1 研究背景

人类很早就对地震现象有所关注并进行研究，以期通过现象揭示地震孕育发生的规律，并依据可靠的前兆进行地震预测。从20世纪中期到现在，学术界对地震现象的认识经历了复杂而艰辛的演变，各种异常现象的地震相关性经过否定之否定而被确认，例如地震云、氡异常、电离层异常、地下水异常等。这些现象作为地震前兆引起广泛关注，但在实际运用时却存在一定问题，究其本质还是地震孕震机理不清造成的。尽管地震机理不清，大部分研究者仍然在地震机理上形成了一些共识：地震是在震源被加载到临界状态后发生的，加载过程就是地震能量积累过程。正因如此，诸多研究者通过岩石加载的声发射对地震现象进行研究并予以解释。本文以较为公认的震源概念为前提，将地震过程与岩石单轴压缩过程中的声发射演化进行全面对比，通过声发射的演化规律解释地震发生过程中的一些现象，为地震预测提供参考。

2 研究内容 2.1 地震震源结构

震源结构是研究地震机理和进行地震预测的基础。Reid最早用弹性回跳理论解释了构造地震发生的机理，即沿断层发生的剪切局部化，导致断层周围介质失稳回弹破坏产生地震，这种结构后来被归纳为两体结构，广泛应用于工程地质灾害，如煤与瓦斯突出、冲击地压的研究。双力偶断层位错模型是地震研究领域的突破性进展，确立了地震波辐射特性与断层运动之间的物理机制，即震源机制。Aki（2009）指出，震源位错可能发生于断层带上未贯通的障碍体（barrier）或断层面上的凹凸体（asperity）。近年来，秦四清等建立了一种多锁固段孕震断层模型，认为地震是断层内多个块体因锁固积累能量导致块体破坏的过程；杨巍然等提出板内地震的三层次构造模式——软流圈上隆的深部构造、中地壳韧性流变层（低速高导层）及其上、下强硬层组成的中部三明治构造和上地壳浅表脆性断裂构造，与Aki在其遗著中提出的孕震结构模型类似（Aki，2009）。

综上，地震学对震源结构的认识存在分歧，根本原因在于诸多地震现象无法基于某个震源结构得到合理解释。尽管如此，不难发现上述震源模型存在一个共识，即均认为存在一个震源区域被持续加载，以积累足够的地震能量。因此，可以将岩石加载过程中的声发射演化与地震过程进行对比，以确认某些地震现象的物理本质。

2.2 岩石单轴压缩的全应力应变曲线

岩石力学对岩石单轴压缩的全应力应变曲线研究已经较为透彻（邓绪彪等，2018），本文在前人研究基础上，将其与声发射演化对比后划分为6个阶段，结果见图 1、图 2，其中图 1所示为典型的岩石全应力应变曲线，图 2所示为粉砂岩单轴压缩全过程的应力、变形及声发射对时间的曲线。

