牛琳琳 杜建軍 豐成君 孟 文李國(guó)歧 陳群策,
1) 中國(guó)北京100081中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所 2) 中國(guó)北京100081國(guó)土資源部新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
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冀東地區(qū)深孔地應(yīng)力測(cè)量及其意義
1) 中國(guó)北京100081中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所 2) 中國(guó)北京100081國(guó)土資源部新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
為獲得礦山深部開采和設(shè)計(jì)所需要的地應(yīng)力基礎(chǔ)資料, 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所于2012—2013年在冀東地區(qū)灤縣—樂亭大斷裂附近開展了3個(gè)鉆孔水壓致裂的應(yīng)力測(cè)量工作, 鉆孔孔深為500—1000 m. 地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果初步揭示了研究區(qū)地殼淺表層現(xiàn)今地應(yīng)力的分布規(guī)律. 實(shí)測(cè)結(jié)果表明: 現(xiàn)今研究區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)優(yōu)勢(shì)方向?yàn)镹W70°; 3個(gè)測(cè)點(diǎn)的最大剪切應(yīng)力與平均應(yīng)力的比值um范圍為0.24—0.48, 平均值分別為0.30, 0.40和0.30, 均未達(dá)到地殼應(yīng)力摩擦極限狀態(tài)(um=0.6)的水平, 而唐山大地震后不久研究區(qū)淺層獲得的um則較大, 個(gè)別點(diǎn)大于0.6, 平均值為0.44, 表明唐山大地震后研究區(qū)應(yīng)力積累程度較低, 應(yīng)力釋放較為充分; 依據(jù)斷層摩擦準(zhǔn)則及拜爾利定律可知, 研究區(qū)發(fā)生較大地震活動(dòng)的危險(xiǎn)性較低.
冀東地區(qū) 水壓致裂 地應(yīng)力測(cè)量 應(yīng)力積累 地震危險(xiǎn)性
1976年唐山MS7.8地震是歷史上破壞最為嚴(yán)重的地震之一, 大地震之后又有大量余震發(fā)生, 其中震級(jí)最大的為灤縣MS7.1地震. 地殼表面和內(nèi)部發(fā)生的各種構(gòu)造現(xiàn)象及其伴生的各種地質(zhì)災(zāi)害均與地殼應(yīng)力作用密切相關(guān)(陳群策等, 2011), 同樣大地震的孕育和發(fā)生也是特定構(gòu)造部位的地應(yīng)力長(zhǎng)期積累、 集中、 加強(qiáng), 最終導(dǎo)致應(yīng)變能突然釋放的過程(李四光, 1973). 針對(duì)該地區(qū)的構(gòu)造活動(dòng)特征, 許多研究人員采用不同的技術(shù)手段進(jìn)行了比較深入的研究, 取得了豐富的研究成果. 獲取某一區(qū)域地應(yīng)力狀態(tài)常用的方法有震源機(jī)制解法(李欽祖等, 1980; 張之立等, 1980)、 斷層滑動(dòng)形變法(許忠淮, 1985)、 GPS位移矢量法以及重力異常法(虢順民, 1977)等. 其中地應(yīng)力測(cè)量與監(jiān)測(cè)方法為現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)研究提供了最直接的基礎(chǔ)觀測(cè)數(shù)據(jù). 目前國(guó)內(nèi)外比較常用的地應(yīng)力測(cè)量方法有壓磁應(yīng)力解除法、 空芯包體應(yīng)力解除法及水壓致裂法等. 唐山大地震之前研究區(qū)地應(yīng)力測(cè)量資料很少, 大地震后不久, 研究人員在灤縣、 唐山黃坨苗圃采用應(yīng)力解除法、 水壓致裂法進(jìn)行了地應(yīng)力測(cè)量, 發(fā)現(xiàn)該地區(qū)地殼淺層應(yīng)力水平較低, 其壓應(yīng)力作用方向?yàn)榻鼥|西向(李方全, 王連捷, 1979; 丁健民, 梁國(guó)平, 1985; 李方全等, 1985), 與采用震源機(jī)制解獲取的結(jié)果具有很好的一致性, 因此可以為本文進(jìn)一步研究該地區(qū)的地應(yīng)力提供較重要的基礎(chǔ)資料.
