[科普中国]-岩石破坏实验

岩石破坏实验是观测岩石破坏条件、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。

实验观测岩石破坏条件、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。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。1

机理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。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：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的测量 破坏过程中岩石物理性质，例如弹性波速度、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。

实验结果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。2

本词条内容贡献者为:

张勇 - 副教授 - 西南大学资源环境学院