水压致裂法地应力测量若干问题的探讨

在深层地应力测量中,水压致裂法是最有效的测量方法。本探讨了该方法的几个关键性问题,例如压裂特征参数的取值,三维地应力测量,压裂缝的方向,破裂准则和钻孔轴向秒是主应力的一个方向等问题。     

水压致裂沙三维地应力测量方法的研究

在不同方向的３个钻孔内进行常规水压致裂试验测量三维地应力的基础上,引入原生裂隙重水试验测量,提出了３种三维地应力测量的原理和方法,这些测量方法能适用于各咱布置形式的单孔,双孔和多孔的测量,其中的两种方法也适用于深钻孔的三维地应力测量。     

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σh值为3.45~9.64 MPa, 最小水平主应力σh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σh>σh>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.     

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.     

乌鲁木齐市区断层附近原地应力测量研究

利用水压致裂原地应力测试技术,在乌鲁木齐市区碗窑沟断裂东段、雅玛里克断裂东段和西山断裂带中、东段开展了断层附近原地应力测量研究,得到了地表浅部构造应力的大小、方向和分布特征。钻孔HFZK3位于碗窑沟断裂东段的南侧,孔深62.13m;钻孔HFZK5位于雅玛里克断裂东段的南侧,孔深30.00m;钻孔HFZK9和HFZK12都位于西山断裂带的中、东段,孔深分别为34m和54.5m。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σH>σh>σV,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,摩擦强度取0.6～1.0进行分析,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,表明测区现今构造活动以逆断层为主。研究区的3条断层不具备发生走滑断层活动的可能性,其中雅玛里克断裂东段、西山断裂带中段和东段具有发生逆断层活动的可能性,相比而言,西山断裂带中段危险性更大     

陕西汉中盆地水压致裂地应力测量分析研究

汉中盆地位于龙门山断裂带东北段的末端,汶川MS8.0地震发生以后,地震活动存在沿龙门山断裂带向NE向发展的趋势.在汉中盆地西缘进行了两个钻孔的水压致裂地应力测量,来分析震后该区地应力状态,以期为该区的地震危险性研究提供实际资料.这两个钻孔深度均为300m左右,相距33m,取得了较好的地应力测试结果.通过对地应力测试结果的综合分析研究,得到以下认识:①在汉中盆地西缘300m深度地层内,最大水平主应力值为5.69—19.52MPa,最小水平主应力值为3.81—10.90 MPa,垂直主应力值约为1.25—7.03MPa,水平主应力占主导地位,垂直应力为最小应力,该地应力状态有利于逆断层的活动;②汉中盆地西部现今最大水平主应力方向为WNW或近EW向;③汶川地震后,目前汉中盆地及其西部地区仍处于构造应力调整阶段,总体相对稳定.     

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.     

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; ②S_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, 与东北地区构造应力场方向基本一致.钻孔下部由于受区内NW向断裂和其他因素影响, 存在与区域主应力方向有偏差的局部应力场.其次, 基于实测应力数据, 应用库仑摩擦滑动准则, 并取摩擦系数为0.6和1.0, 初步评价了区域断裂的稳定性.结果显示, 研究区现今应力状态尚未达到断裂失稳滑动水平, 推测测区断裂目前相对稳定.结合其较低的应力积累水平, 一定程度上反映出长白山天池火山区目前没有明显活动, 地壳总体是稳定的.本文的研究结果可为长白山天池火山的活动性、地震地质等研究提供地应力方面的基础数据, 同时也为测区地质环境安全评价提供参考依据.

     

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.     

金沙江下游支流黑水河松新电站幼鱼下行过坝研究

梯级小水电的开发一定程度上破坏了河流连通性并阻碍了鱼类洄游通道。黑水河流域松新坝址为了满足鱼类上行产卵修建了松新鱼道,然而作为洄游物种生命周期中的关键行为,鱼类下行洄游的需求也同等重要。为了寻求一种可行、高效、低损伤的下行过鱼方式,了解河流中不同环境因素对鱼类下行效率的影响,本研究在金沙江下游支流黑水河松新水电站补水通道开展鱼类下行过坝效果评估研究。针对两种鲤科鱼类(棒花鱼Abbottina rivularis和短须裂腹鱼Schizothorax wangchiachii)幼鱼和两种鳅科鱼类(短体副鳅Paracobitis potanini和红尾副鳅Paracobitis variegatus)幼鱼各放鱼90尾,定量分析鱼种、水体透明度、放鱼位置、流量、水温、水位等因素对鱼类下行效率的影响。结果表明:棒花鱼、短须裂腹鱼、短体副鳅、红尾副鳅的下行率依次为22.22%(20尾)、28.89%(26尾)、8.89%(8尾)、15.56%(14尾);幼鱼下行成功率与上游河道水温呈正相关趋势,且放鱼位置、鱼种、上游河道水温和流量均对鱼类下行成功率有显著影响。通过构建二元Logistic回归模型识...     

