雙軸加載巖石表面紅外輻射溫度演變特征

1地震衛(wèi)星遙感熱紅外異常機理及實踐研究回顧20世紀80年代初，人們開始研究現(xiàn)代地震走廊的線性結(jié)構(gòu)和近紅外衛(wèi)星遙感圖像。1988年前蘇聯(lián)學(xué)者Gorny等報道中亞及東地中海地區(qū)許多中強地震發(fā)生前出現(xiàn)過大面積衛(wèi)星遙感熱紅外(10.5～12.5μm)異常以來，引起了我國地震及遙感界極大關(guān)注和迅速反應(yīng)。1994年Tronin對中亞地區(qū)過去10年約10000景NOAA衛(wèi)星AVHRR-2通道熱像進行系統(tǒng)分析，再次證實中亞地震活動區(qū)震前的衛(wèi)星熱紅外異常(平均1～5℃)與該區(qū)地震活動存在顯著的統(tǒng)計相關(guān)性。上世紀90年代以來，文對中國大陸自1975年以來不同時期的衛(wèi)星熱紅外遙感資料分別進行了查證，也得出類似結(jié)論：許多中強構(gòu)造地震發(fā)生前1～3月，震中區(qū)會出現(xiàn)熱紅外增溫異常。然而，對這種衛(wèi)星熱紅外異常的機理還不很清楚，先后提出了地下水溢出效應(yīng)、溫室氣體逸出效應(yīng)、巖石摩擦致熱效應(yīng)等多種解釋。文相繼進行了巖石受力至破裂過程中的紅外輻射特征實驗研究，并導(dǎo)致一個新的學(xué)科──遙感-巖石力學(xué)(或稱遙感-巖石物理學(xué))的產(chǎn)生和發(fā)展。過去的遙感-巖石力學(xué)的基礎(chǔ)實驗主要是圍繞巖石單軸抗壓[14,15,16,17,18,19,20]、巖石雙剪摩擦滑移和巖石撞擊進行研究，發(fā)現(xiàn)了一系列定性規(guī)律[14,15,16,17,18,19,20]，也得出了一些定量結(jié)果。以上研究，為解釋地震衛(wèi)星遙感熱紅外異?，F(xiàn)象的物理-力學(xué)機制提供了科學(xué)證據(jù)，初步奠定了開展地震衛(wèi)星熱紅外遙感監(jiān)測與發(fā)震預(yù)報的實驗基礎(chǔ)。盡管如此，以上成果離實際應(yīng)用還相差很遠，尤其是構(gòu)造地震的衛(wèi)星熱紅外異常的時空演變規(guī)律及其短臨前兆特點尚不清楚。眾所周知，地震與活動斷層密切相關(guān)。大多數(shù)情況下，斷層并不是簡單連續(xù)的面狀構(gòu)造，而是復(fù)雜不連續(xù)的斷裂組合帶，其中雁列斷層和同線非連通組合斷層就是兩種常見的不連續(xù)斷裂組合帶。為認識這些不同類型的組合斷層在地殼活動過程中的應(yīng)力、位移、應(yīng)變、聲發(fā)射等物理場的演化規(guī)律，尤其是認識發(fā)震的物理前兆，我國學(xué)者進行了大量的物理模擬研究和數(shù)值模擬研究，得出了許多重要結(jié)論。本文選擇雁列和同線非連通兩種非連續(xù)組合斷層為實驗?zāi)M對象，利用一套高靈敏度的紅外熱像采集和處理系統(tǒng)，監(jiān)測并研究其在雙軸加載直至破壞發(fā)震過程中的紅外輻射溫度場的時、空強演化規(guī)律，重點研究斷層雁列區(qū)和非連通區(qū)域破裂發(fā)震前的紅外輻射異常規(guī)律。2紅外輻射探測實驗采用的加載裝置為INSTRON8506真三軸四立柱液壓伺服系統(tǒng)，軸向最大載荷3000kN，水平最大載荷2000kN；本次實驗使用垂直和水平兩個軸進行雙軸加載。紅外輻射探測裝置采用TVS-8100MKⅡ型紅外熱像儀，溫度靈敏度為0.025℃，圖像分辨率為320象素×240象素，圖像采集速率最高可達60F/s。實驗加載的模型如圖1所示，實驗參數(shù)見表1所列。實驗方法為：首先將水平側(cè)壓加到預(yù)定值，然后以等位移速率加載縱向軸壓，直到試塊預(yù)制裂縫的雁列區(qū)或非連通段發(fā)生破裂并產(chǎn)生較大的應(yīng)力降(即結(jié)構(gòu)失穩(wěn))。利用紅外熱像儀觀測加載過程中巖石表面的紅外輻射動態(tài)。熱像儀和加載試驗機的記錄速度相等，均為每秒采樣1次，同時開始記錄，以利于數(shù)據(jù)對比分析。