然而在過去幾十年中研究區(qū)取得的地應(yīng)力實(shí)測(cè)資料總體較少, 已有的也均為地殼淺部的資料. 唐山大地震過去數(shù)十年了, 研究區(qū)現(xiàn)今的應(yīng)力狀態(tài)如何, 2011年發(fā)生的日本大地震對(duì)研究區(qū)的擾動(dòng)情況如何, 研究區(qū)是否還會(huì)有大震發(fā)生, 這些都尚不清楚. 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所受某公司委托, 為獲取礦山安全開采所需要的基礎(chǔ)資料, 于2012—2013年在冀東地區(qū)灤縣—樂亭大斷裂附近開展了3個(gè)鉆孔水壓致裂的地應(yīng)力測(cè)量工作, 鉆孔深度為500—1000 m, 實(shí)測(cè)資料填補(bǔ)了冀東地區(qū)較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)缺乏深孔地應(yīng)力資料的空白. 利用這些資料, 本文初步揭示冀東地區(qū)灤縣—樂亭斷裂現(xiàn)今地應(yīng)力分布規(guī)律, 進(jìn)一步分析該區(qū)域現(xiàn)今應(yīng)力狀態(tài), 并與唐山地震后該區(qū)域淺層測(cè)量資料作對(duì)比, 討論區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)的變化, 同時(shí)依據(jù)安德森斷層摩擦準(zhǔn)則及拜爾利定律, 探討研究區(qū)的斷層活動(dòng)性和地震發(fā)生危險(xiǎn)性.
冀東地區(qū)在構(gòu)造單元上地處燕山南緣, 緊鄰華北平原, 大地構(gòu)造背景歸屬于燕山臺(tái)褶帶南緣的開灤臺(tái)凹. 在區(qū)域構(gòu)造格局上研究區(qū)還位于活動(dòng)性明顯的陰山—燕山南緣東西向構(gòu)造帶與冀魯斷拗北東向構(gòu)造帶(特別是滄東斷裂帶)的交匯部位, 深部構(gòu)造特征表現(xiàn)為東西向重力高值帶與北東向重力高值帶相交匯.與本研究區(qū)相關(guān)的主要構(gòu)造有寧河—昌黎深斷裂、 豐臺(tái)—野雞沱大斷裂、 灤縣—樂亭大斷裂、 薊運(yùn)河深斷裂、 響嘡斷裂、 坨子頭斷裂、 芝麻山西斷裂、 唐山—古冶斷裂、 陡河斷裂和唐山—巍山—長(zhǎng)山南坡斷裂等(虢順民等, 1977; 張四昌, 刁桂苓, 1992; 冉志杰等, 2013). 冀東地區(qū)活動(dòng)構(gòu)造及地震活動(dòng)如圖1所示.
圖1 冀東地區(qū)活動(dòng)構(gòu)造及地震活動(dòng)
冀東地區(qū)處于陰山—燕山前地震帶, 在時(shí)間分布的周期性上, 地震活動(dòng)處于1815年至今的第四活躍期(虢順民等, 1977). 該區(qū)為華北地震帶地震活動(dòng)頻繁的區(qū)域, 1976—2013年期間, 在唐山斷裂帶、 灤縣—樂亭斷裂及薊運(yùn)河斷裂上發(fā)生MS≥4.5地震達(dá)83次(圖1), 其中震級(jí)最大的為1976年7月28日唐山MS7.8地震, 約15小時(shí)后又在其東北部的灤縣發(fā)生MS7.1最大余震. 研究人員把研究區(qū)分成3個(gè)余震區(qū), 唐山大地震之后余震區(qū)地震表現(xiàn)為有起伏的衰減(張四昌, 刁桂苓, 1992; 張宏志等, 2008).
唐山地震MS7.1余震發(fā)生在灤縣—樂亭斷裂上, Shedlock等(1987)指出該地震的發(fā)生是由于唐山斷裂SE盤突然產(chǎn)生SW向的同震運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致的NE--SW向近水平拉張作用, 從而造成近SN向左旋-正斷層作用為主的斷層錯(cuò)動(dòng)結(jié)果, 地震的機(jī)制解表現(xiàn)出明顯的正斷層作用(聞學(xué)澤, 馬勝利, 2006).本次原地應(yīng)力測(cè)量的3個(gè)鉆孔恰恰位于灤縣—樂亭斷裂上(圖1). 通過對(duì)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的分析, 認(rèn)為研究區(qū)活動(dòng)斷裂較為發(fā)育, 有強(qiáng)地震發(fā)育的區(qū)域地質(zhì)背景, 本次實(shí)測(cè)資料對(duì)于研究該斷裂和冀東地區(qū)區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)具有重要意義.
