风化壳淋积型稀土矿是我国南方的优势矿产资源，含有高价值的中重稀土（池汝安等，2007，2019）。由于采用原地浸矿工艺，稀土矿体内部受到浸渗作用，浸取液注入矿体注液井后，土体由非饱和到饱和状态的变化过程造成孔隙水压力增大，极易引发山体滑坡。稀土元素主要富集在全风化层（张恋等，2015；黄万抚等，2017），上下地层矿物成分和风化程度的不同以及浸渗程度的影响，造成其力学性能各不相同。当土体在外力荷载作用下发生非弹性破坏时，能监测到不同频率的微震信号发射现象（Liu et al.，2015）。黏土颗粒组成的土体在剪切破坏过程中产生的滑动、滚动摩擦、克服黏结、碰撞、联结网的重排和结晶破碎等行为均会产生微震信号（Berg et al.，2018）。

土质自然灾害和地质灾害的产生过程，也是土体破坏的过程，伴随着物质内部的能量释放，通过热发散和微震等形式产生。部分学者利用模型试验研究土体剪切破坏微震信号，如：崔文杰等（2018）对黏土坡体模型进行滑坡模拟试验研究，采集试验过程中产生的微震信号，利用短时傅里叶变换对采集的信号进行时频分析，然后利用小波分解法研究信号在各个频段上的能量特性；Sun et al.（2019）通过振动台试验和竖向加载多层剪切模型箱，研究了不同地震波峰值加速度水平下土壤变化引起的滑坡滑移带的剪切强度参数及剪切强度变化规律；Yfantis et al.（2020）设计了野外一定尺度剪切盒滑移试验，得到土体上覆荷载和微震记录仪距离与微震能量之间的关系。也有学者在土体剪切破坏微震信号监测方面进行试验研究，如：Dixon et al.（2015a，2015b，2018）通过实验室和现场试验揭示了剪切应变速率与颗粒组合中的声发射率之间的相关性，识别出土体早期破坏的声学特征；Jiang et al.（2017）论证了在环剪摩擦试验中，微震信号与力学失效有关，土体滑坡前兆微震事件监测难度大，却起着关键作用。关于微震监测在软土中的综合应用，研究人员（Vouillamoz et al.，2018）检测并分类了富黏土山体滑坡的微震记录，其中包括发生在土体弱化早期的小裂纹和小规模破坏形成的事件，这些微弱的信号低于或非常接近噪声水平。Fiolleau et al.（2020）研究提出了从长期环境地震噪声和微地震监测中获得的5个地震参数，所有参数都显示在黏土体破裂前出现了明显的前兆信号。而在软土体中大规模边坡破坏的早期阶段，Yfantis et al.（2021）通过实地观察，验证了使用短周期阵列和足够高的采样率微震监测，可以记录微弱的前兆信号。

此外，诸多学者对稀土矿浸渗过程中的力学性能及滑坡进行了研究（陈飞等，2015；周凌波等，2020），将次声监测运用于土质滑坡的剪切破坏，建立力—位移联合监测系统（陈乔等，2020）。但是，关于稀土矿山边坡微震监测方面的研究相对较少，尤其是对浸矿过程稀土矿体破坏微震信号分析鲜有报道。对于岩质斜坡，声发射监测被广泛应用于探测、表征和定位由边坡破坏引起的声波。与土壤相比，岩石的脆性破坏转化为声信号发射，其能量更高，信号主频在kHz频段。微震波是低频率的地震波，频段一般在0~50 Hz之间，具有传播距离远、衰减小、抗干扰能力强及穿透能力强等优点，在传播过程中大气等介质对微震波的吸收系数很小，适用于远距离观测。本研究充分考虑浸矿过程，对不同含水率稀土矿剪切破坏的力学特性和微震信号特征进行研究，通过采用质量浓度为2%的MgSO₄溶液进行室内柱浸试验得到不同含水率的重塑稀土矿试样，完成直剪—微震监测试验，测试稀土矿山浸矿液浸渗作用下，不同含水率稀土矿物剪切破坏力学行为，分析稀土剪切破坏微震信号与环境噪音，探究浸矿过程稀土矿剪切破坏的力学特性与微震信号特征。重点分析含水率与微震信号的波形—时频—频谱多相特征的关联性。研究结果可为原地浸矿作用下稀土边坡剪切破坏的微震监测预警提供数据和理论支撑。

