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岩石破裂过程与地震类型 精选

已有 10227 次阅读 2013-5-31 12:07 |个人分类:科普|系统分类:科普集锦|关键词:岩石破裂,地震类型| 岩石破裂, 地震类型

学过岩石力学的人,都知道一个完整的岩石变形破坏过程(图1)包括:

1.裂纹闭合(压密)阶段;

2.弹性变形阶段;

3.稳定破裂阶段。此阶段的特点是:一旦停止加载,微裂隙会停止扩展;

4.非稳定破裂阶段。此阶段的特点是:即使停止加载,即施加的应力保持不变,微裂隙也会自发扩展,直至发生宏观破裂;

5.峰后宏观破坏阶段。

图1 三轴压缩条件下岩石变形破坏过程

在室内岩样压缩试验中,如果用声发射仪监测岩样的变形破坏过程,会接收到Acoustic Emission (简称AE)信号,也就是微震信号。地震是岩石破裂的产物,大地震是岩石破裂到一定程度发生宏观破坏的结果。大地震的孕育过程应与室内岩样破裂试验揭示的规律类同,不会有本质区别,只不过岩质震源体的尺度远远大于岩样,但万变不离其宗。

下面,以孕震断层中存在单锁固段的7.0级地震危险区为例,基于岩样的不同变形破坏阶段,分析大震孕育过程中的地震活动性特征。试验表明(图2):

1.在岩样压密(裂纹闭合)阶段,AE事件很少或无AE。这相当于某地震区主震事件发生且余震活动结束后,新一轮孕育周期内“受伤”断层及锁固段的“愈合”阶段。由于热力学、化学、挤压等的作用,在此阶段也会发生地震,但量级不大。

2.在弹性变形阶段,岩样基本没有AE产生,即使有AE事件,也为小事件。对某地震区,此阶段地震比较稀疏,且量级在5.0级以下。原理上,在弹性阶段,不应发生AE或地震。发生AE或地震的根源在于:岩石是非均质的,“理想”的弹性阶段并不存在,弹性阶段只能认为是“近似”弹性。在该阶段,岩石内强度低的矿物破裂也会发生地震。

3.在稳定破裂阶段,岩样的微破裂扩展导致AE产生。对断层中的锁固段,此阶段地震活动性开始增强,且最大量级一般不超过6.0级。

4.在非稳定破裂阶段,微破裂在空间的分布出现应变局部化,即已从无序向有序转化。由于微破裂的扩展是一个自发的动态过程,即使停止加载也不能保持稳定的平衡。此阶段的一个显著特点是AE事件开始丛集。对孕震断层中的锁固段,震群事件开始发生,震群事件中最大的一次或两次地震震级约为6.5级。当损伤累积到峰值强度点时,宏观破坏发生,即主震(mainshock)事件发生。

震群事件后发生的距峰值强度点较远的事件,可称之为preshock事件;近邻峰值强度点的事件可称之为foreshock事件。

5.峰后破坏阶段。此阶段相当于主震事件发生后的余震(aftershock)活动期,当应力下降到残余强度时,余震活动结束。对某地震区的余震活动,还有另外的特点。主震事件后,随着应力的转移,较完整及强度相对高的岩体是应力集中的载体,其破裂也伴随有余震活动,且有时是强余震事件。

图2 花岗岩的应力应变曲线与AE活动(温度800°C以下)【1】

对某地震区有多锁固段的情况,地震活动性无疑会更为复杂,但在原理上与单锁固段的破裂过程无本质区别。

附注:这里有个概念问题,许多人容易混淆。

断层运动可看做摩擦滑动,但断层间若都是软弱物质,是不会发生强震的,因为其积累不了多大能量。

我们的认识是,断层中存在锁固段(高强度且体积大的岩体,如岩桥、障碍体、闭锁段、凹凸体等),这是能积累高能量的载体。断层运动不断给其加载,锁固段不断发生剪切破坏,当其被剪断时,强震发生。

所以,强震的发生是断层中锁固段不断发生破裂,直至损伤累积到峰值强度时,发生宏观破裂的结果。


参考

【1】翟松韬吴刚张渊,等。高温作用下花岗岩的声发射特征研究。岩石力学与工程学报,2013,Vol.32,No.1,126-134。

 



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