3結(jié)果與分析3.1雁列斷裂破壞前的異常熱紅外規(guī)律3.1.1試驗結(jié)果分析圖2所示粗曲線為雁列試件D3在加載過程中的載荷-時間曲線。該曲線的特征為：(1)加載開始階段(0～60s)，由于加載系統(tǒng)的空隙調(diào)整、試件與壓頭及試件內(nèi)部的裂隙被壓密，曲線略向下彎曲；(2)線彈性階段(60～160s)，隨載荷增加，曲線呈直線性上升；(3)應(yīng)力閉鎖階段(160～198s)，兩斷層之間的雁列區(qū)出現(xiàn)應(yīng)力閉鎖，應(yīng)變增加出現(xiàn)困難，發(fā)生位移強化現(xiàn)象，使得曲線上揚；(4)解閉鎖階段(198～235s)，雁列區(qū)微破裂開始發(fā)育，應(yīng)力閉鎖逐漸解開，形變再次加快，使得載荷上升速度減慢；(5)屈服階段(236s～)，達到峰值應(yīng)力后，雁列區(qū)發(fā)生破裂，兩斷層連通。3.1.2作為分析指標的雁列區(qū)載荷-時間關(guān)系為從量化指標上反映巖石破裂前的紅外異常，對獲得的熱像進行重采樣，即圈定局部重點區(qū)域(以雁列區(qū)為中心)，分析該區(qū)域的紅外輻射溫度變化規(guī)律。由于平均紅外輻射溫度(AIRT)能夠反映所選區(qū)域的總體輻射能量，因此將其作為分析指標。圖2所示細曲線為試件D3的雁列區(qū)在加載過程中的AIRT-時間曲線。對照載荷-時間曲線，該曲線的特征為：(1)加載開始階段(0～60s)，由于試件內(nèi)部裂隙閉合消耗能量，使得表面輻射溫度略有下降；(2)線彈性階段(60～160s)，曲線呈較穩(wěn)定上升趨勢；(3)應(yīng)力閉鎖階段(160～198s)，AIRT上升幅度加快；(4)解閉鎖階段(198～235s)，AIRT先降后升，此時的曲線谷點A可理解為雁列區(qū)微破裂充分發(fā)育且裂塊之間摩擦加劇，即熱量消耗(微破裂過程消耗能量，吸熱)與熱量產(chǎn)生(摩擦產(chǎn)生能量，生熱)的平衡點；(5)屈服階段(236s～)，達到峰值應(yīng)力后，AIRT不再上升，曲線轉(zhuǎn)為下降。3.1.3應(yīng)力鎖定階段對如圖3所示的D3試件的紅外熱像序列分析表明，紅外熱像的時空演變規(guī)律為：(1)應(yīng)力增加至解閉鎖之前(0～198s)，試件表面的紅外輻射溫度整體呈上升趨勢；(2)解閉鎖階段(198～235s)，在雁列區(qū)逐漸出現(xiàn)一條輻射高溫條帶，227s時趨于明顯(如圖3橢圓圈定處)，且一直保持到破裂發(fā)震(236s)。對比應(yīng)力閉鎖與解閉鎖階段的AIRT和雁列區(qū)局部熱像的時空變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)兩者存在以下異同：(1)應(yīng)力閉鎖階段，AIRT曲線上升，同時雁列區(qū)的熱像呈全場性溫度持續(xù)升高；(2)解鎖階段，AIRT曲線先降后升，且總體為降溫，而熱像則在解鎖區(qū)域出現(xiàn)局部性的高溫異常條帶，該條帶對應(yīng)解鎖后發(fā)生破裂的位置。3.2在共線非連接斷層破裂之前，異常的熱紅外空間規(guī)律是相鄰的3.2.1不同斷裂階段圖4所示粗曲線為共線非連通試件D1在加載過程中的載荷-時間曲線。該曲線的特征與雁列試件D3的載荷-時間曲線基本相似：(1)加載開始階段(0～52s)，曲線微向下彎曲，并緩慢上升；(2)線彈性階段(52～120s)，隨載荷增加，曲線呈直線性上升；(3)應(yīng)力閉鎖階段(120～222s)，兩斷層之間的非連通區(qū)出現(xiàn)應(yīng)力閉鎖，應(yīng)變增加出現(xiàn)困難，發(fā)生位移強化現(xiàn)象，使得曲線上揚；(4)解閉鎖階段(222～255s)，非連通區(qū)微破裂開始發(fā)育，應(yīng)力閉鎖逐漸解開，形變再次加快，使得載荷上升速度減慢；(5)屈服階段(255s～)，達到峰值應(yīng)力后，非連通區(qū)發(fā)生破裂，兩斷層連通。