遙感-巖石力學(xué)學(xué)科體系及其應(yīng)用前景探討

楊福深，高 朋

（1黑龍江省地質(zhì)調(diào)查研究總院；2黑龍江省樁基礎(chǔ)工程公司，黑龍江 哈爾濱 150036）

引言

遙感-巖石力學(xué)，源自構(gòu)造地震衛(wèi)星熱像異常的模擬實驗探索及礦壓紅外探測基礎(chǔ)實驗研究，是紅外、微波等現(xiàn)代遙感技術(shù)引入現(xiàn)代巖石力學(xué)相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行學(xué)科交叉的相關(guān)產(chǎn)物.考慮到遙感巖石力學(xué)是一門交叉學(xué)科，應(yīng)該強(qiáng)調(diào)遙感與巖石力學(xué)的交叉性和遙感技術(shù)作為巖石力學(xué)研究手段的方法性.

作為遙感技術(shù)在工程地質(zhì)上運(yùn)用之一的工程及環(huán)境的監(jiān)測、評價，即是對已建成的工程進(jìn)行監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)工程地質(zhì)隱患，以便采取相應(yīng)對策；對工程本身引發(fā)的地質(zhì)作用和環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行調(diào)查和評估（如，利用熱紅外圖象監(jiān)測水庫的漏水情況；采用彩紅外航片監(jiān)測港口的泥砂淤積等）[1].

可見，從遙感-巖石力學(xué)的研究范圍來講，它應(yīng)隸屬于作為邊緣學(xué)科的遙感地質(zhì)學(xué).因為后者的研究對象是地球的巖石圈層中的地質(zhì)體（如巖層、侵入巖體、斷裂構(gòu)造）、地質(zhì)現(xiàn)象（如地震、火山噴發(fā)、滑坡等）以及發(fā)生電磁輻射現(xiàn)象的各種特征和屬性.研究目的是為了更有效地識別上述突變性地質(zhì)體的物理性質(zhì)和運(yùn)動特征，進(jìn)而為區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造調(diào)查研究、礦產(chǎn)資源勘查評價、環(huán)境和災(zāi)害地質(zhì)監(jiān)測與防治等基礎(chǔ)和公益事業(yè)提供技術(shù)支撐、服務(wù)[2].

吳立新、耿乃光、崔承禹在2000年9月正式向國際學(xué)術(shù)界提出了“遙感—巖石力學(xué)（Remote Sensing Rock Mechanics，RSRM）”這一學(xué)科術(shù)語，并系統(tǒng)闡述了RSRM的定義、學(xué)科內(nèi)涵和信息邏輯.這標(biāo)志著遙感-巖石力學(xué)的產(chǎn)生.

1 遙感-巖石力學(xué)學(xué)科體系

1.1 遙感-巖石力學(xué)的定義

遙感-巖石力學(xué)是一門邊緣性的交叉學(xué)科,它建立在地球物理學(xué)、遙感學(xué)、巖石力學(xué)、信息學(xué)等專業(yè)學(xué)科的基礎(chǔ)之上.其理論前提是通過對巖石受力過程中的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系的定性、定量描述，進(jìn)而提出該過程中電磁輻射量的變化規(guī)律、機(jī)制等系統(tǒng)總結(jié)；實踐應(yīng)用基礎(chǔ)是對觀測目標(biāo)的電磁輻射量進(jìn)行遙感與遙測，包括輻射參量數(shù)值及其空間場的具體分布、時間量的相關(guān)變化等.研究天然巖石類固體材料（包括各類巖層和巖石體、人工混凝土、磚瓦等建筑材料）遭受外界應(yīng)力作用下發(fā)生應(yīng)變過程中的電磁輻射數(shù)量變化特征的巖石力學(xué)機(jī)制，研究上述固體材料及其力學(xué)結(jié)構(gòu)在屈服與破裂方面的電磁輻射量特征、變化規(guī)律與預(yù)兆，并應(yīng)用于地震預(yù)報、礦產(chǎn)資源采掘工程、人工建筑結(jié)構(gòu)工程等地質(zhì)力學(xué)與巖石等材料工程諸多應(yīng)用領(lǐng)域.

