郯庐断裂带苏鲁界地应力积累特征及地震危险性研究

郯庐断裂带是中国东部重要的地质构造带和地震活动带,苏、鲁交界部位的地震活动性和强震危险性一直引人瞩目,1668年发生过郯城8.5级大地震。为了解郯庐断裂带苏鲁界现今地应力环境与地震发展趋势,应用水压致裂法在该区开展了一个钻孔的原地应力测量工作,同时参考前人利用钻孔崩落法与声发射法获取的中国大陆科学钻探(CCSD)主孔301～5047m深度范围内的地应力数据,揭示了研究区地应力状态。利用库伦破裂准则、Byerlee定律以及断层摩擦参数μ_m分析研究该地区的地应力积累水平,评估断层发生滑动的可能性。结果表明:水压致裂法测点在75.74～191.04m深度范围内最小水平主应力的量值为3.68～13.15MPa,最大水平主应力的量值为4.02～19.40MPa。CCSD主孔在1269～5047m深度范围内最小水平主应力的量值为25.3～122.0MPa,最大水平主应力的量值为41.4～166.4MPa;分析地应力结构,发现自地表至660m的范围内,σ_Hσ_hσ_v,为逆断层地应力状态,660m以下表现为σ_Hσ_vσ_h,为走滑断层地应力状态。综合分析断层摩擦参数μ_m,郯庐断裂带苏鲁交界处尚未达到断层失稳的临界地应力状态。     

松辽盆地深部基底地应力状态：来自松科2井地应力实测数据的证据

松辽盆地基底内的地应力状态是地震等地质灾害研究、盆地动力学分析和油气资源开发利用等领域的重要基础数据。岩心非弹性应变恢复法是近年来发展起来的基于钻孔岩心的近原位三维地应力测量方法。本文将岩心非弹性应变恢复法应用于松辽盆地大陆科学钻探松科2井(SK-2)深部地应力测量,获得了松辽盆地基底内近6～7 km的三维地应力状态,结果表明盆地基底内(6 646～6 846 m)为走滑断层应力环境(σ_H>σ_V>σ_h),最大水平主应力方向为近E-W方向。盆地基底内的应力状态与盆地内及周边邻近区域的震源机制解(震源深度7～15 km)所反演的应力环境相吻合。盆地基底处于以E-W向近水平挤压为主导的构造应力场,这种应力状态的形成,可能为西太平洋板块NW向挤压运动背景下,受控于NE-NEE走向的依兰—伊通断裂和敦化—密山断裂右行走滑产生的次级应力场。研究结果对于认识区域构造应力场背景及松辽盆地的形成与演化过程具有重要参考价值。     

郯庐断裂带附近地壳浅层现今构造应力场

郯庐断裂带是中国东部大陆规模最大的第四纪活动构造带和地震活动带,断裂带附近现代构造应力场明显控制了其运动方式、活动强度和地震活动,深入研究郯庐断裂带附近地壳浅层现今构造应力场,对于探讨断裂带当前活动性具有重要的科学意义。在参考前人研究成果的基础上,依据郯庐断裂带附近(山东—环渤海—辽宁段)6个600~1 000 m深孔地应力实测数据,初步揭示了断裂带附近地壳浅层应力分布规律,并分析其在不同活动段之间的差异。结合研究区已有其他应力数据(震源机制解、钻孔崩落、应力解除及断层滑动矢量反演数据等),重绘断裂带及邻区地壳现代构造应力场图,基于此详细分析了现今构造应力场主压应力方位特征及其对断裂活动方式的影响。初步结果表明:(1)在构造应力积累水平上,郯庐断裂带山东段西南端应力积累最高,渤海段东、西两侧之辽东半岛应力积累强度次之,辽宁段东北端本溪地区略低于渤海段,山东段北端和河北昌黎两地应力积累强度最低。(2)断裂带山东段南端地应力环境为逆冲型,而北端以正断型为主;渤海段之辽东半岛和河北昌黎及邻区主要为正断型;辽宁段东北端以正断型为主,兼具走滑型应力状态,地壳浅部地应力状态与断裂各段第四纪以来的运动学特征具有较好的一致性。(3)郯庐断裂带山东段及邻区现今构造应力场主压应力优势方位为N70°E,渤海段及邻区为N68°E,辽宁段及邻区为N72°E,各段之间差异不明显,该应力作用方式有利于断裂带产生右旋走滑活动,同时也表明郯庐断裂带所处的华北及辽宁大部地区具有较统一构造应力环境。     

