中国大陆现今地应力场黏弹性球壳数值模拟综合研究

中国大陆现今实测地应力场的状态与板块构造环境、活动断裂带分布、地形地貌以及地壳结构呈现一定相关性. 在中国大陆西缘,印度洋板块与欧亚板块陆发生陆碰撞,在中国大陆东缘,菲律宾海板块、太平洋板块俯冲到欧亚板块之下. 中国大陆内部被大型活动断裂带分割为多个块体,各个块体的地壳结构和厚度呈不均匀分布,地形地貌起伏具有很大的差异. 笔者以中国大陆块体模型为基础,把板块构造作用和重力势作为主要影响地应力状态的两个主要要素,在现今活动构造、GPS和实测地应力等成果的约束下,利用线性黏弹体球壳有限元模拟分析了中国大陆现今地应力场的分布特征和控制因素. 结果表明: (1)构造应力场总体上呈现出西部挤压,东部拉张的特征,印度板块与欧亚板块的持续碰撞形成了青藏高原及其周缘的挤压性质的构造应力场,而东部菲律宾板块与太平洋板块的俯冲形成了黄海、东海和环渤海区域的拉张性质的构造应力场,中间为拉张环境和挤压环境的过渡,最大主应力的方向受到板块构造环境和活动构造分布的控制;(2)重力的影响主要体现在地形梯度大和地壳厚度结构变化大的地壳浅部区域,在藏南、滇西北局部地区的地壳浅部由于受到重力势控制,呈现为张性应力场,在塔里木地区由于重力势引起的应力场与构造应力场同为挤压性质,因此该区的挤压强度得以增加;(3)中国大陆浅部地应力场的状态主要受到区域板块构造环境、块体边界活动构造带的展布和地形的控制,总体上以南北构造带为界,西部以较强的压性构造环境为主,东部为较弱的压性构造环境,藏南和滇西北局部地区存在有张性构造环境;构造应力对地应力的贡献比重随着深度增加而增加;(4)采用黏弹性模型的构造应力场模拟结果比完全弹性模型的模拟结果能够更好地与实测地应力场相吻合,利用完全弹性模型分析由地震等诱发的地应力瞬时变化是有效的;(5)青藏高原东南缘最大主应力方向发生了较大的偏转,其主要控制因素有:印度板块持续的碰撞、中下地壳对上地壳拖曳以及印度板块通过实皆断裂对欧亚板块的剪切拉伸作用. 中国大陆现今地应力场是整个地壳岩石黏弹特性长期演化和断裂活动的结果,是地应力场动态演化过程中在现今时间点上的状态,受到板块构造环境、大陆内部活动断裂分布、地形地貌和地壳结构等因素不同程度的控制,模拟结果为中国大陆地应力场提供了一个定量的参考模型.     

西藏羊八井-康马地区现今地应力测量结果与应力状态分析

本文给出了西藏羊八井-康马地区不同地点的现今地应力实测值的大小和方向. 为了解青藏高原现今地应力状态,结合青藏铁路工程的需要,我们在羊八井-康马地区进行了现场地应力测量. 测量方法采用压磁应力解除法,测点分别布置在羊八井、拉萨、曲水和康马等四个不同的构造部位,测量深度为11～18m. 测量结果表明,本区最大水平主应力方向以NW-NNW为主,最大水平主应力值一般为33～104MPa,但在板块缝合带上的曲水测点最大水平主应力值为23MPa. 与其他地区相比较,本区属中高应力区. 而在曲水应力值属中等偏小,可能反映了板块缝合带现今处于应力释放状态,板块缝合带附近应力具有复杂性.     

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。     

长白山地区现今地应力测量结果与应力状态分析

本文通过在长白山地区不同地点进行原地测量获得了现今地应力实测值的大小和方向.为了研究长白山地区现今地应力状态,结合长白山火山监测工程的需要,我们在长白山地区进行了现场地应力测量,首次取得了该区的地应力实测数据.测量方法采用水压致裂法,测点分别布置在安图县永庆乡东清村和松江镇冰湖屯村,抚松县仙人桥镇大青川村等三个不同的构造部位,测量深度为40~95m.测量结果表明:本区现今最大水平主应力方向在天池北部以NW—NNW向为主,而在天池西部则为近EW向为主;最大水平主应力值一般为2.31~12.39 MPa,最小水平主应力值一般为1.39~7.02 MPa.与其他地区相比较,本区属中等偏高应力区.本文对研究区现今应力状态进行了初步分析,本区现今地应力状态主要受区域构造影响,同时受天池岩浆活动和地热田的影响,具有复杂性.     

