遥感-岩石力学(I)DD 非连续组合断层破裂的热红外辐射规律

1、第23卷第1期岩石力学与工程学报23(1:2430 2004年1月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Jan.,2004遥感-岩石力学(I非连续组合断层破裂的热红外辐射规律及其构造地震前兆意义*吴立新1刘善军1,2吴育华1李永强1(1中国矿业大学(北京校区3S与沉陷工程研究所北京 100083 (2河北理工学院资源系唐山 063009摘要以构造地震孕震机制之一即非连续组合断层破裂发震为模拟对象,利用双轴加载实验系统和红外热像仪,对雁列和同线非连通这两种非连续组合断层在双轴加载破裂失稳过程中的红外辐射特征进行了模拟实验研究。研究表明

2、:双轴加载过程中岩石表面红外辐射温度的变化对应岩石应力变化,具有阶段性规律,包括初始、弹性、应力闭锁、解锁和屈服破裂5个阶段。自弹性阶段开始至解锁阶段,岩石表面的平均红外辐射温度(AIR T的动态曲线表现为“上升-下降-再上升”的演变特征;而断层雁列区和非连通区在解锁阶段其热像出现高温异常条带,非连通区的高温异常条带还具有“增强-减弱(平静-再增强”的演变特征。其地震前兆的时空意义为:(1 构造地震活动区卫星遥感AIR T的上升趋势可作为地震中期预警指标;(2 热像局部正异常条带预示未来震源位置;(3 AIR T 下降与热像局部热异常条带的减弱(平静一起,可作为构造地震的短临前兆。关键词遥感-

3、岩石力学,构造地震,地震遥感,热红外异常,非连续组合断层,地震前兆分类号 TP 79,TU 452 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(200401-0024-07REMOTE SENSING-ROCK MECHANICS ( I LAWS OF THERMAL INFRARED RADIATION FROM FRACTURINGOF DISCONTINOUS JOINTED FAULTS AND ITS MEANINGS FORTECTONIC EARTHQUAKE OMENSWu Lixin1,Liu Shanjun1,2,Wu Yuhua1,Li Yongqiang1(1Ins

4、titute of RS/GPS/GIS & Subsidence Engineering,China University of Mining and Technology,Beijing 100083 China (2Resource Department,Heibei Institute of Technology,Tangshan 063009 ChinaAbstract The fracturing of discontinuous jointed faults is a mechanism of tectonic earthquake. By use of biaxial

5、loading system and thermal infrared imaging system,the thermal infrared radiation features of two kinds of discontinuous jointed faults,en echelon faults and collinear disconnected faults,were experimentally studied in the process of loading and fracturing. It is revealed that the thermal infrared r

6、adiation of the surface of loaded samples is related to the load stress,and the variation stage can be classified into five stages including initial,elastic,stress blocking,stress deblocking and fracturing stage. From elastic stage to stress deblocking one,the dynamic curve of average infrared radia

7、tion temperature (AIR T vs time is of the features of rising to dropping,and to rising again.2003年6月3日收到初稿,2003年7月25日收到修改稿。* 全国优秀博士学位论文专项基金(200046和北京市自然科学基金重点项目(8001003联合资助。第23卷第1期吴立新等. 遥感-岩石力学(I非连续组合断层破裂的热红外辐射规律及其构造地震前兆意义 25·During the stage of stress deblocking,positive infrared abnormity str

8、ip emerges in the discontinuous locations of en echelon faults and disconnected faults,and the positive infrared abnormity strip of disconnected faults is of the features of enhancing to weakening (or silence,and to enhancing again. Its important meanings for earthquake omens include that (1 the ris

9、e of AIR T curve of satellite infrared remote sensing for the seismic active region can be taken as the index for the middle-term forecast of structural earthquake,(2 the location of local positive infrared abnormity strip can be used to predict the location of hypocenter and (3 the dropping of AIR

10、T curve together with the weakening (silence of local positive infrared abnormity strip can be taken as the short-term prediction omen.Key words remote sensing-rock mechanics,tectonic earthquake,earthquake remote sense,thermal infrared abnormity,discontinuous jointed faults,earthquake omen1 引言20世纪80