2.1 水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量方法簡(jiǎn)介及鉆孔概況
水壓致裂法是國(guó)際巖石力學(xué)測(cè)試技術(shù)專業(yè)委員會(huì)推薦的常用的地應(yīng)力測(cè)量方法之一.目前, 該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于重大工程建設(shè)的勘測(cè)設(shè)計(jì)中, 并在地震預(yù)測(cè)研究以及地球動(dòng)力學(xué)等基礎(chǔ)研究領(lǐng)域也得到了重視和應(yīng)用. 本文原始資料均采用水壓致裂法測(cè)得, 3個(gè)測(cè)點(diǎn)鉆孔概況列于表1. 地應(yīng)力測(cè)量共獲得3個(gè)鉆孔30個(gè)深度段的壓裂數(shù)據(jù)、 8個(gè)深度段的印模方向, 數(shù)據(jù)比較豐富. 應(yīng)力參數(shù)中關(guān)鍵壓力參數(shù)Ps按照巖石力學(xué)測(cè)試技術(shù)專業(yè)委員會(huì)最新頒布的測(cè)試技術(shù)規(guī)范取值, 且每個(gè)測(cè)段的取值均采用兩種方法, 即單切線法和dt/dp方法, 以保證測(cè)試和計(jì)算結(jié)果的可靠性(杜建軍等, 2013).
表1 冀東地區(qū)水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量鉆孔概況Table 1 The borehole information of hydraulic fracturing in-situ stress measurement in east of Hebei
原地應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以分析地殼及斷層區(qū)域的應(yīng)力積累水平. Jamison和Cook(1980)認(rèn)為最大剪切應(yīng)力(S1-S3)/2與平均應(yīng)力(S1+S3)/2的比值um是表征地殼應(yīng)力積累程度的參數(shù).um越大, 一定程度上說明斷層附近的剪應(yīng)力相對(duì)較大, 反映應(yīng)力積累程度較高, 越有利于斷層活動(dòng), 反之亦然(Jamison, Cook, 1980). Townend和Zoback (2000)根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到地殼淺部um多為0.7, 深部um為0.5. 這說明應(yīng)力參數(shù)um在0.5—0.7時(shí), 地殼應(yīng)力水平處于其極限平衡狀態(tài); 當(dāng)um接近0.5時(shí), 應(yīng)力的積累水平較高;um<0.3時(shí), 該應(yīng)力積累水平較低. 該參數(shù)跟應(yīng)力的方向無關(guān), 僅代表應(yīng)力積累的水平(Haimson, Cornet, 2003). 若考慮孔隙水壓力的作用,um的表達(dá)式為
(1)
式中,S1,S3和P0分別代表最大主應(yīng)力、 最小主應(yīng)力和孔隙壓力. 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理過程中舍掉不標(biāo)準(zhǔn)的水壓致裂應(yīng)力曲線, 剔除應(yīng)力方向離散的數(shù)據(jù)(王成虎等, 2014), 同時(shí)利用實(shí)測(cè)資料給出每一個(gè)測(cè)深段的um值.
2.2 馬城GK1-2鉆孔地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果分析
在馬城GK1-2鉆孔340.00—922.44 m深度內(nèi), 獲得了13個(gè)深度段的測(cè)量數(shù)據(jù)(表2). 該測(cè)點(diǎn)主應(yīng)力值與最大水平主應(yīng)力方位隨深度的分布見圖2. 該鉆孔及附近地區(qū)現(xiàn)今地應(yīng)力場(chǎng)分布特征如下:
表2 GK1-2測(cè)點(diǎn)水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果Table 2 Hydraulic fracturing in-situ stress measurement results at GK1-2 borehole
注:P0為孔隙壓力;SH為最大水平主應(yīng)力;Sh為最小水平主應(yīng)力;Sv為垂向應(yīng)力, 近似等于上覆巖層的重量; 巖石密度取2.65×103kg/m3;KH=SH/Sv;Kh=Sh/Sv;um=(S1-S3)/(S1+S3-2P0).
