楊福深，高 朋

（1黑龍江省地質調查研究總院；2黑龍江省樁基礎工程公司，黑龍江 哈爾濱 150036）

引言

遙感-巖石力學，源自構造地震衛(wèi)星熱像異常的模擬實驗探索及礦壓紅外探測基礎實驗研究，是紅外、微波等現(xiàn)代遙感技術引入現(xiàn)代巖石力學相關領域進行學科交叉的相關產物.考慮到遙感巖石力學是一門交叉學科，應該強調遙感與巖石力學的交叉性和遙感技術作為巖石力學研究手段的方法性.

作為遙感技術在工程地質上運用之一的工程及環(huán)境的監(jiān)測、評價，即是對已建成的工程進行監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)工程地質隱患，以便采取相應對策；對工程本身引發(fā)的地質作用和環(huán)境效應進行調查和評估（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-巖石力學的研究范圍來講，它應隸屬于作為邊緣學科的遙感地質學.因為后者的研究對象是地球的巖石圈層中的地質體（如巖層、侵入巖體、斷裂構造）、地質現(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體的物理性質和運動特征，進而為區(qū)域地質構造調查研究、礦產資源勘查評價、環(huán)境和災害地質監(jiān)測與防治等基礎和公益事業(yè)提供技術支撐、服務[2].

吳立新、耿乃光、崔承禹在2000年9月正式向國際學術界提出了“遙感—巖石力學（Remote Sensing Rock Mechanics，RSRM）”這一學科術語，并系統(tǒng)闡述了RSRM的定義、學科內涵和信息邏輯.這標志著遙感-巖石力學的產生.

1 遙感-巖石力學學科體系

1.1 遙感-巖石力學的定義

遙感-巖石力學是一門邊緣性的交叉學科,它建立在地球物理學、遙感學、巖石力學、信息學等專業(yè)學科的基礎之上.其理論前提是通過對巖石受力過程中的應力與應變關系的定性、定量描述，進而提出該過程中電磁輻射量的變化規(guī)律、機制等系統(tǒng)總結；實踐應用基礎是對觀測目標的電磁輻射量進行遙感與遙測，包括輻射參量數值及其空間場的具體分布、時間量的相關變化等.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）遭受外界應力作用下發(fā)生應變過程中的電磁輻射數量變化特征的巖石力學機制，研究上述固體材料及其力學結構在屈服與破裂方面的電磁輻射量特征、變化規(guī)律與預兆，并應用于地震預報、礦產資源采掘工程、人工建筑結構工程等地質力學與巖石等材料工程諸多應用領域.

1.2 遙感-巖石力學的遙感學基礎

1.2.1 遙感物理基礎

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

（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：指單位時間內從單位面積上輻射出的輻射能量，單位W/m2.

④點源輻射強度：指點輻射源在某一給定方向上單位立體角內的輻射通量，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，需要一個理想的標準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 遙感技術及其發(fā)展

（1）遙感技術系統(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用的全過程.遙感技術的內涵包括遙感信息源的物理性質、分布及其運動形態(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、應用的完整技術系統(tǒng).現(xiàn)代遙感技術系統(tǒng)一般由空間信息采集系統(tǒng)、地面接收和預處理系統(tǒng)、地面實況調查系統(tǒng)和信息分析應用系統(tǒng)4大部分組成.

（2）遙感技術分類

遙感技術的分類指標有很多種，通常按遙感平臺、遙感器和遙感波段進行分類.

1.3 遙感-巖石力學的巖石力學基礎

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

（1）巖石的物理性質

巖石的物理性質是其內部礦物基本性質、結構與構造的綜合反映，主要包括容重和比重、密度、孔隙率、水理性、熱導率和比熱等.

（2）巖石的基本力學性質①巖石的應力—應變曲線

巖石在應力作用下的宏觀反映是變形或破裂.在巖石力學中，應力—應變曲線（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特征的重要手段.一般根據巖石在加載過程中應力—應變曲線的變化特征，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力—應變曲線劃分為4段和4個特征點，對應4個應力變化階段（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個特征點分別為E、Y、P、I，分別稱為彈性點、屈服點、強度極限點和臨失穩(wěn)點.

②彈性模量

彈性模量E是正應力與試塊在外加載荷作用方向產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，同時由于試塊內裂隙的產生、貫通和滑移要產生體積變形.為衡量橫向變形與軸向變形之間的關系，沿用材料力學的方法，定義了各向同性巖石的泊松比.

④單軸抗壓強度

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力，稱為單軸抗壓強度，簡稱抗壓強度.抗壓強度可反映巖塊基本的力學性質，它是巖體工程地質分類必不可少的重要參數.抗壓強度可以簡單地加以測試，它與抗拉強度和抗彎強度之間有著固定的比例關系，比如抗拉強度可為抗壓強度的3%-30%，抗彎強度可為抗壓強度的7%-15%，據此可大致估算抗拉強度等其他的強度參數.

⑤單軸抗拉強度

試驗巖塊在單向拉伸時所能承受的最大拉張應力，稱為單軸的抗拉強度，簡稱抗拉強度.