本次试验土样取自江西赣州定南县某稀土矿山，取土深度为1~2 m，土样天然含水率为17%，风干后含水率为1%，平均密度为1.55 g/cm³，干密度为1.325 g/cm³，主要特征为粉质黏土，呈黄褐色。原状土的颗粒粒径集中在0~1 mm之间。选用标准土工筛，将稀土颗粒粒径级配简单筛分为小于0.5 mm、0.5~1.0 mm、1.0~2.5 mm和大于2.5 mm共4种粒径级配，采用激光粒度仪（Winner 2000）对筛选出的粒径小于0.5 mm的稀土细微颗粒进行检测，得到全固相颗粒组分及含量（图1）。通过Axios max型X射线荧光光谱分析（XRF）测定稀土原矿组成成分，结果见表1。

根据《土工试验规程》（南京水利科学研究院，1999），重塑土的密度、孔隙度、颗粒级配与原状土一致，直剪试验用环刀压样器重塑试样，环刀内径为61.8 mm，高度为20 mm，容积为60 cm³，环刀质量恒定为43 g，制样时土样上下垫滤纸及透水石做排水处理。模拟实际浸矿条件时定量的稀土矿存在于有限空间，经过计算，每个试样根据干密度和取样体积称量风干土80.3 g。为了得到等间隔含水率分别为9%、17%、25%、33%和41%的5种试样，经重塑后用质量分数为2%的MgSO₄溶液在环刀试样进行不排水室内柱浸，蠕动泵控制注液速率为0.3 mL/min，通过注液时间控制每个试样的浸入量，使其达到试验预设的质量含水率。为了保证浸矿液在试样中均匀分布，浸矿结束后全密闭存放试样24 h，试样各项基本特征参数列于表2中。

（1）微震采集设备

微震监测系统是由意大利佩鲁贾SARA电子仪器公司生产的SS45C速度型三轴微震检波器和SL06数据采集器，以及配套的SEISMONUX地震记录软件组成（图2）。本次微震采集系统采样频率为200 Hz。为了减少日常活动和环境干扰，试验选择在夜晚22点以后相对安静的环境下进行，测试地点在室内实验室，每个试验持续时间不超过2 min。试验前连续记录背景噪音15 min，测试标定环境中的微震噪音。试验过程中同步进行试样剪切和微震信号采集。剪切试验装置为直接剪切仪，装置可以诱导一层土体相对于另一层土体的位移，监测系统实现沿破坏面发生土体剪切的微震信号采集。土壤结构剪切破坏及产生微震信号，微震信号通过周围的背景环境传播，并被数据采集器记录。试验剪切盒允许的控制参数：施加的荷载，诱导应力（即破坏面上的法向应力的大小）及不同浸渗作用程度的试样。微震监测系统在整个试验过程中位置不变，微震检波器距离试样剪切试验盒中心距离为20 cm，按南—北通道方向布置，微震数据采集器设置为连续采集模式。确保所有记录的监测条件都是相同的，包括微震检波器的水平高度和方向保持不变，试验装置和传感器布置的位置如图3所示。

（2）剪切试验

土体力学特性试验采用机动固结排水快剪试验，直剪设备采用ZJ型应变式直剪仪。机动剪切速率可在剪切仪器上设定，值为0.8 mm/min，恒定竖向固结荷载分别设定为50，100，150，200 kPa。

