两类岩石声发射事件与Kaiser效应点识别方法的试验研究

第30卷第3期岩石力学与工程学报V ol.30 No.3 2011年3月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering March，2011
两类岩石声发射事件与Kaiser效应点识别
方法的试验研究
王小琼，葛洪魁，宋丽莉，和泰名，辛维
(中国地震局地球物理研究所，北京 100081)
摘要：岩石声发射(AE)是研究岩石内部变形与破坏机制和测量地应力的重要手段之一，但利用AE Kaiser效应测
量地应力尚未标准化，许多情况下Kaiser效应点不易判别。

为了提高Kaiser效应点的识别能力，对取自鄂尔多斯
盆地的21块砾岩、砂岩、泥岩等岩芯开展单轴压缩AE测试试验。

分析不同应力下AE的规律以及岩性、加载模
式和AE参数对Kaiser效应点识别的影响。

结果发现：不同载荷条件下AE事件具有不同的数量、能量和频率特
征，在Kaiser效应点判别方面，砾岩比砂岩和泥岩更易获得地应力读数；循环加载优于分级循环加载，优于单次
加载模式；累积能量优于振铃数和AE数。

结合岩芯不同应力下的微观变形破裂机制，可以认为，存在2种类型
的AE事件：一为原有裂隙闭合和颗粒间摩擦引起的摩擦型AE，一为新裂隙扩张引起的破裂型AE，破裂型AE
能够更好地反映AE对应力的记忆。

为了突显Kaiser效应点，应尽量压制摩擦型AE，突出破裂型AE。

建议在地
应力测试中采用循环加载方式消除摩擦型AE的影响，预压应力水平应超过预先估计的地应力，采用累积能量作
为Kaiser效应点的识别参数。

关键词：岩石力学；声发射；摩擦型AE；破裂型AE；Kaiser效应；地应力；试验
中图分类号：TU 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2011)03–0580–09 EXPERIMENTAL STUDY OF TWO TYPES OF ROCK SAMPLE ACOUSTIC EMISSION EVENTS AND KAISER EFFECT POINT RECOGNITION
APPROACH
WANG Xiaoqiong，GE Hongkui，SONG Lili，HE Taiming，XIN Wei
(Institute of Geophysics，China Earthquake Administration，Beijing100081，China)
Abstract：Acoustic emission(AE) is an important means to study rock internal micro-deformation and failure mechanism，the Kaiser effect is one of the common used methods of geostress measurement which is not standardized now. In many cases the Kaiser effect points are not obvious. In order to improve the ability of identifying Kaiser effect point，uniaxial compressive AE experiments of 21 rock samples are carried out. The samples derived from Ordos basin and consist of conglomerate，sandstone and mudstone. Comparison of the influence of lithology，loading mode and AE parameters on Kaiser effect point recognition are made. The results show that conglomerate is better than sandstone and mudstone；cyclic loading is better than step cyclic loading and monotonic loading；accumulated energy is better than AE and counts for identifying Kaiser effect point. The analysis of counts，power and frequency of AE events and the deformation and cracking micromechanism of rock samples under different load levels and cycles，suggesting that there are two types of AE events：one is frictional AE caused by the closure of original cracks and friction between the particles of rock；the other is cracking AE
收稿日期：2010–10–09；修回日期：2011–01–21
基金项目：中国地震局地球物理研究所中央级公益性科研院所基本科研业务专项资助项目(DQJB09A01)
作者简介：王小琼(1984–)，女，2007年毕业于武汉大学固体地球物理学专业，现为博士研究生，主要从事岩石力学、主动和被动成像方面的研究工作。

E-mail：wxq4526@
第30卷第3期王小琼，等. 两类岩石声发射事件与Kaiser效应点识别方法的试验研究 • 581 •
produced by the new failure extension or dislocation. Suppressing frictional AE and highlighting cracking AE can make Kaiser effect point more clear. It is recommended that the cyclic loading should be used to eliminate the frictional AE，and accumulated energy should be used to indentify Kaiser effect point，and the pre-loading stress level should exceed the estimated geostress.
Key words：rock mechanics；acoustic emission；frictional AE；cracking AE；Kaiser effect；geostress；experiment
1 引言
地应力测量对于工程应用具有重要意义，岩石声发射(简称AE)是测量地应力的有效方法之一。