1.2 遙感-巖石力學(xué)的遙感學(xué)基礎(chǔ)

1.2.1 遙感物理基礎(chǔ)

遙感是一種遠(yuǎn)距離的、非接觸式的目標(biāo)探測技術(shù)與方法.目前，對遙感比較一致的定義是在遠(yuǎn)離被測物體或現(xiàn)象的位置上，使用各種儀器設(shè)備，接受、記錄物體或現(xiàn)象反射或發(fā)射的電磁波信息，經(jīng)過對信息的運(yùn)輸、加工、處理、分析與解譯，對物體或現(xiàn)象的性質(zhì)及其變化進(jìn)行探測與識別的理論與技術(shù).

（1）電磁輻射源

自然界中的一切物體在一定溫度下（高于絕對零度）都具有發(fā)射輻射電磁波的特性.遙感輻射源可分為自然輻射源和人工電磁輻射源兩大類.

（2）輻射的度量

①輻射能：指以電磁波的形式發(fā)射、傳輸或接受的能量，單位J.

②輻射通量：指單位時間內(nèi)通過某一表面的輻射能量，單位W.

③輻射通量密度：指單位時間內(nèi)從單位面積上輻射出的輻射能量，單位W/m2.

④點(diǎn)源輻射強(qiáng)度：指點(diǎn)輻射源在某一給定方向上單位立體角內(nèi)的輻射通量，單位是W/sr.

⑤面源發(fā)射亮度：指面狀輻射源在某方向上的單位投影面積上的單位立體角內(nèi)的輻射通量，單位是W（/m2.sr）.

(3)黑體輻射

①絕對黑體

為便于討論物體的熱輻射性質(zhì)，需要一個理想的標(biāo)準(zhǔn)熱輻射體作為參照源，這就是絕對黑體（簡稱黑體）.黑體是指在任何溫度下，入射的全部電磁波被完全吸收，既無反射也無透射的物體.

②黑體輻射定律

1900年，普朗克用量子論推導(dǎo)出熱輻射定律，揭示了黑體輻射通量密度與其溫度和輻射波長的關(guān)系.

③實際物體的輻射

自然界中，真正的黑體輻射是不存在的，一般地物的輻射能量總要比黑體輻射能量大.

1.2.2 遙感技術(shù)及其發(fā)展

（1）遙感技術(shù)系統(tǒng)組成

遙感過程是指遙感信息的獲取、傳輸、處理以及分析判讀和應(yīng)用的全過程.遙感技術(shù)的內(nèi)涵包括遙感信息源的物理性質(zhì)、分布及其運(yùn)動形態(tài)，環(huán)境背景以及電磁波的光譜特性，大氣的干擾和大氣窗口，遙感器的分辨能力、性能和信噪比以及圖像處理及識別等.

遙感技術(shù)系統(tǒng)是一個從地面到空中、直到空間，從信息采集、存儲、傳輸及處理到分析判讀、應(yīng)用的完整技術(shù)系統(tǒng).現(xiàn)代遙感技術(shù)系統(tǒng)一般由空間信息采集系統(tǒng)、地面接收和預(yù)處理系統(tǒng)、地面實況調(diào)查系統(tǒng)和信息分析應(yīng)用系統(tǒng)4大部分組成.

（2）遙感技術(shù)分類

遙感技術(shù)的分類指標(biāo)有很多種，通常按遙感平臺、遙感器和遙感波段進(jìn)行分類.

1.3 遙感-巖石力學(xué)的巖石力學(xué)基礎(chǔ)

巖石是構(gòu)成地殼的致密或較松散的聚集體，它是由多種礦物的顆粒、結(jié)晶、碎屑以及聯(lián)結(jié)（膠結(jié)）這些顆粒的物質(zhì)和孔隙（空隙）組成的，而且大多數(shù)巖石的孔隙（空隙）里含有水，這會對礦物顆粒的相互聯(lián)結(jié)情況產(chǎn)生影響.

（1）巖石的物理性質(zhì)

巖石的物理性質(zhì)是其內(nèi)部礦物基本性質(zhì)、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造的綜合反映，主要包括容重和比重、密度、孔隙率、水理性、熱導(dǎo)率和比熱等.

（2）巖石的基本力學(xué)性質(zhì)①巖石的應(yīng)力—應(yīng)變曲線

巖石在應(yīng)力作用下的宏觀反映是變形或破裂.在巖石力學(xué)中，應(yīng)力—應(yīng)變曲線（或載荷—位移曲線）是描述巖石在加載過程中的變形過程及力學(xué)特征的重要手段.一般根據(jù)巖石在加載過程中應(yīng)力—應(yīng)變曲線的變化特征，將巖石從加載到破壞分為若干個階段.如，某典型巖石在加載過程中應(yīng)力—應(yīng)變曲線劃分為4段和4個特征點(diǎn)，對應(yīng)4個應(yīng)力變化階段（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ），分別稱為壓密階段、線彈性階段、塑性階段和臨失穩(wěn)階段；4個特征點(diǎn)分別為E、Y、P、I，分別稱為彈性點(diǎn)、屈服點(diǎn)、強(qiáng)度極限點(diǎn)和臨失穩(wěn)點(diǎn).