土体剪切破裂模拟设备采用手摇卷轴式直剪仪。与机动快剪相比，手摇式直剪仪可以最大限度地消除机动式直剪仪产生的马达等机械振动噪音，并能够模拟土样剪切破坏初期土体结构断裂和颗粒摩擦作用。

根据发生剪切破坏的时间，样品手摇剪切时间设定为10 s，保持匀速剪切，竖向固结荷载设为50 kPa。剪切试验微震信号监测中，为了识别有效信号，测试直剪设备及纯铜直剪盒上下摩擦产生信号的影响，设置了不放入试样的空盒剪切对照试验。根据直剪试验原理，竖向固结荷载只对试样施加，剪切盒不受荷载作用，所以剪切盒摩擦产生的微震噪声信号由空剪切盒摩擦产生。

在50，100，150，200 kPa共4个级别的竖向固结压力作用下，进行稀土矿重塑土样5种不同含水率的试样机动直剪试验，对采集数据采用Origin进行样条曲线拟合得到剪应力—位移曲线，如图4所示。

试验结果表明，试样剪切应力—位移曲线在不同正应力和含水率下呈现出明显的变化规律，具体表现在：试样的含水率对应力—位移特性具有显著影响。在低含水率条件（含水率为9%和17%）下，原状试样的剪应力—位移曲线具有明显的应变软化特性；在高含水率条件（含水率为25%、33%和41%）下，剪应力—位移曲线表现为应变硬化型。在相同固结正应力作用下，试样含水率越高，则剪应力峰值越低，剪应力增长速度越慢。对于应变软化型试样，当剪切位移达到2~3 mm时，剪应力达到峰值，随后剪应力随着剪切位移的增加而减小，最后趋于稳定；对于应变硬化型试样，当剪切位移达到2 mm之后，剪应力增长速度逐渐变缓，最后趋于稳定。当土体在趋于饱和的含水率界限时刻，剪应力随着剪切应变的增大而增大，不存在明显的剪切破坏发生点和峰值强度，呈现明显的流体状破坏形式。

试样的固结正应力影响土体剪切破坏的形态：当试样含水率相同时，作用的固结正应力越大，试样破坏剪应力峰值越高，试样应变软化特征越明显。当试样含水率为25%，固结正应力为200 kPa时，剪应力—应变曲线具有应变软化特征，固结正应力减小至100 kPa和50 kPa时，试样的剪切破坏行为过渡为明显的应变硬化特征，其应变软化效应降低；在相同的高含水率状态下，随着固结正应力的增大，相同试样在经历应变硬化型破坏最后达到趋于稳定剪应力的位移越大，如图4所示，含水率为33%的试样，当固结正应力为50 kPa时，剪切位移达到2 mm时剪应力稳定不变，当固结正应力增大至200 kPa时，剪切位移达到6 mm左右，才处于剪应力稳定状态。

通过机动快剪试验，得到不同含水率条件下重塑稀土试样的抗剪强度，绘制出不同含水率试样抗剪强度直方图及摩尔抗剪强度包络线（图5），其中彩色直方图对应不同含水率下的最大剪切强度，黑色实线为莫尔抗剪强度包络线。重塑试样的含水率设置为9%、17%、25%、33%和41%。研究发现，在相同的竖向固结荷载条件下，随着含水率的升高，试样抗剪强度下降，含水率由17%提高至25%的过程中，试样抗剪强度下降速率加大，在这个阶段试样由非饱和状态转变为饱和状态。随着浸矿剂入渗，剪切强度快速下降至峰值的40%左右，后续剪切强度下降速度减小直至稀土试样饱和。当试样含水率达到25%以后，抗剪强度下降速率减小并趋于稳定。