圖2 GK1-2測(cè)點(diǎn)主應(yīng)力及最大水平主應(yīng)力方位隨深度(h)的變化
1) 在340.00—922.44 m測(cè)量深度范圍內(nèi), 其最大水平主應(yīng)力SH為14.97—29.82 MPa,最小水平主應(yīng)力Sh為11.53—20.27 MPa, 水平主應(yīng)力均隨深度的增加而增加(圖2).
2) 最大水平主應(yīng)力SH與垂向應(yīng)力Sv的比值KH為1.07—2.00, 平均值為1.43; 最小水平主應(yīng)力Sh與垂向應(yīng)力Sv的比值Kh為0.79—1.41, 平均值為1.01. 總體表明水平應(yīng)力起主導(dǎo)作用.
3) 3個(gè)主應(yīng)力的關(guān)系表現(xiàn)出分段性的特點(diǎn): 測(cè)量段的上部, 應(yīng)力狀態(tài)為SH>Sh>Sv, 為逆斷型應(yīng)力狀態(tài); 到一定深度后, 3個(gè)主應(yīng)力的關(guān)系逐漸變?yōu)镾H>Sv>Sh, 為走滑型應(yīng)力狀態(tài). 鉆孔深部應(yīng)力狀態(tài)與附近灤縣—樂亭斷裂第四紀(jì)表現(xiàn)出的左旋-正斷的活動(dòng)特性一致性較好(吳開統(tǒng)等, 1981; 聞學(xué)澤, 馬勝利, 2006).
4) 在該鉆孔340.00, 413.50和605.00 m深度段測(cè)得的最大水平主應(yīng)力方位分別為N60°W, N70°W和N74°W, 平均方位約為N68°W. 主壓應(yīng)力的該作用方式易于區(qū)域內(nèi)NW向斷層產(chǎn)生左旋走滑運(yùn)動(dòng).
2.3 田興—大賈莊NK20地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果分析
在田興—大賈莊NK20鉆孔403.14—482.41 m深度內(nèi), 獲得了7個(gè)深度段的測(cè)量數(shù)據(jù)(表3). 該測(cè)點(diǎn)主應(yīng)力值與最大水平主應(yīng)力方位隨深度分布如圖3所示. 該鉆孔及附近地區(qū)現(xiàn)今地應(yīng)力場(chǎng)分布特征如下:
表3 NK20測(cè)點(diǎn)水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果Table 3 Hydraulic fracturing in-situ stress measurement results at the borehole NK20
圖3 NK20測(cè)點(diǎn)主應(yīng)力及最大水平主應(yīng)力方位隨深度的變化
1) 在403.14—480.00 m測(cè)量深度范圍內(nèi), 其最大水平主應(yīng)力SH為7.83—28.12 MPa, 最小水平主應(yīng)力Sh為6.12—17.64 MPa.
2)SH與Sv的比值KH為0.73—2.20, 平均值為1.56;Sh與Sv的比值Kh為0.57—1.38, 平均值為1.00.
3) 水平主應(yīng)力與垂向應(yīng)力之間的關(guān)系為: 測(cè)量段的上部, 應(yīng)力狀態(tài)為Sv>SH>Sh, 表現(xiàn)為垂直應(yīng)力占主導(dǎo)地位, 為正斷型應(yīng)力狀態(tài); 到一定深度后, 應(yīng)力狀態(tài)為SH>Sh>Sv, 為逆斷型應(yīng)力狀態(tài). 該測(cè)點(diǎn)由于測(cè)量深度段范圍較小, 不能簡(jiǎn)單地從局部較小范圍深度段給出區(qū)域應(yīng)力狀態(tài).
4) 在該鉆孔403.14和474.98 m深度段測(cè)得的最大水平主應(yīng)力方位分別為N75°W和N70°W, 平均方位約為N72.5°W. 主壓應(yīng)力的該作用方式易于區(qū)域內(nèi)NW向斷層產(chǎn)生左旋走滑運(yùn)動(dòng).
