 而 应 变 则 转 为 下 降 , 表 明 此 时 应 变 由 原来 的压 应 变 优 势 转 化 为 剪 应 变 优 势 。这 种 趋势 一直 持 续 到 B 点 (峰 值 载 荷 C 点 之 前 ), 随 载 荷 继 续 增 加, 剪 应 变 继 续 增 大 , 并 逐 渐 超 出 应 0.025 ℃ , 最 大 采 样 速 率 为 60 帧 /s。 实 验 时 将 其 正 对 试 样 , 距 离 1.2 m 左右 。 实 验 使 用 5 种 岩 石 , 分 别 为 汉 白 玉 、 大 理 岩 、 石 灰 岩 、 二 辉 辉 长 岩 和 花 岗 闪 长 岩 , 将 其 加工 成 7 cm基 7 cm基 7 cm 的立 方 体 试 样 , 端 面 不 平 行 度 小 于 0.01 mm。 为 了 解 剪 切 带 上的应 变 情况 , 在 试 样 中 心 附 近 垂 直 跨过 剪 切 面 粘 贴 电 阻 应 变 片 ,如 图 1 所 示 。 为 避 免影 响 红 外 辐 射 观 测 , 应 变 片 粘 贴 在 试 样 的后 侧 , 即 背 向 热 像 仪 的一面 。 第 23 卷 第 4 期 吴 立 新 等 . 遥 感 -岩 石 力 学 (IV)— — 岩 石 压 剪 破 裂 的热 红 外 辐 射 规 律 及 其 地 震 前 兆 意 义 • 541• 2 2 2 2 2 2 9.30 9.28 9.26 9.24 9.22 9.20 0 20 40 60 时 间/s a) 单 调 下 降 型 (汉 白 玉试 样 4-4) 80 100 120 140 ( 图 2 剪 倾 角 为 45ꢆ时 石 灰 岩 试 样 3-7 的载 荷 -时 间 和 应 变 - 时 间 曲 线 对 照 图 2 9.14 9.12 9.10 9.08 9.06 Fig.2 Comparison of load-time and strain-time curves of limestone sample 3-7 at 45ꢆshearing angle 2 2 2 2 变 片 的测 定 范 围 , 预 示 剪 切 破 裂 即 将 到 来 。 ( 2) 剪 倾 角 为 60ꢆ或 70ꢆ时 剪 切 带 的应 变 类 型 图 3 所 示 为 编 号 1-10 的大 理 岩 试 样 在 剪 倾 角 为 70ꢆ时 应 变 -载 荷 的关 系 曲 线 。 从 图 中 可 以 看 出 , 在 29.040 20 40 60 80 100 120 时 间/s 加载 过 程 中 , 随 着 载 荷 的增 大 , 曲 线 一直 在 下 降 。 表 明 整 个加载 过 程 中 , 剪 应 变 始 终 占 绝 对 优 势 。 ( b) 先 降 后 升 型 (石 灰 岩 试 样 3-6) 2 7.12 7.10 7.08 7.06 7.04 7.02 2 2 2 2 2 0 20 40 60 80 100 120 140 160 时 间/s ( c) 单 调 上 升 型 (闪 长 岩 试 样 5-8) 图 3 剪 倾 角 为 70ꢆ时 大 理 岩 试 样 1-10的剪 切 带 应 变 -载 荷 关 系 曲 线 图 4 岩 石 压 剪 破 裂 过 程 表 面 红 外 辐 射 能 变 化 Fig.4 Variation of surface infrared radiation energy in the process of compressively-shearing loading for rock Fig.3 Strain-load curve of marble sample 1-10 in shearing-zone at shearing angle 70ꢆ 3 .2 压 剪 过 程 中 热 红 外 辐 射 温 度 变 化 规 律 粒 间 的基 质 胶 结 性 较 差 , 造 成 结 构 松 散 。 这 些 多 空 隙 、 松 散 的结 构 特 征造 成 岩 石 在 加载 过 程 中 因 空 隙 中 气 体 的受 压 溢 出 而 出 现 吸 热 现 象 造 成 温 度 下 降 。 (2) 与 剪 倾 角 的关 系 为 研 究 剪 切 带 热 红 外 辐 射 能 的变 化 情况 , 对 试 块 表 面 以 剪 切 带 为 对 称 轴 、 宽 约 3 cm 的矩 形 区 域 的 红 外 热 像 数 据 进 行 重 采 样 , 分 析 该 区 域 的平 均 辐 射 能 (体 现 为 平 均 辐 射 温 度 , AIRT)随 载 荷 (对 应 于 时 间 t)的变 化 规 律 。 分 析 发 现 , AIRT 随 载 荷 的变 化 类 型 与 剪 倾 角 大 小 有 密 切 关 系 。 随 着 剪 倾 角 由 大 到 小 , AIRT-t 曲 线 的变 化 规 律 为 从 单 调 下 降 到 先降 后 升 , 再到 单 调 上升 。 其 物 理 -力 学 机 制 为 : 压 应 变 生 热 , 拉 应 变 吸 ( 1) 与 岩 性 的关 系 分 析 发 现 , 岩 石 压 剪 至 破 裂 过 程 中 , 试 样 表 面 平 均 红 外 辐 射 能 变 化 与 岩 性 有 关 。 如 图 4 所 示 , 石 灰 岩 和 汉 白 玉 在 加载 过 程 中 AIRT 的变 化 以 降 温 为 主 , 而 闪 长 岩 则 以 升 温 为 主 。 分 析 原因 , 认 为 这 与 岩 石 的结 构 有 关 。 石 灰 岩 中 多 含 空 隙 , 而 汉 白 玉 晶 [ 13] [8] 热 ; 岩 石 压 破 坏 升 温 , 岩 石 拉 破 坏 降 温 。 剪 应 变 与 拉 应 变 有 相 似 之 处 (即 均 使 体 积 增 大 ), 因 而 从 热 力 学 效 果 上与 拉 应 变 一样 是 吸 热 行 为 。 因 此 , 剪 倾 角 越 大 , 剪 应 变 优 势 越 强 , 剪 切 带 降 温 越 明 显 ; • 542 • 岩 石 力 学 与 工 程 学 报 2004 年 而 剪 倾 角 越 小 , 压 应 变 优 势 越 强 , 剪 切 带 升 温 越 明 显 。 表 1 为 5 种 岩 石 在 不 同 剪 倾 角 下 试 样 表 面 的 AIRT 随 t 变 化 的统 计 结 果 。 并 逐 渐 趋于 明 显 ; 80 s 左右 , 在 剪 切 带 的上端 出 现 高 温 辐 射 区 , 到 86 s 时 趋于 明 显 ; 之 后 , 高 温 区 出 现 回 落 , 并 多 次 波 动 , 直 到 100 s 左右 ; 100 s 之 后 , 剪 切 带 上端 的高 温 辐 射 开 始 明 显 , 其 下 侧 前 沿 逐 渐 向 下 迁 移 、 发 展 , 直 到 110 s 达 到 蜂 值 载 荷 时 发 生 剪 切 破 裂 。 表 1 岩 石 AIRT 变 化 类 型 与 剪 倾 角 的 对 照 表 Table 1 Contrast of AIRT variation and shearing angle for rock 110 s 过 后 , 破 裂 试 样 进 入 沿 剪 切 面 的摩 擦 滑 移 AIRT 变 化 类 型 对 应 试 样 数 目 岩 性 剪 倾 角 /(ꢆ) 试 样 数 阶 段。 滑 动 过 程 中 , 因 摩 擦 生 热 , 致 使 剪 切 面 的温 度 不 断 升 高 。 由 于 剪 切 面 粗 糙 不 平 , 使 得 各 处 的应 力 分 布 不 均 , 因 而 摩 擦 生 热 的程 度 不 同 , 致 使 剪 切 带 上的辐 射 温 度 不 均 。 值 得 注意 的是 , 当加载 至 单 调 升 单 调 降 先降 后 升 4 5 3 0 0 2 0 0 3 0 1 1 0 0 5 0 0 0 0 3 0 2 3 0 1 0 1 1 1 0 2 1 0 3 0 1 1 0 1 1 2 1 1 1 0 0 1 3 3 3 3 3 3 4 2 3 3 2 2 5 2 2 辉 长 岩 60 7 4 0 5 140 s 左右 时 , 在 与 剪 切 面 斜 交 的方 向 上增 加了 几 条 石 灰 岩 闪 长 岩 汉 白 玉 大 理 岩 60 与 最 初 出 现 的剪 切 平 行 的次 级 断 裂 , 构 成 了 羽 裂 。 羽 裂 在 力 学 性 质 上属于 剪 裂 。 