兰州至玛曲地区地应力测量与现今构造应力场特征研究

兰州—玛曲地区是印度板块北东向推挤引起青藏块体强烈变形的前缘区,该区的现今构造应力场研究对研究大陆动力学问题具有重要意义.本文给出了兰州—玛曲地区不同地点的现今地应力实测值的大小和方向.测量方法采用压磁应力解除法,测点分别布置在阿姨山、大水、尕海、玛艾以及清水.为系统研究本区及邻近地区现今构造应力场特征,对已有应力实测数据进行了整理分析.研究结果表明,本区及邻区几十米浅表部应力与其他地区相比,属于中等大小量值;应力随深度增加而加大,但在不同构造单元,应力增加梯度有所不同;最大水平主应力方向总体上为北东向,不同构造单元上方向有所不同,鄂尔多斯地块最大水平主应力方向为近东西向,河西走廊带最大水平主应力方向在北北西—北东方向内变化,祁连山东南端最大水平主应力方向变化较大,西秦岭地块是现今地应力的一个过渡带,最大水平主应力方向由北侧的NE向逐渐转变为中部的EW向和南侧的SEE向.本文给出的结果与由GPS观测给出的该区域应变场分布具有一致性.     

青藏高原东缘活动构造与现今地应力场三维粘弹性模拟研究

青藏高原东缘地区活动断裂极其发育,强震繁发,特别是2008年5月12日的汶川Ms8.0级地震的发生,使得众多地球科学家认识到有必要更为全面地了解和认识该地区的地应力场背景和地球动力学环境.本论文结合活动构造的性质和分布特征,在考虑重力因素的条件下,利用三维粘弹性有限元模拟分析青藏高原东缘现今地应力场的分布特征和控制因素.模拟结果表明,印度板块与欧亚板块的持续碰撞和稳定华南块体的阻挡控制着青藏高原东缘总体的动力学环境,主要活动断裂和次一级活动断裂的展布对地应力场分布特征具有不同程度的影响,在不同的构造位置具有不同的地应力场特征,同时决定了相应活动断裂的性质.巴颜喀拉块体的水平最大主应力方向总体上为东西向;印度板块向北运动过程中对缅甸块体产生的剪切拉伸的作用和南海伸展性的边界使得水平最大主应力方向在川滇地块发生了偏转,同时造成了围绕喜马拉雅东构造结的旋转变形.青藏高原东缘在近地表区域由于受到地形地貌的影响,地应力随深度发生了不同程度的变化,在地形梯度较大和块体边界地壳结构发生较大变化的区域,如龙门山断裂带附近,地壳浅部的地应力随深度发生较为明显的变化,而地势比较平缓和地壳岩石物性比较稳定的地区,由浅到深的地应力变化较小.     

基于GPS应变与震源机制解应力反演喜马拉雅构造带现今地壳形变特征

喜马拉雅构造带及其临近区域是印度板块与欧亚大陆板块挤压碰撞的前缘地带.本文利用GPS实测速度场与震源机制解数据分别计算了研究区域现今地壳岩石圈表面的GPS应变场及岩石圈内部的主应力分布,研究了印度板块持续挤压作用下板块边界带地壳岩石圈现今地壳形变的空间分布特征.结果显示,南北向的剧烈挤压变形与东西向的拉伸变形是现今青藏高原南缘地壳岩石圈的主要变形特征.其中南北向的地壳挤压变形主要集中在主前缘冲断带与雅鲁藏布江缝合带之间.东西方向上,南北走向的亚东—谷露断裂是区域地壳东西向伸展变形的重要分界断裂.75°E是研究区域地壳形变的另一条显著不连续边界,其西侧地壳主压应变强度低、方向弥散且最大主压应力方向一致性较差,而东侧地壳主压应变方向与主压应力方向以及地壳水平运动速度场方向均具有较好的一致性.布格重力异常的小波多尺度辨析结果显示该分界带与循喜马拉雅西构造结楔入欧亚大陆的印度板块密切相关.     

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...     

福建沿海边缘陆域的原地应力测量研究

通过在福建沿海边缘陆域地区活动断裂带附近进行水压致裂原地应力测量, 得到了地表浅部构造应力的大小、方向和分布特征. 根据实测的地应力资料,用库仑摩擦滑动准则分析研究了断裂带的性质和活动性. 结果表明:① 沿海岸线边缘自北向南,其最大水平主压应力方向为北西向,与测区北西向断裂带走向近于平行,与地质构造、跨断层形变测量等方法反映的主压应力方向大体一致,与震源机制解反映的主压应力方向夹角20deg;左右; ② 水平主应力值随深度增加而增大,与垂直应力值的关系为SHSVSh和SHasymp;SV Sh, 应力状态有利于走滑断层和正断层活动;③ 利用库仑摩擦滑动准则,摩擦强度取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正断层摩擦滑动的临界值,表明测区现今构造活动以正断层为主; ④ 反映出本区现今构造应力场的力源主要来自太平洋板块向西和菲律宾板块向北西对欧亚板块的水平挤压作用.      

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.     

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.     