中国西南深切峡谷岸坡地应力场基本特征

基于西南地区10个大型水电工程95点空间应力测试数据与50点硐壁应力恢复法测试数据,统计分析了边坡地应力场随垂向、水平向深度变化规律,根据主应力量级、倾角变化规律分析边坡浅表部地应力场特征,探讨了西南深切峡谷地区边坡地应力场分布规律。研究表明,（1）边坡应力场在宏观上可划分为浅表部区(0～300 m)与深部区(>300 m);（2）浅表部区主应力量级、倾角波动较为剧烈,而深部区主应力量级、倾角较为稳定,其最大主应力介于15～30 MPa,中间主应力介于10～20 MPa,最小主应力介于5～12 MPa,最大、最小主应力倾角介于0°～30°,最大主应力约为最小主应力的1.5～3.5倍;（3）浅表部区地应力场具有由主应力较小、最大主应力倾角与坡角近平行转变为主应力急剧增高、最大主应力倾角变化不明显,继而转变为主应力量级、最大主应力倾角剧烈波动,最后逐渐转变与深部应力场近于一致的特征。     

陕南特长公路隧道水压致裂法地应力测量结果及工程地质意义分析

中国西部地区地势复杂,区域构造应力场各向异性显著,了解地区地壳应力状态是判断隧道设计阶段线路布设合理性的基础,也是预测隧道施工过程可能出现岩爆、断层滑动等其他工程灾害的重要参数。为了研究陕南特长高速公路隧道现今地应力状态,基于古仙洞隧道钻孔(ZK10钻孔)与化龙山隧道钻孔(ZK11钻孔)水压致裂地应力测量,获得了两隧道现今地应力分布特征。古仙洞和化龙山特长深埋隧道最大埋深处S_H值分别为13 MPa和22 MPa;古仙洞与化龙山隧道的应力关系分别为S_H>S_h>S_v和S_H>S_v>S_h,水平主应力起主导作用;S_H方向为近北西—北西西向,与区域现今构造活动背景基本一致,主要受秦岭造山带活动断裂影响。基于地应力测量结果、相关理论及判断依据认为:最大水平主应力方向与洞轴线夹角,有利于隧道围岩稳定,研究区内古仙洞与化龙山隧道的总体布置是合理的;采用岩石强度应力比法、陶振宇判据、Russenes判据和岩石应力强度比法综合判定研究区内两隧道不具备发生中等强度以上等级岩爆的可能;利用莫尔-库伦准则及拜尔定律,摩擦系数μ取0.6~1.0,对研究区内两隧道的现今地应力状态分析后发现,两隧道附近断裂带的地应力大小未达到地壳浅部断层产生滑动失稳的临界条件,处于较稳定的应力状态。      