这 种 在 主 破 裂 两侧 (或 一侧 )分 布 的羽 裂 现 象 是 自 然 界 经 常 遇 到 的地 质 现 象 , 它 是 主 剪 切 面 上剪 应 力 作用 的次 级 效 应 。 从 红 外 热 像 图 看 出 , 羽 裂 处 的辐 射 温 度 较 高 , 而 羽 裂 间 的辐 射 温 度 较 低 。 这 与 先前 的研 究 结 果 “ 剪 裂 带 处 的辐 射 温 度 升 高 、 而 带 间 的辐 射 温 度 降 低 ” 相 7 4 0 5 60 7 4 0 5 60 7 4 0 5 60 [ 11, 12] 同 。 7 0 图 7 为 石 灰 岩 试 件 3-6 压 剪 破 裂 过 程 的红 外 热 像 典 型 序 列 。 分 析 热 像 序 列 表 明 , 53 s 之 前 , 试 件 3.3 压 剪 破 裂 的 热 红 外 辐 射 异 常 前 兆 分 析 试 样 的 AIRT-t 曲 线 发 现 , 部 分 岩 石 试 样 在 2 8.93 AIRT-t 曲 线 上存 在 破 裂 前 兆 , 前 兆 的形 式 表 现 为 在 临 破 裂 前 AIRT-t 曲 线 快 速 上升 , 前 兆 的存 在 与 剪 倾 角 有 密 切 关 系 。 当剪 倾 角 为 45ꢆ和 60ꢆ时 , 分 别 有 28.92 28.91 28.90 28.89 28.88 28.87 A 7 3%和 74%的试 样 破 裂 前 出 现 了 热 红 外 辐 射 异 常 前 兆 , 前 兆 分 别 平 均 出 现 在 峰 值 载 荷 的 77%和 82%; 而 当剪 倾 角 为 70ꢆ时 , 只 有 14%的试 样 存 在 破 裂 前 兆 , 前 兆 平 均 出 现 在 峰 值 载 荷 的 94%。 表 明 随 着 剪 倾 角 的增 大 , 出 现 前 兆 的几 率 减 小 , 且 出 现 前 兆 的 时 间 越 靠 近 破 裂 时 刻 。 0 20 40 60 80 100 时 间/s ( a) 有 降 温 型 (石 灰 岩 试 样 3-9) 2 7.15 如 图 5(a)和 5(b)所 示 , 当载 荷 分 别 达 到 破 坏 载 荷 的 76%, 82%时 (对 应 A 点 ), 出 现 快 速 升 温 。 受 岩 性 影 响 , 岩 石 压 剪 破 裂 前 的这 种 快 速 升 温 现 象 表 现 出 细 微 的差 异 性 。 图 5(a)中 的石 灰 岩 试 样 3-9 在 临 破 裂 之 前 的快 速 升 温 过 程 中 出 现 了 短 暂 的降 温 异 常 ; 而 图 5(b)中 的辉 长 岩 试 样 2-46 在 临 破 裂 之 前 一 直 保持 快 速 升 温 , 没 有 降 温 。 27.14 27.13 27.12 27.11 27.10 A 2 2 2 7.09 7.08 7.07 27.060 20 40 60 时 间/s b) 无 降 温 型 (辉 长 岩 试 样 2-46) 80 100 120 140 3.4 加 载 过 程 中 的 红 外 热 像 特 征 ( 图 6 所 示 为 大 理 岩 试 样 1-9 压 剪 破 裂 过 程 中 的 红 外 热 像 典 型 序 列 。 分 析 热 像 序 列 表 明 , 40 s 之 前 , 图 5 岩 石 压 剪 破 裂 的红 外 辐 射 快 速 升 温 前 兆 Fig.5 The compressively-sheared fracturing omen of rock as TIR temperature rises rapidly 试 样 表 面 的红 外 辐 射 温 度 呈 整 体 性 的上升 趋势 ; 在 40 s 左右 , 试 样 表 面 出 现 一条 与 剪 切 面 斜 交 的破 裂 , 第 23 卷 第 4 期 吴 立 新 等 . 