岩石受载实验中电磁辐射信号特征分析及与声发射的相关性研究

摘要

作为可能的地震前兆现象之一，震前电磁异常一直是地震监测预报研究领域的一项重要课题。由于产生这种电磁异常现象的原因十分复杂，人们至今仍不清楚这种异常现象的物理机制。为了进一步探索震前电磁异常的物理机制，国内外许多科研人员开展了大量的室内模拟实验-岩石加载电磁实验，分析岩石受压状态下、变形过程中伴生的电磁辐射信号的特征，为解释这种异常现象的物理机制提供了大量的实验和理论依据。 目前，岩石加载电磁实验的探索方向主要集中于岩样种类多样化、实验方案完善化及采集系统的改进等各个方面。然而，在实验数据处理方面却仅限于信号的幅值变化、信号频率分析、应力应变分析等传统手段，信号统计特征的研究相对较少。尽管一些文献中涉及到电磁辐射(EME)和声发射(AE)信号的同步性研究，但这两类信号是否同步出现至今没有统一认识。在地震研究中，常用Gutenberg-Richter(GR)定律描述地震频数与震级之间的关系，而b值统计分析是在GR定律的基础上发展起来的，用于研究岩石破裂过程中EME或AE信号的能量分布特征。但是，一些科研工作者认为地震及岩石破裂属于非广延问题，并尝试利用非广延参数q拟合地震、AE和EME信号的能量与频数之间的关系。在信号处理方面，近几年来小波分析以其良好的时频局部化特点，在地震信号、声发射信号、心电图信号等去噪方面得到广泛应用，但关于岩石电磁辐射信号的小波去噪处理却较少，且仅限于煤岩电磁辐射信号方面。因此，本论文主要从信号的同步性关系、非广延分析、小波去噪分析三方面开展研究，具体的研究内容及分析结果如下: (1)本文从信号的数量、到时差和强度三方面对岩石加载过程中电磁辐射(EME)和声发射(AE)信号进行了同步性研究。统计分析结果表明，两类信号数量相差悬殊，两者到时相差较大，而且“对应”出现的信号的强度变化趋势也不一致。结合同步信号的相关概念及上述特征可知，这两类信号不能同步产生，不属于同步信号，AE是裂纹发育的直接产物，而EME的产生可能只是与裂纹发育过程间接关联，两者之间还存在中间转换环节，因此初步判断EME与AE可能来自不同的辐射源，具有不同的产生机理。 (2)利用非广延分析方法研究岩石破裂过程中EME与AE信号的能量分布情况，并与b值分析方法对比，推断岩石破裂类型以及破裂的发育过程。在拟合EME和AE信号的能量分布曲线时，与b值的拟合效果相比，非广延参数q可以更好地拟合EME和AE数据，且两类信号的q值均大于1，表明这两类信号产生于微裂纹成核阶段，属于非平衡动态系统下长程相互作用关系。因此非广延参数q可能比b值统计分析更适合拟合岩石破裂过程伴生的EME与AE信号的能量分布情况。 (3)对岩石破裂产生的EME信号进行小波阈值去噪处理，减小背景噪声干扰，凸显真实的EME信号。在小波去噪处理前，需选取最佳小波基函数、确定分解层数、设计合适的阈值函数。结果表明:小波阈值去噪方法可以有效降低EME信号的背景噪声。本章节设计的阈值函数是在前人研究的基础上，尝试减少去噪前后小波系数间的偏差，同时改善信号的连续性，仿真及实际数据处理结果均显示本章节设计的阈值函数的降噪效果优于其它阈值函数。 综上所述，本文在前人研究的基础上，进一步拓宽了处理岩石电磁实验数据的思路，对电磁辐射信号的整体特征及产生规律有了更全面、更深入地了解和认识，是对研究岩石加载过程中的电磁辐射信号和现象的新尝试、新探索。

目录

声明

摘要

第一章 引言

1．1 电磁辐射异常现象的震例分析及岩石实验研究进展

1．2 岩石电磁辐射现象的研究现状

1．2．1 电磁辐射与声发射的同步性研究

1．2．2 岩石电磁辐射信号的非广延分析

1．2．3 岩石电磁辐射信号的小波去噪处理

1．2．4 岩石电磁辐射信号的产生机理

1．3 主要研究内容

第二章 岩石电磁辐射与声发射信号的统计特征

2．1 数据处理的前期工作

2．1．1 岩石加载电磁实验简介

2．1．2 单一信号的识别

2．2 信号数量的对比分析

2．3 信号到时差的统计结果

2．4 信号强度的对应关系

2．5 本章小结

第三章 岩石电磁辐射与声发射信号的同步性分析

3．1 信号同步的相关概念及其判断依据

3．1．1 信号同步的概念

3．1．2 信号同步的判断依据

3．2 EME与AE信号的同步性分析

3．3 同步性干扰信号的排除

3．4 EME信号的产生机理

3．5 本章小结

第四章 岩石电磁辐射信号的非广延分析

4．1 非广延分析方法的相关概述

4．2 EME与AE的非广延分析

4．3 本章小结

第五章 岩石电磁辐射信号的小波去噪分析

5．1 小波分析的基本理论

5．1．1 连续小波变换与离散小波变换

5．1．2 多分辨分析

5．2 小波阈值去噪原理

5．3 小波去噪的参数选取

5．3．1 小波基函数

5．3．2 分解层数

5．3．3 阈值选取

5．4 去噪效果的评价

5．5 仿真实验及EME信号的小波去噪处理

5．5 本章小结

第六章 结论及展望

6．1 主要结论

6．2 存在的问题及展望

参考文献

致谢

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