北京地区地应力测量与主要断裂稳定性分析

2008年汶川地震后,为查明北京地区现今地应力状态、评价断裂稳定性,相继在北京地区开展了5个深孔（600~1000 m）的水压致裂法地应力测量,并在适宜深度安装了地应力相对变化监测探头,建立了地应力变化监测台站.本文首先利用实测地应力数据分析了北京地区地壳浅表层应力状态,结果表明：（1）北京地区千米深度内,最大、最小水平主应力随深度增加梯度系数分别为0.0328和0.0221,侧压系数K_av和K_Hv值,最大、最小水平主应力之比K_Hh值与国内外已有认识基本一致,而水平向剪应力相对强度参数μ_m值较低;（2）北京地区最大水平主应力优势方向为近EW向,与华北地区构造应力场方向基本一致,同时受区内断裂活动等影响,存在与区域主应力方向偏差的局部应力场;（3）实测数据揭示的应力结构显示,北京地区地壳浅表层最大主应力（σ₁）总体为最大水平主应力（σ_H）,受区域构造演化以及测点附近断裂的影响,中间主应力（σ₂）与最小主应力（σ₃）所对应的实测地应力存在变化,但总体来讲,实测地应力数据揭示的应力结构与北京地区主要断裂性质基本相吻合.其次,基于实测应力数据,采用库仑摩擦滑动准则,结合拜尔定律,并取摩擦系数为0.2~1.0,初步评价了北京地区主要断裂稳定性,结果显示：（1）在摩擦系数取0.6~1.0条件下,北京地区现今应力状态尚未达到导致断裂失稳滑动水平,断裂不会出现失稳滑动现象;（2）摩擦系数弱化到0.4时,西峰寺钻孔应力状态满足断裂失稳滑动条件,揭示出八宝山断裂存在失稳滑动可能性,而夏垫-马坊断裂和黄庄-高丽营断裂附近测点应力状态将趋近满足断裂失稳滑动条件,表明这两条断裂有趋向失稳滑动可能性;（3）只有当摩擦系数弱化到0.2时,北京地区主要断裂才可能在现今应力状态出现断裂失稳滑动.本文的认识对北京地区乃至华北地区构造应力场、地震地质研究有重要参考意义.     

新加坡地应力测量

2008年和2009年, 通过和新加坡宜康地质技术有限责任公司合作, 在新加坡18个浅钻孔中进行了水压致裂地应力测量. 通过测量获得了新加坡地壳浅部的现今应力状态, 为新加坡拟建地下管缆隧道设计施工提供了地应力依据, 也为世界应力环境数据库提供了参考. 测试结果表明, 在38.00~56.95 m深度域内最大水平主应力σ_h值为3.45~9.64 MPa, 最小水平主应力σ_h为2.49~6.28 MPa. 水平主应力和用上覆岩层重量计算的垂直应力σv之间的关系为σ_h>σ_h>σv,最大、最小水平主应力平均值分别是垂直应力平均值的5.13倍和3.23倍, 表明新加坡应力场以水平应力为主导. 初步分析认为, 新加坡陆域浅部构造应力场的量值大致呈南、北两端偏低, 中间高的态势, 在北端最大与最小水平主应力值都小于它们各自的平均值, 而南端则与平均值相当. 最大水平主应力优势方向为NE—NEE向, 该方向与前人在其邻区获得的构造应力场方向和由震源机制解反映的主压应力方向较为一致. 新加坡现今构造应力场状态与印度板块、澳大利亚板块、菲律宾板块与欧亚板块的汇聚作用有着密切的联系. 根据库仑摩擦滑动准则, 断层面摩擦系数取0.6~1.0, 分析了研究区内断层产生摩擦滑动的可能性.     