Inversion of breakout data from inclined bore-holes for stress state of the upper crust in Jizhong depression

The forward and inverse problems of studying crustal stress state from breakout data of inclined boreholes are concisely stated. Direction of the maximum horizontal principal stress (compressive) and relative magnitudes of the horizontal stresses to the vertical stress in the upper crust in two regions of the Jizhong depression, the North of China, are obtained by analyzing the breakout data of 6 inclined wells. To get stable results in the analysis we searched for the unknown parameters both forwardly and inversely. The results show that the maximum azimuths of the horizontal principal compressive stresses in the central and southern part of the Jizhong depression are N86°E and N77°E, respectively, while the relative magnitudes of the three principal stresses in the upper crust (about 1000–4000 m) of the depression are variable. In the central part of the Jizhong depression we have foundS _H :S _V :S _h =1.38:1.00:0.57, whereS _H ,S _V andS _h are the maximum horizontal, vertical and minimum horizontal stress, respectively. This indicates that the present stress regime in this area is of strike-slip faulting type. In the southern part of the depression we have obtainedS _H :S _V :S _h =0.80:1.00:0.62, indicating a normal faulting stress regime in the shallow part of the crust.     

Inversion of breakout data from inclined boreholes for stress state of the upper crust in Jizhong depression

ＩｎｖｅｒｓｉｏｎｏｆｂｒｅａｋｏｕｔｄａｔａｆｒｏｍｉｎｃｌｉｎｅｄｂｏｒｅｈｏｌｅｓｆｏｒｓｔｒｅｓｓｓｔａｔｅｏｆｔｈｅｕｐｐｅｒｃｒｕｓｔｉｎＪｉｚｈｏｎｇ　ｄｅｐｒｅｓｓｉｏｎＹＡＮ－ＸＩＡＮＧＹＵ（俞言祥）ａｎｄＺＨＯＮＧ－ＨＵＡＩＸＵ（...     

Normal and shear stresses acting on arbitrarily oriented faults, earthquake energy, crustal GPE change, and the coefficient of friction

As usual, earthquake energy is defined as the total energy released from an earthquake, which is partitioned into radiated energy, friction energy, and rupture energy regardless of crustal gravitational potential energy (GPE) change. We analyze the energy and stress parameters in earthquake energy budget. For arbitrarily oriented faults, we deduce the formulas for calculating the normal and shear stresses acting on the fault under principal stresses. We show that shear stress is composed of horizontal and vertical shear stresses. Then, we provide the expressions for computing crustal GPE change and the coefficient of friction. The GPE change should be considered, except strike-slip faulting, when investigating earthquakes. Also, for various faulting types, we show that the ratio of differential stresses is related to the fault orientation and the relative magnitudes of stresses. Finally, “12 May, 2008, Wenchuan, Sichuan, China, M_W 7.9 Earthquake” is cited to analyze and calculate various energy/stress parameters and the coefficient of friction. Our result of GPE change coincides with the post-event field observations.     

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.     

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.     

拉萨地块中部晚白垩世火山岩Ar-Ar年代学和古地磁研究结果及其构造意义

为进一步确定拉萨地块白垩纪-古近纪的古地理位置,我们对青藏高原拉萨地块措勤地区林子宗火山岩18个采点进行了古地磁研究.结果表明高温(高场)特征剩磁分量主要为亚铁磁性的磁铁矿所携带,特征剩磁分量在95%置信水平下通过了褶皱检验. 倾斜校正后采点平均的特征剩磁方向为D/I=16.2°/17.7°, α₉₅=5.6°,对应古地磁极位置为63.1°N,224.6°E,A₉₅=5.1°. 另一方面,Ar-Ar年代学结果表明采样剖面的林子宗火山岩形成年龄为~99-93 Ma, 与拉萨地块林周盆地的林子宗群火山岩的形成年龄存在较大差异.由此我们得到晚白垩世拉萨地块中部措勤地区的古纬度为8.5°±6.9°N,与林周盆地古近纪林子宗群典中组和年波组所揭示出的古纬度相当,进一步表明亚洲大陆最南缘的拉萨地块在晚白垩世-古近世期间位于北半球~10°N的低纬度地区.结合最新的特提斯海相地层古地磁结果,晚白垩世-古近世拉萨地块的古地理位置限定了印度与欧亚大陆的初始碰撞时间不晚于60.5 Ma;~93 Ma以来,拉萨地块和单一刚性欧亚大陆之间存在~1900 km的构造缩短.     

中国大陆地壳的应变应力场研究

根据全国ＧＰＳ网１９９４年和１９９６年两期测量结果,研究了中国大陆地壳现阶段的水平形变应力场。结果显示,西部青藏块体与新疆块体主压应力场为近南北至北 北东向,而南北地震带以东、长江以及北地区为北东东至近东西向,华南块体上为北 北西至北西向,与滑线场理论模型基本吻合。反映出中国大陆地壳变形的压应力主要来自印度板块与欧亚板块的俯冲碰撞。而太平洋板块与菲律宾板块对欧亚板块的作用力以及地幔向上的作用力总体