巴西劈裂试验中的矩张量精确反演：声发射实验

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Accurate moment tensor inversion of acoustic emissions and its application to Brazilian splitting test

https://doi.org/10.1016/j.ijrmms.2021.104707

摘要

利用巴西劈裂试验产生的声发射(ae)测试了三种精确矩张量反演方法(1)标准最小二乘反演、(2)加权最小二乘反演和(3)剪切-拉伸-压缩(STC)源反演的效率。对焦点机构的P/T轴图的比较表明，对于所有三种反演，力矩张量的双偶部分都受到很好的约束。相比之下，金刚石源型图显示，由于忽略了岩石样品中的非均质性和各向异性、近场项和其他波动现象的影响，反演的矩张量的非双偶分量对误差更敏感。与标准最小二乘法相比，加权反演和STC反演的效果更好，离散结果更少。如果ae的矩张量包含非剪切压裂产生的矩张量的显著非双偶分量，则STC反演证明是最准确的。提取的矩张量与巴西劈裂试样中AEs的断裂机制吻合较好，为岩石断裂过程的研究提供了进一步的指导。

图表

声发射监测与加载实验装置示意图。(a): AE监控设备，帧，监视器，处理PC，脉冲器接口单元(PIU)，脉冲器放大器桌面(PAD)，从机1和主从机2:连续采集系统。(b):传感器布局自上向东视图。(c):传感器布局和装载方向的东北视图。(d):加载装置照片及传感器安装明细。

(a)和(b):破坏后观察到的圆盘试样断裂情况;(c) - (e):所有观测到的ae在东北、北上及东上的分布及信噪比(事件球直径);(f) - (h):东北视图、上北视图和上东视图矩张量反演选取的事件分布和信噪比。ae的时间用颜色编码。

所研究的156个ae的矩张量的焦球P/T轴图(上图)和金刚石CLVD-ISO图(下图)。矩张量计算使用标准(左)，加权(中)和STC(右)反演。P轴和T轴分别用红色圆圈和蓝色加号表示。钻石CLVD-ISO图中的色阶以秒为单位显示时间。

使用STC反演计算的78个最精确矩张量的P/T轴和ISO和CLVD分量的估计误差直方图。

结论

1、由于监测中使用的声发射传感器数量有限，抑制反演过程中由于低质量传感器和其他被忽视的因素造成的误差非常重要。这些误差可能是显著的，特别是在具有复杂结构的小岩石样品中。

2、提高矩张量精度的标准方法包括网络校准，该方法评估传感器与岩石之间的相互作用，并识别校准错误的传感器。尽管如此，即使经过适当的校准，mt仍然可能不稳定并且显示出相当大的散射。因此，需要更多的方法来提高MT的精度。

3、讨论了加权反演和剪切-拉伸-压缩(STC)反演两种具体方法。加权反演通过迭代选择高质量的测量值形成更真实的加权矩阵来提高MT精度。当分析的ae含有由非剪切压裂引起的显著非双偶(非直流)成分时，STC反演尤其有效。

4、加权反演和STC反演都适用于一系列事件，无论其大小和位置如何。它们也适用于涉及各向异性岩石的研究，只要格林函数计算准确。分析表明，这些反演得到的金刚石CLVD-ISO图比标准反演得到的金刚石CLVD-ISO图更加一致，得到的mt能有效地解释岩石试样的破裂过程和破坏机制。

选择用于MT反演的事件具有较高的信噪比，大致代表了样品的破裂过程。然而，与观察到的事件总数相比，分析的事件数量相对较少。本研究中大多数事件发生在椎间盘的上侧，很少发生在下侧。因此，未来的研究应侧重于分析更广泛的数据集和高数量和高质量的p波拾取，以提高MT精度评估的可靠性，并对岩石破坏机制有更深入的了解。