遥感-岩石力学学科体系及其应用前景探讨

杨福深，高 朋

（1黑龙江省地质调查研究总院；2黑龙江省桩基础工程公司，黑龙江 哈尔滨 150036）

引言

遥感-岩石力学，源自构造地震卫星热像异常的模拟实验探索及矿压红外探测基础实验研究，是红外、微波等现代遥感技术引入现代岩石力学相关领域进行学科交叉的相关产物.考虑到遥感岩石力学是一门交叉学科，应该强调遥感与岩石力学的交叉性和遥感技术作为岩石力学研究手段的方法性.

作为遥感技术在工程地质上运用之一的工程及环境的监测、评价，即是对已建成的工程进行监测，及时发现工程地质隐患，以便采取相应对策；对工程本身引发的地质作用和环境效应进行调查和评估（如，利用热红外图象监测水库的漏水情况；采用彩红外航片监测港口的泥砂淤积等）[1].

可见，从遥感-岩石力学的研究范围来讲，它应隶属于作为边缘学科的遥感地质学.因为后者的研究对象是地球的岩石圈层中的地质体（如岩层、侵入岩体、断裂构造）、地质现象（如地震、火山喷发、滑坡等）以及发生电磁辐射现象的各种特征和属性.研究目的是为了更有效地识别上述突变性地质体的物理性质和运动特征，进而为区域地质构造调查研究、矿产资源勘查评价、环境和灾害地质监测与防治等基础和公益事业提供技术支撑、服务[2].

吴立新、耿乃光、崔承禹在2000年9月正式向国际学术界提出了“遥感—岩石力学（Remote Sensing Rock Mechanics，RSRM）”这一学科术语，并系统阐述了RSRM的定义、学科内涵和信息逻辑.这标志着遥感-岩石力学的产生.

1 遥感-岩石力学学科体系

1.1 遥感-岩石力学的定义

遥感-岩石力学是一门边缘性的交叉学科,它建立在地球物理学、遥感学、岩石力学、信息学等专业学科的基础之上.其理论前提是通过对岩石受力过程中的应力与应变关系的定性、定量描述，进而提出该过程中电磁辐射量的变化规律、机制等系统总结；实践应用基础是对观测目标的电磁辐射量进行遥感与遥测，包括辐射参量数值及其空间场的具体分布、时间量的相关变化等.研究天然岩石类固体材料（包括各类岩层和岩石体、人工混凝土、砖瓦等建筑材料）遭受外界应力作用下发生应变过程中的电磁辐射数量变化特征的岩石力学机制，研究上述固体材料及其力学结构在屈服与破裂方面的电磁辐射量特征、变化规律与预兆，并应用于地震预报、矿产资源采掘工程、人工建筑结构工程等地质力学与岩石等材料工程诸多应用领域.

1.2 遥感-岩石力学的遥感学基础

1.2.1 遥感物理基础

遥感是一种远距离的、非接触式的目标探测技术与方法.目前，对遥感比较一致的定义是在远离被测物体或现象的位置上，使用各种仪器设备，接受、记录物体或现象反射或发射的电磁波信息，经过对信息的运输、加工、处理、分析与解译，对物体或现象的性质及其变化进行探测与识别的理论与技术.

（1）电磁辐射源

自然界中的一切物体在一定温度下（高于绝对零度）都具有发射辐射电磁波的特性.遥感辐射源可分为自然辐射源和人工电磁辐射源两大类.

（2）辐射的度量

①辐射能：指以电磁波的形式发射、传输或接受的能量，单位J.

②辐射通量：指单位时间内通过某一表面的辐射能量，单位W.

③辐射通量密度：指单位时间内从单位面积上辐射出的辐射能量，单位W/m2.

④点源辐射强度：指点辐射源在某一给定方向上单位立体角内的辐射通量，单位是W/sr.

⑤面源发射亮度：指面状辐射源在某方向上的单位投影面积上的单位立体角内的辐射通量，单位是W（/m2.sr）.