长白山天池火山西南麓水压致裂法地应力测量及其实测数据在断裂稳定性分析中的应用

长白山天池火山是一座新生代多成因复合火山,其活动性一直受到地学界的高度重视.而地应力测量数据对于了解火山的活动情况等具有重要意义,但目前长白山天池火山地区实测地应力资料较少.为了更准确地了解长白山天池火山地区现今地应力状态及断裂稳定性,在长白山天池火山西南麓MJZ测点0～300 m孔深开展了水压致裂法地应力测量.利用此次实测地应力数据,本文首先分析了该地区地壳浅表层应力状态,结果表明：(1)测区以水平构造应力为主导,应力值与其他地区相比,相对较低;(2)S_H(最大水平主应力)、S_h(最小水平主应力)和S_v(垂向主应力)均随深度增加而基本呈线性增大趋势;在60～180 m深度,三者展现为逆断层应力状态,即S_H>S_h>S_v;在180～300 m,则表现为S_H>S_v>S_h,该应力关系有利于走滑断层活动;(3)钻孔上部S_H方向为N38°E,与东北地区构造...     

中国大陆与各活动地块、南北地震带实测应力特征分析

本文以"中国大陆地壳应力环境基础数据库"为基础,补充了迄今为止查阅到的中国大陆水压致裂法与应力解除法的实测地应力数据,在1474个测点上得到3586条数据,研究区经度范围75°E－130°E,纬度范围18°N－47°N,深度范围0~4000 m,基本覆盖了中国大陆的各活动地块与南北地震带各段等研究区.本文采用等深度段分组归纳的方法解决了实测地应力数据样本数量沿深度分布的不均匀问题,给出了中国大陆与各研究区地壳浅层测量深度范围内应力量值、方位特征.结果显示:(1)中国大陆地壳浅层最大水平应力、最小水平应力、垂直应力随深度呈线性增加;(2)中国大陆地区侧压系数随深度的变化特征为:浅部离散,随着深度增加而集中,并趋向0.68,D=465 m是水平作用为主导向垂直作用为主导的转换深度,K_av=1;(3)中国大陆水平差应力在地表为3 MPa左右,随深度增加以5.8 MPa/km的梯度增大;(4)在测量深度范围内,中国大陆各研究区最大水平应力中间值(深度为2000 m时的统计回归值)从大到小的顺序是:青藏地块63.6 MPa、南北带北段57.3 MPa、华南地块51.4 MPa、华北地块50.5 MPa、南北带中段47.9 MPa、西域地块47.5 MPa、南北带南段45.4 MPa、东北地块44.8 MPa,总体表现为"西强东弱"的基本特征,反映了印度板块与欧亚板块的强烈碰撞是中国大陆构造应力场强度总体特征的主要来源;(5)与其他研究区相比较,青藏地块地壳在从南向北的挤压作用下呈现出明显的"浅弱深强"特点;(6)最大水平应力方向的总体特征,基本以青藏高原为中心,呈辐射状展布,由西向东,从近N-S方向逐步顺时针旋转至NNE-SSW、NE-SW、NEE-SWW、NW-SE方向,与深部的震源机制解研究结果有一致性.     

乌鲁木齐市断层附近地应力特征与断层活动性

为了查明乌鲁木齐西山—碗窑沟断裂带地应力分布特征, 在研究区20 km×20 km的范围内布置12个基岩应力钻孔,采用水压致裂地应力测量技术进行了基岩原地应力测量;共布置了2条观测剖面,第一剖面是沿断层走向布置了7个钻孔,第二剖面在垂直断层走向布置了6个钻孔(与第一剖面共用1个钻孔).根据实测的地应力资料,断层附近最大水平主压应力方向为NE—NEE向,与区域构造应力SN—NNE向主压方向有一些差异,说明受断层活动影响,断层附近的应力状态与区域应力场明显不同.利用地应力实测资料,研究了断层的活动性,在测量深度域内水平和垂直应力的关系为σ_H＞σ_h＞σ_v,该应力状态有利于逆断层活动,与地质资料反映的以逆断层活动为主基本一致.利用库仑摩擦滑动准则,摩擦系数取0.6~1.0分析,断层附近的现今地应力状态达到或超过产生逆断层摩擦滑动的临界值,表明测区现今构造应力有利于逆断层活动.     

