作者：马胜利等
摘　要　基于一组实验结果,讨论了岩石标本的非均匀性(预存微裂纹和宏观裂纹) 对声发射时空分布的影响.对比分析表明,预存微裂纹的存在使得破裂成核前声发射率快速增加、b 值表现出一种短期异常现象,即在下降背景上出现起伏,从而增加了破裂时间的可预报性. 宏观结构(节理、层面等) 的存在对声发射率和b 值的影响与微裂纹相同,而且宏观结构对声发射的空间分布具有控制作用,声发射丛集的宏观构造通常控制着未来的主破裂. 这意味着宏观构造的存在使得主破裂的时间和位置预报成为可能.
关键词　声发射　非均匀性　微裂纹　宏观构造
1 　引　言
自20世纪60年代以来,岩石变形声发射研究始终是实验地震学的主要研究方向之一,国内外学者在此方面开展了大量的研究,内容涉及声发射时间序列、空间分布、b值和频谱随时间的变化、破裂源机制等(如:Lockner[1 ] ,蒋海昆和张流[2 ] ) . 实验结果表明,岩石变形中声发射的时空分布受多种因素的影响,如岩石性质、加载方式和历史、围压和温度、岩石的非均匀性及预存构造等. 其中实
验标本的非均匀性是影响声发射时空分布的重要因素. 例如,早期的实验研究便提出了介质非均匀程度是决定b 值大小的主要因素[3 , 4 ] ,随后的实验表明障碍体、预存断层( 裂纹) 等对b 值也有影响[5 ] ,近来的研究则表明,预存构造的差异比力学条件对b 值的大小有更重要的影响[6 , 7 ] . 标本非均匀性(各种预存裂缝、障碍体或包体等) 对声发射时间序列、空间分布的影响也是很明显的[6～15 ] .
鉴于实际地壳中介质和结构的非均匀性,研究非均匀性对标本声发射特征的影响,对于深入理解地震活动图像的物理意义是非常有益的. 然而,由于实验条件、实验设备等方面的差异,根据这些结果难以系统讨论标本非均匀性对声发射时空分布的影响.
近期在日本产业技术综合研究所用同一套实验设备、在基本相同的实验条件下,开展了对非均匀标本声发射特征的研究,取得了一些新的结果[16～18 ] .本文基于这些结果,重点讨论预存微观和宏观构造对声发射时空分布特征的影响及其在理解地震活动图像中的意义.
2 　实验方法与结果
本文涉及的实验标本包括花岗斑岩、花岗岩、含有愈合节理的花岗岩、含有石英脉的页岩以及含有愈合节理的花岗斑岩等. 标本均为直径50mm、长度100mm的圆柱体,在标本表面和两端压块上布设了20～30 个直径为5mm 的压电陶瓷传感器来记录声
发射事件的波形,在标本中部还粘贴了6 组应变片来测量标本的变形过程. 声发射信号通过一套32通道、采样速率20MHz、分辨率12bit 、每秒可记录数千个声发射事件全波形的数字式观测系统,利用声发射事件的P 波到时并考虑波速的变化,可对声发射破裂源进行定位,定位精度为2～3mm. 此外,该系统上还有两个峰值检波器来记录声发射事件的最大振幅,据此可计算声发射b 值和发生率. b 值的计算采用最大似然法,计算窗口为500 个事件,滑动步长为125 个事件. 实验在液体介质三轴容器中进行,采用等应力速率加载方式. 实验设备与方法详见文献[19 ] .
2. 1 　花岗斑岩的实验结果
花岗斑岩的主要矿物组成为石英、斜长石、钾长石等,粒度分布范围为1～10mm ,平均粒度5mm. 微观观察表明,这种岩石中几乎不含预存微裂纹(图1d) ,岩石具有较大的初始波速(6. 15 kmPs) 以及波速随围压缓慢增加的事实证明了这一点[17 ] . 实验中围
压为60 MPa ,以6～7 MPaPmin 的等应力速率加载至标本破裂.
标本的破裂应力约为780MPa ,在应力450 MPa左右时开始产生声发射,但在主破裂发生前仅记录到大约2000 个声发射事件,而在动态破裂过程中记录到大约2500 个声发射事件;与最大主应力呈45°夹角的方向上应变随时间线性增加,表明破裂前标本无明显的扩容现象(图1a ,图版Ⅰ) . 破裂发生前声发射发生率始终很低,随应力增加仅略有增加,而伴随动态破裂的发生声发射发生率急剧增加;声发射b 值在破裂前表现出随应力增加而增加的趋势(由0. 7 增至1. 0) ,主破裂发生后迅速增至1. 4 (图1b) ;紧临动态破裂发生前,声发射b 值变化相对平稳(图1c) . 主破裂发生前声发射事件在空间上表现出随机分布的特征,一些小的丛集现象与最终主破裂面无关(图1e) . 这些现象表明,花岗斑岩动态破裂前的成核过程是非常短暂的,破裂以几乎无法预测的方式发生.