美国材料与试验协会(ASTM)对AE现象的定义如下：材料内局部能量源快速释放而产生瞬态弹性波的一种现象[1]。

AE测量地应力的理论基础是Kaiser效应，指对具有应力记忆能力的材料进行再加载后，如果未加载到以前所受的最大应力时几乎不发生AE，当超过此值时有显著AE发生[2]。

1963年，R.
E. Goodman[3]提出岩石材料中也同样具有Kaiser效应。

此后AE作为测量地应力的一种重要方法，广泛应用于各行各业[4～7]。

国内外学者对地应力测试和AE机制开展了大量的试验研究。

T. Kanagawa等[6]认为，Kaiser效应对应于岩石经历的最高应力。

K. Michihiro等[7]却认为，Kaiser点对应于产生饱和残余应变的应力。

丁原辰等[8～10]用“抹录不净现象”解释了上述2种观点，认为AE活动曲线上有“抹录不净点”和Kaiser点。

滕山邦久[11]详尽地阐述了经历时间、围压等对Kaiser点的影响，以及如何采取循环加载方式突出Kaiser点。

刘峥和巫虹[12]分析了围压以及岩性对Kaiser点的影响，认为泥岩Kaiser效应不明显。

S. Yoshikawa和K. Mogi[13]采取第一次加载和第二次加载之间的AE活动差异性的急增点作为Kaiser点。

到目前为止，AE Kaiser效应的研究多是对测试现象加以总结，Kaiser效应的机制、规律和影响因素等还有待进一步研究，AE测量地应力的方法步骤尚未标准化，许多情况下Kaiser效应点(简称Kaiser 点)不易判别。

利用Kaiser效应测试地应力也往往带有经验性。

因此如何精确获得Kaiser点，特别是深化岩石AE微观机制，掌握AE特征、影响因素和变化规律并用于提高Kaiser点识别(地应力测试)精度，还有待进一步的研究。

AE监测仪器系统，特别是连续波形记录能力和宽频带AE探头的应用，为利用AE波形信息(频谱分析、能量分析等)创造了条件。

本文利用先进的全波形记录AE测试系统，对取自油田深部的21块砾岩、砂岩、泥岩等岩芯开展了单轴压缩AE测试试验，通过分析不同载荷下岩石AE的波形特征，研究了AE的机制与规律，根据岩石变形破裂的微观机制和AE特征，提出了岩石存在摩擦型AE和破裂型AE两类事件，并且分析了这2类AE事件的特征以及与Kaiser效应的关系，同时，分析了岩性、加载模式和AE参数对Kaiser点识别的影响，提出了一套利用Kaiser效应测试地应力的方法，对所测试岩芯获得了较好的Kaiser点。

2 试验方法与试验仪器
2.1 试验仪器和试验系统
本次试验采用美国物理声学公司(PAC)的PCI–II声发射系统以及美国MTS电液伺服加载系统(见图1)。

MTS压机载荷的最大量程为 1 000 kN，
(a)PCI–II AEwin系统
(b)MTS
图1 PCI–IIAEwin系统和MTS
Fig.1 PCI–II AEwin system and MTS
• 582 • 岩石力学与工程学报 2011年
PCI –II 声发射系统的采样率高达40 MHz ，18位数模转换，具有连续波形记录能力，并可采集20个特征参数，包括AE 事件、能量、振铃、上升时间等，另外PCI –II 还有8个外接参数，可以将MTS 的应力值、以及岩样上应变片的应变值等引入AE 采集系统保持时间同步记录。

试验时在圆柱型岩样四周贴有4个互相对称的NANO 声发射探头，记录AE 事件的参数与波形并进行实时定位。

NANO 探头的大小为φ 8 mm ×8 mm ，带宽为50～750 kHz 。

同时在岩石样品上黏贴应变片，测试单轴加载过程中岩石的变形。

岩样应变片上的应变数据通过中科动态DSG –9803应变放大仪放大后采集。

岩石AE 测试
系统框图见图2。

图2 岩石AE 测试系统框图 Fig.2 Block diagram of rock AE test system
2.2 试验样品
试验岩芯取自平均深度约为2 400 m 的油井深 处。