依据断层摩擦准则估算的地壳主应力量值关系式及其参数分析

基于Zoback(1992b)提出的估算地壳构造应力量值的思路和2个假设,考虑了3个主应力分别为垂直主应力(对应3种构造应力类型)的情况,比较系统地建立了依据应力形因子和断层摩擦强度估算构造主应力量值的关系式。讨论了摩擦系数、孔隙压力系数和应力形因子对构造主应力量值的影响:在最大主应力为近水平的情况下(应力类型为走滑型或逆断型),最大主应力量值(或随深度线性增加的斜率)随摩擦系数取值的增大而增大,随孔隙压力系数取值的增大而减小。在最小主应力为近水平的情况下(应力类型为走滑型或正断型),最小主应力量值(或随深度线性增加的斜率)随摩擦系数取值的增大而减小,随孔隙压力系数的增大而增大。并且,3个参数对主应力量值估算的影响很大,如果摩擦系数取值较大,同时孔隙压力系数取值较小,最大主应力随深度增加的斜率与最小主应力随深度增加的斜率之间的差异就大,有可能导致不合理的结果出现。该方法只是对地壳岩石发生脆性破裂或摩擦滑动时的构造应力量值进行近似估算,估算结果并不是地壳稳定状态下的构造应力量值。     

基于岩体波速和Hoek-Brown准则的初始地应力场参数计算模型研究

在初始地应力场参数计算中引入岩体波速,通过基于岩体波速的Hoek-Brown准则建立初始地应力场中水平地应力σ_H的取值范围Δ_(σ_H)计算模型,并通过实测地应力数据验证了Δ_(σ_H)计算模型的合理性。在Δ_(σ_H)计算模型的基础上,推导出了σ_H/σ_V(水平地应力/垂直地应力)的取值范围Δ(σ_H/σ_V)计算模型,并通过Δ(σ_H/σ_V)计算模型从岩体稳定性的角度对σ_H/σ_V在地壳表面和深部的分布现象进行合理解释。通过Δ(σ_H/σ_V)计算模型给出的σ_H/σ_V的取值下限(σ_H/σ_V)_(min)和取值上限(σ_H/σ_V)_(max)算出侧压系数λ,并给出了侧压系数λ与深度h之间的函数关系λ=ah~b+1。     

青藏高原及周缘地壳浅层构造应力场量值特征分析

以"中国大陆地壳应力环境基础数据库"中的实测地应力数据为基础,合理筛选出地理空间范围为21°N-40°N,73°N—110°N的近2000条数据,深度范围0~2 km.通过将研究区内实测地应力扣除重力影响,并考虑数据样本数量沿深度分布不均匀的问题,分析构造应力场的作用.重力影响的扣除采用海姆假说与金尼克假说两种模式估算其下限与上限,给出了青藏高原及周缘及青藏地块、南北地震带北、中、南段上构造应力和构造差应力随深度分布的特征和量值范围,结果显示:(1)青藏高原及周缘地区最大水平应力σ_H、最小水平应力σ_h随深度D呈线性增加:σ_H=22.115D+5.761、σ_h=14.893D+3.269;最大水平构造应力σ_T、最小水平构造应力σ_t的量值估算范围分别为4.609σ_T15.522D+4.609、3.121σ_t6.366D+3.121(D0);构造差应力σ_T-σ_t=7.222D+2.492,地表值(D=0 km)为2.5 MPa左右,随深度增加以7.2 MPa.km~(-1)的梯度增大;(2)在测量深度范围内,青藏地块、南北地震带北、中、南段研究区σ_T、σ_t、σ_T-σ_t,随埋深均呈线性增大;D=1 km时,各地块σ_T的统计回归值中最大为30.1 MPa,最小为17.6 MPa,量值由大到小排序依次为:青藏地块、南北带北段、南北带中段、南北带南段;D=1 km时,各地块σ_T-σ_t,的统计回归值中最大为15.8 MPa,最小为8.9 MPa,量值由大到小排序依次为:青藏地块、南北带北段、南北带中段和南北带南段.总体表现为青藏地块强、南北带较弱的基本特征.(3)与南北带相比较,青藏地块地壳在从南向北的挤压作用下呈现出明显的"浅弱深强"特点.     