與3.1節(jié)不同的是：共線非連通試件D1的彈性階段短于雁列試件D3的彈性階段，而共線非連通試件D1的應(yīng)力閉鎖階段長于雁列試件D3的應(yīng)力閉鎖階段。3.2.2載荷變化時的曲線圖4所示細曲線為非連通試件D1在加載過程中的AIRT-時間曲線。對照載荷-時間曲線，該曲線的特征為：(1)加載開始階段(0～52s)，隨載荷增加，表面輻射溫度波動變化，總體略有下降；(2)線彈性階段(52～120s)，曲線呈波動上升趨勢；(3)應(yīng)力閉鎖階段(120～222s)，AIRT持續(xù)上升；(4)解閉鎖階段(222～255s)，AIRT先降后升，此時的曲線谷點A可理解為非連通區(qū)微破裂充分發(fā)育且裂塊之間摩擦加劇，即熱量消耗與熱量產(chǎn)生的平衡點；(5)屈服階段(255s～)，達到峰值應(yīng)力后，AIRT不再上升，曲線轉(zhuǎn)為下降。3.2.3非連通區(qū)局部熱像對如圖5所示的D1試件的紅外熱像序列分析表明，紅外熱像的時空演變規(guī)律為：(1)應(yīng)力增加至解閉鎖之前(0～222s)，試件表面的紅外輻射溫度整體呈上升趨勢，且在210s時，在兩斷層的非連通區(qū)域處開始出現(xiàn)一高溫條帶，高溫條帶的走向與斷層走向一致。(2)解閉鎖階段(222～255s)，非連通區(qū)出現(xiàn)的局部輻射高溫條帶發(fā)生前兆性時空變化：210～224s時高溫條帶逐漸增強；225～236s時高溫條帶逐漸減弱乃至消失；236s之后，高溫條帶再次出現(xiàn)并趨于明顯，且一直保持到破裂發(fā)震(255s)。對比應(yīng)力閉鎖與解閉鎖階段的AIRT和非連通區(qū)局部熱像的時空變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)兩者存在以下差異：(1)應(yīng)力閉鎖階段，AIRT曲線上升表明全場溫度持續(xù)升高，而熱像在應(yīng)力閉鎖區(qū)域開始出現(xiàn)局部異常條帶；(2)解鎖階段，AIRT曲線先降后升，且總體仍為升溫，而應(yīng)力閉鎖區(qū)域的局部異常條帶則更為豐富，即經(jīng)歷增強→減弱(平靜)→再增強共3個不同階段。4地震活動與衛(wèi)星熱紅外遙感監(jiān)測的關(guān)系前期研究表明，構(gòu)造地震的孕育與發(fā)生通常與構(gòu)造斷層密切相關(guān)，且衛(wèi)星熱紅外異常條帶一般沿構(gòu)造形跡發(fā)育。以首都圈為例，歷史地震記錄中，首都圈的主要斷裂構(gòu)造(如北東向的八寶山斷裂、黃莊-高麗營斷裂，北西向的南口-孫河斷裂，近東西向的史各莊斷裂等)都有過不同程度的活動。聯(lián)合國援建的“首都圈體應(yīng)變綜合觀測臺網(wǎng)”自1987年開始記錄以來觀測到的應(yīng)變場反映了構(gòu)造活動，所表現(xiàn)出的應(yīng)變場階段性與1989年大同地震及1998年張北地震的形變異常相關(guān)聯(lián)。1998年張北地震發(fā)生前的地殼形變異常，其大部分是“場兆”異常；張北震中區(qū)在震前至少半年是處于形變閉所階段；地殼形變的前兆發(fā)展在總體上存在東南向西北遷移的特征；而衛(wèi)星熱紅外遙感圖像(NOAA氣象衛(wèi)星的AVHRR第4通道的亮度溫度)表明，張北地震孕育過程中(從震前15d開始)存在從東南逐漸向西北遷移的熱紅外溫度異常的時空變化過程，增溫幅度高達6℃，條帶形增溫區(qū)域長400km、寬24km，且與橫貫渤海灣、北京、張北的東南-西北向的地殼深大斷裂一致。這一典型震例說明：衛(wèi)星熱紅外異常與地殼形變的確存在時間和空間上的聯(lián)系。與實驗結(jié)果對比，地震孕育與發(fā)震的力學(xué)過程可描述為：首先在地震活動區(qū)出現(xiàn)較大范圍的地應(yīng)力上升(相當于整體彈性階段)；之后，在震源區(qū)出現(xiàn)地應(yīng)力閉鎖(即應(yīng)力閉鎖階段)；臨近地震時應(yīng)力閉鎖區(qū)因破裂發(fā)展而發(fā)生應(yīng)力松弛(相當于解鎖階段)；隨應(yīng)力松弛而發(fā)生應(yīng)變能釋放，進而發(fā)震(即屈服失穩(wěn))。