2.4 田興—大賈莊NK05鉆孔地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果
在田興—大賈莊NK05鉆孔376.92—464.21 m深度內(nèi), 獲得了10個(gè)深度段的測(cè)量數(shù)據(jù)(表4). 該測(cè)點(diǎn)主應(yīng)力值與最大水平主應(yīng)力方位隨深度分布見圖4. 該鉆孔及附近地區(qū)現(xiàn)今地應(yīng)力場(chǎng)分布特征如下:
1) 在376.92—464.21 m深度測(cè)量范圍內(nèi), 其最大水平主應(yīng)力SH為6.51—28.77 MPa, 最小水平主應(yīng)力Sh為5.29—16.55 MPa;SH與Sv的比值KH為0.62—2.88, 平均值為1.22;Sh與Sv的比值Kh為0.57—1.38, 平均值為1.00.
2) 測(cè)量段的上部, 應(yīng)力狀態(tài)為SH>Sh>Sv, 為逆斷型應(yīng)力狀態(tài); 到一定深度后, 最大水平主應(yīng)力與垂向應(yīng)力間或表現(xiàn)為最大主應(yīng)力. 深部的應(yīng)力狀態(tài)與附近灤縣—樂亭斷裂帶第四紀(jì)所表現(xiàn)出的左旋-正斷活動(dòng)特性比較吻合.
3) 在該鉆孔376.92, 412.31和422.71 m深度段測(cè)得的最大水平主應(yīng)力方位為N72°W, N57°W和N57°W, 平均方位約為N64.6°W. 主壓應(yīng)力的該作用方式易于區(qū)域內(nèi)NW向斷層產(chǎn)生左旋走滑運(yùn)動(dòng).
表4 NK05測(cè)點(diǎn)水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果Table 4 Hydraulic fracturing in-situ stress measurement results at NK05 borehole
2.5 綜合分析
以上3個(gè)鉆孔的應(yīng)力狀態(tài)呈現(xiàn)出較好的規(guī)律性, 在地殼淺部400 m深度域內(nèi), 3個(gè)主應(yīng)力的關(guān)系一致表現(xiàn)為SH>Sh>Sv, 屬逆斷型應(yīng)力結(jié)構(gòu), 有利于逆斷層的發(fā)育活動(dòng); 500 m以下深度域內(nèi), 三向主應(yīng)力的關(guān)系一致表現(xiàn)為SH>Sv>Sh, 屬走滑型應(yīng)力結(jié)構(gòu), 有利于走滑斷層的發(fā)育活動(dòng). 將本文所得結(jié)果與Haimson采用水力壓裂的方法在美國(guó)沉積盆地中取得的結(jié)果進(jìn)行比較, 發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)地區(qū)應(yīng)力隨深度的變化趨勢(shì)有共同的特征: 在地殼的淺部, 兩個(gè)水平主應(yīng)力幾乎都大于垂直主應(yīng)力; 隨著深度的逐漸增大, 垂直主應(yīng)力變?yōu)橹虚g主應(yīng)力(張之立等, 1980; Haimson, Rummel, 1982).
圖4 NK05測(cè)點(diǎn)主應(yīng)力及最大水平主應(yīng)力方位隨深度分布
前人對(duì)冀東地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)已經(jīng)開展了許多研究工作. 薛志照和楊港生(1993)認(rèn)為在地質(zhì)構(gòu)造背景下, 受EW向強(qiáng)大主壓應(yīng)力的作用, 唐山主震區(qū)NE向斷裂帶中部應(yīng)力高度集中, 南北兩端由于不同方向構(gòu)造斷裂的截阻而發(fā)生強(qiáng)余震, 形成共扼構(gòu)造, 灤縣以NW向斷裂左旋錯(cuò)動(dòng)為主. 華祥文(1990)認(rèn)為唐灤震源區(qū)及其鄰區(qū)應(yīng)力場(chǎng)的特點(diǎn)是以水平應(yīng)力作用為主, 表現(xiàn)為EW受擠壓, NS受引張, 與唐山MS7.8主震震源機(jī)制和震后效應(yīng)均較一致. 隨著主震和強(qiáng)余震能量的釋放, 該區(qū)應(yīng)力場(chǎng)的優(yōu)勢(shì)程度明顯削弱, 但仍長(zhǎng)期支配著該區(qū)的余震活動(dòng).