11、年代初,人们开始将可见光和近红外卫星遥感图像用于地震活动区的线形构造和现代构造运动研究1。1988年前苏联学者Gorny 等2报道中亚及东地中海地区许多中强地震发生前出现过大面积卫星遥感热红外(10.512.5 m异常以来,引起了我国地震及遥感界极大关注和迅速反应37。1994年Tronin8对中亚地区过去10年约10 000景NOAA卫星A VHRR-2通道热像进行系统分析,再次证实中亚地震活动区震前的卫星热红外异常(平均15与该区地震活动存在显著的统计相关性。上世纪90年代以来,文913对中国大陆自1975年以来不同时期的卫星热红外遥感资料分别进行了查证,也得出类似结论:许多中强构造地震发

12、生前13月,震中区会出现热红外增温异常。然而,对这种卫星热红外异常的机理还不很清楚,先后提出了地下水溢出效应2,8、温室气体逸出效应24、岩石摩擦致热效应12等多种解释。文1418相继进行了岩石受力至破裂过程中的红外辐射特征实验研究,并导致一个新的学科遥感-岩石力学(或称遥感-岩石物理学14,19,20的产生和发展。过去的遥感-岩石力学的基础实验主要是围绕岩石单轴抗压1420、岩石双剪摩擦滑移19,20和岩石撞击21进行研究,发现了一系列定性规律1420,也得出了一些定量结果2123。以上研究,为解释地震卫星遥感热红外异常现象的物理-力学机制提供了科学证据,初步奠定了开展地震卫星热红外遥感监测

13、与发震预报的实验基础。尽管如此,以上成果离实际应用还相差很远,尤其是构造地震的卫星热红外异常的时空演变规律及其短临前兆特点尚不清楚。众所周知,地震与活动断层密切相关。大多数情况下,断层并不是简单连续的面状构造,而是复杂不连续的断裂组合带24,其中雁列断层和同线非连通组合断层就是两种常见的不连续断裂组合带。为认识这些不同类型的组合断层在地壳活动过程中的应力、位移、应变、声发射等物理场的演化规律,尤其是认识发震的物理前兆,我国学者进行了大量的物理模拟研究2427和数值模拟研究28,得出了许多重要结论。本文选择雁列和同线非连通两种非连续组合断层为实验模拟对象,利用一套高灵敏度的红外热像采集和处理系统

14、,监测并研究其在双轴加载直至破坏发震过程中的红外辐射温度场的时、空强演化规律,重点研究断层雁列区和非连通区域破裂发震前的红外辐射异常规律。2 实验设计与实验方法实验采用的加载装置为INSTRON 8506真三轴四立柱液压伺服系统,轴向最大载荷3 000 kN,水平最大载荷2 000 kN;本次实验使用垂直和水平两个轴进行双轴加载。红外辐射探测装置采用TVS- 8100MK型红外热像仪,温度灵敏度为0.025,图像分辨率为320象素×240象素,图像采集速率最高可达60 F/s。实验加载的模型如图1所示,实验参数见表1所列。实验方法为:首先将水平侧压加到预定值,然后以等位移速率加载纵向

15、轴压,直到试块预制裂缝的雁列区或非连通段发生破裂并产生较大的应力降(即结构失稳。利用红外热像仪观测加载过程中岩石表面的红外辐射动态。热像仪和加载试验机的记录速度相等,均为每秒采样1次,同时开始记录,以利于数据对比分析。 26 岩石力学与工程学报 2004年 图1 两种不同结构的断层加载模型 Fig.1 Load model of two different fault structures表1 实验参数表Table 1 Experimental parameters断层类型试件岩性与组合参数实验条件试件组数雁列型断层大理岩,尺寸30 cm×30cm×4 cm,角部切去。裂隙

16、宽4 mm,充填石膏,雁列区大小为 2.5 cm×2.5 cm。侧压20 kN,加载速率0.004 mm/s。2共线非连通型断层大理岩,尺寸30 cm×30cm×4 cm,角部切去。裂隙宽4 mm左右,充填石膏,非连通段长 2.5cm。侧压20 kN,加载速率0.004 mm/s。23 实验结果与分析3.1雁列型断层破裂前热红外异常的时空规律图2所示粗曲线为雁列试件D3在加载过程中的载荷-时间曲线。该曲线的特征为:(1 加载开始阶段(060 s,由于加载系统的空隙调整、试件与压头及试件内部的裂隙被压密,曲线略向下弯曲;(2 线弹性阶段(60160 s,随载荷增加,

