地应力测量的非弹性应变恢复法及应用实例

岩芯非弹性应变恢复法是近年来发展起来的比较经济有效的深部地应力测量方法,汶川5.12地震后,我国大陆首次将该方法应用于汶川地震断裂带科学钻的地应力测量.本文简述了该方法的原理、计算方法和汶川地震科学钻一号孔的典型结果.给出了一号孔在所测深度之处的三个主应力的大小和方向.三个主应力中,最大主应力和中间主应力近于水平,最小主应力近于直立.最大主应力方向为北西.在746 m深度,三个主应力的大小为25.2 MPa,21.5 MPa,18.5 MPa.这种应力状态可使龙门山断层产生逆冲兼右行走滑运动,与汶川5.12地震的断层运动一致.该方法得到的结果与震源机制解及其他地应力测量方法得到的结果吻合.测量结果表明,非弹性应变恢复法具有较大的实用价值.特别是在较大深度的钻孔和地层较破碎的复杂地质条件下,应力解除法、水压致裂法等难以实施时,此方法仍有可能获得较可靠的地应力数据,适应性更强.     

汶川Ms8．0级大震前后的水压致裂原地应力测量

在汶川Ms8.0级大震发生前一周,采用水压致裂技术在龙门山发震断裂带±400 m深度上测得的最大水平主应力值为21～22 MPa,与其附近下盘之差高达8～10 MPa.大震后的原地重复测量结果表明,发震断裂带上的最大、最小水平主应力值分别降低了29%和23%,而在下盘大震前后的地应力作用状况并无变化.测量结果分析表明,活动断裂带的地应力高值异常是圈定地震危险区的可靠依据,是强震孕育和发生的警示标志.     

汶川M_S8.0地震对龙门山断裂带附近地应力环境影响初探——以北川、江油地区为例

为探讨汶川MS8.0地震对龙门山断裂带现今地应力环境的影响,2009年10—12月,在龙门山断裂带的北川、江油地区开展了3个200m深度钻孔水压致裂地应力测量,获得了汶川MS8.0地震发生1年多以后断裂带附近地壳浅表层地应力环境.根据研究区内的原地应力测量结果及汶川MS8.0地震引起的断层错动等资料,运用线弹性有限元数值模拟方法,计算得到了由断层错动位移所产生的附加应力,并推算了ZK02和ZK03位置震前应力分布特征.通过对比分析,揭示了断裂带附近地应力场的变化规律,探讨了汶川MS8.0地震对龙门山断裂带附近地应力环境的影响.     

汶川MS8.0级大震前后的水压致裂原地应力测量

在汶川M_S8.0级大震发生前一周,采用水压致裂技术在龙门山发震断裂带±400 m深度上测得的最大水平主应力值为21～22 MPa,与其附近下盘之差高达8～10 MPa.大震后的原地重复测量结果表明,发震断裂带上的最大、最小水平主应力值分别降低了29％和23％,而在下盘大震前后的地应力作用状况并无变化.测量结果分析表明,活动断裂带的地应力高值异常是圈定地震危险区的可靠依据,是强震孕育和发生的警示标志.     

非弹性应变恢复法三维地应力测量——汶川地震科学钻孔中的应用

随着地球动力学和深部能源开发利用等研究工作的不断深入,深部应力状态的研究越来越重要,但目前尚没有即经济又简便完善的深部三维地应力测量方法.基于岩芯的非弹性应变恢复法是近年来发展起来的深部三维应力测量方法.汶川5·12地震后,中国大陆首次将该方法应用于科学钻孔的地应力测量.本文详细介绍了这一方法现场测量岩芯非弹性恢复应变的基本流程,并对此法测量的岩芯首次开展了岩石非弹性应变恢复柔量的实验研究,将现场非弹性应变测量与室内非弹性应变恢复柔量实验相结合,确定汶川地震科学钻一号孔(WFSD-1)1173 m处最大主应力方向为NW64°,实测得到岩石的剪切与体积模式非弹性应变恢复柔量的比值为2.9,计算得到最大、中间和最小主应力分别为43,28和25 MPa.结合龙门山地区其他方法的地应力测量结果,表明龙门山断裂带从NE到SW现今最大主应力作用方向表现为由EW→NEE→NWW的变化规律,龙门山断裂带现今地应力作用方向的分段性特征与5·12汶川地震时龙门山断裂带西南段逆冲为主,东北段走滑为主的运动特点相吻合,研究结果对于认识汶川地震的动力学机制具有一定参考价值.     