唐山大地震后的實(shí)測(cè)結(jié)果(附表1, 2, 3)反映該區(qū)域淺部的應(yīng)力方向?yàn)镹57°E, 200 m以下為NW83°. 本次3個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量深度均在300 m以下, 反映應(yīng)力優(yōu)勢(shì)方向?yàn)镹70°W. 本文地應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果與唐山地震后200 m深度以下地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果及薛志照和楊港生(1993)的研究成果比較吻合, 與前人震源機(jī)制解反演出的P,T,B軸最大主壓應(yīng)力軸的優(yōu)勢(shì)方向一致性也較好(李欽祖等, 1980; 張之立等, 1980; 許忠淮, 1985; Zobacketal, 1989; 刁桂苓等, 1995; 李瑞莎等, 2008; 張宏志等, 2008); 3個(gè)鉆孔獲得um值的深度均在200 m以下,um值的范圍為0.24—0.48, 平均值分別為0.30, 0.40和0.30, 均未達(dá)到摩擦極限狀態(tài)um=0.6的水平, 而唐山大地震后不久研究區(qū)淺層獲得的um值較大, 個(gè)別點(diǎn)大于0.6, 平均值為0.44, 說明灤縣MS7.1余震之后灤縣—樂亭斷裂應(yīng)力狀態(tài)低于摩擦極限狀態(tài), 應(yīng)力釋放較為充分.
3.1 斷層滑動(dòng)摩擦準(zhǔn)則
地應(yīng)力與斷層活動(dòng)密切相關(guān). 研究結(jié)果表明, 當(dāng)最大、 最小和垂直3個(gè)主應(yīng)力的關(guān)系分別為SH>Sh>Sv、SH>Sv>Sh和Sv>SH>Sh時(shí), 應(yīng)力結(jié)構(gòu)分別有利于逆斷層、 走滑斷層和正斷層的活動(dòng)(李方全, 1994).
國(guó)內(nèi)研究人員常用最大與最小主應(yīng)力比的方法進(jìn)行區(qū)域地殼穩(wěn)定性分析, 該方法主要通過比較實(shí)測(cè)應(yīng)力與拜爾利摩擦范圍所限定的主應(yīng)力關(guān)系, 判定在該應(yīng)力狀態(tài)下能否產(chǎn)生地殼的破裂. 實(shí)際上, 這也是一種定性分析應(yīng)力狀態(tài)的方法, 只能反映最大主應(yīng)力及最小主應(yīng)力的大小關(guān)系, 不含有應(yīng)力方向的相關(guān)信息.
安德森斷層理論(Anderson, 1951)指出地殼應(yīng)力狀態(tài)與斷層活動(dòng)性之間具有密切關(guān)系. 庫(kù)侖摩擦滑動(dòng)準(zhǔn)則假定斷層面內(nèi)聚力為零, 若斷層面上的剪應(yīng)力τ大于等于滑動(dòng)摩擦阻力μσn, 則斷層發(fā)生滑動(dòng)失穩(wěn). 其中,μ為根據(jù)試驗(yàn)確定的斷層“摩擦系數(shù)”,σn為斷層面上的正應(yīng)力. 用主應(yīng)力改寫庫(kù)侖準(zhǔn)則, 同時(shí)引入有效應(yīng)力的概念, 則最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力之比可以表示為“摩擦系數(shù)”的函數(shù), 即(σ1-P0)/(σ3-P0)=[(1+μ2)1/2+μ]2. 式中,σ1和σ3為斷裂外圍最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力,P0為孔隙壓力. 國(guó)內(nèi)外的研究和大量應(yīng)力實(shí)測(cè)資料表明, 在地殼淺部低滲透率巖石中, 孔隙壓力大致等于水柱靜壓力(Zoback, 2007). 若最大有效主應(yīng)力與最小有效主應(yīng)力之比小于此值則表示斷層面處于穩(wěn)定狀態(tài), 大于或等于此值則表示斷層面的法線方向與最大水平主應(yīng)力的夾角為φ的面可能發(fā)生滑動(dòng), 而φ與μ的關(guān)系為φ=0.5(π/2+arctanμ)(張伯崇, 1996).