2. 2 　花岗岩的实验结果
花岗岩的矿物组成、粒度分布与前述花岗斑岩极为相似,所不同的是花岗岩中含有大量微裂纹,其中包括晶间微裂纹、晶内微裂纹及穿晶裂纹等见图版Ⅰ(图2d) ,岩石具有较小的初始波速(4. 60 kmPs)以及波速随围压增至60 MPa 迅速增加的事实也证明了微裂纹的存在[17 ] . 实验条件与前述花岗斑岩完全相同.
标本的破裂应力约为500MPa , 在应力达到200MPa 左右时开始产生声发射,大量的声发射出现在应力达到350MPa 以后,主破裂发生前共产生了50000 多个声发射事件,与大量声发射事件的产生相对应, 标本表现出明显的扩容现象( 图2a , 图版Ⅰ) ;声发射发生率随应力增加而明显增加,声发射b 值在早期变化不大,临近主破裂前则显示出长期下降背景上的短期波动(图2b) . 特别是紧临动态
破裂发生前b 值由1. 2 急剧降至0. 75 ,与此相对应,声发射率则迅速上升(图2c) . 主破裂发生前声发射事件在空间上主要集中在几个尺度10mm 左右的丛集区中,反映出预存裂纹及矿物颗粒边界对微破裂的控制作用,但丛集现象对最终主破裂并无指示意义(图2e) . 显然,声发射b 值和发生率所表现出的前兆性变化,使得岩石主破裂的时间可预报性增强.
2. 3 　含愈合节理花岗岩的实验结果
实验采用的花岗岩的主要矿物组成为石英、斜长石、钾长石等,平均粒径为5mm ,含有粒径达20mm左右的长石斑晶,发育有被硅质胶结的天然节理.实验标本中含有一条与长轴方向呈20°～35°夹角的天然节理,对比图3d 所示的标本实验前后的CT 扫描图可见该节理的存在(右图中白色条带所示的主破裂几乎与天然节理重合) . 实验中围压为40MPa ,以3MPaPmin 的等应力速率加载至标本破裂.标本的破裂应力约为320MPa , 在应力仅达110MPa 左右时,便有声发射产生,但大量的声发射事件出现在应力达到280MPa 以后,由体应变反映的标本的扩容也出现在同一时间(图3a ,图版Ⅱ) . 在应力达到280MPa 以前,声发射发生率始终很低,此后声发射发生率随时间迅速增加,声发射b 值从初始值(约1. 3) 开始下降,主破裂发生前b 值在下降背景下表现出明显的波动(图3b) ,紧临动态破裂前b 值由1. 0 快速降至0. 5 左右,而发生率则迅速上升(图3c) . 声发射事件在空间上主要丛集在主破裂面,而主破裂面在空间位置上几乎与愈合节理面重合(图3e) . 显然,愈合宏观节理的存在不仅控制着岩石的微破裂过程,也控制着主破裂的位置,声发射b 值和发生率所表现出的前兆性变化也使得主破裂发生的时间预报性增强.

2. 4 　含石英脉的页岩的实验结果
实验采用的页岩标本层理发育,并含有2 条石英脉,实验中使页岩的层理面与标本轴向(即最大主压应力方向) 成25°～30°夹角,从而使层理成为潜在的破裂面,而与层理面共轭的石英脉也是潜在的破裂面( 图4c , 图版Ⅱ) . 实验中围压为80MPa , 以3MPaPmin 的等应力速率加载至标本破裂. 最终形成了一条沿层理面展布的主破裂,同时还形成了若干条次级破裂,同样受层理控制(图4c) .
标本的破裂应力约为400MPa ,声发射集中出现在应力接近破裂应力前20s 左右的破裂成核阶段(图4a 中标记为“N”) ,其发生率迅速增加直至动态破裂发生(图4b) . 在此阶段,轴向应力下降,标本各部位均出现扩容,其中靠近主破裂的石英脉扩容最明显(图4b 中εV3 ) . 声发射b 值在下降背景下表现出明显的波动,其变化趋势与声发射率正好相反,在动态破裂发生时达到最低值(约0. 7) (图4b) . 声发射事件在空间上主要丛集在主破裂面与两条石英脉的交线上(图4d) . 这表明,相对较弱的层理面控制着主破裂的发生位置,而相对较强的石英脉则控制着破裂过程(起着凹凸体的作用) . 声发射b 值和发生率所表现出的前兆性变化以及石英脉的前兆性扩容使得主破裂的时间预报成为可能.