5.12汶川地震后龙门山断裂带东北段现今地应力测量结果分析

5.12汶川大地震发生后,在龙门山断裂带东北段,开展了6个钻孔的原地应力测量工作.测量钻孔分别位于龙门山中央断裂带上下两盘的平武、北川、江油和广元等地.钻孔孔深在200~500 m之间,共取得了72个测试段的地应力测量数据,以及其中33个测段的印模定向试验数据,由此获得了每个测点处地应力的赋存状态,包括地应力量值随孔深的变化以及地应力作用方向.根据库仑准则,结合Byerlee定律对各测点实测数据进行分析,可以看出,龙门山断裂带上盘现今地应力的作用强度高于下盘.其上、下两盘现今地应力赋存状态特征及其差异性显示出该区域处于不均衡的应力环境,容易导致断裂失稳而产生新的活动;印模定向试验数据表明,龙门山断裂带东北段的北川、江油、平武的最大水平主应力优势方向为NEE向;广元附近为NWW或近东西方向.结合已有的研究成果,初步得到龙门山断裂带现今地应力作用方向的分段性特征,即大致以北川为界,龙门山断裂带东北段应力方向显示了与西南段不同的特征.其西南段现今地应力的优势作用方向为北西方向,而龙门山断裂带东北段,自江油、北川、平武一带至广元、青川附近,其现今地应力的最大水平主压应力的优势作用方向呈现了NEE→NWW的赋存状态和变化趋势.本文获得的研究结果对于认识5.12汶川特大地震的动力学机制具有一定的借鉴和启示作用.     

龙门山断裂带东北段现今地应力环境研究

2008年5月12日汶川Ms8.0级地震后,为了解发震断裂附近地应力分布特征,于2009年10月-12月期间,在龙门山断裂带东北段江油、北川地区3个200 m钻孔中开展水压致裂地应力测量工作;本文首先依据研究区域内3个200m钻孔的水压致裂地应力测量结果,分析了汶川8.0级地震发生1年后,龙门山断裂带东北段附近现今地应力状态分布特征;其次,基于龙门山断裂带基础地质、地球物理等研究资料,采用线弹性有限元模拟方法,运用ANSYS有限元模拟软件,模拟得到了地震后研究区内现今地应力状态;再次,综合研究区内地应力测量结果和应力场的三维有限元数值模拟结果,揭示了断裂带附近江油～北川剖面现今应力场的变化规律;文章最后探讨了龙门山断裂带东北段江油和北川地区的地震危险性.     

龙门山断裂带及附近区域地貌形成与地应力演化机制研究

以龙门山附近区域水平运动特性以及深部岩体力学特性为基本条件,采用FLAC模拟软件计算分析了龙门山断裂带及附近区域的地貌形成过程和地应力演化机制。研究结果认为:区域板块运动是龙门山地貌形成的重要原因,龙门山3条断层在62万年内的相对滑移速率分别为1.53,0.245和0.458 mm/a,与实际监测结果基本吻合;龙门山断裂带左侧呈抬升趋势,右侧四川盆地的垂向运动保持稳定;随着区域板块的运动,3条断裂带附近主应力的变化均经历了3个阶段,即应力低态稳定阶段,应力增高阶段和应力高态稳定阶段,最终形成应力积聚—应力释放的平衡局面;断裂带附近的最大、最小主应力比值介于2.94—3.71之间,平均为3.3,与实际监测结果基本吻合。由此可以推断,龙门山及附近区域将长期处于高偏应力环境,即长期处于“应力累积—进入临界状态—发震—新的应力累积”的地震周期。      