遥 感 -岩 石 力 学 (IV)— — 岩 石 压 剪 破 裂 的热 红 外 辐 射 规 律 及 其 地 震 前 兆 意 义 • 543• 图 7 石 灰 岩 试 样 3-6 压 剪 破 裂 过 程 红 外 热 像 典 型 序 列 Fig.7 Typical TIR images in the compressively sheared fracturing process of limestone sample 3-6 图 6 大 理 岩 试 样 1-9 压 剪 破 裂 过 程 的红 外 热 像 典 型 序 列 Fig.6 Typical TIR images in the compressively sheared fracturing process of marble sample 1-9 然 地 震 。 初 始 出 现 的次 级 破 裂 , 相 当于 主 震 的前 震 , 而 之 后 随 着 应 力 进 一步 积 累 出 现 的主 破 裂 则 相 当于 主 震 。 前 震 的出 现 改 变 了 主 震 应 力 的空 间 分 布 , 致 使 沿 地 震 带 表 面 红 外 辐 射 的空 间 分 布 随 之 发 生 相 应 变 化 , 表 现 为 异 常 区 的迁 移 和 同 一位 置 的波 动 。 的整 体 红 外 辐 射 温 度 在 下 降 ; 53 s 之 后 开 始 回 升 ; 在 95 s 附 近 ,剪 切 带 上部 附 近 开 始 出 现 区 域 性 升 温 。 之 后 , 随 着 加载 继 续 , 带 状 分 布 的高 温 现 象 更 为 明 显 , 并 逐 渐 向 下 扩展 , 一直 持 续 到 106 s, 同 时 , 剪 切 带 周围 的温 度 也呈 上升 趋势 ; 107 s 时 , 岩 石 发 生 剪 切 破 裂 , 剪 切 带 处 的辐 射 温 度 发 生 局 部 性 的突 然 升 高 , 同 时 , 它 周围 的温 度 发 生 回 落 , 表 明 周围 岩 石 因 破 裂 发 生 应 力 释 放 而 出 现 了 应 力 松 弛 。 107 s 之 后 , 破 裂 试 样 进 入 沿 剪 切 面 的摩 擦 滑 移 阶 段。 滑 动 过 程 中 , 因 摩 擦 生 热 致 使 剪 切 带 温 度 继 续 升 高 。 上述 试 样 的热 像 监 测 结 果 表 明 , 整 个加载 至 破 4 讨 论 根 据 Stanfen-Boltzman 定 律 , 物 体 表 面 的红 外 辐 射 能 与 其 物 理 温 度 的 4 次 方 和 发 射 率 成 正 比 。 发 射 率 决 定 于 岩 石 材料 及 其 表 面 光 洁 度 。 岩 石 在 压 剪 破 裂 过 程 中 , 其 发 射 率 基 本不 变 , 红 外 辐 射 变 化 实 际 上是 由 表 面 物 理 温 度 的变 化 引 起 的。 温 度 变 化 来 源 为 热 -力 耦 合 效 应 。 热 -力 耦 合 效 应 在 金属以 及 其 [13] 他 均 质 体 (如 聚 合 物 )中 研 究 较 多 , 一般 存 在 热 弹 裂 过 程 中 , 沿 破 裂 带 出 现 的红 外 辐 射 增 温 异 常 现 象 具 有 以 下 的时 空 特 征: (1) 时 间 特 征: 异 常 -平 静 - 恢 复 -加剧 扩展 过 程 顺 序 出 现 ; (2) 空 间 特 征: 从 一 端 向 另 一端 迁 移 并 发 展 。 此 外 , 由 于 主 破 裂 发 生 之 前 , 沿 剪 切 带 出 现 的一些 小 破 裂 使 得 沿 剪 切 带 的红 外 辐 射 高 温 现 象 发 生 波 动 性 变 化 , 这 与 先前 的研 究 结 果 “ 有 损 伤岩 石 加载 过 程 中 红 外 辐 射 具 有 较 大 的 ( thermoelastic)和 热 塑 (thermoplastic)两种 效 应 。 与 金 属和 聚 合 物 不 同 , 岩 石 是 一种 各 向 异 性 的非 均 质 材 料 , 其 力 学 性 质 主 要 表 现 为 脆 性 , 在 加载 过 程 中 会 出 现 脆 性 破 裂 。 因 此 , 岩 石 在 加载 破 裂 过 程 中 主 要 存 在 热 弹 效 应 和 摩 擦 热 (friction-heat)效 应 。 热 弹 效 应 是 固体 材料 普 遍 存 在 的热 效 应 , 它 是 物 体 在 弹 性 阶 段因 受 力 而 引 起 的热 效 应 。 Kelvin 定 [11] 波 动 性 ” 一致 。 