3 　讨论与结论
3. 1 　预存微构造的影响
实验结果表明,花岗斑岩与花岗岩具有明显不同的破坏特征:花岗斑岩具有较高的破裂强度,破裂前声发射活动很弱,声发射b 值则随应力而增加,声发射源在空间上表现出随机丛集的分布特征,表明破裂以难以预测的方式产生;花岗岩破裂前声发射活动随应力迅速增加,声发射b 值则随应力增加而下降,在峰值应力处达最小值,随后则表现为下降背景上的起伏,声发射源在空间分布上表现出具有
特征尺度(～10mm) 的丛集特征,破裂前声发射发生率的急剧增加和b 值的短期起伏现象可作为预测破裂发生时间的前兆. 考虑到两种岩石在矿物组成和粒度分布上完全相同,所不同的只是花岗斑岩几乎不含微裂纹而花岗岩含有大量微裂纹,因此,上述差异只能归因于预存微裂纹的作用. 一种可能的解释是,致密且不含预存微裂纹的花岗斑岩内部应力分布较为均匀,破裂前声发射可能主要受分布于不同矿物之间的点缺陷控制,因此声发射发生率低且空间分布随机,只有当外加应力达到岩石的破裂强度时,才会有较多的微破裂同时出现. 而含预存微裂纹的花岗岩内部由于不同尺度微裂纹引起的应力集中,应力分布很不均匀,且这种非均匀会随着外加应力的提高而增加,造成了破裂前大量声发射的产生及声发射发生率的不断增加;在较高应力水平下由裂纹相互作用引起的裂纹之间的合并、连接等作用使得能级较大的声发射事件增多,从而使得声发射b 值在破裂前出现下降趋势,而b 值的波动则可能与不同区域裂纹相互作用发生的时间不同有关.
Liu 等[16 ] 利用同一设备和相同的实验方法对另一种花岗岩的实验表明,破裂前声发射发生率随应力而增加,增加速率介于上述两种岩石之间,而这种岩石中微裂纹的密度也介于其间. Lei 等[20 ] 对两种粒度分布不同而裂纹密度相当的花岗岩的实验表明,其
声发射活动随时间的变化特征基本相同. 这些结果表明,岩石标本的微裂纹对破裂过程有重要的控制作用,大量微裂纹的存在会使破裂成核前声发射发生率迅速增加,并显示出b 值的短期异常,即b 值在总体下降的背景下出现起伏,从而使得岩石破坏的时间可预报性增强. 微裂纹的存在也使得破裂前的声发射事件的空间分布由随机的丛集转为受微裂纹控制的丛集,但由于微裂纹的透入性分布特征,这
种丛集特征对主破裂位置并无指示意义.
3. 2 　预存宏观构造的影响
致密花岗斑岩和含微裂纹的花岗岩破裂前声发射事件在空间分布上均与主破裂关系不大,而含有愈合节理的花岗岩破裂前声发射事件在空间上主要丛集在节理面附近,含有石英脉的页岩标本破裂前声发射事件在空间上主要丛集在主破裂面与两条石英脉的交线上,表明预存宏观构造控制着声发射的空间分布,声发射丛集的预存构造指示着未来主破裂的空间位置. 从时间分布上来看,含有愈合节理的花岗岩和含有石英脉的页岩标本具有共同的特征,即声发射主要丛集于主破裂前较短的时间段,声发射b 值在下降背景下表现出明显的波动且变化趋势与声发射率正好相反. 这意味着愈合宏观节理的存在使得岩石主破裂位置和时间的预报成为可能. 显然,从时间特征来看,预存微裂纹和预存宏观构造对声发射活动的影响是相同的. 关于预存构造对声发射空间分布的控制作用不难理解,因为预存构造是变形集中带,新生的微破裂必然丛集于变形集中带. 关于预存构造对声发射时间分布特征的影响,可能的解释是,由于预存构造带内介质强度相对均匀,因此,微破裂(声发射) 事件集中在破裂前相对较短的时间段内;由于微破裂在空间上高度丛集,其间的相互作用强烈,造成了破裂前声发射发生率增加、较大声发射事件明显增多( b 值下降) 的趋势,而声发射发生率和b 值的波动则与预存构造带上存在几何或介质不均匀造成的凹凸体有关.
3. 3 　实验结果的地震学意义
地震活动的时空分布特征是目前地震预报中最重要的参数之一,但实际震例表明强震前地震活动图像是相当复杂的[21 ] . 因此研究影响地震活动图像的因素及其物理意义对地震预报研究是十分重要的. 由前述实验结果推断,在岩石均匀且无预存构造的极端条件下,基于地震活动性难以预报强震发生的时间和地点,在岩石中存在透入性构造(类似于前述微裂纹) 的条件下,根据b 值和地震发生率所表现出的前兆变化可以较准确地预报地震发生的时间,但地点预报是困难的,在岩石中存在大尺度非均匀构造(断层、层面、介质分界面等) 的条件下,不仅根据b 值和地震发生率可以较准确地预报强震发生的时间,还可根据地震活动的空间丛集特征预测强震发生的地点. 当然,实际地壳中的情况是相当复杂的,在很多情况下可能需要综合考虑多种因素,才能做出较准确的判断.