(3)黑体辐射

①绝对黑体

为便于讨论物体的热辐射性质，需要一个理想的标准热辐射体作为参照源，这就是绝对黑体（简称黑体）.黑体是指在任何温度下，入射的全部电磁波被完全吸收，既无反射也无透射的物体.

②黑体辐射定律

1900年，普朗克用量子论推导出热辐射定律，揭示了黑体辐射通量密度与其温度和辐射波长的关系.

③实际物体的辐射

自然界中，真正的黑体辐射是不存在的，一般地物的辐射能量总要比黑体辐射能量大.

1.2.2 遥感技术及其发展

（1）遥感技术系统组成

遥感过程是指遥感信息的获取、传输、处理以及分析判读和应用的全过程.遥感技术的内涵包括遥感信息源的物理性质、分布及其运动形态，环境背景以及电磁波的光谱特性，大气的干扰和大气窗口，遥感器的分辨能力、性能和信噪比以及图像处理及识别等.

遥感技术系统是一个从地面到空中、直到空间，从信息采集、存储、传输及处理到分析判读、应用的完整技术系统.现代遥感技术系统一般由空间信息采集系统、地面接收和预处理系统、地面实况调查系统和信息分析应用系统4大部分组成.

（2）遥感技术分类

遥感技术的分类指标有很多种，通常按遥感平台、遥感器和遥感波段进行分类.

1.3 遥感-岩石力学的岩石力学基础

岩石是构成地壳的致密或较松散的聚集体，它是由多种矿物的颗粒、结晶、碎屑以及联结（胶结）这些颗粒的物质和孔隙（空隙）组成的，而且大多数岩石的孔隙（空隙）里含有水，这会对矿物颗粒的相互联结情况产生影响.

（1）岩石的物理性质

岩石的物理性质是其内部矿物基本性质、结构与构造的综合反映，主要包括容重和比重、密度、孔隙率、水理性、热导率和比热等.

（2）岩石的基本力学性质①岩石的应力—应变曲线

岩石在应力作用下的宏观反映是变形或破裂.在岩石力学中，应力—应变曲线（或载荷—位移曲线）是描述岩石在加载过程中的变形过程及力学特征的重要手段.一般根据岩石在加载过程中应力—应变曲线的变化特征，将岩石从加载到破坏分为若干个阶段.如，某典型岩石在加载过程中应力—应变曲线划分为4段和4个特征点，对应4个应力变化阶段（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ），分别称为压密阶段、线弹性阶段、塑性阶段和临失稳阶段；4个特征点分别为E、Y、P、I，分别称为弹性点、屈服点、强度极限点和临失稳点.

②弹性模量

弹性模量E是正应力与试块在外加载荷作用方向产生的线性弹性变形的比值.

③泊松比

岩石试块在受载荷时要发生横向变形，同时由于试块内裂隙的产生、贯通和滑移要产生体积变形.为衡量横向变形与轴向变形之间的关系，沿用材料力学的方法，定义了各向同性岩石的泊松比.

④单轴抗压强度

在试验岩石材料受到单向外力压缩条件下，岩块所能承受的最大挤压应力，称为单轴抗压强度，简称抗压强度.抗压强度可反映岩块基本的力学性质，它是岩体工程地质分类必不可少的重要参数.抗压强度可以简单地加以测试，它与抗拉强度和抗弯强度之间有着固定的比例关系，比如抗拉强度可为抗压强度的3%-30%，抗弯强度可为抗压强度的7%-15%，据此可大致估算抗拉强度等其他的强度参数.

⑤单轴抗拉强度

试验岩块在单向拉伸时所能承受的最大拉张应力，称为单轴的抗拉强度，简称抗拉强度.

⑥岩石的抗剪强度

抗剪强度是指在剪切负荷作用下，试验岩块能够抵抗住剪切作用破坏的最大剪应力.它是岩石力学重要的指标之一.依据剪切试验方法的不同，所测定的剪切强度的内涵也不同，一般可分为三种：抗剪断强度、抗切强度、摩擦强度.