岩 石 试 样 的破 裂 过 程 可 以 比 拟 天 • 544 • 岩 石 力 学 与 工 程 学 报 2004 年 律 认 为 , 弹 性 体 的温 度 变 化 量 与 其 所 受 的主 应 力 之 和 成 正 比 : 当物 体 发 生 压 缩变 形 时 , 温 度 会 升 高 , 受 拉 伸 时 , 温 度 会 降 低 。 该 定 律 对 于 岩 石 材料 同 样 适 用 , 即 岩 石 在 弹 性 阶 段也存 在 热 弹 效 应 。 过 去的 单 轴 加载 实 验 证 明 了 岩 石 热 弹 效 应 的存 在 , 岩 石 线 弹 性 变 形 阶 段的红 外 辐 射 温 度 变 化 与 轴 向 应 力 之 间 且 压 剪 比 越 高 , 出 现 前 兆 的时 间 越 早 ; 空 间 上, 破 裂 前 沿 剪 切 区 域 出 现 的高 温 异 常 条 带 具 有 前 沿 推 进 即 “ 由 一端 向 另 一端 迁 移 、 扩展 ” 特 点 ; (5) 利 用 卫 星 热 红 外 遥 感 对 地 震 活 动 区 进 行 遥 感 监 测 和 地 震 短 临 预 报 时 , 应 结 合 常 规 地 应 力 监 测 进 行 综 合 分 析 ; [ 11, 12] ( 6) 本研 究 结 果 对 于 岩 爆 、 矿 爆 、 边 坡滑 移 等 存 在 线 性 关 系 。 弹 性 阶 段之 后 , 岩 石 会 发 生 破 自 然 与 岩 石 工 程 灾 害 的遥 感 与 预 报 具 有 同 样 重 要 的 基 础 意 义 。 裂 和 屈 服 。 此 时 , 岩 石 内部 产 生 大 量 的微 破 裂 , 这 些 微 破 裂 在 进 一步 发 展 过 程 中 两个破 裂 面 会 在 正 应 力 和 剪 应 力 的作用 下 发 生 错动 摩 擦 , 并 产 生 摩 擦 热 效 应 。 致 谢 压 剪 实 验 得 到 北 京科 技 大 学 资 源 学 院 王 保 学 、 杨 同 老 师 的支 持 和 配 合 , 特 此 致 谢 ! 由 于 剪 应 变 具 有 压 缩变 形 和 拉 伸 变 形 的双 重 特 点 , 其 热 弹 效 应 比 较 复 杂 。 对 于 压 剪 而 言 , 当剪 倾 角 较 小 时 , 压 应 变 占 优 势 , 沿 剪 切 面 会 出 现 升 温 ; 而 当剪 倾 角 由 小 变 大 时 , 剪 应 变 开 始 占 优 势 , 沿 剪 切 面 的升 温 越 来 越 弱 , 以 至 出 现 降 温 。 此 外 , 当剪 倾 角 较 小 时 , 主 破 裂 前 沿 剪 切 带 出 现 的微 破 裂 由 于 正 应 力 较 大 , 摩 擦 效 应 较 强 , 沿 剪 切 带 摩 擦 热 效 应 较 明 显 , 如 45ꢆ剪 倾 角 时 绝 大 多 数 试 样 破 裂 前 出 现 了 红 外 异 常 升 温 速 度 加快 现 象 ; 而 剪 倾 角 由 小 变 大 时 , 同 样 载 荷 下 剪 切 面 上的正 应 力 会 越 来 越 小 , 因 而 在 破 裂 阶 段产 生 的摩 擦 热 效 应 也就 越 来 越 小 , 故 破 裂 时 热 红 外 前 兆 也就 越 来 越 不 明 显 , 如 70ꢆ剪 倾 角 时 , 很少 出 现 热 异 常 前 兆 。 参 考 文 献 1 2 3 4 5 6 Brace W F , Byerlee J D. Stick slip as a mechanism for earthquakes[J]. Science, 1966, 153, 990~ 992 陈 . 地 壳 岩 石 的力 学 性 能 — — 理 论 基 础 与 实 验 方 法 [M]. 北 京: 地 震 出 版 社 , 1988 耿 乃 光 , 崔 承 禹 , 邓明 德 . 岩 石 破 裂 实 验 中 的遥 感 观 测 与 遥 感 岩 石 力 学 的开 端 [J]. 地 震 学 报 , 1992, 14(增 ): 645~ 652 崔 承 禹 , 邓明 德 , 耿 乃 光 . 在 不 同 压 力 下 岩 石 光 谱 辐 射 特 性 研 究 [J]. 科 学 通 报 , 1993, 38(6): 538~ 541 邓明 德 , 崔 承 禹 , 耿 乃 光 . 