岩石破壞實驗

岩石破壞實驗是觀測岩石破壞條件、破壞過程和該過程中岩石物理性質變化的實驗研究。岩石破壞實驗為建立假說提供基本的觀測事實,是震源物理研究工作的一部分.

岩石破壞實驗

正文

觀測岩石破壞條件、破壞過程和該過程中岩石物理性質變化的實驗研究。岩石破壞實驗的目的在於增進對地震成因的理解，加強對地震前兆的認識。對實際的地震預測來說，通常有兩種方法：①總結地震之前觀測到的可能與地震發生有關的現象，把它作為地震前兆，進行另一次地震預測嘗試。②開展震源物理的研究。即從一定的理論前題出發,提出假說─地震發生的模式;再從這個模式著手，推導可能的前兆和不同前兆之間的關係；然後通過實踐檢驗模式。岩石破壞實驗為建立假說提供基本的觀測事實,是震源物理研究工作的一部分（圖1）。

早在 20世紀 30年代，美國科學家布里奇曼(P.W.Bridgman) 等就開展了在高溫高壓條件下測量岩石物理性質的研究。但真正將岩石實驗結果同地震問題結合起來，則開始於日本茂木清夫1962年的工作。茂木清夫測量了各種岩石受壓縮後產生的聲發射信號，並用實驗結果解釋了天然地震的各種類型，他的工作引起了地震學家的濃厚興趣。1969年以後，發現在許多地震之前波速比vP/vS有異常變化。不久，美國科學家對波速比在地震之前變化的原因提出了理論解釋，從而提出了地震的膨脹-擴散模式。70年代以後,岩石破壞實驗受到各國從事地震預測研究的科學家的普遍重視。
岩石破壞的機理　目前認為產生地震的兩種機理是：岩石的破裂和岩石沿已有斷層面的摩擦滑動。對完整的岩石進行壓縮時,岩石會產生破裂,出現斷裂面。岩石在破裂前，體積會有明顯的增加，這叫做岩石的膨脹。膨脹是由於岩石中的裂紋形成及其擴展，而且在應力約等於岩石破裂強度的一半時開始。膨脹會引起岩石物理性質的明顯變化(圖2）。基於岩石破裂之前的膨脹現象，美國科學家提出了地震發生的膨脹-擴散模式（見震源物理）。
對含有斷層或其他間斷面的岩石進行壓縮時，沿斷層面發生摩擦滑動的條件為：

其中σ、τ分別為斷層面上的正應力和剪應力。以上定律與經典物理學中的摩擦定律τ＝μσ 是很不相同的。經典物理學中的摩擦係數μ與材料種類、界面性質等許多因素有關，而在高壓下岩石的摩擦卻與岩石種類、界面性質無關。這個定律的物理解釋目前尚不完全清楚。一旦達到滑動條件後，摩擦滑動有兩種方式（圖3）：一種是穩定的滑動；另一種是不穩定的滑動，叫做粘滑。多數淺源地震的成因可能與現存斷層的粘滑有關。

破壞過程中岩石物理性質的測量　破壞過程中岩石物理性質，例如彈性波速度、電阻率、磁化率、聲發射、一些斷裂力學參數等將要發生變化。通常將實驗室中觀測到的這些物理性質的變化，同地震前各種地球物理場的觀測資料進行比較，以便了解地震的過程。由於地球上99％以上的岩石都處於1千兆帕(～1萬大氣壓)和500℃以上的高壓高溫環境之中，因而實驗測量工作必須在模擬地球內部的高壓高溫條件下進行；還由於實驗室內岩石樣品尺寸不大，故測量精度必須相當高。所以，岩石物理性質的測量，套用和吸收了高溫高壓技術、雷射全息測量技術、電子計算機等許多方面先進的技術和成就。
實驗結果的外推　實驗室結果是在短時間內對小尺度的岩石樣品進行實驗得到的。儘管岩石實驗的結果可以定性描述巨大岩體的現象，而且也觀測到了岩樣破壞前性質的變化與地震前兆之間的相似性，但當把這樣的實驗結果外推於地球各種過程的定量研究時，必須要研究岩石變形的微觀機理。只有在知道岩石在實驗室和自然界兩種條件下的變形機理後，才有可能作出合理的外推。（見彩圖）

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