喜马拉雅东构造结北缘通麦—波密段现今地应力场特征研究

喜马拉雅东构造结是青藏高原构造演化研究的关键地区,规划有川藏铁路和雅鲁藏布江下游水电开发等重大工程,受限于地质地理条件,其现今地应力场尚不完全清楚。本文利用水压致裂法地应力数据,研究了东构造结北缘通麦—波密段现今地应力场,探讨了其构造应力环境。结果表明,通麦—波密段实测主应力随深度增加而增大,1100 m深度内SH和Sh分别为4. 87~32. 47 MPa和3. 05~20. 07 MPa,随深度增加梯度分别为2. 49 MPa/100 m和1. 61 MPa/100 m,略低于青藏地块和东构造结西缘梯度水平,但地应力状态特征参数表明其水平应力作用强度总体上高于青藏地块;SH优势方向为NEE向（N69. 2°±11. 5°E）,相比NNE—NE向区域主压应力方向表现出明显的顺时针偏转特征;现今地应力场由水平向应力作用主导,400 m以浅应力类型为逆冲型,以深转换为走滑型;水平向差应力和构造差应力在600 m深度以下显著增加,构造差应力最大为12. 42 MPa,表明通麦—波密段深部存在相对较强的构造应力作用;库伦摩擦失稳准则分析表明,受地形影响较小的200 m以深实测地应力值总体低于摩擦系数取0. 6时理论地应力水平,并且430 m深度以下地应力值总体在摩擦系数取0. 2~0. 4的理论地应力取值范围内,揭示通麦—波密段现今地壳应力强度尚未达到极限水平,目前处于相对稳定的构造应力环境。最后,讨论了现今地应力场对东构造结北缘重大铁路隧道工程的潜在影响,并提出了应对建议。     

渤海海峡跨海通道工程区海域三维地应力测试

跨渤海通道海域缺乏实测地应力基础数据,而海域钻探原位实测又承担着巨大风险与重重困难,为取得工程区现今地应力场特征第一手资料,利用以水压致裂地应力测量为主,以空心包体、非弹性应变恢复、差应变、声波各向异性法为辅的综合地应力测量技术,对研究区海域开展三维地应力测试与研究,建立了线性回归方程,得到了回归拟合曲线。结果表明,渤海海峡最大水平主应力σ_H、最小水平主应力σ_h与垂直主应力σ_v均随测试深度的增加呈线性增大规律;海峡南部地应力状态存在σ_H>σ_h>σ_v的关系,处于逆冲应力状态,应力场方向为NE,最大水平主应力大于垂直主应力,区域内构造力处于主导地位;海峡北部应力状态为σ_H>σ_v>σ_h,有利于走滑断层活动,应力场方向为NE,区域内构造力处于主导地位;整个工程区内地应力各分量值之间相差不大,远远小于区内断层活动应力值的下限,表明研究区目前处于稳定状态。研究结果符合一般地应力测...     

黔南地区~3 km油气深孔地应力测量与构造应力场分析

地应力大小和方向信息是非常规油气勘探开发及区域构造应力场特征分析的重要基础数据。为了解黔南紫云地区的现今地应力状态,采用基于钻孔岩心的非弹性应变恢复(ASR)地应力测量方法,获取了紫云地区2877～2985 m石炭系打屋坝组地层的地应力信息,分析了区域构造应力场特征,探讨了油气保存条件。结果表明:(1)黔南紫云地区近3 km处石炭纪地层现今地应力状态表现为以垂向应力为主的应力环境,测点处最大水平主应力方向近SN向。(2)紫云地区近3 km处岩心实测最大水平主应力方向与燕山早期古构造应力场最大主应力方向大致相同,一定程度上反映了燕山末期—喜马拉雅运动对次生油气藏的改造程度较小,有利于黔南坳陷内部油气藏的保存。     

黔西地区煤层埋深与地应力对其渗透性控制机制

基于黔西六盘水煤田和织纳煤田16口井36层次的试井资料, 采用地质统计分析等方法, 探讨了黔西地区煤储层渗透性的展布规律与地应力特征, 论证了煤层埋深与地应力对其渗透性的控制机制.研究表明, 研究区煤储层以特低渗-低渗透率储层(＜0.1×10-9m2)为主, 中渗透率储层(0.1×10-9~1.0×10-9m2)也占有相当大比例; 应力场类型在浅部表现为大地动力场型, 一定深度可能转化为准静水压力状态.煤储层渗透率及其埋深的负幂指数关系较为离散, 但在不同深度渗透率转折点与地应力场类型转变一致; 单井煤储层试井渗透率差异较大, 随地应力增大和埋深增加而降低, 平面展布受地应力强度控制由SW-NE具"低-高-低"发育规律.埋深对渗透率的控制实质是地应力的控制, 区域构造位置及其所处高应力场作用下的煤体形变与破碎致使孔裂隙压缩或闭合是该区渗透性差异的主要控制机制.      