测试样品沿垂向(井深方向)取样，样品为圆柱形，直径25 mm ，高度50 mm ，端面的平行度达0.01 mm 。

其中灰白色砾岩3块，砂岩11块，灰黑色泥岩6块，棕红色粉砂质泥岩1块，共21块。

砾岩颗粒较大，有一块砾岩样品底部的颗粒直径约为 5 mm 。

砂岩样品较为完整，颗粒均匀，其中一块浅灰色细砂岩的岩样中具有表面倾斜裂隙。

泥岩石中有2块灰黑色泥岩裂隙较多。

在加载之前，测试了岩芯的密度ρ、利用Panametrics 5058PR 岩石声波仪测试了样品的纵波波速和横波波速(P V 和S V )、计算了其动态泊松比(d ν)和动态弹性模量(d E )。

由试验的应力–应变曲线得到了岩芯的静态泊松比(s ν)和静态弹性模量(s E )、单轴抗压强度(UCS )等值。

测量结果显示，砾岩的平均杨氏模量最大，其次砂岩，泥岩最小。

根据岩芯的采样地点与采样深度，将这21块岩样分成了8组，其基本物理力学参数见表1，表中：σm 为由Kaiser 效应测试得到的地应力值，σv 为按上覆岩层压力梯度(0.023 1 MPa/m)估算出的垂直地应力。

2.3 试验方法
本次试验目的是研究岩石AE 的机制与规律，
并在试验基础上确定利用AE 测试地应力(Kaiser 效应)的方案，为此，通过对不同岩性的岩芯，在不同的加载方案下，测试岩石AE 的波形和多种AE 参数，包括声发射累积振铃数、声发射累积数、声发射率及累积能量等。

岩石类别
取深/m
ρ/(g ·cm －3)
V P /(m ·s －1)
V S /(m ·s －
1)
νs E s /GPa σv /MPa σm /MPa UCS /MPa σv /σm 灰白色砾岩 2 453.03～2 456.81 2.501 8 4 682.60 2 614.10
0.250
44.77
56.71
77.230
139.857
1.36
浅灰色细砂岩 2 350.60～2 358.20 2.610 0 4 672.16 2 682.59 0.19240.8454.39 66.760 110.987 1.23
浅灰色中砂岩 2 322.20～2 330.20 2.706 6 4 855.20 2 567.82 0.24340.8153.74 68.500 106.300 1.27
浅灰色砂岩 2 573.50～2 575.40 2.498 3 5 004.50 2 765.00 0.22139.0459.47 57.020 117.1300.96
浅灰色细砂岩 2 765.03～2 769.59 2.547 8 5 050.83 2 562.22 0.19049.7863.92 65.010 112.940 1.02
灰黑色泥岩 2 334.52～2 343.52 2.662 9 4 527.02 2 486.12 0.30035.3654.03 59.197 103.053 1.10
灰黑色泥岩 2 683.00～2 687.50 2.663 5 5 333.24 2 822.36 0.29844.0362.03 61.500 111.4300.99
棕红色粉砂质泥岩 2 308.07～2 309.17 2.637 0 4 259.83 2 419.42 0.24431.9053.33 65.690 121.560 1.23
表1 测试岩样的基本物理力学参数
Table 1 Basic physico-mechanical parameters of testing rocks
第30卷 第3期 王小琼，等. 两类岩石声发射事件与Kaiser 效应点识别方法的试验研究 • 583 •
岩石AE 试验采用单轴加载应力控制模式，分
单次加载、分级循环加载和多次循环加载3种方式。

