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科学探索之旅:寻找大地震前兆的艰辛历程 精选

已有 6318 次阅读 2018-7-7 16:46 |个人分类:科研随想|系统分类:科研笔记| 大地震前兆, 探索历程

 

地震学家们寻找大地震前兆已有数十年的历史了,但迄今未找到在大地震发生前能重复出现的唯一前兆,以至于《Science》杂志在创刊125年之际(用度娘找),发出了科学之问(第55个难题)——是否存在有助于预报的地震前兆?

看来这个前兆,即使存在,也隐藏的很深。“一班人”已经耗费了毕生的精力、穷经皓首去探寻,至今未果。但幸运的是,这个普适性前兆被“二班人”发现了,其是如何发现的?是被天上掉下的馅饼砸中的吗?别急,下面开始讲述这个科学“淘宝”故事。

通俗来说,地震来自于断层或板块运动导致的岩石破裂,室内受载岩样AE(Acoustic Emission) 试验或矿山MS(Microseismicity)监测分析是探索其宏观破裂前兆的常用手段。这里得说一下,前兆分为直接和间接两种:直接前兆就是破裂(AE/MS)前兆,间接前兆就是因为破裂而导致的物理信号异常变化,如波速比、电磁异常等。本文重点谈前者。

那么,人们在实验室找到直接前兆了吗?如有些试验发现岩样宏观破裂前,会出现因微破裂丛集引起的AE活动指数级增长,有些试验也发现了由此导致的物理信号异常变化。但遗憾的是,这样的前兆或异常不能在实验室中重复且一致地观测到,因为AE活动依赖于岩样的尺寸、形状以及加载条件等,即不同的试验会得到不同的结果;再者,即使其能被重复观测到,因经常观测到的地震丛集现象与后续大地震的对应关系很差,难以用于实战。

怎么办?“二班人”也难办哦。看来须从“机理”上入手,才能另辟蹊径,淘到宝贝。我们发现,大地震的能量载体是断层或被断层围限的锁固段,受压剪作用锁固段在诸多方面与岩样大大不同,见表1。下面分类说说。

表1 岩样与锁固段几何特征、加载条件与力学属性对比


尺度

形状

加载速率

温度压力

均匀性

脆性

岩样

柱状


锁固段

扁平状


一、非均匀性

大家晓得,岩样尺度越小,就越均匀;而天然锁固段尺度远大于岩样(一般为数十乃至数百km),且一般含有节理、断层等不连续面,所以其非均匀性强。值得注意的是,人们在室内试验时,常选择完整试样进行试验,这会导致“Sample bias (Main et al., 2013)”(Laboratory tests typically utilize intact uniform samples of rock in order to produce as uniform a stress field as possible in a controlled test. This introduces a kind of ‘sample bias’, or epistemic error not accounted for in linear scaling arguments, because it is not representative even of the small-scale heterogeneity in the Earth.)。从图1看出,非均匀性越强的岩石,其前兆AE活动越丰富。

  


图1 不同非均质程度材料破坏的声发射序列

(改自Mogi1962

二、形状

锁固段位于断层滑动面上下盘之间,其形状通常呈扁平状,而室内试验采用的岩样通常为高径比2.0左右的细长圆柱样。形状因素对岩石变形破坏过程中的AE活动性也具有显著影响。从图2看出,随着高径比的增加,以AE振铃计数率为代表的宏观破裂前兆显著程度逐渐降低。反之,试样越呈“扁平”状,前兆AE活动越显著。

 

2 不同高径比砂岩单轴压缩破坏声发射活动性

(改自Meng et al.2016))

三、加载速率

天然锁固段承受的加载速率极为缓慢,这是室内岩样和天然锁固段在加载条件方面最大的差异。许多试验研究表明,AE活动性对加载速率有较强的依赖性。缓慢的加载速率使岩石内裂纹的扩展速率同样缓慢,裂纹得以充分地扩展。