②彈性模量

彈性模量E是正應(yīng)力與試塊在外加載荷作用方向產(chǎn)生的線性彈性變形的比值.

③泊松比

巖石試塊在受載荷時要發(fā)生橫向變形，同時由于試塊內(nèi)裂隙的產(chǎn)生、貫通和滑移要產(chǎn)生體積變形.為衡量橫向變形與軸向變形之間的關(guān)系，沿用材料力學(xué)的方法，定義了各向同性巖石的泊松比.

④單軸抗壓強(qiáng)度

在試驗巖石材料受到單向外力壓縮條件下，巖塊所能承受的最大擠壓應(yīng)力，稱為單軸抗壓強(qiáng)度，簡稱抗壓強(qiáng)度.抗壓強(qiáng)度可反映巖塊基本的力學(xué)性質(zhì)，它是巖體工程地質(zhì)分類必不可少的重要參數(shù).抗壓強(qiáng)度可以簡單地加以測試，它與抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度之間有著固定的比例關(guān)系，比如抗拉強(qiáng)度可為抗壓強(qiáng)度的3%-30%，抗彎強(qiáng)度可為抗壓強(qiáng)度的7%-15%，據(jù)此可大致估算抗拉強(qiáng)度等其他的強(qiáng)度參數(shù).

⑤單軸抗拉強(qiáng)度

試驗巖塊在單向拉伸時所能承受的最大拉張應(yīng)力，稱為單軸的抗拉強(qiáng)度，簡稱抗拉強(qiáng)度.

⑥巖石的抗剪強(qiáng)度

抗剪強(qiáng)度是指在剪切負(fù)荷作用下，試驗巖塊能夠抵抗住剪切作用破壞的最大剪應(yīng)力.它是巖石力學(xué)重要的指標(biāo)之一.依據(jù)剪切試驗方法的不同，所測定的剪切強(qiáng)度的內(nèi)涵也不同，一般可分為三種：抗剪斷強(qiáng)度、抗切強(qiáng)度、摩擦強(qiáng)度.

2 遙感-巖石力學(xué)應(yīng)用前景探討

遙感-巖石力學(xué)建立在地球物理學(xué)、遙感學(xué)、巖石力學(xué)、信息學(xué)等專業(yè)學(xué)科的基礎(chǔ)之上.其理論前提是通過對巖石受力過程中的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系的定性、定量描述，進(jìn)而提出該過程中電磁輻射量的變化規(guī)律、機(jī)制等系統(tǒng)總結(jié)；實踐應(yīng)用基礎(chǔ)是對觀測目標(biāo)的電磁輻射量進(jìn)行遙感與遙測，包括輻射參量數(shù)值及其空間場的具體分布、時間量的相關(guān)變化等.

遙感-巖石力學(xué)的主要研究與應(yīng)用領(lǐng)域是：

（1）天然及人工建筑材料的變形行為探測

在地球動力學(xué)活動、巖石力學(xué)工程建設(shè)與試驗觀測狀態(tài)中，天然巖石及人工建筑類固體材料會遭受到不同類型的應(yīng)力活動，包括擠壓收縮、拉張伸展、相互摩擦、黏性滑動、扭動彎曲和剪切錯動等.這些應(yīng)力活動過程既可以是迅速的，也可以是緩慢的；既可以是短暫的，也可以是長期的；既可以是單一的，也可以是綜合的；既可以是一次性的，也可以是反復(fù)的.如上這些差異性活動及其引起的變形與損傷，均可能導(dǎo)致可探測到的電磁輻射參量出現(xiàn)時間、空間上的變化.據(jù)此，我們可以探測天然及人工建筑材料的變形行為，研究其變化規(guī)律.

（2）天然及人工建筑材料的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)異常診斷

天然巖石及人工建筑類固體材料的力學(xué)結(jié)構(gòu)是很不均一的，存在著各向異性.在受力與變形過程中，巖石的不同部位將會產(chǎn)生可探測到的輻射量的明顯差異.這種差異的產(chǎn)生，可能是由于巖石的內(nèi)部組成及其非均勻的空間分布引起的，也可能是由于斷裂構(gòu)造的發(fā)育、局部風(fēng)化作用和含水量差異所引起的.