华北地区盆地内地壳应力随深度的变化

本文详细讨论了华北地区盆地内水平应力和垂直应力以及最大剪应力随深度的变化,找出了水平应力与垂直应力之比与深度的关系。鉴于2100米以下超孔压带的存在,对该带内测得的所有最大水平主应力值作了孔压修正。 区内最大水平主应力方向近东西,变化幅度随深度增加逐渐变小,从地表到4000米深处,基本存在S_H=σ_1、S_h=σ_3、S_v=σ_2的应力状态。因此,我们推测区域内现今构造活动模式浅部为平移断层,深部为平移正断层。     

山西煤矿矿区井下地应力场分布特征研究

采用煤矿井下专用的小孔径水压致裂地应力测量装置,在山西省的晋城、潞安、汾西、华晋、阳泉、平朔、大同等矿区,完成了160个测点的地应力测量,测点地质条件涵盖了山西省煤矿大部分条件.基于实测数据,分析了地应力与测点埋深的关系,不同深度条件下煤矿矿区井下地应力状态;绘制出山西省煤矿矿区井下地应力分布图,并与震源机制解的分析结果进行了比较,得出山西省煤矿矿区井下地应力场分布特征与变化规律.煤矿井下水平应力总体上随着埋深增加而增大,但由于各矿区地质条件差异较大,导致地应力测试数据离散性也较大;埋深小于250 m的岩层应力状态主要为σ_H>σ_h>σ_V型,埋深处于250~500 m的岩层应力状态以σ_H>σ_V>σ_h型为主,埋深较大的矿区主要为σ_V>σ_H>σ_h型;最大水平主应力与垂直主应力的比值绝大部分集中在0.5~2.0之间,而且随着埋深增加,侧压比呈现减小的趋势,并向1附近集中;最大水平主应力与最小水平主应力的比值主要集中在1.5～2.0之间;平均水平主应力与垂直主应力的比值大多处于0.5～1.5,尤以0.5～1.0之间最多;山西省煤矿矿区从北到南,最大水平主应力方向发生了较大变化.北部最大水平主应力方向为NE,往南发生偏转到NNW;靠东部与西部偏向NW;靠东南部出现了多变的方向.井下实测数据与震源机制解相比在部分区域一致性较好,而在另一些区域存在明显的差异.特别是在受较大地质构造影响的区域,水平主应力方向往往发生明显的扭转和变化.     

利用原地应力实测资料分析芦山地震震前浅部地壳应力积累

龙门山断裂带南段的芦山M_S7.0级地震给雅安地区人民群众和当地社会带来巨大的损失,如何从地壳应力积累的角度来研究该次地震对于深入认识孕震发震机理将有很大的帮助.项目组在过去21年中在该区域积累了22个钻孔的应力实测资料,这些应力资料显示该区域的应力状态为逆冲断层应力状态,最大水平主压应力方向为N44°-64°W,而且在过去20多年里,该区域的应力状态是稳定的.文中提出利用平均差应力和平均有效应力之比μ_m来表征地壳应力积累的能力和水平.通过理论分析可知μ_m的物理意义与μ是近似的,完全可以用μ_m代替μ来开展分析.利用实测应力数据计算得到的μ_m范围为0.39~0.56,接近于Byerlee定律所定义的μ=0.6的下限值,该范围与龙门山断裂带震后断层泥稳态摩擦系数的范围完全吻合,芦山地震的发生说明研究区的地壳应处于摩擦极限平衡或者亚平衡状态.芦山地震的震源机制解反应的应力状态为逆冲断层应力状态,主压应力轴方向为122°,与该区域的应力测试数据所反应的应力状态一致.通过与他人的研究成果对比分析可知,芦山地震可看作汶川地震对龙门山断裂带南段区域的断层加载而诱发产生的一次地震.     