在室内条件下,虽然难以完全模拟天然锁固段的加载速率,但通过对比室内蠕变试验和常规静力学压缩试验的AE活动性,能够在一定程度上揭示加载速率对岩石损伤过程中AE活动性的影响。

从图2出,缓慢的加载速率更容易导致岩石在峰前阶段,尤其在体积膨胀点处(推测)出现显著的声发射前兆。


3 砂岩单轴压缩((a)(c))和蠕变((b)(d))状态下声发射数量与能量特性

(改自陈康(2016))

此外,加载模式(单轴、三轴、压剪)及温度、压力等对AE活动特征也有显著影响,在此不再赘述。

让想象力插上翅膀,大胆想象下:如果有一个试样的尺度、形状与加载条件,在一定程度上可类比于天然锁固段时,会发生什么呢?

Ishida et al.2010)介绍了在日本山梨县大月市某隧道中的一次中尺度原位节理岩体直剪试验。试样为节理发育的板岩,夹杂砂岩互层。将其在原位切割成长度和宽度均为0.5 m、高度0.2 m的平板状,并在外浇筑0.1 m厚的混凝土,避免直接在试样上加载导致边界应力集中破坏。在试样垂向上逐步施加压力至3 MPa,在水平方向上进行分级加载,在5分钟内缓慢增加80 kN的荷载后保持5分钟。加载过程共持续了6小时40分钟。对整个加载过程进行AE监测,并确定了部分事件的位置。这个试验的尺度较大且含有节理,其非均匀性强;其呈扁平状,脆性破坏程度较低;加载方式为阶梯状慢速加载,在一定程度上可模拟天然锁固段的加载模式。

从图4看出,在试验中途,AE事件率出现了一次预期的局部剧增(高高的“柱子”),此后又恢复至较低水平,直至在峰值强度点前(在峰值点,出现了一次更高的“柱子”)。这一现象很可能是锁固段被加载至其体积膨胀点所致,是整个峰前加载期间最为显著的AE前兆。


4 原位剪切荷载曲线与声发射事件率

(改自Ishida et al.2010))

那么,天然孕震锁固段是否出现与图4类似的现象呢?以小江地震区(图5)为例, 1833年嵩明MS8.0级地震前,发生了1733年东川MS7.5级地震,与图4很类似哦。这是偶然的吗?


小江地震区MS≥6.0级地震震级-时间序列

155011日至185011日)

非也!这个前兆模式在我们划定的覆盖全球两大地震带(环太平洋与欧亚地震带)的62地震区中全部出现了。我们也建立了锁固段体积膨胀点与峰值强度点的量化模型,说明:在体积膨胀点发生的标志性地震(如东川MS7.5地震),是锁固段宏观破裂(嵩明MS8.0地震)前的唯一可判识前兆。该前兆模式的发现,使得对某些标志性地震的预测成为可能。

找到这个前兆模式,并充分理解它,我们也用了很长时间,脑细胞被干掉无数,不过欣慰的是“功夫不负有心人”。

上述发现启示我们,探寻大地震前兆,必须从孕震地质模型开张,抓住其特有的几何与力学响应特征,是有可能从“贫矿”中淘出宝贝来。此外,还必须具有合适的“时空”视野以及描述前兆模式的可靠力学模型。过去的研究对此重视程度不够,实验与理论研究针对性不强,结果令人失望。

科研嘛,作出一点突破很难,因为容易摘的“苹果”都被“牛顿”们摘走了,但只要留心和持有慧眼,说不定在别人摘过的苹果树上、在茂密的树顶处,还隐藏着一个或几个红彤彤的大苹果,那可是很甜的吆。还等什么,快来摘吧。

参考(略)

扩展阅读:

为何历经多年的试验研究,仍未找到岩体失稳的普适前兆呢?

http://blog.sciencenet.cn/blog-575926-1097262.html




http://blog.sciencenet.cn/blog-575926-1122732.html

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