黔西滇东典型矿区含煤地层热演化史分析

在系统研究黔西滇东地区构造特征、含煤地层发育及受热背景等基础上,运用BasinMod盆地模拟技术,探讨了格目底向斜及恩洪盆地含煤地层的埋藏史、热演化史,揭示出含煤地层成熟演化的阶段性。研究表明:黔西滇东地区煤变质作用主要受该区的沉积埋藏、岩浆热液和构造运动等多种因素控制,煤变质作用很不均匀;含煤地层被分割于众多独立次级向斜单元,总体上具有向斜控气的构造特征;格目底向斜晚二叠世煤现今处于焦煤—瘦煤阶段,镜质体反射率达1.7%左右,恩洪盆地则为气煤—肥煤阶段,镜质体反射率约1.0%。      

风火山隧道地应力测量及工程稳定性分析

为了解风火山隧道应力状态,在隧洞内及附近地区进行了6个点地应力测量,首次在风火山地区取得了应力实测资料。测量结果表明：风火山地区最大水平主应力量值为5．5MPa,方向为NE至NEE。应力量值与其他地区表层地应力测量结果比较,属中等应力水平;应力方向与风火山地区活动断裂调查所表征的现今区域应力场比较吻合。在地应力实测基础上,还必须结合隧道区工程地质、水文地质条件以及地震活动性,进行隧道稳定性综合分析。     

大型硬岩地下硐室围岩二次应力场特征弹脆塑性分析

结合某水电站硬岩地下厂房开挖,运用FLAC3D软件,对不同地应力环境中大型地下硐室开挖围岩的二次应力场的大小变化、分布特征及其对围岩稳定性的影响进行了三维弹脆塑性数值模拟分析。分析结果表明:①在低地应力环境中,顶拱浅部围岩1σ随开挖逐渐增大,2σ基本不变,3σ在顶拱开挖时迅速降低。而在较高地应力环境中,在顶拱开挖时,应力处于三向迅速卸荷状态;②无论在较高还是低应力环境中,边墙和底板浅部围岩的应力变化路径基本一致,开挖出露时,均处于三向卸荷应力状态;③较高地应力环境中的应力松弛区、集中区及围岩塑性区的分布范围和深度均比较低地应力环境中开挖要大(深);④开挖结束后,围岩的σ1平行于硐室轮廓线,而σ3指向开挖面;⑤硬岩大型地下硐室开挖,由于围岩浅部应力差迅速增大,岩体可能出现脆性破坏,甚至出现岩爆现象。     

白鹤滩水电站坝区深部破裂岩体地应力演化特征

还原深部破裂岩体赋存地应力场演化过程,研究深部破裂岩体成因、形成年代及发展演化趋势。以岩体深部破裂特征为基础,结合构造演化、河谷演化及浅生改造理论,采用数值模拟方法,从地应力场变化及应变能释放角度解释深部破裂形成演化过程。研究表明,宽谷期大规模夷平作用使深部破裂赋存应力场发生根本性改变,与现今应力场趋于一致,但并未导致深部破裂形成;侧向卸荷是深部破裂形成的主要原因,侧向卸荷导致主应力减小,但方向维持不变,当侧向临空面出现,伴随应变能释放,NW向结构面拉张形成具有继承性的NW向深部破裂;错动带的差异回弹形成残余拉应力,导致NE向新生性深部破裂形成;深部破裂形成地质年代应大致对应于Ⅲ级阶地形成初期,即Q2晚期～Q3早期阶段     

三峡库首区现今构造应力场的形成体制分析

本文从地质、地震、形变、地应力测量等方面对三峡库首区现今构造应力场进行了系统的分析和论证,并用数值模拟进行了验证,认为三峡库首区现今构造应力场属于纯剪切变形体制,即:在来自西部NE-SW方向主压应力挤压的基础上,同时叠加有因江汉-洞庭盆地拉张而引起的NWW-SEE向主张应力的作用,这两种力源近于直交,可以分别作为研究区现今构造应力场的主压应力(σ₁)和主张应力(σ₃).      

