[发明专利]一种研究注水诱发地震断层破裂过程实验方法

权利要求书

1.一种研究注水诱发地震断层破裂过程实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：断层模型初步加工与精细处理，初步加工包括：斜切模型与倒角设计，精细处理包括：注水孔、水压力监测腔、断层面粗糙结构；

采用类岩石材料聚甲基丙烯酸甲酯制作特定结构的二维平面断层45°斜切模型，在初加工好的模型上二次加工特定大小的注水压力孔，并在其两侧平行于断层面方向加工多点腔式水压力监测孔，分别进行断层面注水与准分布式压力监测，利用喷砂机进行模型断层面粗糙度处理，配合0.01μm粗糙度仪对断层面粗糙度均一处理；

第二步：布置应力、位移与水压力监测装置：

在模型一面近断层位置等间距布置屏蔽式应变片，同时在模型另一面近断层位置粘贴非接触式测量的散斑，同时在与压力监测孔相连接的矩形腔内布置薄膜式应变片；

第三步：断层模型预应力加载，将断层模型固定于电液伺服双轴加载平台中心位置，对样品施加固定大小准静态载荷，模拟断层构造应力状态；

第四步：利用高精度高压泵采用速率/压力模式向断层面逐步注水，直至断层面破裂发生地震；

第五步：利用应变片与高速摄像机分别测量断层面破裂过程的应变场与位移场；注水诱发地震破裂过程不同时刻t_i位移场的高速相机非接触测量结果，分析计算得到平均破裂速度：

其中t_i为不同时间点，D_i为破裂扩展前端的位置，V_rup为平均破裂速度；

第六步：利用薄膜式应变片与高速摄像机分别测量注水诱发地震破裂过程中的水压场变化与位移场变化；

第七步：改变注水参数与断层面对断层破裂过程的影响，其中包括注水速率、最大压力、注入方式、注水总体积；

第八步：通过应变片与高速摄像机记录的信号，计算诱发地震破裂过程的主要参数，通过理论研究诱发地震过程中水压作用与断层破裂之间主要参数的关系。

2.根据权利要求1中所述研究注水诱发地震断层破裂过程实验方法，其特征在于：

所述第一步中类岩石材料二维断层模型初步加工方法如下：根据加载方式需要，模型尺寸确定为51cm*51cm*3cm的大小并在其对角线位置预制45°斜切面将模型一分为二作为断层面，同时四个边角均采用15mm*15mm*30mm的三角形倒角保证加载过程稳定，利用喷砂处理断层面粗糙度，并采用粗糙度仪测定粗糙度大小。

3.根据权利要求1或2中所述研究注水诱发地震断层破裂过程实验方法，其特征在于：

所述第一步中二维断层模型精细加工方法如下：注水孔布置在断层模型下半部分，为垂直于断层面的“Γ”形结构，将断层面与模型一面相连通，其中与断层面直接连接的通道为出水口，尺寸为Φ2mm*6mm，通道口位于断层面中心整体垂直于断层面；与模型表面连通为进水口，尺寸为Φ3mm*15mm，并注水口处安装注水管接口，利用环氧树脂AB胶进行密封，在断层面上以出水口为中心作10mm*1mm*1mm的导流槽。

4.根据权利要求1中所述研究注水诱发地震断层破裂过程实验方法，其特征在于：

所述第二步的应力、位移、水压力监测装置布置方法：以注水孔的出水口为中心，在模型上半部分的距离断层面6mm平行断层面布置两个60mm*19mm*3mm矩形腔，使50mm*8mm的薄膜式应变片恰好能在其中位于断层面中线位置，延腔中线靠近断层中心位置每20mm布置一个Φ1mm*6mm的压力监测孔，利用环氧树脂AB胶将薄膜式应变片固定于腔中并标定；模型一面近断层位置1mm以7cm为间距、注水孔位置为中心对称成布置7个屏蔽式应变片，同时在模型另一面近断层位置粘贴非接触式测量的散斑。

5.根据权利要求1中所述研究注水诱发地震断层破裂过程实验方法，其特征在于：

所述第三步、第四步模拟构造应力加载并注水诱发地震流程如下：将断层模型放置于双轴加载系统正中位置，通过恒速度加载模式使加载端头与模型完全接触，再通过应力加载模式将水平向力固定为10kN，逐步增加竖向力直至断层发生第一次滑动且竖向力突然下降，随后将竖向力再次增加略低于上次滑动时的力大小，随后向断层面以固定速率/压力注水，直至断层面再次发生滑动，利用震动信号为触发源，采用数字图像散斑技术DIC在断层一面进行地震破裂全过程位移场测量，在模型另一面利用高速摄像机拍摄断层面注水扩散过程，拍摄频率为50kHZ，同时利用薄膜式应变片记录破裂过程连续的水压力变化。