2 遥感-岩石力学应用前景探讨

遥感-岩石力学建立在地球物理学、遥感学、岩石力学、信息学等专业学科的基础之上.其理论前提是通过对岩石受力过程中的应力与应变关系的定性、定量描述，进而提出该过程中电磁辐射量的变化规律、机制等系统总结；实践应用基础是对观测目标的电磁辐射量进行遥感与遥测，包括辐射参量数值及其空间场的具体分布、时间量的相关变化等.

遥感-岩石力学的主要研究与应用领域是：

（1）天然及人工建筑材料的变形行为探测

在地球动力学活动、岩石力学工程建设与试验观测状态中，天然岩石及人工建筑类固体材料会遭受到不同类型的应力活动，包括挤压收缩、拉张伸展、相互摩擦、黏性滑动、扭动弯曲和剪切错动等.这些应力活动过程既可以是迅速的，也可以是缓慢的；既可以是短暂的，也可以是长期的；既可以是单一的，也可以是综合的；既可以是一次性的，也可以是反复的.如上这些差异性活动及其引起的变形与损伤，均可能导致可探测到的电磁辐射参量出现时间、空间上的变化.据此，我们可以探测天然及人工建筑材料的变形行为，研究其变化规律.

（2）天然及人工建筑材料的结构失稳异常诊断

天然岩石及人工建筑类固体材料的力学结构是很不均一的，存在着各向异性.在受力与变形过程中，岩石的不同部位将会产生可探测到的辐射量的明显差异.这种差异的产生，可能是由于岩石的内部组成及其非均匀的空间分布引起的，也可能是由于断裂构造的发育、局部风化作用和含水量差异所引起的.

（3）天然及人工建筑材料屈服破坏的时空特点预报

在外界应力的作用下，天然岩石及人工建筑类固体材料及其结构的电磁辐射参量会发生明显变化.我们通过对这种变化过程的实时监测，再参考通过实验研究所确定的已知的特征参数、标定曲线或标准图谱，就可以对可能发生或即将发生的天然岩石及人工建筑类固体材料屈服破坏等应力作用造成的自然灾害进行及时预测、预报.其应用领域包括：天然地震与山体滑移预报、井下岩爆与煤矿矿柱屈服预测以及岩石与混凝土结构的屈服监控等.

遥感-岩石力学这门学科的发展趋势、应用前景是：

（1）利用卫星热红外遥感技术，对构造地震进行尝试性的地震预报.

（2）利用热红外遥感技术，现场实地监测重大工程稳定性和破坏性突变或失稳预测.包括：大型混凝土工程稳定性监测和失稳预测、矿压等矿山地质灾害现场实地监测和预测.

（3）利用热红外遥感技术，对煤矿采掘过程中岩石撞击引发矿井瓦斯爆炸可能性的监测.