汶川MS8.0地震前后龙门山及其 邻区构造应力场时空分布特征

基于2000年7月—2009年6 月龙门山及其邻区的震源机制解资料, 采用Gephart & Forsyth方法, 反演得到了汶川地震前后该地区构造应力主方向的空间分布. 结果显示: 沿鲜水河断裂带及其北部地区, 构造应力场变化显著, 区域构造应力的最大主应力方位由NNW变为NW, 断层错动类型由正断型兼走滑型变为走滑型; 沿龙门山断裂带的构造应力最大主应力方向仍然为近EW和NE向, 但其EW向范围在向NE方向扩张, 其南部汶川地震震中附近异常带范围在收缩. 另一方面, 对上述时间段龙门山及其邻区不同时段构造应力场的反演结果表明, 其构造应力场的特征参数(包括R值、 应力洛德参数μ′以及3个主应力的方位角和仰角等)均从第13时窗开始出现显著变化, 这表明第13时窗(2006年12月—2007年1月)是一个构造应力显著变化的特征窗口. 在该时窗内, 地震能量积累达到一个临界状态, 是汶川M_S8.0地震发生的时间节点.      

基于Monte Carlo方法数值反演区域初始构造应力场——以巴颜喀拉块体为例

构造应力场往往对地震活动性具有控制作用,应力快速集中的地方常常是地震频繁发生的地方.本文以巴颜喀拉块体及其边界断裂带近20年来的7次中强震为例,结合区域历史地震震源信息、地质背景及GPS等观测数据,利用Monte Carlo方法和库仑-摩尔破裂准则为计算依据,反演该块体的震前初始构造应力场.通过将初始应力场反演中不确定部分限定在一个合理的上下限范围内进行独立的重复性随机试验,并运用统计学方法得到了巴颜喀拉块体1997年玛尼M_W7.5地震震前区域初始应力场.计算结果显示：（1）巴颜喀拉块体10 km深度处最大水平主应力方向自西向东呈顺时针旋转趋势,由NS向转变为近EW向,与浅部实测地应力数据、历史地震类型和板块运动方向吻合较好.（2）最大/最小水平主应力和二者差值自西向东均逐渐增加,最大水平主压应力值~400 MPa,最小水平主压应力值~250 MPa.差应力在昆仑山断裂带与阿尔金断裂带交汇处及甘孜—玉树断裂带西段较低（~150 MPa）;在昆仑山断裂带东端和甘孜—玉树断裂带的东南段局部地区较高（~220 MPa）.     

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.     

龙门山断裂带现今构造应力场特征及分段性研究

龙门山断裂带位于青藏高原与华南地块之间.由后山断裂、中央断裂、前山断裂和山前隐伏断裂四条主断裂组成.其活动性具有明显的分段性.本文在前人研究成果的基础上,从构造应力的角度对龙门山断裂带的分段性进行分析研究,以茂县—汶川区段和大邑—映秀区段为界将龙门山断裂带划分为三段:北段、中段和南段,且中段是南、北两段的过渡部位.从应力的量值看,龙门山断裂带整体应力状态表现为σH＞σh＞σv,表明水平应力作用占主导.50～100m深度范围内,北段的应力值明显高于南段.100～200m深度范围内,南段的应力值反而高过北段.且龙门山断裂带南段的应力作用强度高于北段,随深度的增加越发明显.从应力方向看,龙门山断裂带南段最大主压应力方向为NW-NWW向,而北段为NE-NEE向.北、中两段的分界区段应力方向体现了由南段NWW向到北段NEE向转换的特征.应力方向由南到北发生NW向到NE向转变的特征与该区震源机制解反映的主压应力方向较为一致.龙门山断裂带北段受岷山隆起及虎牙断裂影响明显,深部构造或与中南段分离,脱离松潘—甘孜褶皱带的控制,大地震释放的应力比较充分,而南段应力并未充分释放,且震后应力已有一定程度的恢复和重积累,积累能量的程度随深度增加而增强.     