西沙群岛石岛浅部基底地壳应力测量及其地球动力学意义分析

西沙群岛独特的构造位置决定了其构造运动背景和地壳应力场动力源的复杂性.位于西沙群岛石岛、深达1268.07m的西科1A井在1257.52m钻遇花岗岩基底.在1125.8~1262.0m开展5次水压致裂地应力测量,获得最大水平主应力为17.09~20.85MPa,最小水平主应力为15.97~18.29MPa,估算垂直主应力为22.86~26.68 MPa,地壳应力结构为SVSHSh,以垂直主应力为主导,该应力结构特征有利于正断层活动,表明西沙群岛地壳基底处于拉张的应力环境.受西沙海槽断层影响,水平应力值较低.印模测试显示基底地壳应力方向以近东西-北西向为主,与已有的GPS测量、横波分裂和面波反演结果较为吻合,显示西沙群岛岩石圈尺度上变形一致性较好.西沙群岛地壳应力场的力源受板块运动和地幔物质上涌作用联合制约.综合南海西北部实测地应力数据分析,显示该区域主应力方向较为一致,应处于统一、稳定的构造运动背景之中.西科1A井水压致裂试验是我国首次涉海深孔地壳应力测量,具有重要的地球动力学意义,提供了研究南海地球物理场的宝贵基础资料.     

ESTIMATING THE MAGNITUDE OF TECTONIC STRESS BASED ON THE FRICTION CRITERIA OF FAULT AND ANALYSING THE PARAMETERS' INFLUENCE

Based on Zoback's method for estimating the tectonic stress magnitude and the two assumptions, we consider the conditions that three principal stresses are vertical principal stresses respectively(corresponding to three kinds of tectonic stress types). We deduced the formulae for estimating the tectonic stress magnitude by using the stress form factor and frictional strength of the fault and discussed the correlative influence of friction coefficient, pore pressure parameter and stress form factor on the stress value. When the maximum principal stress is approximately horizontal (when stress regime is strike-slip or reverse), the maximum principal stress (or the slope of stress increasing linearly with depth) is positively related with the friction coefficient and negatively related with the pore pressure coefficient. When the minimum principal stress is approximately horizontal (when stress regime is strike-slip or normal), the minimum principal stress (or the slope with depth) is negatively related to the friction coefficient, and positive to the pore pressure. Besides, these three parameters have great influence on the estimation of the tectonic stress magnitude. If the friction coefficient is too big and the pore pressure is too small, there could be a wide difference between the slope of the maximum principal stress increasing with depth and the slope of the minimum principal stress increasing with depth, which could lead to an unreasonable result. Our method is just an approximate estimation for the tectonic stress magnitude when crustal rocks have undergone brittle rupture or frictional sliding. The estimated results are not the tectonic stress magnitude when crust is in steady state.     

Syntheses of the regional stress fields of the Japanese islands

The principal stresses in northern Honshu and in central-southwest Japan are synthesized on the basis of the ridge push, slab pull and across-arc variation of differential forces due to crust/plate structural variation. Assuming a more compressive north–south horizontal stress in central Japan-northern Honshu than that of southwest Japan, the calculated principal stress profiles explain the observed stress fields in these areas: namely, a strike–slip fault type for southwest-central Japan and a reverse fault type for northern Honshu, both having east–west σ_Hmax. Kyushu is characterized by the gradient of horizontal stresses both in the east–west and north–south directions, which cannot be explained by simple plate interactions or by crust/plate structural variation. Combined with other lines of evidence for existence of mantle upwelling in the East China Sea west of Kyushu, it is proposed that the stress gradient is produced by the viscous drag exerted by the flow spread laterally from the upwelling plume. The eastward movement of Kyushu and southwest Japan relative to Eurasia revealed by the recent Global Positioning System measurements conducted by the Geographical Survey Institute of Japan would be partly explained by this basal drag.     

The state of stress in the Earth's crust as based on measurements in mines and on geophysical data

Measurements of stress carried out in mines suggest that much of the Earth's crust is in a state of horizontal compression. The average of the two principal horizontal stresses usually exceeds the hydrostatic (geostatic) pressure and fits N. Hast's empirical relationship of increasing excess compressive stress with depth. High compressive stresses are usually aligned perpendicular to the trends of young, folded mountain ranges and to axes of positive and negative gravity anomalies.