⑥巖石的抗剪強度

抗剪強度是指在剪切負荷作用下，試驗巖塊能夠抵抗住剪切作用破壞的最大剪應力.它是巖石力學重要的指標之一.依據剪切試驗方法的不同，所測定的剪切強度的內涵也不同，一般可分為三種：抗剪斷強度、抗切強度、摩擦強度.

2 遙感-巖石力學應用前景探討

遙感-巖石力學建立在地球物理學、遙感學、巖石力學、信息學等專業(yè)學科的基礎之上.其理論前提是通過對巖石受力過程中的應力與應變關系的定性、定量描述，進而提出該過程中電磁輻射量的變化規(guī)律、機制等系統(tǒng)總結；實踐應用基礎是對觀測目標的電磁輻射量進行遙感與遙測，包括輻射參量數值及其空間場的具體分布、時間量的相關變化等.

遙感-巖石力學的主要研究與應用領域是：

（1）天然及人工建筑材料的變形行為探測

在地球動力學活動、巖石力學工程建設與試驗觀測狀態(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，也可以是反復的.如上這些差異性活動及其引起的變形與損傷，均可能導致可探測到的電磁輻射參量出現(xiàn)時間、空間上的變化.據此，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構失穩(wěn)異常診斷

天然巖石及人工建筑類固體材料的力學結構是很不均一的，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生可探測到的輻射量的明顯差異.這種差異的產生，可能是由于巖石的內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造的發(fā)育、局部風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預報

在外界應力的作用下，天然巖石及人工建筑類固體材料及其結構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、標定曲線或標準圖譜，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力作用造成的自然災害進行及時預測、預報.其應用領域包括：天然地震與山體滑移預報、井下巖爆與煤礦礦柱屈服預測以及巖石與混凝土結構的屈服監(jiān)控等.

遙感-巖石力學這門學科的發(fā)展趨勢、應用前景是：

（1）利用衛(wèi)星熱紅外遙感技術，對構造地震進行嘗試性的地震預報.

（2）利用熱紅外遙感技術，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)預測.包括：大型混凝土工程穩(wěn)定性監(jiān)測和失穩(wěn)預測、礦壓等礦山地質災害現(xiàn)場實地監(jiān)測和預測.

（3）利用熱紅外遙感技術，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 關于遙感-巖石力學未來發(fā)展的幾點建議

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

（1）構造地震又稱斷裂地震，是指地殼構造運動所引起的地震[3].在對構造地震預測的實驗模型的建立及實例驗證中，盡管可通過對監(jiān)測區(qū)內平均紅外輻射溫度的升溫趨勢等來對地震進行短期預警，并在短期預警的基礎上，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，可進一步預測發(fā)震位置.在上述基礎上，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，即可以進行地震的臨期預測.但是，目前的預測還存在著諸多問題，首先對地震發(fā)生時間的預測還不精確，如，一般在增溫亮溫度異常發(fā)展到鼎盛時期后，在幾天到兩個月內發(fā)震（強祖基等）；熱紅外異常多在震前2～22天內突然出現(xiàn)，呈現(xiàn)突發(fā)性特征（徐秀登等）.其次，對地震發(fā)生的震級預測還不精確，如，強祖基等人為，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.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.當高溫異常區(qū)域的面積達到10～30萬K m2時，相應的地震震級在5級以上；當高溫異常區(qū)域的面積在40～70萬K m2時，相應的地震震級在6級以上；當高溫異常區(qū)域的面積在70萬K m2或以上時，相應的地震震級在7級以上.徐秀登等則認為，增溫異常面積的大小與震級呈一定程度的正相關.發(fā)生5級以上地震的增溫異常范圍可達到20～100萬K m2.因此，目前還沒建立起明確的數量對應關系.再次，對地震發(fā)生的震中位置預測還不精確，如，強祖基等人為，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，或者是兩組應力熱帶的交匯部位.徐秀登等則認為，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)生的震中位置的預測還不夠精確.

（2）混凝土結構失穩(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.而針對實際應用進行工程物理實驗模擬的研究還未開展，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診斷的技術模式.

（3）遙感—巖石力學的應用實例中（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)預測研究；②遙感—巖石力學在礦山防治地質災害的試驗研究），采用的均為波長屬微米（μm）級的熱紅外遙感技術，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.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—巖石力學在礦山應用的試驗研究中，試驗使用的設備是：德國生產的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0.03℃，分辨率320像素×240像素.

（4）對于中國構造地震的預測，還要結合中國古大陸中、新生代以來大地構造發(fā)展的如下特點：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閉以及印度板塊的俯沖，從而控制了中國大陸東西部的構造運動的發(fā)展，形成各具特點的濱太平洋構造域和特提斯構造域，并導致中國地臺性質的改觀[4].

〔1〕《地球科學大辭典》編委會.地球科學大辭典之應用學科卷[M].北京：地質出版社，2005.855-857

〔2〕朱亮璞，等.遙感地質學[M].北京：地質出版社，1994.1-18.

〔3〕《地球科學大辭典》編委會.地球科學大辭典之基礎學科卷[M].北京：地質出版社，2006.979-985.

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