关于岩石破坏实验介绍

[拼音]：yanshi pohuai shiyan

[外文]：experimental study of rock failure

观测岩石破坏条件、破坏过程和该过程中岩石物理性质变化的实验研究。岩石破坏实验的目的在于增进对地震成因的理解，加强对地震前兆的认识。对实际的地震预测来说，通常有两种方法：

（1）总结地震之前观测到的可能与地震发生有关的现象，把它作为地震前兆，进行另一次地震预测尝试。

（2）开展震源物理的研究。即从一定的理论前题出发，提出假说─地震发生的模式;再从这个模式着手，推导可能的前兆和不同前兆之间的关系；然后通过实践检验模式。岩石破坏实验为建立假说提供基本的观测事实，是震源物理研究工作的一部分（图1）。

早在 20世纪 30年代，美国科学家布里奇曼(P.W.Bridgman) 等就开展了在高温高压条件下测量岩石物理性质的研究。但真正将岩石实验结果同地震问题结合起来，则开始于日本茂木清夫1962年的工作。茂木清夫测量了各种岩石受压缩后产生的声发射信号，并用实验结果解释了天然地震的各种类型，他的工作引起了地震学家的浓厚兴趣。1969年以后，发现在许多地震之前波速比vP/vS有异常变化。不久，美国科学家对波速比在地震之前变化的原因提出了理论解释，从而提出了地震的膨胀-扩散模式。70年代以后，岩石破坏实验受到各国从事地震预测研究的科学家的普遍重视。

目前认为产生地震的两种机理是：岩石的破裂和岩石沿已有断层面的摩擦滑动。对完整的岩石进行压缩时，岩石会产生破裂，出现断裂面。岩石在破裂前，体积会有明显的增加，这叫做岩石的膨胀。膨胀是由于岩石中的裂纹形成及其扩展，而且在应力约等于岩石破裂强度的一半时开始。膨胀会引起岩石物理性质的明显变化(图2）。基于岩石破裂之前的膨胀现象，美国科学家提出了地震发生的膨胀-扩散模式（见震源物理）。

对含有断层或其他间断面的岩石进行压缩时，沿断层面发生摩擦滑动的条件为：

其中σ、τ分别为断层面上的正应力和剪应力。以上定律与经典物理学中的摩擦定律τ＝μσ 是很不相同的。经典物理学中的摩擦系数μ与材料种类、界面性质等许多因素有关，而在高压下岩石的摩擦却与岩石种类、界面性质无关。这个定律的物理解释目前尚不完全清楚。一旦达到滑动条件后，摩擦滑动有两种方式（图3）：一种是稳定的滑动；另一种是不稳定的滑动，叫做粘滑。多数浅源地震的成因可能与现存断层的粘滑有关。

破坏过程中岩石物理性质，例如d性波速度、电阻率、磁化率、声发射、一些断裂力学参数等将要发生变化。通常将实验室中观测到的这些物理性质的变化，同地震前各种地球物理场的观测资料进行比较，以便了解地震的过程。由于地球上99％以上的岩石都处于1千兆帕(～1万大气压)和500℃以上的高压高温环境之中，因而实验测量工作必须在模拟地球内部的高压高温条件下进行；还由于实验室内岩石样品尺寸不大，故测量精度必须相当高。所以，岩石物理性质的测量，应用和吸收了高温高压技术、激光全息测量技术、电子计算机等许多方面先进的技术和成就。

实验室结果是在短时间内对小尺度的岩石样品进行实验得到的。尽管岩石实验的结果可以定性描述巨大岩体的现象，而且也观测到了岩样破坏前性质的变化与地震前兆之间的相似性，但当把这样的实验结果外推于地球各种过程的定量研究时，必须要研究岩石变形的微观机理。只有在知道岩石在实验室和自然界两种条件下的变形机理后，才有可能作出合理的外推。（见彩图）