以恒定的加载速率0.2 MPa/s 加载，卸载速率恒定为0.53 MPa/s ，AE 测试加载方案见图3。

在分级循环加载中尝试了不同的加载应力水平，以研究加载水平的影响。

多次循环加载中以80 MPa 为加载应力水平。

与AE 系统时间同步采集应力、应变等参数值，并利用NANO 探头采集了所有AE 事件的波形记录，用以数据分析，前置放大器增益40 dB 。

典型的砾岩AE 波形见图4，试样前、后若干岩样照片见图5。

(a) 单次加载(岩芯号7–1)
(b) 分级循环加载(岩芯号3–1)
(c) 多次循环加载(岩芯号8–1)
图3 AE 测试加载方案
Fig.3 Loading cases of rock AE test
时间/μs (a) 10%破坏载荷
时间/μs (b) 50%破坏载荷
时间/μs (c) 90%破坏载荷
图4 典型的砾岩AE 波形
Fig.4 Typical AE waveforms of conglomerate
3 AE 事件特征与规律
试验过程中，随着施加载荷的变化，岩石内部微裂隙和颗粒间发生相互作用，表现为岩石的变形和破裂，同时产生了大量的AE 事件。

通过分析AE
(a) 试验前样品
1
(b) 试验前样品2
200 400 600 800 1 000 1 200 1 400 1 600 1 8002 000
20406080100
120 140 0.2 MPa/s 0.53 MPa/s 加载历时60 s
加载历时30 s
应力/M P a
时间/s
200
400
600
800 1 000 1 200 1 400 1 600
20406080100120加载历时30 s
0.53 MPa/s 0.2 MPa/s
加载历时60 s
应力/M P a
时间/s
50
100
150 200
250
300
010203040506070时间/s
应力/M P a
0.2 MPa/s
电压/m V
电压/m V
电压/m V
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(c) 试验后的若干样品
图5 试验前、后若干岩样照片
Fig.5 Some photographs of rock samples before and after test
事件的特征和岩石微观变形机制，可以获得岩石AE 微观机制、Kaiser 效应的影响因素，更好地指导Kaiser 效应点的识别。

分析表明，噪音频率主要在100 kHz 以下，因而对信号采用了100～400 kHz 的带通滤波。

3.1 2种类型的声发射事件
由累积AE 或AE 事件率与应力的关系曲线发现，在加载的初始阶段，AE 数量较多，特别在循环加载模式中，第一次加载中的AE 数远远大于第二次和第三次加载中的AE 数(见图6)，由这种现象可知，一些试验第一次加载中AE 事件在后续加载中较少甚至不再出现。

分析了不同岩性的岩芯在不同应力水平下AE 波形的功率谱(见图7)。

可以发现，
(a) 第一次加载
(b) 第二次加载
(c) 第三次加载
图6 砂岩循环加载不同加载阶段的AE 事件率与应力
关系曲线
Fig.6 AE rate-stress relationship curves in different loading stages for sandstone sample
在加载的初始阶段，AE 信号的能量低，频率主要集中在110 kHz 左右。

而在50%破裂载荷以及90%破裂载荷时，AE 信号的能量增大，频率有向高频移动的趋势。

加载初始阶段和加载后期的AE 信号
具有不同的频率和能量，表明它们产生的机制有所不同。

分析认为，在岩石受力变形破坏过程中存在着
2种类型的AE 事件：一为原有裂隙闭合和颗粒间摩擦引起的摩擦型AE ，一为新裂隙扩张引起的破裂型AE ，分别与摩擦和破裂机制相对应。

摩擦型AE 频率低，能量较弱，在加载初始阶段和第一次加载过程中出现较多，随着应力增大，破裂型AE 逐渐占据主导地位，而破裂型AE 频率和能量都比较高。

Kaiser 效应实际上记忆的是岩石的损伤，当载荷达到或者超过岩样曾经受到的最大应力值时，岩石内部原有裂隙或者新裂隙扩展而释放能量，从而使声发射信号开始急增。

因此Kaiser 点对应的应该是岩石裂隙稳定扩展，即破裂型AE 。

3.2 岩石声发射的规律
(1) 不同岩性的Kaiser 效应
比较不同岩性岩芯的Kaiser 点的识别能力，可以发现砾岩的Kaiser 效应最为明显，无论是单次加载还是多次循环加载，Kaiser 点都比较清晰，容易识别。

砂岩次之，泥岩的Kaiser 点最不易读取，通常需要结合第二次和第三次加载过程读取(见图6～8)，分析认为这与岩石的组成成分相关，砾岩是由颗粒碎屑胶结而成，通常颗粒直径较大，约有2 mm 。

