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JGR Solid Earth:程谦恭团队林棋文、王玉峰等 构建碎屑化岩崩与地震动信号的关系模型

  作者:地质工程系     日期:2022-11-22   点击数:  

崩塌、滑坡等地质灾害,是自然界中常见的地球物理过程。青藏高原高山峡谷地区正在规划中尼铁路、中巴铁路等众多线性工程和雅鲁藏布江下游水利水电开发工程。崩塌、滑坡及其链生灾害显著制约了这些重大工程的前期规划、中期建设与后期安全运营。研究崩塌、滑坡等地质灾害的动力学过程,构建灾害防控模型,提出灾害防控对策,对于保障国家重大工程地质安全具有重要意义。

高速运动的崩滑体与运动路径强烈相互作用,从而产生诸如碰撞、破碎、摩擦、滚动、震荡等动力学行为,引起接触界面(地球表面)应力状态的迅速变化,并辐射出复杂的地震动信号(Landquake),因此,地震动信号携带着运动物质与地球表面动力相互作用的时空演化过程关键信息。21世纪以来,随着全球地震台网的不断完善以及地震地质学家对地震波相关研究的不断深入,利用地震动信号获取地表过程关键信息的研究日益受到关注,并催生出环境地震学(Environmental seismology)这一新兴研究领域。环境地震学方法为探究地质灾害运动学过程及动力学机理提供了启发性方法和思路,成为极具潜力的崩塌、滑坡等地质灾害监测预警与即时反演分析有效手段,在我国青藏高原高山峡谷地区重大工程防灾减灾领域具有广阔且重要的应用前景。

然而,当前环境地震学在崩塌、滑坡等灾害动力反演方面的应用存在巨大的瓶颈,即:尚未揭示地震动信号特征参数与灾害动力过程的内在联系,从而无法建立可靠的灾害动力学行为震动信号反演模型。程谦恭团队成员林棋文博士后、王玉峰特聘研究员等,聚焦岩崩灾害关键动力过程——岩块撞击破碎,开展了一系列物理模型实验(图1),探究岩块破碎如何影响岩崩震动信号变化,分析破碎条件下源区岩块失稳特性、岩块运动停积过程与地震动信号特征参数之间的物理关系,为构建基于地震动信号的岩崩动力学过程反演模型提供了实验支撑与理论依据。该实验以团队前期研制的低强度高脆性岩石相似材料制作可破碎岩崩块体,考虑岩崩体积、岩块强度与下落高度,模拟高位危岩块体失稳坠落、撞击破碎与扩散停积全过程,通过高速摄影系统捕获块体运动与破裂特征,利用高精度加速度传感器记录岩崩过程产生的震动信号,采用具有自主知识产权的岩崩落石动力学过程滑震信号综合分析程序提取震动信号特征参数,深入分析了岩崩撞击破碎过程所释放的震动信号特征、岩崩初始特性与振动信号之间的统计关系、震动信号特征参数反演岩崩过程的能力和限定条件,从而进一步搭建了“实验室条件下岩崩特性与震动信号特征参数统计规律——真实岩崩动力学过程滑震信号反演”之间的桥梁。得出的主要认识如下:

1)岩崩过程释放的震动信号特征参数与岩崩的初始条件具有强相关性,随初始势能增加,峰值加速度、阿里亚斯强度、总持时、主震持时、平均包络线强度与震动能均呈上升趋势。随岩块强度增加,峰值加速度、阿里亚斯强度、主震持时、卓越频率和频率形心均呈上升趋势。在此基础上,建立了实验室条件下岩崩初始条件与震动信号参数之间关系的经验统计模型。其中,震动能与初始势能之间的关系具有最大可靠性(相关性最强)(图2)。

2)岩块破碎作为一个中间变量,既受岩崩初始条件的控制,又改变岩崩运动路径与危害范围,同时影响了岩崩过程的震动信号的特征。实验表明,岩块破裂弱化了震动信号与岩崩特性的相关性,降低了岩崩初始势能向震动能转化的效率。本研究通过一个概念模型表征了块体撞击模式、运动模式对岩崩破碎及其震动信号时频特征的影响。

3)研究表明,在精细化控制变量的实验条件下,只有初始势能的变化超过一个数量级时,才能通过震动信号特征参数被识别。因此,本项研究提出了当前通过震动信号反演岩崩体积、下落高度等初始条件的精度限定条件。

4)通过对比分析实验与真实案例中岩崩震动信号特征,建立了岩崩初始势能与震动能之间关系的跨尺度统一模型。研究表明,无论实验条件还是真实岩崩事件,岩崩产生的震动能与岩崩本身的势能均具有统一的幂律关系(图3)。

该研究成果获得国家自然科学基金川藏铁路重大基础科学问题专项(41941017)、面上项目(418772264187723742177131)等项目的资助。

                                     



       

1  物理模型实验设置


2  岩崩特性与震动信号特征参数之间的关系

3  岩崩初始势能与震动能的统计关系

论文详细信息:

Lin, Q.W., Wang, Y.F., Cheng, Q.G, Deng, K.F., Liu, S.T., & Li, K. (2022). Characteristics of the seismic signal generated by fragmental rockfalls: Insight from laboratory experiments. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 128, e2022JB025096. https://doi.org/10.1029/2022JB025096

论文链接:https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2022JB025096