声发射矩张量自动反演

2012-04-02刘培洵李普春刘力强陈顺云

地震科学进展 2012年6期

刘培洵李普春刘力强陈顺云

（中国地震局地质研究所，地震动力学国家重点实验室，北京 100029）

岩石实验中常通过声发射定位了解岩石内部微破裂发生的时间和位置。如果将地震学中震源机制反演算法引入声发射研究，就可获得微破裂机制，对分析力学过程很有帮助。然而岩石样品中的声发射与野外地震不同，有一些难点：①声发射采集系统的采集通道一般较少，根据少数一些点的初动方向，无法精确勾勒出节面的空间分布；②岩石在围压不高时破裂不一定是纯剪位错，也就是说不一定符合双力偶模型，初动方向有可能不是四象限分布；③构造物理实验中常观测到成千上万个声发射事件，到时识别、初动方向识别很难依靠肉眼识别完成。解决方案是实现全自动的，包括到时识别、定位和声发射矩张量反演等功能的应用软件。

1 方法

我们的声发射定位方法建立在点源和均匀各向同性模型的基础上。当岩石样品相对均匀且破裂很小时，上述条件基本满足。声发射定位算法以走时偏差最小作为目标函数，但计算走时偏差时，采用稳健的Tukey M 估计替代最小二乘估计。采用模拟退火法结合单纯形法，直接搜索目标函数的全局最小值。此方法在到时数据存在误差较大的离群点时仍可得到较好的结果。

矩张量反演采用均匀、各向同性、无限介质的Green 函数。使用远场观测的P 波信号进行点源矩张量反演。点源要求破裂尺度远小于观测距离和P 波波长，远场要求观测距离远大于P 波波长。实验室中观测的声发射以超声波为主，波长大约在10 mm 量级，因此当样品不太小时（最短轴不小于100 mm），且破裂尺度在矿物颗粒级，上述条件可以近似满足。另外由于高频的声发射传感器难于标定，本算法所得到的矩张量的绝对大小物理意义不明确，而辐射花瓣的形状及相对大小更有意义。

根据矩张量理论一定能算出结果，但结果是否可靠是声发射矩张量自动反演成功与否的关键。为检验反演结果的可靠性，我们声发射采用人工触发实验和典型结构岩石的力学实验对反演结果进行了检验。

2 结果

采用落球实验和断铅实验对声发射矩张量反演进行了检验。落球实验是在岩石样品的表面落下一钢珠，钢珠和岩石撞击产生声发射。落球辐射的P 波，其辐射花瓣在半球上近似于岩石内部的张裂。断铅实验是将0.5 mm 的铅芯在样品表面弯曲折断，铅芯折断类似于3 点弯曲，也是张裂，理论解与落球十分相似。矩张量反演结果表明对于落球和断铅实验，声发射矩张量反演是可靠的。落球和断铅实验仅可产生类似张裂的震源。模拟双力偶型的剪切位错源可采用压电陶瓷激发弹性振荡。压电陶瓷即可作为声发射传感器，也可作为声发射发生器。用电脉冲激发压电陶瓷就可产生声发射。不同种类的压电陶瓷有不同的振动模态，此次使用了两种压电陶瓷，一种是厚度伸缩振动模态，另一种是厚度切变振动模态。将压电陶瓷粘贴在样品表面，厚度伸缩振动模态的压电陶瓷在电脉冲激发后产生垂直样品表面的伸缩，厚度切变振动模态的压电陶瓷在电脉冲激发后产生平行样品表面的剪切，是模拟剪切源的理想选择。矩张量反演结果表明反演算法是可靠的。

除进行声发射人工触发实验外，我们还进行了典型结构岩石的力学实验，其中包括含有薄弱面岩柱的单轴压缩和巴西圆盘劈裂实验。矩张量反演结果与理论预期基本一致。