龙门山断裂带中段及邻区构造变形特征及应力场演化的数值模拟研究

根据龙门山断裂带中段及邻区的主要构造特征,同时考虑地壳速度结构和构造运动的深浅部差异,建立该地区的二维接触有限元模型,数值模拟了长期构造过程中断裂带位移和应力的时间演化过程。结果显示:①汶川—茂县断裂、映秀—北川断裂、灌县—安县断裂的逆冲速率与实际观测结果基本一致,映秀—北川断裂逆冲性质最强,巴颜喀拉块体和断裂带区域呈水平缩短与增厚抬升趋势,四川盆地保持相对稳定;②断裂带附近岩体大小主应力比随深度增加而减小,总体上与实际测试结果相符,且主应力轴方向和倾角与利用震源机制解反演得到的构造应力场特征亦较为接近;③龙门山断裂带中段区域构造应力场呈低态稳定—应力累积—临界稳定的阶段式演化过程,与该区所处的应力累积—地震发生—应力再累积的地震活动特征相呼应。此外,仅根据地表调查和震前GPS观测所揭示的断裂活动速率评价活动断裂区的地震危险程度具有一定局限性,需结合其深部动力学过程和区域应力状态进行综合分析。     

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.     

从库仑破裂应力和余震分布角度探讨汶川地震和芦山地震的关系

本文以龙门山及周边地区为研究对象,考虑区域地质构造差异、主要活动断裂带、地表附加重力影响,建立能反映地表起伏和岩石圈分层结构的龙门山地区三维粘弹性有限元模型。以地壳水平运动速率观测值为约束条件重建研究区现今构造背景应力场,在此基础上分别模拟了汶川地震和芦山地震的发生机理。通过分析同震库仑破裂应力变化与余震空间分布的关系,探讨了2次地震主震对余震的触发作用以及汶川地震对芦山地震的影响。研究表明,汶川地震和芦山地震的余震大部分由其主震触发,汶川地震对芦山地震的余震有约6.78%的触发作用。汶川地震的同震库仑破裂应力在芦山地震主震位置的增加值约为0.016MPa,如果龙门山断裂带南段库仑破裂应力年累积速率按照0.4×10-3-0.6×10-3MPa·a-1计算,汶川地震使芦山地震提前了约27-40年。计算还表明汶川地震和芦山地震的发生使鲜水河断裂带南段和虎牙断裂的库仑破裂应力增加,这些断裂带在未来发生地震的可能性增加。     

下关地区水压致裂应力测量及构造应力状态的研究(英文)

本文报导了下关附近500米深钻孔中的水压致裂应力测量结果。通过原地应力测量发现应力值随深度增加而增大;最大水平主应力方向随深度变化不大,平均方向为北20°东,与红河断裂带呈45°交角。最大主应力及最大剪应力随深度变化的梯度比华北和美国圣安德列斯断层附近的测值大得多。从测得的最大主应力值和最大剪应力值来看,下关地区处于高应力状态,发生地震的危险性是值得引起注意的。     

龙门山断裂带南段应力状态与强震危险性研究

龙门山断裂带可分为南段、中段和北段,2008年汶川M8.0级地震发生在该断裂带中-北段. 龙门山断裂带南段是否存在发生强震的危险性倍受关注. 利用1977-2012年四川区域地震台网资料,获得了龙门山断裂带南段的地震活动性参数b值图像以及汶川地震前、后b值的差值Δb图像. 同时,根据宽频带数字地震波形资料,计算了2007年以来南段及附近区域M_L≥3.8级地震的视应力. 结果表明,2008年汶川地震后,龙门山断裂带南段天全-芦山、泸定和宝兴北部等区域应力增强,而靠近汶川余震区南端的大邑地区应力水平降低. 天全至宝兴段应力水平相对较高,具有发生中-强地震的条件. 鲜水河断裂带康定以南段应力水平低,短期内发生强震的可能性较小.     