17、曲线呈直线性上升;(3 应力闭锁阶段(160198 s,两断层之间的雁列区出现应力闭锁,应变增加出现困难,发生位移强化现象,使得曲线上扬;(4 解闭锁阶段(198235 s,雁列区微破裂开始发育,应力闭锁逐渐解开,形变再次加快,使得载荷上升速度减慢;(5 屈服阶段(236 s,达到峰值应力后,雁列区发生破裂,两断层连通。图2 雁列断层加载过程中载荷-时间和AIR T-时间曲线对照图(D3试件Fig.2 Comparison between load-time and AIR T-time curves of en echelon faults (sample D3为从量化指标上反映岩石破裂前的

18、红外异常,对获得的热像进行重采样,即圈定局部重点区域(以雁列区为中心,分析该区域的红外辐射温度变化规律。由于平均红外辐射温度(AIR T能够反映所选区域的总体辐射能量,因此将其作为分析指标。图2所示细曲线为试件D3的雁列区在加载过程中的AIR T-时间曲线。对照载荷-时间曲线,该曲线的特征为:(1 加载开始阶段(060 s,由于试件内部裂隙闭合消耗能量,使得表面辐射温度略有下降;(2 线弹性阶段(60160 s,曲线呈较稳定上升趋势;(3 应力闭锁阶段(160198 s,AIR T上升幅度加快;(4 解闭锁阶段(198235 s,AIR T先降后升,此时的曲线谷点A可理解为雁列区微破裂充分发育

19、且裂块之间摩擦加剧,即热量消耗(微破裂过程消耗能量,吸热与热量产生(摩擦产生能量,生热的平衡点;(5 屈服阶段(236 s,达到峰值应力后,AIR T 不再上升,曲线转为下降。对如图3所示的D3试件的红外热像序列分析表明,红外热像的时空演变规律为:(1 应力增加至解闭锁之前(0198 s,试件表面的红外辐射温度整体呈上升趋势;(2 解闭锁阶段(198235 s,在雁列区逐渐出现一条辐射高温条带,227 s时趋于明显(如图3椭圆圈定处,且一直保持到破裂发震(236 s。50100150200t / sAIRT/载荷/kN第23卷 第1期 吴立新等. 遥感-岩石力学(I非连续组合断层破裂的热红外辐

20、射规律及其构造地震前兆意义 27· 图3 雁列断层破裂前的红外热像典型序列(a为D3试件可见光照片Fig.3 Typical TIR images before the fracturing of en echelonfaults (a is the photo of the sample D3对比应力闭锁与解闭锁阶段的AIR T 和雁列区局部热像的时空变化规律,发现两者存在以下异 同:(1 应力闭锁阶段,AIR T 曲线上升,同时雁列区的热像呈全场性温度持续升高;图4所示粗曲线为共线非连通试件D1在加载过程中的载荷-时间曲线。该曲线的特征与雁列试 件D3的载荷-时间曲线基本相似:(

21、1 加载开始阶段(052 s,曲线微向下弯曲,并缓慢上升;(2 线弹性阶段(52120 s,随载荷增加,曲 线呈直线性上升;(3 应力闭锁阶段(120222 s,两断层之间的非连通区出现应力闭锁,应变增加出现困难,发生位移强化现象,使得曲线上扬;(4 解闭锁阶段(222255 s,非连通区微破裂开始发育,应力闭锁逐渐解开,形变再次加快,使得载荷上升速度减慢;(5 屈服阶段(255 s ,达到峰值应力后,非 连通区发生破裂,两断层连通。与3.1节不同的是:共线非连通试件D1的弹 性阶段短于雁列试件D3的弹性阶段,而共线非连通试件D1的应力闭锁阶段长于雁列试件D3的应力闭锁阶段。图4所示细曲线为非

22、连通试件D1在加载过程中的AIR T -时间曲线。对照载荷-时间曲线,该曲线的特征为:图4 非连通组合加载过程中载荷-时间和AIR T -时间曲线对照图(D1试件Fig.4 Comparison between load-time and AIR T -time curvesof collinear disconnected faults (sample D1(1 加载开始阶段(052 s,随载荷增加,表 面辐射温度波动变化,总体略有下降;(2 线弹性阶段(52120 s,曲线呈波动上升 趋势;(3 应力闭锁阶段(120222 s,AIR T 持续上升;(4 解闭锁阶段(222255 s,AI