第一阶段，裂隙闭合段（OA段，应力范围0—0.20 UCS），通常认为这一阶段的声发射是优势方位的裂隙扩展所致，研究表明，该段声发射信号几乎全部是拉张型，随加载的增加，这类裂隙逐步减少，裂隙变形（CraStrn）减小，声发射随之变得稀疏。第二阶段，弹性变形段（AS段，应力范围0.20—0.54 UCS），计算的裂隙变形量为零，说明以弹性变形为主，但仍监测到不少声发射产生，并随加载的增加而不断增多，AE累积曲线缓慢上升，声发射在岩样空间上分布较离散，且以拉张型为主。第三阶段，裂隙变形段（SB段，应力范围0.54—0.86 UCS），裂隙变形快速增加，声发射事件快速增加，AE累积曲线变陡，直至屈服强度点B附近，研究发现，当应力超过裂隙起裂强度点后，剪切型声发射增多，剪切应力能够使更多裂隙扩展，声发射的空间分布以离散分布为主。第四阶段，峰值软化段（BC段，应力范围0.86—1.00 UCS），裂隙变形以较快的速度线性增加，与体积变形趋势一致，该段声发射事件数无论在数量上还是增加速率上，都较上一阶段大幅降低，AE累积曲线上升趋势变缓，在空间上有集聚贯通的趋势，并伴随有时间上的空区出现，裂隙的扩展贯通开始由弹性能量耗散控制，具有流变特性。第五阶段，应力跌落段（CD段），岩石发生整体破坏，裂隙变形和体积变形均同步陡增，表明岩石内部储存的一部分弹性能被消耗于岩石的主破裂过程，应力跌落时几乎无明显声发射产生，这可能是因为全局大尺度裂隙产生时激发的声发射频率较低，超出了声发射探头的采集能力。第六阶段，残余变形阶段（DE段），裂隙变形与体积变形保持相同趋势，声发射表现出更多的纵向频线，因为主破裂后的破裂块体内有大量残余弹性能，其继续以卸荷破裂方式耗散，能够在较短时间内激发多个频率，从而形成纵向频线，本文将其称之为余震段。

3 岩石声发射与地震的对比

通过多年研究，前人已总结了不少声发射与地震过程现象的关联。首先，声发射波形与天然地震虽然在频率振幅上存在差别，但在形态上较为相似，具有振幅快速增大和缓慢下降的过程，也都包含各种不同的波形成分，其空间位移场能反映不同的破裂模式。其次，在发生序列上，Mogi总结了声发射的“主震—余震”、“前震—主震—余震”、“群震”3种基本类型（Mogi，1967），对照图 1、图 2不难发现，“前震”对应于裂隙变形段和峰值软化段，“主震”对应于应力跌落段，“余震”对应于残余应力段，后人在不同加载条件下获得了更多岩石声发射演化模式，可以与天然地震的发生序列对比。最后，在震级频度关系上，声发射、微震和天然地震均采用了b值描述其活动性，发现临震破坏前b值会持续下降。此外，声发射的空间分布、整体模式、b值演化等均受岩体结构构造控制，与天然地震受断层控制相似。

岩石的声发射研究还发现了Kaiser效应和Felicity效应。据图 1、图 2所示各加载阶段的裂隙和声发射演化特征不难发现，当加载进入弹性变形段（AS段）卸载后，其再次加载出现声发射的应力就要大于之前的加载应力，即声发射表现出Kaiser效应，它是利用声发射测试地应力的基本前提；当加载进入裂隙变形段（SB段）后卸载，之后再次加载出现声发射的应力将小于之前的加载应力，即Felicity效应，但如果以足够慢的速率加载或在初始加载的应力水平恒载足够长的时间，则Felicity效应消失，再次表现出Kaiser效应；当加载进入应力峰值段（BC段）后，其声发射特征比较复杂，表现出远离平衡态的非线性耗散特征，卸载可能形成大裂隙，再次加载时声发射会从较低的应力水平开始出现，呈现较强的Felicity效应。考虑Kaiser效应和Felicity效应，可以较好解释天然地震的一些现象，例如，“主震—余震”与“前震—主震—余震”2种模式的差别，较大可能是因为前者经历了卸载，若之前加载已达到峰值应力阶段，则可能表现出“群震”模式。预测实践还发现，有些地震前兆明明较为典型，却未在短期内发生地震，是因为某种原因使震源发生了卸载。显然，在进行地震中短期预测和临震预测时，必须充分考虑震源区的加卸载情况，才能得到相对准确的结果。

4 结束语

岩石的加载过程与地震震源区的加载可以进行力学上的对比研究，除上述声发射外，岩石加载过程也发现了温度（红外）和电磁异常，这些都有助于对各种地震现象的认识。随着岩石力学裂隙破坏的跨尺度研究，必然为地震预测提供越来越多有参考价值的成果。