芦山地震序列震源机制及其构造应力场空间变化

利用近震波形拟合方法获得2013年芦山Ms7.0地震序列共37个余震的震源机制解及其深度(3.4≤Mw≤5.1).大部分地震震源机制以逆冲为主,有个别走滑型地震.震源深度主要分布在10~20 km范围.在稳定可靠的震源机制解基础上,用阻尼线性逆推法,划分不同间距网格,分别计算研究区平均构造应力场.结果表明,芦山及其周边地区的应力状态以挤压为主,应力性质主要为逆冲型,但局部地区出现走滑应力性质,最大主应力方向主体呈NW-SE,不同深度的构造应力性质和方向在局部地区存在一定差异.对比分析汶川地震震源区一带的构造应力场,龙门山断裂带西南段,除北西向小鱼洞破裂带外(最大主压应力和最小主压应力近水平,应力性质以走滑为主),其应力状态基本一致,以挤压为主,应力性质主要是逆冲型,有少量走滑型,最大主应力方向与龙门山构造带近垂直.     

汶川8.0级地震前四川地区地震视应力时空变化特征

本文根据Brune模式,在近震源条件下,利用中国数字遥测地震台网观测的波形资料,测定了2000年5月至2008年4月四川地区439次ML≥3.0地震的视应力值,给出了2008年5月12日汶川8.0级地震前四川地区视应力空间分布图象,分析了四川地区、龙门山断裂带以及龙门山断裂带上小震频次高值区视应力随时间变化过程。结果表明:①汶川地震前,视应力较高的地震主要集中在四川南部的川、滇交界地区;②2001—2006年,四川地区视应力随时间的变化表现为突升突降型变化形态,且视应力高值点有逐渐增大的现象,从2007年初至2008年初视应力在较低水平呈缓慢下降,临近汶川地震前有小幅升高变化;③龙门山断裂带上视应力在2004年中至2005年初曾出现过较为明显的、短暂的上升—下降变化过程。而Δσapp值的变化则相对复杂,出现过二次上升—下降变化过程;④龙门山断裂带上小震频次高值区视应力在2003—2005年间,曾出现过二次较为明显的上升—下降变化过程,临震前,视应力出现突然上升。而Δσapp值随时间的变化则主要表现为2003—2004年的上升和其后的下降过程。临近地震发生前,Δσapp值也有一定幅度的上升变化。     

龙门山地区的P波速度结构与汶川地震的深部构造特征

利用四川地震台网2000年1月～2008年4月的地震数据,使用地震层析成像方法反演了龙门山及其邻近地区的地壳P波速度结构,以此为依据分析了龙门山断裂带和汶川Ms8.0地震的深部构造特征.研究结果表明,龙门山的地壳速度结构和深部动力学性质与汶川Ms8.0地震的破裂起始点、震源深度以及破裂传播方向密切相关.龙门山西侧的彭灌杂岩体是地壳内部应变强度较大、易于应力长期积累的主要载体,汶川Ms8.0地震即位于彭灌杂岩体的南端,毗邻四川盆地的西部边缘,该块体与四川盆地地壳的碰撞是引发汶川Ms8.0地震的直接原因.在汶川以北,沿着龙门山断裂的高速异常有利于破裂的发生和传递,而汶川以南地壳强度相对较弱,不易产生脆性破裂而引发地震,这可能是地震破裂自汶川向东北方向延伸、汶川以南缺少地震活动的重要原因.汶川Ms8.0地震的深部动力成因与龙门山断裂两侧的构造差异有关,松潘-甘孜造山带中下地壳强度较弱,青藏高原的向东运动受到四川盆地刚性岩石层阻碍,迫使龙门山发生垂向变形,中下地壳厚度增加,莫霍面弯曲下沉,基底则褶皱抬升向山前盆地逆冲,地壳形变所产生的应力积累为汶川地震的发生提供了深部动力来源.