文档介绍：走进地震预测-加卸载响应比方法 袁帅首先要从一个寓言故事说起:有一个商人让他的骆驼驮了很重的货物,他对同伴炫耀说:“伙计,你瞧我的骆驼多能干啊!”同伴说:“伙计,你的这匹骆驼是很能干,可它也已经驮到极限了,你看它的腿在哆嗦呢!我敢保证,如果再加一根稻草,就足可以把这个可怜的家伙压垮了。”商人很不服气,说:“尊敬的伙计,你也太小瞧我这匹骆驼了,你看它威猛无比,我就不信一根稻草能将它压垮。”同伴说:“那就见证一下吧。”说着同伴捡起一根稻草,往骆驼背上轻轻一放,这匹威猛而能干的骆驼果然轰然倒下。这是一个广为流传的寓言故事,而这个故事也为地震预测提供了启发。在寓言中,骆驼负重已经达到了临界状态,加一根稻草和减一根稻草对于骆驼来说是有天壤之别的:减一根稻草,骆驼会感觉少许轻松,而加一根稻草骆驼就会被压垮;而在负重很小的情况下,骆驼对于加减一根稻草却有相似的反应,少许加重或者少许轻松。同样道理,如果把地壳比作骆驼的话,当进入大地震前的临界状态,地壳对于加载和卸载的响应也会有着巨大的差别。正是基于这个道理,尹祥础注提出加卸载响应比理论,来为地震预测提供一条新的途径。地震是极具破坏力的自然现象,地震造成的人员伤亡和财产损失是非常巨大的(见图1),进行地震预测、预报是减少地震破坏力的最有效的方法之一。地震的孕育过程是极其复杂的,但从力学角度看,其物理实质在于震源区介质的损伤、失稳和破坏,地震的孕育过程就是震源区介质的损伤、演化、破坏过程。图2是典型的岩石的本构曲线,本构关系表征受到外载时,材料的各力学量之间的关系。图中纵坐标表示载荷P,横坐标表示响应R,在一维应力应变状态下即是相应的应力和应变。如果使材料的受力单调增加,材料将分别经历弹性变形(A)、损伤(B)、失稳(C)等过程。弹性变形的本质特征为其可逆性,即加载过程和卸载过程是可逆的(加载和卸载沿同一条曲线变化);损伤过程的本质特征与弹性过程相反,具有不可逆性(加载和卸载不沿同一条曲线变化),这种差异反映了材料的损伤或劣化的程度。加卸载响应比理论的出发点即基于此。在加卸载响应比理论里面,首先要定义两个基本的参数。①响应率:设载荷增量为,相应的响应的增量为,定义响 应率X为:(1) ②加卸载响应比:令和分别代表加载与卸载时段的响应 率,则加卸载响应比Y定义为(2) 对于弹性变形,,因而。而对于损伤过 程,,Y>1;当系统失稳时,。而将加卸载响应比应用于地震预测要解决三个主要的科学问题。①如何对地壳进行加载和卸载整个孕震区的线尺度可达几百甚至上千公里,对这样巨大的系统 进行加卸载,显然不是目前人力所能及的。好在大自然正好为我们提供了这样的条件,这就是日、月运行产生的引潮力。日月引潮力的周期性变化就实现了对地球的周期性加载和卸载。②如何判断加载和卸载根据大量实验研究,对于岩石材料,库仑准则是最适用的。根据库仑准则,断层面上的库仑应力(有效剪应力)为: (3) 其中,,和分别代表断层面的内摩擦系数、剪应力和正应力。判断为加载,反之,判断为卸载。 众所周知,地壳应力包含构造应力和潮汐应力。由于构造应力的量级(106-108Pa)远远高于潮汐应力的量级(103-104Pa),因此可以认为地壳应力的主方向和构造应力的主方向是一致的。然而,由于潮汐应力的变化率远远大于构造应力的变化率,因此库仑破裂应力的增量()主要是由于