芦山地震前后龙门山断裂带西南段地应力状态对比分析

2013年4月20日芦山Ms7.0级地震后,为研究龙门山断裂带西南段震后的地应力状态,应用水压致裂法和压磁应力解除法在该区开展了2个钻孔的原地应力测量工作。测量结果显示硗碛测点在128～188m深度范围内最小水平主应力的量值为10.47～18.47 MPa,最大水平主应力的量值为19.60～25.83 MPa,方向为N63°～85°W;天全测点在114～142m深度范围内最小水平主应力的量值为5.20～7.73 MPa,最大水平主应力的量值为8.21～9.31 MPa,方向为N59°W。两个测点水平主应力与垂直应力的关系均为σ_Hσ_hσ_v,其中硗碛测点最大、最小水平主应力与垂直应力比值的平均值分别为5.27和3.01,天全测点最大、最小水平主应力与垂直应力比值的平均值分别为2.60和1.76,表明有利于逆断层活动。通过比较该地区芦山地震前后实测地应力状态,发现芦山地震后,龙门山断裂带西南段的北段(即邛崃大邑西-宝兴北-汶川南一带)和南段(即天全-荥经-泸定-康定一带)应力积累量增加。相同深度范围内,北段硗碛测点震后的应力大小要比地震前有明显的提高,这也与硗碛测点地应力监测结果一致。实测应力方向与震前基本一致,都为NW-NWW。基于实测地应力资料,根据库伦破裂准则和Byerlee定律分析,位于北段的硗碛测点震前部分压裂段的最大水平主应力处于使断层滑动临界值的上下限之间,而地震后最大水平主应力则均已超过断层滑动临界值的上限。位于南段的飞仙关测点震前最大水平主应力均未达到断层滑动临界值的下限,而地震后天全测点的最大水平主应力则均处于使断层滑动临界值的上下限之间。采用最大剪应力(σ_1-σ_3)/2与平均应力(σ_1+σ_3)/2的比值μ_m(断层摩擦)参数评估研究区地应力的积累水平和地震危险性。震前硗碛测点μ_m的量值为0.16～0.72,平均为0.50,震后为0.71～0.81,平均为0.77。震前飞仙关测点μ_m的量值为0.31～0.35,平均值为0.32,震后天全测点μ_m的量值为0.53～0.57,平均值为0.55,两个研究区的μ_m的量值均变大。分析认为芦山地震后龙门山断裂带西南段的北段和南段的应力积累量增加,都有发生断层滑动的可能性,尤其是北段。     

安徽金寨沙坪沟矿区地应力测量与现今应力场研究

安徽金寨沙坪沟钼矿位于秦岭—大别山成矿带东段,是近年来我国发现的世界级特大钼矿,其开采设计和地质安全评价备受重视。为了查明沙坪沟矿区现今应力场特征,指导矿区开采设计,在矿区3个700~1000 m深钻孔中开展了水压致裂法地应力测量工作,测量结果表明:(a)矿区最大、最小水平主应力随深度增加梯度系数分别为0.0226和0.0166,与区域地应力背景值基本一致;(b)矿区实测最大水平主应力优势方位为NE-NEE向,与区域构造应力场方向一致;(c)实测地应力数据揭示的应力结构与区域结果存在差异,分析认为,沙坪沟矿区所在的桐柏—大别构造带特殊的构造位置和构造活动机制可能是造成这种差异的主要原因。进一步,利用库伦滑动摩擦准则评价了实测地应力数据,探讨了其对矿区开采设计的意义,结果表明,矿区现今地应力强度不足以导致以断裂失稳活动或地震为表现形式的地应力状态调整事件的发生,从地应力角度讲,沙坪沟矿区目前总体处于稳定的构造应力环境。本文结果,对于沙坪沟矿区开采设计、地质安全评价及大别山造山带东段构造应力场研究有重要意义。     