平均杨氏模量比泥岩和砂岩的大。

砂岩是由砂粒胶
结而成，颗粒比砾岩颗粒较小，比泥岩颗粒粗，杨氏模量比泥岩的大。

砾岩和砂岩主要以脆性破裂和弹性变形为主，不易产生明显的塑性变形。

泥岩是粒度小于0.003 9 mm(即小于4 μm)的黏土矿物固化而成，具有较强的塑性。

可见弹性变形和脆性破裂
更好地记录了所受的应力。

这与刘 峥和巫 虹[12]的测试结果是一致的。

(2) 加载方式对Kaiser 效应的影响
加载模式分单次加载至破裂；分级循环加载，各级加载应力水平分别为60，70，80，90 MPa ；循
环加载，加载应力水平为80 MPa 。

试验发现，单次加载方式中Kaiser 点不易读取，因为在单次加载和循环加载的第一次加载过程中，摩擦型AE 的数量多，干扰大，Kaiser 点不明显(见图6)。

而在第二次和第三次加载中，由于摩擦型AE 已经被压制掉，主要的AE 信号为破裂型AE ，因而Kaiser 点被突
应力/MPa A E 事件率/
%
A E 事件率/% 应力/MPa
10
20
30
40 50
60
70
80
90
0 50100A E 事件率/% 应力/MPa
2–3 5–1
5–2
6–2
7–1
8–1
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(c) 第三次加载
图8 泥岩分级加载过程中不同加载阶段不同参数的累积值与应力的关系曲线
Fig.8 Accumulated values of various parameters-stresses relationship curves in different loading stages of steped cyclic loading
mode for mudstone sample
显出来。

由图6可看出，第二次加载中的Kaiser 点
比第三次加载中的Kaiser 点更易判别。

因为第二次
加载中不仅压制掉了摩擦型AE ，也没有引入新的破裂型AE ，其产生的破裂型AE 更能体现出地应力对岩样的作用。

分析图8发现，第一次加载中Kaiser 点不明显。

第二次加载中出现了2个Kaiser 点(黑色箭头标识)。

第二个箭头对应的是第一次加载的应力水平(70 MPa)，反映岩石对第一次加载时应力的记忆(Kaiser 效应)，也验证了本文测试结果的可靠性。

同时，为了不引入虚假Kaiser 点，循环加载的预定应力应高于预计的地应力值。

－－－－－－－功率谱/d B
应力/MPa
累积声发射数
应力/MPa
应力/MPa
200400600累积声发射数
累积声发射数
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总的来说，在Kaiser 点判别方面，循环加载优于分级循环加载，优于单次加载模式。

循环加载既消除了摩擦型AE 的影响，又以已知的预定应力作为加载应力，没有人为地引入Kaiser 点，因而具有优势。

本次试验之前，根据岩样的取自深度，预先估算了地应力的值为50～60 MPa ，而岩样的单轴抗压强度为95～130 MPa 。

根据加载的应力水平应超过预先估算的地应力而小于抗压强度的原则，选择80 MPa 作为循环加载的应力水平。

(3) 不同AE 参数的Kaiser 效应
图9为砾岩第一次加载过程中各参数的累积值–应力的关系曲线，由图可以看出，在Kaiser 点判别方面，能量分析优于AE 数和振铃数，用累积能量作为参数读取地应力可获得良好的精度，其次可获得振铃数。

图9 砾岩第一次加载过程中各参数的累积值–应力的关系
曲线
Fig.9 Accumulated values of various parameters-stress
relationship curves during the first loading stage for conglomerate sample
3.3 Kaiser 效应点的识别
岩石在加载过程中主要存在摩擦型和破裂型2类AE 事件。

天然岩石存在大量的缺陷(裂隙、孔隙、颗粒等)，破裂型AE 记忆了原有地应力对岩芯的作用，而摩擦型AE 是干扰Kaiser 点判别的重要因素。

因此应采取较好的测试方案压制摩擦型AE ，突出破裂型AE ，从而突显Kaiser 点。

利用Kaiser 效应对取自油田的岩芯进行了地应力测试，按照设计的加载方案，将声发射参数(累积能量数、累积振铃数)–应力曲线上的激增点作为Kaiser 点估算地应力。