（3）天然及人工建筑材料屈服破壞的時空特點(diǎn)預(yù)報

在外界應(yīng)力的作用下，天然巖石及人工建筑類固體材料及其結(jié)構(gòu)的電磁輻射參量會發(fā)生明顯變化.我們通過對這種變化過程的實時監(jiān)測，再參考通過實驗研究所確定的已知的特征參數(shù)、標(biāo)定曲線或標(biāo)準(zhǔn)圖譜，就可以對可能發(fā)生或即將發(fā)生的天然巖石及人工建筑類固體材料屈服破壞等應(yīng)力作用造成的自然災(zāi)害進(jìn)行及時預(yù)測、預(yù)報.其應(yīng)用領(lǐng)域包括：天然地震與山體滑移預(yù)報、井下巖爆與煤礦礦柱屈服預(yù)測以及巖石與混凝土結(jié)構(gòu)的屈服監(jiān)控等.

遙感-巖石力學(xué)這門學(xué)科的發(fā)展趨勢、應(yīng)用前景是：

（1）利用衛(wèi)星熱紅外遙感技術(shù)，對構(gòu)造地震進(jìn)行嘗試性的地震預(yù)報.

（2）利用熱紅外遙感技術(shù)，現(xiàn)場實地監(jiān)測重大工程穩(wěn)定性和破壞性突變或失穩(wěn)預(yù)測.包括：大型混凝土工程穩(wěn)定性監(jiān)測和失穩(wěn)預(yù)測、礦壓等礦山地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)場實地監(jiān)測和預(yù)測.

（3）利用熱紅外遙感技術(shù)，對煤礦采掘過程中巖石撞擊引發(fā)礦井瓦斯爆炸可能性的監(jiān)測.

3 關(guān)于遙感-巖石力學(xué)未來發(fā)展的幾點(diǎn)建議

遙感-巖石力學(xué)經(jīng)過十幾年的發(fā)展，目前還存在不足之處，建議在如下方面加以補(bǔ)充、完善：

（1）構(gòu)造地震又稱斷裂地震，是指地殼構(gòu)造運(yùn)動所引起的地震[3].在對構(gòu)造地震預(yù)測的實驗?zāi)Ｐ偷慕⒓皩嵗炞C中，盡管可通過對監(jiān)測區(qū)內(nèi)平均紅外輻射溫度的升溫趨勢等來對地震進(jìn)行短期預(yù)警，并在短期預(yù)警的基礎(chǔ)上，從破裂區(qū)衛(wèi)星熱紅外遙感圖像上尋找局部熱異常條帶，可進(jìn)一步預(yù)測發(fā)震位置.在上述基礎(chǔ)上，通過監(jiān)測平均紅外輻射溫度的下降和熱像局部熱異常條帶的減弱（平靜）現(xiàn)象的同時出現(xiàn)等，即可以進(jìn)行地震的臨期預(yù)測.但是，目前的預(yù)測還存在著諸多問題，首先對地震發(fā)生時間的預(yù)測還不精確，如，一般在增溫亮溫度異常發(fā)展到鼎盛時期后，在幾天到兩個月內(nèi)發(fā)震（強(qiáng)祖基等）；熱紅外異常多在震前2～22天內(nèi)突然出現(xiàn)，呈現(xiàn)突發(fā)性特征（徐秀登等）.其次，對地震發(fā)生的震級預(yù)測還不精確，如，強(qiáng)祖基等人為，發(fā)生地震的震級籠統(tǒng)地講，與高溫異常區(qū)域的面積正相關(guān).高溫異常區(qū)域的面積越大，溫度越高，發(fā)生地震的震級越大.當(dāng)高溫異常區(qū)域的面積達(dá)到10～30萬K m2時，相應(yīng)的地震震級在5級以上；當(dāng)高溫異常區(qū)域的面積在40～70萬K m2時，相應(yīng)的地震震級在6級以上；當(dāng)高溫異常區(qū)域的面積在70萬K m2或以上時，相應(yīng)的地震震級在7級以上.徐秀登等則認(rèn)為，增溫異常面積的大小與震級呈一定程度的正相關(guān).發(fā)生5級以上地震的增溫異常范圍可達(dá)到20～100萬K m2.因此，目前還沒建立起明確的數(shù)量對應(yīng)關(guān)系.再次，對地震發(fā)生的震中位置預(yù)測還不精確，如，強(qiáng)祖基等人為，地震前在衛(wèi)星遙感的10.5～12.5μm波段的紅外圖像上，在震中附近往往出現(xiàn)孤立的高溫異常區(qū)域，異常區(qū)域的形狀可呈圓、橢圓、條帶及塊狀，并且該區(qū)域在震前隨著地震的臨近而發(fā)生遷移以及形狀和走向的變化.據(jù)此，利用增溫異常演化特征來追尋未來地震將發(fā)生的震中位置，其往往位于隨時間遷移的增溫異常的前緣，或其前鋒與地震帶或活動構(gòu)造帶交匯的部位，或者孤立亮溫的增溫異常之凹陷部位，或者是兩組應(yīng)力熱帶的交匯部位.徐秀登等則認(rèn)為，已有地震資料表明，在40次地震中可有30次地震的震中位置分布于弱異常區(qū)域，或者在異常區(qū)邊緣，甚至可出現(xiàn)在遠(yuǎn)離異常區(qū)幾十公里的地方.可見，目前對地震發(fā)生的震中位置的預(yù)測還不夠精確.

