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固体地球灾害遥感监测基础研究取得重大进展

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  人类深受固体地球灾害(如断裂活动、地震、滑坡、溃坝、矿山岩爆、煤与瓦斯突出等)的困扰,岩石受力破裂与失稳灾变是引发上述灾害的根本原因。地壳岩石受力灾变是地壳环境中的复杂现象,“中强构造地震发生前出现地表热场(卫星热红外、地表潜热通量、长波辐射)异常,且与线性构造有关”,已被证实为普遍现象。利用遥感技术对固体地球灾害孕育与发展过程进行有效的监测和预警,是遥感科学与应用的前沿领域;岩石受力灾变过程的辐射变化规律及其前兆特征,是固体地球灾害遥感监测的科学基础。

  从1991年开始,中国地震局地球物理研究所、中国地震局综合观测中心、中国科学院遥感应用研究所、中国矿业大学(北京)、中国科学院武汉岩土力学研究所合作,在国家自然科学基金委、北京市自然科学基金委、教育部、国家科委、国防科技委、中国科学院、中国地震局等的联合支持下,以基础实验研究为主要手段,重点针对震前卫星热红外异常和矿山灾害前兆现象,利用多种红外遥感探测仪器对岩石加载至破裂过程进行遥感观测和定量分析,进行了一系列创新性研究。包括:多种地壳岩石单轴加载与双剪黏滑过程的红外辐射观测实验与探索研究,典型地壳岩石单轴、双轴、双剪黏滑、组合双剪、压剪、撞击等多种复杂受力条件下的红外辐射观测实验与理论研究等。回顾该领域研究工作的基本思路与过程,可总结为:

  首先,通过多种岩石单轴压缩、双轴压缩和压剪破裂红外遥感观测实验,研究岩石受力破裂过程中红外辐射的时、空、强特征变化,揭示岩石受力破裂及灾变过程中应力(场)与红外辐射(场)之间的定性、定量关系;研究岩石受力红外辐射变化的影响因素,重点揭示岩石受力破裂灾变的红外前兆特征及规律,探索岩石受力灾变红外遥感监测的适用波段。

  其次,通过岩石双剪黏滑的红外观测实验,了解岩石摩擦滑动过程中的红外辐射变化特点,寻找岩石黏滑过程中红外辐射温度场与应力场之间的关系,建立红外辐射与摩擦性状及摩擦行为之间的关系,揭示岩石黏滑前红外辐射前兆特征,为断层滑动及发震的卫星红外遥感监测提供实验依据。

  然后,在以上实验的基础上,针对地壳常见活动断裂的组合类型,选择雁列型、共线非连通型以及交汇型组合断层为原形,设计相似物理模型进行断层组合模型加载过程的红外观测实验,研究组合断层活动及其灾变过程的红外异常特征及规律,分析断层失稳的辐射异常前兆,揭示断层几何结构对红外辐射的影响规律,为构造活动的卫星红外遥感监测提供实验依据。

  再次,针对岩石工程中常见的岩石撞击行为,采用自由落体和Hopkinson压杠撞击模式,开展岩石撞击的红外成像观测实验,研究红外辐射特征参量与撞击速度、撞击势能之间的定量关系,并实验探索矿井冒落岩石撞击升温引爆矿井瓦斯的可能性,为利用红外遥感手段探测和反演岩石撞击行为提供科学依据和实验基础。

  最后,将研究取得的岩石受力红外辐射变化规律进行实践性检验。选择若干典型震例,进行构造地震前的卫星热红外遥感图像序列的时空演化特征分析,并与实验获得的相似条件下热红外异常时空演化规律进行对比,验证实验结果的正确性和应用价值。

  经过16年来的研究,取得以下重要成果和科学发现:

  (1) 岩石受力红外辐射变化具有波段性差异和阶段性规律:岩石红外辐射随应力发展呈阶段性变化,且临破裂前变化显著;岩石受力过程中红外光谱曲线形态基本不变,但各谱段辐射强度均明显增加,8.3~10.1、10.3~12.2、13.0~15.1μm波段尤为突出,3~5μm和8~14μm的大气窗口是适用的监测波段。进而奠定了岩石红外辐射变化研究与遥感监测的科学基础。

  (2) 岩石受力红外辐射参量与力学参量之间存在定量关系:岩石受力的平均红外辐射温度(AIRT)—应力、红外辐射能—机械能之间线性相关,撞击速度与靶元红外辐射温度增量之间二次曲线相关,AIRT —机械能之间三次曲线相关(如图1);基于红外辐射监测反演岩石撞击力学参数的误差小于10%。进而奠定了岩石受力红外遥感监测及定量分析的技术基础。

  


  (3) 岩石受力破裂存在两类红外前兆:岩石受力破裂与灾变存在热像异常和AIRT-time曲线异常两种红外前兆形式;热像异常表现为未来破裂位置出现辐射异常条带(如图2),增温条带对应剪性破裂,降温条带对应张性破裂,且异常条带的时空演化对应微破裂的时空演化;AIRT-time曲线异常表现为临破裂前短暂降温(如图3)、持续升温或降转升后的快速升温前兆;红外前兆与岩石性质及应力方式有关,红外前兆出现在77~87%峰值应力区,0.79为煤矿岩石失稳监测应力警戒点。此为岩石受力灾变应用监测的重要指标与应力警戒区。

  


  4) 断裂活动红外辐射变化分为5个阶段:雁列及共线非连通断裂活动过程中,平均红外辐射温度(AIRT)随应力发展呈5个阶段的特征性变化(如图3),分别为加载初始阶段下降、弹性阶段直线上升、应力闭锁阶段加速上升、解锁阶段先降后升和屈服破裂阶段下降的阶段性演化规律,与构造地震发震前的卫星红外异常的阶段性变化特征完全一致。进而科学解释了震前卫星红外遥感异常特征与机理。


  在以上科学发现的基础上,分析了岩石加载过程中存在的4种热力耦合效应(热弹效应、孔隙气体解析与逃逸吸热效应、裂纹产生与扩展吸热效应和破裂摩擦热效应)和2种环境热效应(环境热交换和环境辐射效应),指出其综合作用与动态均衡是导致不同岩石、不同受力条件下红外辐射特征变化与前兆差异的原因。进而揭示了岩石受力红外辐射变化与前兆差异的内在机理,建立了岩石受力红外辐射变化的遥感物理模型,奠定了岩石受力灾变红外探测的理论与技术基础,形成了遥感-岩石力学的理论基础。并为固体地球灾害、矿山灾害、工程灾害等遥感探测提供了实验依据,可为卫星对地观测仪器研制及GEOSS集成探测技术发展提供参考。

  已出版《岩石受力灾变的红外辐射》、《遥感-岩石力学引论:岩石受力灾变的红外遥感》两部专著,发表“Remote sensing rock mechanics (RSRM) and associated experimental studies”、“Precursors for rock fracturing and failure - Part I: IRR image abnormalities”、“Precursors for rock fracturing and failure - Part II: IRR T-curve abnormalities”等论文60余篇,被国内外广泛引用和评价。研究成果已在陆地断裂活动、陆域与海域地震、矿山灾害等红外遥感异常分析中得到应用和检验,并于2007年获得教育部“高等学校自然科学一等奖”。(中国矿业大学 吴立新)

  

  


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