3 关于遥感-岩石力学未来发展的几点建议

遥感-岩石力学经过十几年的发展，目前还存在不足之处，建议在如下方面加以补充、完善：

（1）构造地震又称断裂地震，是指地壳构造运动所引起的地震[3].在对构造地震预测的实验模型的建立及实例验证中，尽管可通过对监测区内平均红外辐射温度的升温趋势等来对地震进行短期预警，并在短期预警的基础上，从破裂区卫星热红外遥感图像上寻找局部热异常条带，可进一步预测发震位置.在上述基础上，通过监测平均红外辐射温度的下降和热像局部热异常条带的减弱（平静）现象的同时出现等，即可以进行地震的临期预测.但是，目前的预测还存在着诸多问题，首先对地震发生时间的预测还不精确，如，一般在增温亮温度异常发展到鼎盛时期后，在几天到两个月内发震（强祖基等）；热红外异常多在震前2～22天内突然出现，呈现突发性特征（徐秀登等）.其次，对地震发生的震级预测还不精确，如，强祖基等人为，发生地震的震级笼统地讲，与高温异常区域的面积正相关.高温异常区域的面积越大，温度越高，发生地震的震级越大.当高温异常区域的面积达到10～30万K m2时，相应的地震震级在5级以上；当高温异常区域的面积在40～70万K m2时，相应的地震震级在6级以上；当高温异常区域的面积在70万K m2或以上时，相应的地震震级在7级以上.徐秀登等则认为，增温异常面积的大小与震级呈一定程度的正相关.发生5级以上地震的增温异常范围可达到20～100万K m2.因此，目前还没建立起明确的数量对应关系.再次，对地震发生的震中位置预测还不精确，如，强祖基等人为，地震前在卫星遥感的10.5～12.5μm波段的红外图像上，在震中附近往往出现孤立的高温异常区域，异常区域的形状可呈圆、椭圆、条带及块状，并且该区域在震前随着地震的临近而发生迁移以及形状和走向的变化.据此，利用增温异常演化特征来追寻未来地震将发生的震中位置，其往往位于随时间迁移的增温异常的前缘，或其前锋与地震带或活动构造带交汇的部位，或者孤立亮温的增温异常之凹陷部位，或者是两组应力热带的交汇部位.徐秀登等则认为，已有地震资料表明，在40次地震中可有30次地震的震中位置分布于弱异常区域，或者在异常区边缘，甚至可出现在远离异常区几十公里的地方.可见，目前对地震发生的震中位置的预测还不够精确.

（2）混凝土结构失稳过程的红外监测研究中，最初的研究主要集中在混凝土材料在加载过程中的红外（包括微波）辐射规律的探测上.而针对实际应用进行工程物理实验模拟的研究还未开展，目前正着手开展混凝土工程物理模拟的加载红外监测实验，分析拟研究模型在加载过程中红外辐射的变化特征及变化规律，以及研究模型失稳破坏的红外辐射前兆，并最终建立岩石及混凝土工程健康状况红外技术诊断的技术模式.

（3）遥感—岩石力学的应用实例中（包括：①红外遥感用于大型混凝土工程稳定性监测和失稳预测研究；②遥感—岩石力学在矿山防治地质灾害的试验研究），采用的均为波长属微米（μm）级的热红外遥感技术，而还未发展到采用波长属毫米-分米（mm-f m）级的微波遥感技术.如，红外遥感用于大型混凝土工程稳定性监测和失稳预测研究中采用的遥感测量仪器为：红外光谱仪,波长范围为1.444～14.436μm，分成324个波段,等效噪声功率密度N E I=1.5948×10-10W/cm2,视场8.7m r a d.红外热象仪,包括两个工作波段即短波段2.0～5.6μm,长波段8.0～12.0μm,温度分辨率0.1℃,视场0.175r a d；遥感—岩石力学在矿山应用的试验研究中，试验使用的设备是：德国生产的Var-ioSCAN3021ST制冷型红外热像仪，它采用碲镉汞探测器，波长范围3.7～5.0μm，热灵敏度高达0.03℃，分辨率320像素×240像素.

（4）对于中国构造地震的预测，还要结合中国古大陆中、新生代以来大地构造发展的如下特点：因中国古大陆东部受太平洋板块俯冲影响，西部受新特提斯洋关闭以及印度板块的俯冲，从而控制了中国大陆东西部的构造运动的发展，形成各具特点的滨太平洋构造域和特提斯构造域，并导致中国地台性质的改观[4].

〔1〕《地球科学大辞典》编委会.地球科学大辞典之应用学科卷[M].北京：地质出版社，2005.855-857

〔2〕朱亮璞，等.遥感地质学[M].北京：地质出版社，1994.1-18.

〔3〕《地球科学大辞典》编委会.地球科学大辞典之基础学科卷[M].北京：地质出版社，2006.979-985.

〔4〕程裕淇，等.中国区域地质概论[M].北京：地质出版社，1994.469-480.