23、R T 先降后升,此时的曲线谷点A 可理解为非连通区微破裂充分发育且裂块之间摩擦加剧,即热量消耗与热量产生的平衡点;对如图5所示的D1试件的红外热像序列分析表明,红外热像的时空演变规律为:(1 应力增加至解闭锁之前(0222 s,试件表面的红外辐射温度整体呈上升趋势,且在210 s 时,在两断层的非连通区域处开始出现一高温条带,高温条带的走向与断层走向一致。(2 解闭锁阶段(222255 s,非连通区出现的局部辐射高温条带发生前兆性时空变化:210224 s 时高温条带逐渐增强;225236 s 时高温条带逐渐减弱乃至消失;236 s 之后,高温条带再次出现并趋于明显,且一直保持到破裂发震(2

24、55 s。对比应力闭锁与解闭锁阶段的AIR T 和非连通1 s236s227s23.02205010015020025005010025.68载荷/ k NA I R T /t / s 28 岩石力学与工程学报 2004年 图5 非连通断层破裂前的红外热像典型序列(a为D1试件可见光照片Fig.5 Typical TIR images of before the fracturing of collineardisconnected faults (a is the photo of the sample D1区局部热像的时空变化规律,发现两者存在以下差异:(1 应力闭锁阶段,AIR T 曲线

25、上升表明全场温度持续升高,而热像在应力闭锁区域开始出现局部异常条带;(2 解锁阶段,AIR T 曲线先降后升,且总体仍为升温,而应力闭锁区域的局部异常条带则更为丰富,即经历增强减弱(平静再增强共3个不同阶段。4 地震前兆意义前期研究表明,构造地震的孕育与发生通常与构造断层密切相关,且卫星热红外异常条带一般沿构造形迹发育。以首都圈为例,历史地震记录中,首都圈的主要断裂构造(如北东向的八宝山断裂、黄庄-高丽营断裂,北西向的南口-孙河断裂,近东西向的史各庄断裂等都有过不同程度的活动29。联合国援建的“首都圈体应变综合观测台网”自1987年开始记录以来观测到的应变场反映了构造活动,所表现出的应变场阶段

26、性与1989年大同地震及1998年张北地震的形变异常相关联29。1998年张北地震发生前的地壳形变异常,其大部分是“场兆”异常;张北震中区在震前至少半年是处于形变闭所阶段;地壳形变的前兆发展在总体上存在东南向西北迁移的特征30;而卫星热红外遥感图像(NOAA气象卫星的A VHRR 第4通道的亮度温度表明,张北地震孕育过程中(从震前15 d 开始存在从东南逐渐向西北迁移的热红外温度异常的时空变化过程,增温幅度高达6,条带形增温区域长400 km 、宽24 km ,且与横贯渤海湾、北京、张北的东南-西北向的地壳深大断裂一致12,31。这一典型震例说明:卫星热红外异常与地壳形变的确存在时间和空间上的

27、联系。与实验结果对比,地震孕育与发震的力学过程可描述为:首先在地震活动区出现较大范围的地应力上升(相当于整体弹性阶段;之后,在震源区出现地应力闭锁(即应力闭锁阶段;临近地震时应力闭锁区因破裂发展而发生应力松弛(相当于解锁阶段;随应力松弛而发生应变能释放,进而发震(即屈服失稳。孕震过程中的这种阶段性应力变化必 然导致地壳岩石中耗散热集聚的阶段性,并表现为震前卫星热红外遥感异常的阶段性特征。前期查证研究表明,中强震前出现的卫星红外异常的确具有阶段性特征3,32,33,红外增温异常可分为初始增温加强增温相对平静3个阶段3,这与实验中AIR T -时间曲线的弹性、闭锁和解锁3阶段相吻合。作者认为:弹性

28、阶段区域性红外辐射的整体上升可理解为傅承义先生的地球“红肿”,对应于地震的早期“场兆”,可作为“中长期前兆”;而解锁阶段AIR T 下降或平静现象,以及局部热异常条带的降温或平静现象,对应为地震后期的 “源兆”,可作为“短临前兆”。因此,本课题研究对于构造地震卫星遥感监测和预报具有如下意义:(1 基于构造形迹:对地震活动区的卫星热红外遥感监测应以该区域的断层发育及其构造形迹为基础,有目标、有针对性地进行监测与分析,并适当结合常规地震监测资料(如地电磁、地形变进行综合对比,以提高准确率;(2 AIR T 中期预警:地震活动区卫星热红外遥感图像的AIR T 可以作为中期监测与分析指标,通过对监测区

