岩石破裂过程微波辐射变化规律与敏感波段实验研究

岩石破裂引发的地质灾害是危害人类安全的主要灾害之一，对灾害前兆的监测、识别与预警是防灾减灾的关键。本研究针对岩石破裂过程微波监测的实验研究现状及存在问题，利用7波段微波辐射计，并辅以热成像仪、声发射仪、数字摄像机等设备，系统开展岩石在单轴压缩、拉伸、压剪作用下微波辐射变化观测实验研究，揭示岩石在不同加载方式下微波辐射变化的基本规律与破裂前兆特征,寻找微波辐射对岩石应力与灾变响应的敏感波段和极化方式，建立加载岩石的力学参数与微波辐射参数之间的定性与定量关系。然后，基于微波物理、岩石力学、量子力学及热力学等理论，并结合介电常数、温度与扫描电镜微观结构测试，探索岩石受力及破裂过程微波辐射变化的物理机制与微观机理。本研究对于揭示岩石的遥感物理特性、丰富遥感-岩石力学理论有学术意义，对于促进微波遥感用于岩体应力状态和稳定性监测、以及固体地球灾害、矿山灾害和工程结构灾害的监测预警有现实意义。

岩石应力与灾变的遥感监测是近年来研究的热点问题。以往研究主要开展了岩石受力过程的红外辐射变化规律的研究，为后续研究奠定了重要基础。本项目利用微波辐射计、热成像仪、温度测试仪、声发射仪、数字摄像机等设备，开展了岩石在变形与破裂过程微波辐射变化观测实验研究，揭示了岩石在变形与破裂过程的微波辐射变化的基本规律。然后基于分层介质微波辐射理论分析了破裂岩石的微波辐射特征与影响因素，并进行了实验验证。在此基础上，结合岩石的微观测试和介电常数测试，开展了岩石变形与破裂过程微波辐射变化的物理机理分析。主要结论和成果有：1）发现实验环境对岩石加载过程微波辐射观测结果有重要影响，当实验在室内进行时，由于环境温度和试样温度相近，加载导致的岩石微波信号的变化被环境辐射所淹没，不能有效提取因受力造成的微波辐射变化。基于此，建立了室外天空冷背景下岩石加载微波观测实验系统，并利用该系统开展了岩石加载工程微波观测实验，取得了新成果；2）实验发现岩石在弹性变形阶段，微波亮温与载荷间成线性正相关关系。对于单轴抗压强度为150MPa的花岗岩，在破裂前微波亮温可上升2.25 K，是物理温度上升的10倍左右；3）岩石受力破裂时，微波亮度温度一般会下降，而当表面形态和粗糙度明显变化或破裂摩擦效应明显时，微波亮度温度会上升；4）岩性对岩石加载微波辐射观测结果有重要影响，对于脆性强和孔隙少的岩石，微波辐射与载荷的线性关系明显；而对于内部孔隙较多的岩石，因孔隙压密造成的微波效应使得微波辐射与载荷的线性关系不明显；5）使用水平极化方式对岩石变形与破裂现象进行微波观测，比垂直极化方式效果好，表明岩石受力灾变的微波敏感极化方式为水平极化；6）从使用Ka、K、C、X、Ku 5个波段的实验结果来看，Ka、K、C波段对应力作用响应敏感，而X、Ku响应不敏感；7）基于分层介质微波辐射理论建立了破裂岩石微波辐射的数学模型，利用该模型分析了破裂岩石微波辐射的影响因素和影响特征；8）机理分析结果表明，岩石加载过程微波辐射变化的影响因素可分为3大类12小类。这些因素的综合作用导致了不同岩石、不同加载方式、不同实验条件下岩石变形与破裂微波辐射变化的多样性和差异性。.本研究成果丰富了遥感-岩石力学的内容，具有学术意义，对于促进微波遥感用于岩体应力状态和稳定性监测、以及固体地球灾害、矿山灾害和工程结构灾害的监测预警有现实意义。