孕震過程中的這種階段性應(yīng)力變化必然導(dǎo)致地殼巖石中耗散熱集聚的階段性，并表現(xiàn)為震前衛(wèi)星熱紅外遙感異常的階段性特征。前期查證研究表明，中強震前出現(xiàn)的衛(wèi)星紅外異常的確具有階段性特征，紅外增溫異?？煞譃槌跏荚鰷亍訌娫鰷亍鄬ζ届o3個階段，這與實驗中AIRT-時間曲線的彈性、閉鎖和解鎖3階段相吻合。作者認為：彈性階段區(qū)域性紅外輻射的整體上升可理解為傅承義先生的地球“紅腫”，對應(yīng)于地震的早期“場兆”，可作為“中長期前兆”；而解鎖階段AIRT下降或平靜現(xiàn)象，以及局部熱異常條帶的降溫或平靜現(xiàn)象，對應(yīng)為地震后期的“源兆”，可作為“短臨前兆”。因此，本課題研究對于構(gòu)造地震衛(wèi)星遙感監(jiān)測和預(yù)報具有如下意義：(1)基于構(gòu)造形跡：對地震活動區(qū)的衛(wèi)星熱紅外遙感監(jiān)測應(yīng)以該區(qū)域的斷層發(fā)育及其構(gòu)造形跡為基礎(chǔ)，有目標、有針對性地進行監(jiān)測與分析，并適當結(jié)合常規(guī)地震監(jiān)測資料(如地電磁、地形變)進行綜合對比，以提高準確率；(2)AIRT中期預(yù)警：地震活動區(qū)衛(wèi)星熱紅外遙感圖像的AIRT可以作為中期監(jiān)測與分析指標，通過對監(jiān)測區(qū)內(nèi)AIRT的升溫趨勢來對構(gòu)造地震進行中期預(yù)警；(3)震源熱像異常：在中期預(yù)警的基礎(chǔ)上，結(jié)合斷層發(fā)育及其構(gòu)造形跡，從地震活動區(qū)衛(wèi)星熱紅外遙感圖像上尋找局部熱異常條帶，進而預(yù)報震源位置；(4)綜合短臨預(yù)報：在震源位置預(yù)報的基礎(chǔ)上，即進入短臨預(yù)報階段，此時須密切監(jiān)視和及時分析衛(wèi)星熱紅外遙感數(shù)據(jù)的時、空強變化，一旦AIRT進入下降階段且局部熱異常條帶進入減弱(平靜)階段，即預(yù)示地震即將發(fā)生。本次實驗中，試塊破裂前試件AIRT上升幅度不是很高(<0.5℃)，雁列區(qū)和非連通區(qū)域的局部熱紅外異常幅度也不是很高(<1℃)，與實際地震發(fā)生前衛(wèi)星熱紅外遙感的監(jiān)測結(jié)果(2～6℃)相差較大。分析原因為：(1)巖石破裂生熱幅度與巖石強度有關(guān)，本次實驗條件為自然風干的低強大理巖石，強度較低，內(nèi)部產(chǎn)生的摩擦熱較少；而實際地震條件下，地震區(qū)地殼內(nèi)部多發(fā)育片麻巖、花崗巖等堅硬巖石，在其應(yīng)力積累與破裂摩擦階段能產(chǎn)生更高的熱量。(2)巖石是不良熱導(dǎo)體，通過巖石自身熱傳導(dǎo)很難，盡管壓剪實驗表明巖石內(nèi)部的破裂溫度可以超過300℃，而試件表面溫度反映仍很微弱，內(nèi)外溫差可達兩個數(shù)量級；而地殼內(nèi)部的流體物質(zhì)(地下水、CH4和CO2等地氣)是傳熱的良導(dǎo)體，地震孕育過程中地殼斷層、裂隙和大地震發(fā)生前的小震誘發(fā)的微破裂均可以成為這種流體傳熱的通道，從而將震源區(qū)產(chǎn)生的熱量帶到地表，一方面通過熱交換引起地表增溫，另一方面通過低空溫室效應(yīng)引起衛(wèi)星熱紅外遙感異常升溫。(3)熱彈效應(yīng)與應(yīng)力條件有關(guān)，實驗為雙軸加載，側(cè)壓僅為1.67MPa；而實際孕震條件下，震源區(qū)地殼的巖石處于三軸應(yīng)力狀態(tài)，圍壓可達到500～1500MPa，遠大于實驗中的側(cè)壓，震源區(qū)深部產(chǎn)生的摩擦熱可能達到上千度。5地震成礦期監(jiān)測與分析本文利用雙軸加載實驗系統(tǒng)和紅外熱像儀，對雁列和同線非連通兩種非連續(xù)組合斷層模型在雙軸破裂失穩(wěn)過程中的紅外輻射特征進行了實