依据摩尔—库伦强度准则，对试验得到的强度包络线进行相关性拟合，得到试样的黏聚力（ϲ），并绘制含水率与黏聚力的变化曲线（图6）。拟合结果不一定完全准确，但能够反映参数的变化趋势，结果表明，在试样浸矿初期，即含水率较小时，黏聚力下降幅度小，之后快速下降，最后趋于稳定。稀土矿浸矿初始阶段，内部大粒被浸润之前，土颗粒团聚体的黏聚效应仍然存在，随着含水率的增加，黏聚力在17%~33%含水率区间快速下降。

（1）信号分析方法

基于Python开源软件中的Scipy对微震信号进行快速傅里叶变换（Gustafsson，1996），得到试验微震数据的频域特征。在反映频率分布的频谱图中，纵坐标傅里叶变换系数（FFT Coefficients，FFTA）与原始信号幅值密切相关（Feng et al.，2019），其通用方程表示为

式中：f(i)为频率变量；bk(k=1,2,…,N)为所有基本信号，其频率变量为f(i)；l(bk)为基本信号的实际长度；A(bk)为基本信号的实际振幅；L为输入信号的长度。

（2）背景噪音信号分析

试样剪切试验过程土颗粒结构破坏、颗粒摩擦等力学行为产生的微震信号一般较微弱，试验背景噪音是影响微震信号监测的重要因素之一，也是决定稀土矿山边坡稳定性微震监测可行性的关键因素。在试验数据分析中，首先要处理试验背景噪音，本次试验的背景噪音来源主要包括实验室环境噪音、直剪传动设备和剪切盒摩擦等。试验开始前，对环境噪音进行连续15 min的微震信号采样，保留微震信号剪切开始前3 s、滑移进行10 s和滑移结束后3 s作为一次试验信号。

为了分析直剪传动设备噪音和剪切盒摩擦噪音，本试验选取一组空剪切盒剪切微震监测试验作为对照组，空剪切盒对照试验选用手摇式直剪方式。在试样直剪试验中，试样剪切同样选用手摇直剪试验，并根据试验规律，选取对比性高的含水率为9%的试样。环境噪音信号（Enviornmental Noise）、空剪切盒试验信号（Empty Box）和试样手摇快剪试验信号（Soil）如图7（a）所示，其对应的频率信号如图7（b）所示。

图7（a）中微震信号幅值为微震监测系统SEISMONUX软件记录的原始信号幅值转换为速度信号（量纲为cm/s），横坐标为时间。信号频率反映了微震信号频谱特征，一定程度上可以区分震源类型。如图7（b）所示，纵坐标为傅里叶变换系数，反映一定频段微震信号的能量大小。从背景噪音试验对比可以发现，试验环境噪音幅值较低，平均振幅为214 cm/s，频率分布在5 Hz以下、25 Hz和50 Hz共3个频段。由于试验时间选择晚上22点以后，实验室内没有异动，推测环境噪音主要来源可能为距离实验室大楼100 m的城市道路。空剪切盒剪切信号幅值较环境噪音更大，平均振幅为589 cm/s，频域主要分布在20 Hz以下，在30 Hz和50 Hz以上高频段均有分布。试样剪切信号相较环境噪音和空剪切盒幅值差距较为明显，试样微震信号平均振幅为2 254 cm/s，最大振幅达到40 000 cm/s，频域主要分布在10~20 Hz之间。空剪切盒与试样剪切信号频域虽有局部重合，但信号能量差距较大，试样剪切微震信号相对于背景噪音试样剪切信号高出一个量级，认为该试验条件下的空剪切盒摩擦信号和环境噪音对试验影响不大，可以忽略。

因此，在试样手摇剪切试验中，土颗粒结构破坏和土颗粒摩擦释放信号较为明显，能够较好地呈现土体剪切破坏微震能量释放过程，为微震监测系统在稀土矿山边坡稳定性监测预警的应用提供理论依据。