（2）混凝土結(jié)構(gòu)失穩(wěn)過程的紅外監(jiān)測研究中，最初的研究主要集中在混凝土材料在加載過程中的紅外（包括微波）輻射規(guī)律的探測上.而針對實際應(yīng)用進(jìn)行工程物理實驗?zāi)M的研究還未開展，目前正著手開展混凝土工程物理模擬的加載紅外監(jiān)測實驗，分析擬研究模型在加載過程中紅外輻射的變化特征及變化規(guī)律，以及研究模型失穩(wěn)破壞的紅外輻射前兆，并最終建立巖石及混凝土工程健康狀況紅外技術(shù)診斷的技術(shù)模式.

（3）遙感—巖石力學(xué)的應(yīng)用實例中（包括：①紅外遙感用于大型混凝土工程穩(wěn)定性監(jiān)測和失穩(wěn)預(yù)測研究；②遙感—巖石力學(xué)在礦山防治地質(zhì)災(zāi)害的試驗研究），采用的均為波長屬微米（μm）級的熱紅外遙感技術(shù)，而還未發(fā)展到采用波長屬毫米-分米（mm-f m）級的微波遙感技術(shù).如，紅外遙感用于大型混凝土工程穩(wěn)定性監(jiān)測和失穩(wěn)預(yù)測研究中采用的遙感測量儀器為：紅外光譜儀,波長范圍為1.444～14.436μm，分成324個波段,等效噪聲功率密度N E I=1.5948×10-10W/cm2,視場8.7m r a d.紅外熱象儀,包括兩個工作波段即短波段2.0～5.6μm,長波段8.0～12.0μm,溫度分辨率0.1℃,視場0.175r a d；遙感—巖石力學(xué)在礦山應(yīng)用的試驗研究中，試驗使用的設(shè)備是：德國生產(chǎn)的Var-ioSCAN3021ST制冷型紅外熱像儀，它采用碲鎘汞探測器，波長范圍3.7～5.0μm，熱靈敏度高達(dá)0.03℃，分辨率320像素×240像素.

（4）對于中國構(gòu)造地震的預(yù)測，還要結(jié)合中國古大陸中、新生代以來大地構(gòu)造發(fā)展的如下特點(diǎn)：因中國古大陸東部受太平洋板塊俯沖影響，西部受新特提斯洋關(guān)閉以及印度板塊的俯沖，從而控制了中國大陸東西部的構(gòu)造運(yùn)動的發(fā)展，形成各具特點(diǎn)的濱太平洋構(gòu)造域和特提斯構(gòu)造域，并導(dǎo)致中國地臺性質(zhì)的改觀[4].

〔1〕《地球科學(xué)大辭典》編委會.地球科學(xué)大辭典之應(yīng)用學(xué)科卷[M].北京：地質(zhì)出版社，2005.855-857

〔2〕朱亮璞，等.遙感地質(zhì)學(xué)[M].北京：地質(zhì)出版社，1994.1-18.

〔3〕《地球科學(xué)大辭典》編委會.地球科學(xué)大辭典之基礎(chǔ)學(xué)科卷[M].北京：地質(zhì)出版社，2006.979-985.

〔4〕程裕淇，等.中國區(qū)域地質(zhì)概論[M].北京：地質(zhì)出版社，1994.469-480.