1 研究背景

实验室岩石加卸载破裂实验是认识和理解地震孕育现象和机制的重要手段。为了揭示地震孕育发生的物理过程，众多学者在不同观测条件下开展了大量实验。除传统的应变、位移及声发射观测手段外，目前较为先进的方法是，基于岩石变形热红外观测系统以及数字图像互相关等技术观测介质的热场变化。但是，在野外地震观测中，可能无法使用上述观测手段对地下介质的应力状态和微小的应力变化进行高精度变化测量。可见，受严苛的观测条件所限，目前这些实验室观测手段尚难以应用于野外实际观测。

地球内部具有不可入性，基于波速测量的高精度观测技术是目前地震学发展的一个重要方向。其中，以尾波干涉测量理论为基础的波速测量方法发展迅速。主要是因为，尾波中包含诸多高频散射波成分，与介质内部的微小结构进行充分接触，使得传播路径更长，对细观尺度的物性变化更敏感，更有利于识别介质的微小变化。该测量方法不仅在实验室中得到初步应用和发展，也广泛应用于观测区域尺度的介质波速变化。相关研究有：谢凡等（2017）利用尾波干涉的观测方法，所得相对波速变化的观测精度高达10^-6；杨海明等（2020）开展超声尾波和声发射同步观测研究，认为超声尾波变化和声发射均可反映岩石内部损伤情况，且不同变形阶段，尾波变形机制不同。

2 理论基础及研究内容

利用超声尾波观测不同加卸载阶段岩石介质的波速变化，开展地震孕育发生机理的模拟实验，探讨不同阶段岩石损伤与波速的变化关系。尾波干涉测量理论假设，时间延迟是由空间上均匀变化的相对速度引起的，介质中的相对波速变化可以表示为：

$\frac{\mathrm{d} v}{v}=-\frac{\mathrm{d} t}{t}$

(1)

其中，v为介质中的波速，dv为介质中的波速变化，dt为部分尾波窗口的到时差，t为到时。通过测量不同时刻的到时差随时间变化的线性关系，即可得到介质中的波速变化。

利用上述理论计算方法，对13个接收探头记录数据进行处理，具体步骤如下：①信号预处理：在数据采集阶段，由于激发延时导致直达波存有一定相位差，影响后续尾波波速变化的计算精度，利用互相关及3次样条插值方法，对2列信号进行直达波走时对齐，针对信噪比较低的信号，采用模板匹配滤波方法对信号进行降噪处理；②尾波窗口选择：为了保持结果的稳定性，在考虑充分散射的要求下（≥4倍平均自由程），通过选择不同窗口进行对比，最终选择2.0—2.3 ms的尾波窗口进行波速测量；③波速变化测量：经上述处理后，利用某个探头在首次测量时获得1s时间内叠加数据作为参考信号，将之后每秒数据作为目标信号，将参考信号与目标信号在尾波窗口[t₁，t₂]时间内进行互相关计算，互相关系数取最大值时对应时间为走时差变化量，代入公式（1），计算可得整个实验阶段的波速变化量，以此类推，计算得到所有探头的波速变化量。

3 研究结果

利用尾波波速干涉测量方法，获得13个AE探头随时间的平均波速变化量，如图 1所示，将平均波速变化与应力的变化关系划分为相对稳态阶段（OM）、断层亚稳态阶段（MN）、断层亚失稳阶段（NB）3个变化阶段。观察发现，在相对稳态阶段，波速变化与应力具有较好的线性关系，应力积累和释放较为稳定；断层亚稳态和断层亚失稳2个阶段，处于偏离散的非线性状态，反映了加载后期介质内部的剧烈变化。

（1）相对稳态阶段：平均波速与应力的变化曲线具有高度一致性，二者具有较高的线性关系。波速变化量基本一致，表明随着外部应力的不断增加和减少，介质内部的应力进行相对稳态的积累和释放。

（2）断层亚稳态阶段：岩石介质的波速变化出现明显异常，波速与应力变化呈偏离散非线性状态，波速变化量为0.015%，达最小值。

（3）断层亚失稳阶段：前期主要是岩石内部应力调整恢复的过程，但应力变化水平不稳定，随后波速变化曲线与应力加载曲线呈偏离散的线性负相关，此时波速变化趋于断崖式下降，表明介质内部应力变化剧烈，可能有较大破裂产生。

4 结束语

地震的孕育过程极其复杂，从力学角度，可视为震源区介质损伤、演化、破坏的过程。若受力不断增加，实验材料将分别经历弹性变形、损伤、失稳等过程。弹性变形具有可逆性，即加载和卸载过程是可逆的，而损伤过程的本质特征则相反，具有不可逆性，这种差异反映了材料损伤的程度。

本实验中波速对应力变化的响应，经历了相对稳态、亚稳态及亚失稳阶段，即岩石破裂呈弹性—损伤—失稳状态，满足加卸载响应比理论，且不同阶段之间加卸载响应比差异较大，这有可能成为样品稳定性分析的一个新指标。