地震预测的加卸载响应比岩石实验模拟.PDF

①于 1997 年 11 月收到初稿 ,1998 年 4 月收到修改稿。本研究受国家自然基金 (批准号及中国地震局“九 五”项目支持。 地震预测的加卸载响应比岩石实验模拟 ① 王裕仓 (中国北京 　100081 　中国地震局地球物理研究所) (中国北京 　100080 　中国科学院力学研究所非线性连续介质力学开放研究实验室 (LNM) ) 尹祥础　王海涛 (中国北京 　100036 　中国地震局分析预报中心) (中国北京 　100080 　中国科学院力学研究所非线性连续介质力学开放研究实验室 (LNM) ) 摘要 　我们在中科院力学所非线性连续介质力学开放实验室 (LNM) 材料试验机 (M TS) 上 做了岩石压缩破坏的加卸载实验 ,得到了以应变为响应 (即弹性常数的倒数为响应率) 的加卸载 响应比。实验结果与理论以及实际地震中的加卸载响应比相一致 ,即加卸载响应比在临近破坏 前上升。故此 ,加卸载响应比可以被用做岩石破坏及地震预测的前兆。 主题词 : 　加卸载响应比 　岩石破坏实验 　地震预报 引言 地震是岩石在地壳应力作用下突然失稳破坏的过程 ,由于地球介质的复杂性、资料的不 完备性以及地下的不可入性等许多因素 ,其预测极其困难。尹祥础提出的加卸载响应比理 图 1 　系统的本构关系 Fig. 1 　The constitutive relation of a system 论 (尹祥础 ,1987 ;尹祥础等 ,1991 ; Yin X. C. ,1993 ; Yin X. C. et al. ,1995) ,为计算失稳前兆及地震预报提供了依据。 其主要思路是 : 对于一个系统 ,载荷 P(可以是应力等输入参量) 与响 应 R (可以是应变等输出参量) 的关系如图 1 所示 ,考虑 P 有一微小的变化ΔP , R 有变化ΔR ,定义 X = lim Δp →0 ΔR ΔP 为响应率 (如果取 P 为应力、R 为应变 ,则 X 是杨氏弹性模 量之倒数 1/ E) ,在系统稳定时 , X 在某个常数附近 ,而当系 统趋于失稳时 ,其值明显增加。令 X + 和 X - 分别是加载 (ΔP 0)和卸载 (ΔP 0)时的响应率 ,定义无量纲的数 Y = X + X - 为加卸载响应比 ,其英文缩写为 L URR (Loading/ Unloading Response Ratio) 。 第 14 卷 　第 2 期 (126～130) 1998 年 6 月 中 国 地 震 EARTHQUA KE RESEARCH IN CHINA Vol. 14 　No. 2 J un. 1998 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 经分析 ,试件为弹性变形时 , Y≈1 ;试件超出弹性阶段 ,发生损伤时 , Y 1。 自然界中 ,引潮力周期性变化 ,在断层面上不断产生加载ΔP + 和卸载 ΔP - ,若同时测 得其相应的ΔR +和ΔR - ,就可以得到 Y 值 ,从而判断系统的状态和迫近失稳的程度。 若 P 为应力 , R 为应变 ,则 Y = 1/ E+ 1/ E - = E - E+ (1) 　　以地震能量作为响应 R 预测地震 ,已经取得较好的效果 ( Yin X. C. et al. ,1994 ;陈学忠 等 ,1995 ;尹祥础等 ,1995 ; Yin X. C. et al. ,1996) 。R 也可以是水位、体应变、地倾斜 ,甚至是 地磁参数 (陈建民等 ,1994 ;王檀文 ,1995) 。 ②王裕仓、尹祥础 ,加卸载响应比的数值模拟 (待发表) 。 该理论的直接验证和模拟也取得了一些进展。王裕仓②在非均匀材料宏 - 细观损伤演 化程序的基础上 ,对其进行数值模拟 ,得到了和理论及地震预报非常一致的结果 ;施行觉等 (1994)用纵波速度为响应参数 ,实验验证了加卸载响应比理论。本文将以应变为响应参数 图 2 　加载力随时间变化的 F2t 图 (a) 为锯齿形微扰 ; (b) 为正弦形微扰 Fig. 2 　The F2t curve of loading force (a) saw2tooth disturbance ; (b) sine disturbance (弹性常数的倒数为响应率) 用实验来直 接模拟和验证该理论。 1 　实验设计 实验是在中科院力学所非线性连续 介质力学实验室 (LNM) 的材料试验机 (M TS)上做的。材料选用大理石 ,采自北 京房山 ,其基本的物理力学性质如下 :密 度ρ = 2184g/ cm3 ; 杨氏模量 E = 717 × 10 10 Pa ;泊松比