其中对第一类砾岩的2块岩
样采取了单次加载测试，对第三类砂岩中的一块岩样和第六类泥岩的一块岩样采取了分级循环加载测试。

另外需要说明的是，其中有3块岩样由于裂隙的存在，加载至35 MPa 左右时破裂，单轴抗压强度太低，没有代表性，也无法用AE 来测试地应力。

其余14块岩芯均采取了循环加载测试。

试验有效地压制了摩擦型AE ，突显出了Kaiser 点，将测试获得的地应力(m σ)与按上覆岩层压力梯度(0.023 1 MPa/m)估算的垂直地应力(v σ)做了对比，结果比较合理(见表1)。

4 讨 论
4.1 拉伸和剪切破坏引起的破裂型AE
岩石微破裂存在拉伸和剪切2种破坏方式，拉伸和剪切破坏均可产生AE ，由分析提出的破裂型AE 包括拉伸和剪切2种破坏方式。

G . Manthei [14]利用数字地震学中的矩张量反演技术，定量分析了三轴应力下圆柱型岩盐样品AE 事件的破裂性质微观机制，得出所观测到的AE 事件具有拉伸和剪切2种破坏类型，而且拉伸破坏(膨胀)引起的AE 占主导，拉伸轴垂直于微裂隙面，并与主应力方向一
致。

4.2 AE 事件与岩石微观变形破裂过程
在应力作用下，岩石的变形破坏可分为压密(裂隙闭合)、线弹性变形、扩容(新裂隙产生)和宏观破坏几个阶段，图10为典型的循环加载过程中的应
力–应变曲线。

在压密阶段，应力–应变曲线表现为上凹，由于裂隙和颗粒表面具有一定的粗糙度，因此在裂隙闭合和颗粒滑动摩擦过程中会释放出AE 事件，产生的AE 主要为摩擦型AE 。

这种AE 事件具有低能量和低频的特征。

由于岩样存在滞后
应变
图10 循环加载过程中的应力–应变曲线 Fig.10 Stress-strain curves of cyclic loading
累积能量数/107
应力/MPa
累积振铃数/104
应力/MPa
累积声发射数
应力/MPa
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5120100806040200
第三次加载
第二次加载
第一次加载
应力/M P a
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效应，原有裂隙在第一次加载闭合后，颗粒间摩擦滑动已经调整完毕，所以在第二次、第三次加载时摩擦型AE数量急剧减少，主要AE事件是破裂型AE，由新裂隙扩张引起。

已有的一些研究也表明，低应力下岩石可由与裂隙闭合和颗粒摩擦产生AE事件。

樊运晓[15]对花岗闪长岩和大理岩进行了单轴压缩试验下Kaiser效应试验，发现裂隙闭合阶段激发低能量AE事件，并在一定程度上具有Kaiser效应。

王其胜等[16]在霍普金森(SHPB)试验系统上进行了动静组合加载下岩石破坏的声发射试验，得出单轴静载加载初期，有少量小能量的声发射事件出现，这是岩石内部初始裂隙闭合产生的。

李曼等[17]通过试验得出砂岩在地应力压密阶段有小振幅的声发射产生，这是由岩石内部裂隙闭合、岩石变形过程中内部的摩擦等引起的。

岩芯自油田取出后已放置一段时间，由于应力解除，岩芯内部微裂隙处于张开状态，因此，第一次加载是会随着微裂隙闭合产生大量的摩擦型AE事件，而第二次循环加载时，原有裂隙已基本闭合，小能量摩擦事件大幅度减少，而突出记忆了岩石微破裂(损伤)的Kaiser效应点。

4.3 摩擦型和破裂型AE
岩石变形破裂过程中存在原有裂隙的闭合、滑动摩擦(颗粒间滑动摩擦也归入此类)和新裂隙(拉伸或剪切)的产生，这2种不同类型的微观变形破裂引起2类AE事件，在AE频谱上呈双峰形分布(见图7)。