（3）试样剪切微震信号特征

为了得出不同含水率试样剪切过程微震信号的频谱特性以及频域内的能量分布特征，本试验设置了4种不同含水率（分别为9%、17%、25% 和33%）的重塑试样，在含水率为41%的手摇直剪试验中，根据试验现象及数据规律，含水率为41%的试样处于过饱和状态，在固结排水直剪试验初期，过饱和浸矿液渗出使得土体含水率降低，因此得出的试验微震数据准确性不高，在信号分析中，该组微震信号被剔除。为了避免试样制作误差和试验操作差异，每种含水率做6组平行试验，取重复得到且具有相似图像特征的试验数据进行处理。本试验采用手摇剪切—微震监测试验设备，模拟稀土试样土颗粒剪切摩擦作用，设备及试验介绍详见1.2小节。准确记录试验开始时间和结束时间，并确保所有试样剪切速率和时间（10 s）相同。在处理数据时，三通道信号中南—北与东—西方向信号类似，垂直方向与之无关联，只选取传感器与剪切装置布置方向对应的南—北通道微震数据。试验中参照北京时间开始和结束，根据采集仪器内置的协调世界时（UTC）与标准北京时间的差值确定试验时间，对所有试样测出的信号进行裁剪预处理，裁剪时长为16 s。基于Python的Scipy高通滤波（滤除低4 Hz）和PyWavelets小波变换（Lee et al.，2019）对每种含水率试验样本微震信号进行处理，获得剪切摩擦信号的时频图像和频域分布图。限于本文篇幅，每种含水率选取一组典型试验结果。图8（a）~8（d）分别是含水率为9%、17%、25%和33%试样的剪切摩擦微震信号波形—时频—频域分布图。值得一提的是，波形图和时频图同在一张图像中，其中左纵坐标为时频图频率，右纵坐标为波形图振幅，时频图彩色图例为傅里叶变换系数（FFT Coefficients，FFTA），反映某频段下信号能量大小。

对比各阶段剪切微震信号可知，随着含水率的增加，波形峰值出现次数增加，能量量级也在增加。根据FFTA峰值数值的大小，将时域上FFTA超过4.5×10⁴的橙红色区域定义为微震强发射阶段。图中的时频图和频域图FFTA的量纲一致，但数值有一定区别。时频图为时频分析，采用小波变换，通过在长周期上划分小窗口进行小波变化，同时获得对应时间的频率信息，FFTA为小窗口对应值；频域图采用短时傅里叶变换，通过对全周期信号进行频率分析，未划分小窗口，因此只获得频率信息，获得全周期整个波形信号的频率信息，FFTA为整个信号的叠加。因此，频域图中的FFTA相对时频图中较大，微震强发射事件以时频图中为准。

由图8中不同含水率时频图纵向对比分析，将试样剪切破坏过程划分为3个阶段：（1）4~6 s，是试样微震信号产生的初始期，内部产生微裂纹，发生挤压、摩擦和碰撞等事件，信号逐渐增强；（2）6~8 s，是试样微震信号产生高峰期，振幅信号到达峰值，能量大小明显大于开始阶段，由此推断是试样内部颗粒发生剪切破坏产生的信号；（3）大于8 s，摩擦信号产生的残余期，振幅反复达到小峰值并逐渐减弱。频谱反映了稀土颗粒之间发生挤压、摩擦和碰撞等行为释放微震波能量的频率和强度，来自试样剪切土层的相对滑动。波形振幅越大则释放的摩擦能量越大，颗粒之间发生上述行为的强度越大，微震强发射出现的次数反映了微震发生的频率。