29、内AIR T 的升温趋势来对构造地震进行中期预警;(3 震源热像异常:在中期预警的基础上,结合断层发育及其构造形迹,从地震活动区卫星热红外遥感图像上寻找局部热异常条带,进而预报震源位置;(4 综合短临预报:在震源位置预报的基础上,即进入短临预报阶段,此时须密切监视和及时分析卫星热红外遥感数据的时、空强变化,一旦AIR T 进入下降阶段且局部热异常条带进入减弱(平静阶(a26.025.7第 23 卷 第1期 吴立新等. 遥感-岩石力学(I非连续组合断层破裂的热红外辐射规律及其构造地震前兆意义 29· 段，即预示地震即将发生。 本次实验中，试块破裂前试件 AIRT 上升幅度 不是很高(0

30、.5 ，雁列区和非连通区域的局部热 红外异常幅度也不是很高(1 ，与实际地震发 生前卫星热红外遥感的监测结果(26相差较 大。分析原因为： (1 岩石破裂生热幅度与岩石强度有关19，本 次实验条件为自然风干的低强大理岩石，强度较 低，内部产生的摩擦热较少；而实际地震条件下， 地震区地壳内部多发育片麻岩、花岗岩等坚硬岩 石，在其应力积累与破裂摩擦阶段能产生更高的热 量。 (2 岩石是不良热导体，通过岩石自身热传导 很难，尽管压剪实验表明岩石内部的破裂温度可以 超过 300，而试件表面温度反映仍很微弱，内外 温差可达两个数量级；而地壳内部的流体物质(地 下水、CH4 和 CO2 等地气是传热的良导

31、体，地震孕 育过程中地壳断层、裂隙和大地震发生前的小震诱 发的微破裂均可以成为这种流体传热的通道，从而 将震源区产生的热量带到地表，一方面通过热交换 引起地表增温，另一方面通过低空温室效应引起卫 星热红外遥感异常升温。 (3 热弹效应与应力条件有关33，实验为双轴 加载，侧压仅为 1.67 MPa；而实际孕震条件下，震 源区地壳的岩石处于三轴应力状态，围压可达到 5001 500 MPa 34 找局部热异常条带，可以进一步预报震源位置； (4 在震源预报的基础上，通过监测和发现当 AIRT 的下降和局部热异常条带的减弱(平静现象 同时出现，即可以进行地震短临预报。 致谢 双轴加载实验得到清华大

32、学水利系李庆斌教 授、张翠英老师的支持和配合，在此一并致谢。 参 考 文 献 1 Verber K. Remote sensing methods and catastrophes: the role of space images for predication and reduction of losses due to geological catastrophesA. In： Proc. 27th Int. Geol. CongressC. Moscow： IGC， 1984，1 6811 687 2 Gorny V I，Salman A G，Tronin A A， et al. Th

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35、 Tronin A A. Satellite thermal survey：a new tool for the study of seismoactive regionsJ. Int. J. Remote Sensing， 1996， 17(8： 439 1 1 455 ，远大于实验中的侧压，震源区 深部产生的摩擦热可能达到上千度。 5 结 论 9 Qiang Z J，Dian C G，Li L Z，et al. Satellite thermal IR increase temperature anomalous field with imminent and short-term pre

36、diction 本文利用双轴加载实验系统和红外热像仪，对 雁列和同线非连通两种非连续组合断层模型在双轴 破裂失稳过程中的红外辐射特征进行了实验研究， 得到了以下有表明地震前兆意义的结果： (1 雁列和同线非连通组合断层应力积累至破 裂过程的红外辐射变化具有阶段性规律，可以区分 为初始、弹性、应力闭锁、解锁和屈服破裂共 5 个 特征阶段； (2 地震活动区卫星热红外遥感图像的 AIRT 可以作为中期监测与分析指标，通过对监测区内 AIRT 的升温趋势来对构造地震进行中期预警； (3 在中期预警的基础上，结合地震活动区断 层发育及其构造形迹，从卫星热红外遥感图像上寻 15 14 13 12 11

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