开滦矿区地应力场特征及其研究意义

地应力是影响矿井突水的重要因素之一,是存在于地壳中的重要能量场条件。采用现场应力解除法对开滦矿区多个矿井进行了地应力测试,分析了研究区现今地应力分布规律,在此基础上,建立了煤层底板突水危险性与岩石力学性质及地应力之间的相关关系和模型,对范各庄矿12煤层底板和东欢坨矿12-2煤层底板突水危险性进行了评价。研究结果表明,本区地壳浅部现代地应力作用较强,整体处于近东西向挤压应力场中,在挤压应力作用下,煤岩层应力状态主要表现为水平主应力大于垂直主应力,原岩应力主要由构造应力和自重应力场构成。煤层底板突水危险性受岩石力学条件和地应力所控制,当岩石破裂压力大于水压（Pf〉Pw）,则不产生突水;若岩石破裂压力小于水压时,则有可能突水。当承压水的水压（Pw）小于最小水平主应力（σhmin）时,不会产生突水。只有当承压水的水压（Pw）大于最小水平主应力（σhmin）时,存在突水危险性。范各庄矿12煤层底板和东欢坨矿12-2煤层底板破裂压力（Pf）和最小主应力（σhmin）均大于其底板岩体承受的水压（Pw）,本区在无构造破坏卸压条件下是不会发生底板突水的。     

青藏高原东南缘丽江—剑川地区地应力测量与地震危险性

为获得川滇块体腹地现今的地应力场,分析边界断裂发生地震活动的危险性,进而探讨块体运动的动力学特征,2010—2011年,在青藏高原东南缘丽江—小金河断裂带西南段的丽江—剑川地区,开展2个300m钻孔水压致裂地应力测量。地应力测量结果揭示了研究区地壳浅表层现今主应力的分布规律。结合研究区部分中强震震源机制解及20世纪80年代地应力结果,分析了跨度近30a后该区构造应力场的变化特征,进而探讨了其动力学指示意义。依据断层滑动摩擦准则,讨论了丽江—剑川地区现今地震活动危险性。     

深埋隧道精细地应力场反演研究——以滇西南双江至沧源高速姜染山隧道为例

针对复杂地质条件下深埋隧道精细应力场准确反演以及主要地质条件对地应力场影响问题,以滇西南双江至沧源高速姜染山隧道为例开展研究。采用精细DEM数据、实测地质资料建立隧址区精细地质模型,以地应力实测数据和GPS速度场数据作为联合约束条件,开展姜染山隧道工程区精细地应力场反演计算,揭示了隧址区精细应力场特征及主要地质条件影响作用。结果表明：隧道区模拟变形速度场与GPS观测结果基本一致,模型能够较好反映工程区现今构造应力环境;隧址区地应力场存在应力水平西高东低、主应力方向局部偏转的特征,近E-W向的小黑江断裂对研究区地应力场的影响主要表现为造成主应力方向小幅偏转,未造成应力量值急剧变化,局部次级断裂和地形叠加影响作用有限;隧道沿线最大主应力在7.47～27.23 MPa之间,中间主应力在1.59～15.12 MPa之间,最小主应力在0.01～6.71 MPa之间,隧道沿线应力水平总体上未表现出明显异常特征;基于反演精细应力场数据的岩石应力强度比方法计算结果显示,现今地应力条件下,隧道岩石强度应力比结果总体在0.20～0.48之间,表明隧道围岩整体为无岩爆和轻微岩爆情况。本研究实例表明,复杂地质...     

临汾区块地应力三维数值模拟研究

在地质构造分析和岩石力学性质测试的基础上,进行了临汾区块的地应力有限元三维数值模拟研究,探讨了地应力在区域和层域上的分布规律及其对区内煤层气成藏的影响。研究表明,应力强度总体上随深度递增,断层对应力强度分布具有明显的影响;断层附近应力强度的最大值分布在断层与断层的交叉点、断层与底部硬质岩层界面附近,应力性质在断层夹块内和支断层一侧发生转变出现拉应力区,断层与地表的交点附近也呈现局部拉应力区;煤层软弱带呈现应力降低。研究区的地应力分布特征有利于煤层气从深部向浅部运移,并在背斜轴部相对富集。