原有裂隙的闭合、颗粒间滑动摩擦产生低频、低能量的摩擦型AE，而新破裂(拉伸或剪切)产生高频、高能量的破裂型AE。

这种现象在岩石和混凝土AE研究中也存在，如袁子清和唐礼忠[18]在单轴压缩条件下，通过对有岩爆倾向的石英闪长岩破坏过程的声发射试验，发现不同应力水平的AE频谱特征不同，随着应力的增加，AE频谱由低频向高频发展，AE数和能量也逐渐向高频集中。

王余刚等[19]采用全波形声发射技术监测混凝土材料的损伤过程，发现随着损伤程度的加深，AE事件的频谱由低频向高频扩展，从断裂前的频谱显示出明显的双峰形分布。

W. C. Ko和C. W. Yu[20]对不同应力下混凝土AE事件进行了监测，发现AE频谱呈双峰形分布，存在频率不同的2类AE事件。

需要说明的是，利用Kaiser效应测定原地应力过程中，岩芯基本上仍处于非线性弹性状态，岩石还没有进入裂隙贯通聚集引起宏观破坏的阶段，其裂隙或颗粒的摩擦能量较低，而当岩石进入宏观破坏阶段时，宏观破裂面的摩擦滑动将激发高能量的AE事件。

Kaiser效应测试地应力主要工作在弹性变形到扩容阶段，宏观破裂前的大能量摩擦AE事件不包括在内。

将AE分为摩擦型AE与破裂型AE，符合岩石变形破坏的微观机制，有利于深化AE机制和Kaiser点识别(地应力测试)。

4.4 累积能量有利于识别Kaiser点
AE能量为AE信号包络线下面积，近似代表AE事件的震级，它不但取决于AE事件的振幅，也与持续时间有关，与门槛电压和频率选取关系不大。

众所周知，在地震中，地震震级M与频度N一般都满足以下简单的对数关系：lg N = a－bM，称之为古登堡–里克特公式，其中a，b为常数。

即地震数量随震级的增大呈指数减少，小能量AE事件数比高能量AE事件数量要多得多。

岩石Kaiser效应的机制在于对其先前损伤的记忆，而岩石微破裂(损伤)是由大能量AE事件引起的。

与振铃数等参数相比，采用累积能量，抑制了低能量AE的影响，突出了大能量事件的作用，从物理机制上能更好地表征Kaiser效应。

5 结论
通过对取自油田的21块砾岩、砂岩、泥岩岩芯开展单轴压缩AE试验，设置不同加载方案，研究岩石AE特征、影响因素和变化规律，并在此基础上提出了岩石地应力(Kaiser效应)测试方法，可以为将来的应用提供重要的参考：
(1) 不同载荷条件下AE事件具有不同的数量、能量和频率特征；
(2) 岩石在加载的过程中，存在2种类型的AE 事件，一为原有裂隙闭合和颗粒间摩擦引起的摩擦型AE，一为新裂隙扩张引起的破裂型AE。

分别与摩擦和破裂机制相对应，摩擦型AE能量较弱，频率较低，而破裂型AE能量和频率较高。

(3) 破裂型AE记忆了原有应力对岩样的作用，因此与Kaiser效应关系密切。

为了提高Kaiser点的识别能力，应尽量压制摩擦型AE，突出破裂型AE。

(4) 弹性(脆性)岩石的Kaiser点明显，而以塑性延性变形较强的岩石的Kaiser效应不够明显。

弹性变形和脆性破裂更好地记录了所受的地应力。

对于所测试的岩芯，在Kaiser点识别方面，砾岩优于砂岩，砂岩优于泥岩。

• 588 • 岩石力学与工程学报2011年
(5) 对于Kaiser效应点的识别，循环加载优于分级循环加载，分级循环加载优于单次加载，累积能量比AE数和振铃数更易识别Kaiser点。

(6) 在利用Kaiser效应测试地应力时，建议采取2次循环加载模式，由第二次加载识别Kaiser点读取地应力，循环加载的应力水平应大于预计的地应力；采用累积能量作为Kaiser效应识别参数，在应力曲线上读取地应力值。

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