拜爾利(1978)綜合各種巖石的室內(nèi)試驗(yàn)資料發(fā)現(xiàn), 應(yīng)力值小于100 MPa條件下, 大部分巖石的μ值在0.6—1.0之間. 張伯崇(1996)對(duì)三峽壩區(qū)花崗巖、 灰?guī)r、 砂巖巖石力學(xué)三軸試驗(yàn)結(jié)果表明, 三峽壩區(qū)巖石摩擦強(qiáng)度的上限和下限值分別為τ=1.10σn,τ=0.65σn, 平均值為τ=0.85σn, 其結(jié)果大體與拜爾利(1978)的結(jié)論一致. 中間主應(yīng)力σ2在斷層面內(nèi), 對(duì)應(yīng)于μ=0.6—1.0,φ的取值范圍為60.5°—67.5°(陳群策等, 2010).
3.2 冀東地區(qū)地震危險(xiǎn)性探討
由拜爾利定律可知,μ=0.6和μ=1.0是斷層發(fā)生逆斷型滑動(dòng)的下限和上限取值, 因此本文將它們分別作為判斷斷層失穩(wěn)滑動(dòng)時(shí)的臨界取值, 并由此繪制各鉆孔的應(yīng)力狀態(tài)分析圖(圖5—7). 可以看出, 除了NK05鉆孔的個(gè)別淺部測(cè)點(diǎn)已經(jīng)進(jìn)入臨界區(qū), 3個(gè)鉆孔絕大部分的最大水平主應(yīng)力值都在臨界區(qū)左側(cè), 從地應(yīng)力的角度分析表明, 鉆孔附近的應(yīng)力水平較低, 區(qū)域內(nèi)斷裂處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài). 該結(jié)果與上述um平均值較小、 應(yīng)力釋放較充分比較吻合(王艷華等, 2012).
剪應(yīng)力在一定程度上能夠反映區(qū)域的構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài), 本文利用3個(gè)鉆孔結(jié)果, 給出了剪應(yīng)力隨深度變化圖(圖8). 可以看出, 剪應(yīng)力最大值在4 MPa左右(個(gè)別點(diǎn)除外), 表明區(qū)域處于穩(wěn)定狀態(tài).
綜上, 研究區(qū)在華北地區(qū)區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)近EW向水平擠壓作用下, 受到唐山斷裂東南盤的引張作用, 應(yīng)力狀態(tài)更有利于灤縣—樂亭斷裂發(fā)生左旋走滑. 不過由于小微地震的發(fā)生, 斷裂帶及整個(gè)冀東地區(qū)地殼內(nèi)能量得到釋放, 應(yīng)力水平降低, 研究區(qū)暫時(shí)處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài).
圖5 GK1-2鉆孔應(yīng)力狀態(tài)分析
圖7 NK05鉆孔應(yīng)力狀態(tài)分析
本文地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果初步揭示了冀東研究區(qū)地殼淺表層現(xiàn)今地應(yīng)力分布規(guī)律, 得出如下結(jié)論:
1) 用水壓致裂法獲得了灤縣—樂亭大斷裂附近的3個(gè)鉆孔的應(yīng)力測(cè)量資料, 初步揭示了研究區(qū)地殼淺表層現(xiàn)今地應(yīng)力的賦存特征, 結(jié)果顯示研究區(qū)的應(yīng)力整體處于中偏低水平, 灤縣—樂亭斷裂及鄰區(qū)應(yīng)力狀態(tài)以走滑型為主, 3個(gè)主應(yīng)力之間的關(guān)系有利于斷層走滑活動(dòng).
2) 3個(gè)測(cè)點(diǎn)資料的應(yīng)力優(yōu)勢(shì)方向?yàn)镹70°W, 應(yīng)力積累程度參數(shù)um值處于0.24—0.48之間, 平均值分別為0.30, 0.40和0.30, 均未達(dá)到摩擦極限狀態(tài)(um=0.6)的水平. 而唐山大地震后不久研究區(qū)淺層獲得的um值較大, 個(gè)別點(diǎn)大于0.6, 平均值為0.44, 表明唐山大地震的灤縣MS7.1余震之后灤縣—樂亭斷裂應(yīng)力狀態(tài)低于摩擦極限狀態(tài), 應(yīng)力釋放較為充分.