相同含水率时频图横向对比发现：（1）在图8（a）中，含水率为9%，波形—时频图上6.5 s和9.2 s左右记录2次微震强发射，主频率为10~20 Hz，频谱显示累计FFTA最大超过1.75×10⁶，微震强发射次数较少对应土体的脆性破坏特征，主峰值出现后微震信号明显减弱且不再出现大振幅，反映了应变软化型的剪切形式，累计FFTA数值较小说明过程释放能量小，试验时发现该试样剪断后不黏结，剪切面平整。（2）在图8（b）中，含水率为17%，波形—时频图上5~8 s处记录4次微震强发射，主频率为10~20 Hz，频谱显示累计FFTA最大超过3.0×10⁶。（3）在图8（c）中，含水率为25%，波形—时频图上4~8.5 s处记录9次微震强发射，主频率为10~20 Hz，频谱显示累计FFTA最大超过4.0×10⁶。（4）在图8（d）中，含水率为33%，波形—时频图上5.5~8.2 s处记录至少6次微震强发射，主频率为10~20 Hz，频谱显示累计FFTA最大超过4.0×10⁶，14 s后出现的微震强发射不在剪切时间范围内，故忽略不计。如图8（a）~8（d）所示，后续微震强发射次数增加，表明土体演化为塑性—黏性破坏特征，破坏过程出现多次持续渐进性主峰，微震信号连续出现大振幅，反映应变硬化型剪切形式，累计FFTA数值增大说明过程释放能量增多，试验时发现该试样剪断后有粘连，剪切面粗糙。

对比分析不同含水率试样剪切信号频谱特征和背景噪音频谱特征，可以发现：不同含水率稀土试样剪切滑移信号主要频段为10~20 Hz，频率分布范围大体为5~55 Hz，频率集中程度类似。

整体波形有明显峰值特征，信噪比高，且易于识别。破坏发生前阶段有能量的积聚，破坏发生时有短时能量的跃升，在此阶段，能量达到峰值区间。表明能量主要集中在破坏发生时段内，而破坏发生后阶段能量整体逐渐减弱，所占比重较小。随着含水率的增加，试样由脆性破坏逐渐过渡到延性和黏性破坏，剪切变形由应变软化型逐渐转变为应变硬化型。微震强发射次数增加，幅值也增大，微震信号的总能量增加，表明随着含水率的增加试样内部能量释放更加活跃，活跃期持续时间更长，出现多次振幅峰值。

（1）不同含水率稀土试样剪切试验表明，随着含水率的增加，稀土试样黏聚力呈下降趋势，其破坏特征由塑性破坏向黏性破坏演变，且破坏行为由应变软化向应变硬化过渡。对于相同含水率的试样，随着固结正应力的增大，试样的应变软化特征更显著，当含水率较小时，存在明显的峰值强度。

（2）试样剪切微震信号相对于背景噪音易于识别。剪切破坏过程存在峰值振幅，对比该阶段的时频图像，发现微震信号活跃期主频率分布在10~20 Hz，频率大致分布范围为5~55 Hz，且不随含水率的改变而变化。表明稀土试样剪切过程中存在频率特征明显的微震信号。

（3）随着含水率的增加，试样剪切过程释放的微震信号演化特征表现为：微震强发射次数增加、主频段FFTA峰值增大、累积总能量增加，表明含水率的增加对试样颗粒的释放能量行为起到促进作用，从波形上来看，微震发射模式体现为由主震型过渡到群震型特征。当含水率较低时，稀土由干燥状态到饱水状态，试样剪切破坏存在明显的峰值应力，微震强发射次数较少，微震声发射模式体现为主震型，随着含水率的增加，应变硬化阶段峰值应力消失，试样破坏受控于残余应力，对应微震强发射次数增多，微震声发射模式向群震型演变。

（4）稀土矿中稀土元素以可溶性的水合阳离子形式被吸附在高岭土、埃洛石和伊利石等黏土矿物的表面，根据黏土体剪切破坏的内在机理，将试样破坏过程划分为3个阶段：一是内部微颗粒错动、摩擦及微裂纹的形成阶段；二是应力屈服及裂纹扩展阶段；三是峰后残余强度及滑移阶段。而波形和频谱图像反映了稀土土体在上述破坏过程中的能量演化特征，包括释放微震波能量的强度大小和频率分布，与破坏阶段相对应。微震信号是稀土土体内部破坏产生的正演形式的伴随表征，二者息息相关。