遥 感 用 于 地 震 预 报 的理 论 及 实 验 结 果 [J]. 中 国 地 震 , 1993, 9(2): 163~ 169 邓明 德 , 樊 正 芳 , 耿 乃 光 等 . 混 凝 土 的微 波 辐 射 和 红 外 辐 射 随 应 力 变 化 的实 验 研 究 [J]. 岩 石 力 学 与 工 程 学 报 , 1997, 16(6): 577~ 583 5 结 论 7 8 Wu L X, Wang J Z. Features of infrared thermal image and radiation temperature of coal rocks loaded[J]. Science in China, 利 用 红 外 热 像 仪 实 验 监 测 并 分 析 了 首 都 圈 5 种 1 998, 41(2): 158~ 164 地 壳 岩 石 压 剪 破 裂 过 程 的红 外 辐 射 规 律 , 根 据 Stanfen-Boltzman 定 律 和 Kelvin 定 律 , 分 析 了 岩 石 压 剪 破 裂 过 程 的红 外 辐 射 异 常 的物 理 -力 学 机 制 , 并 基 于 地 壳 岩 体 破 断 发 震 机 制 讨 论 了 其 地 震 前 兆 意 义 , 得 到 以 下 主 要 结 论 : Wu L X, Cui C Y, Geng N G, et al. Remote sensing rock mechanics(RSRM) and associated experimental studies[J]. Int. J. Rock Mech. & Min. Sci., 2000, 37(6): 879~ 888 9 1 1 吴 立 新 . 遥 感 岩 石 力 学 及 其 新 近 进 展 与 未来 发 展 [J]. 岩 石 力 学 与 工 程 学 报 , 2001, 20(2): 139~ 146 ( 1) 岩 石 压 剪 破 裂 过 程 存 在 热 弹 效 应 和 摩 擦 热 效 应 两种 热 -力 耦 合 效 应 ; 2) 岩 石 压 剪 破 裂 过 程 的热 -力 耦 合 效 应 与 剪 切 0 1 吴 立 新 , 李 国 华 , 吴 焕 萍 . 热 红 外 成 像 用 于 固体 撞 击 瞬 态 过 程 监 测 的实 验 探 索 [J]. 科 学 通 报 , 2001, 46(2): 172~ 176 刘 善 军 , 吴 立 新 , 吴 焕 萍 等 . 多 暗 色矿 物 类 岩 石 单 轴 加载 过 程 中 红 外 辐 射 定 量 研 究 [J]. 岩 石 力 学 与 工 程 学 报 , 2002, 21(11): ( 面 上的正 应 力 大 小 密 切 相 关 , 即 压 剪 比 越 高 , 压 剪 破 裂 过 程 中 红 外 辐 射 升 温 现 象 就 越 明 显 ; 1 585~ 1 589 ( 3) 在 合 适 的压 剪 条 件 下 即 压 应 变 占 优 势 时 , 1 1 2 3 Wu L X, Liu S J, Wu Y H. Changes in IR with rock deformation[J]. Int. J. Rock Mech. & Min. Sci., 2002, 39(6): 825~ 831 Harwood N, Cummings W M. Thermoelastic Stress Analysis[M]. Bristol: IOP Publishing Ltd., 1991 岩 石 压 剪 破 裂 存 在 红 外 辐 射 异 常 破 裂 前 兆 , 实 验 证 实 了 傅 承 义 院 士 1971 年 提 出 的震 前 “ 红 肿 说 ”; ( 4) 压 剪 破 裂 前 兆 有 明 显 的“ 时 空 ” 特 征, 即 : 时 间 上, 当载 荷 增 加到 约 80%破 坏 应 力 时 , 沿 剪 切 区 域 的平 均 红 外 辐 射 温 度 开 始 出 现 加速 升 温 前 兆 ,
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