3) 唐山大地震之后, 研究區(qū)的應(yīng)力得到釋放, 整體處于較低水平, 依據(jù)斷層摩擦準(zhǔn)則及拜爾利定律, 研究區(qū)發(fā)生較大地震活動(dòng)的危險(xiǎn)性較低. 從近幾十年該區(qū)地震的發(fā)生情況來看, 沿?cái)嗔褞杂写罅康男∥⒌卣鸢l(fā)生, 持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng), 應(yīng)力處于進(jìn)一步的調(diào)整之中, 小微地震發(fā)生的可能性仍然很大.
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附錄
附表1 唐山及其鄰近地區(qū)30 m內(nèi)應(yīng)力解除法測(cè)量結(jié)果(引自李方全等, 1985)Table 1 Stress measurement results of stress releasing method in Tangshan and its adjacent areas (after Li et al, 1985)
附表2 唐山大地震后黃佗苗圃水壓致裂應(yīng)力測(cè)量結(jié)果(引自李方全等, 1985)Table 2 Hydraulic fracturing in-situ stress measurement results of Huangtuo nursery after Tangshan earthquake (after Lietal, 1985)
深度/m孔隙壓力P0/MPa最大水平主應(yīng)力/MPa最小水平主應(yīng)力/MPaum最大主應(yīng)力方向29.02—31.360.32.52.30.66N50°E45.74—48.080.53.21.80.60N40°E65.31—67.660.74.82.50.62N72°E106.77—109.111.15.42.90.45N61°E155.75—158.351.63.43.00.13N62°E161.39—163.731.64.12.90.32187.23—189.831.93.72.70.56195.99—198.592.04.43.10.45208.98—211.322.15.03.40.42N81°W268.79—271.392.76.14.70.34N83°W293.70—296.302.97.85.80.26N86°W
附表3 唐山地區(qū)水力壓裂地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果(引自丁健民, 梁國(guó)平, 1985)Table 3 Hydraulic fracturing in-situ stress measurement result in Tangshan area (after Ding and Liang, 1985)
In-situ stress measurement of deep borehole in east of Hebei and its significance
1)InstituteofGeomechanics,ChineseAcademyofGeologicalSciences,Beijing100081,China2)KeyLaboratoryofNeotectonicMovementandGeohazard,MinistryofLandandResources,Beijing100081,China
In order to obtain the required basic information of crustal stress for exploitation and design of deepmine, Institute of Geomechanics of Chinese Academy of Geological Sciences carried out hydrofracturing in-situ stress measurements in three boreholes near Luanxian and Laoting fault in east of Hebei area successively in 2012 and 2013. The three boreholes are between 500—1000 m in depth. The results of the stress measurements preliminarily revealed the distribution regularity of current in-situ stress in shallow crust of study area. The measured data show that the dominant direction of regional stress field is NW70°; the ratio of the maximum shear stress to the average stress of the three boreholes is in the range of 0.24—0.48 and the average values of the ratio are 0.30, 0.40, 0.30 for the three boreholes, which are less than 0.6, that is the friction limit state of earth’s crust stress. But the ratio got shortly after the TangshanMS7.8 earthquake is large, few of them are greater than 0.6, and the average value is 0.44, which reveals that the stress accumulation degree in the study area was low and stress has been completely released. According to the friction criterion of faults and Byerlee law, the risk of a large seismic activity in the study area is in low risk.
east of Hebei area; hydrofracture; in-situ stress measurement; stress accumulation; seismic hazard
壓裂時(shí)間年?月編號(hào)深度/m孔隙壓力P0/MPa最大水平主應(yīng)力/MPa最小水平主應(yīng)力/MPaum1982?101470.53.91.90.641982?102670.75.92.80.661982?1031081.15.62.90.441982?1041571.64.83.30.311982?1051631.65.63.20.431982?1061891.95.03.00.481982?1071972.05.13.20.441982?1082102.15.43.50.401982?1092702.77.45.00.341982?10102952.99.86.30.34
10.11939/jass.2015.01.008.
國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAK19B03-3)和中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(DZLXJK201404)共同資助.
2014-03-15收到初稿, 2014-06-02決定采用修改稿.
e-mail: chenqunce@sina.com
10.11939/jass.2015.01.008
P315.72+7
A
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