Research and Practice on the Crustal Deformation Mobile Monitoring Network Layout in the Hydropower Station Reservoir Area

According to the construction project of the crustal deformation mobile monitoring network in the cascade hydropower stations built in the lower reaches of Jinsha River,this paper analyzes the design ideas and layout principles of crustal deformation mobile monitoring used in the monitoring of reservoir induced earthquakes. This paper introduces three types of monitoring networks used in the Xiluodu reservoir and Xiangjiaba reservoir, as well as the work already undertaken,in order to provide a kind of reference for the related engineering construction and comprehensive monitoring of reservoir induced earthquakes.     

金沙江下游支流黑水河松新电站鱼道过鱼效果监测与评估

松新鱼道建设是恢复金沙江白鹤滩库区鱼类生境替代支流——黑水河连通性的重要工程措施之一,其过鱼效果备受关注。本研究以黑水河松新鱼道为研究对象,通过网捕法和射频识别遥测技术(RFID)开展松新鱼道过鱼效果监测与评估研究。结果表明:(1)黑水河松新坝址下游共监测到19种鱼类,其中12种鱼类可以顺利通过鱼道抵达上游河道;(2)鱼道进出口鱼类多样性受到鱼类洄游动机影响呈现季节性规律,非洄游期(12月)鱼道进出口鱼类Shannon-Wiener多样性指数显著低于洄游期(次年3、5月);(3)松新鱼道主要过鱼对象短须裂腹鱼的进口吸引率为31.50%,通过率可达44.44%。利用张网监测数据发现:当水温超过20℃时,过鱼种类和数量随着水温的升高呈递减趋势;当鱼道内流量超过0.50 m³/s时,过鱼种类和数量随着鱼道内流量的增大而呈递减趋势。为识别影响鱼道过鱼效果的关键因素,选取短须裂腹鱼为研究对象,构建了基于多因素(鱼道内流量、水温、昼夜节律、pH、湿重、体长等)的Cox风险比例回归模型,研究发现:鱼道内流量、水温和昼夜节律是影响短须裂腹鱼上溯效果的关键因素;当水温变化范围为14...     

金沙江支流黑水河松新电站短须裂腹鱼（Schizothorax wangchiachii）过坝后上溯行为

鱼类过坝后的上溯行为对鱼类寻找适宜的产卵、索饵等功能性栖息地至关重要。现阶段我国大多数研究聚焦于鱼类上溯通过鱼道的游泳行为量化,而过坝后的上溯行为分析鲜有报道。本研究在金沙江下游支流黑水河松新坝址处利用PIT(passive integrated transponder)遥测技术对松新电站过鱼对象短须裂腹鱼(Schizothorax wangchiachii)过坝后的上溯行为开展监测,考虑监测过程中水文情势变化对过坝后上溯行为的影响,采用生存分析方法,构建了耦合多因素(流量、水温、河道涨落水率、昼夜节律、肥满度等)的Cox风险比例回归模型,利用AIC模型准则筛选出最优模型参数,识别了影响鱼类过坝后上溯成功率的关键因素。结果表明:(1)短须裂腹鱼在松新鱼道的上溯效果显著优于河道;(2)水温及河道涨落率是影响短须裂腹鱼过坝后上溯效果的关键因素;(3)水温与短须裂腹鱼过坝后河道上溯成功率呈负相关,当水温超过短须裂腹鱼最适温度后,河道上溯成功率随着温度的上升呈递减趋势;河道涨落水率与短须裂腹鱼过坝后河道上溯成功率呈正相关,其中涨水情势下短须裂腹鱼河道成功上溯的概率高于落水,河道上溯成功率随着涨...     

Seismic activities before and after the impoundment of the Xiangjiaba and Xiluodu reservoirs in the lower Jinsha River

The lower Jinsha River basin is located at the junction of Sichuan and Yunnan provinces in Southwest China, a region with intense tectonic movements and frequent moderate to strong seismic activities. Cascade hydropower stations have been constructed along the lower Jinsha River since 2012. However, research on the effect of the impoundment of large-scale cascade reservoirs in a river basin on local seismic activities is currently lacking. Accurately identifying earthquake locations is essential for studying reservoir-induced earthquakes. Analyzing the spatiotemporal migration process of seismic activities based on complete and precise earthquake relocation is fundamental for determining the fluid diffusion coefficient, constructing fault models for reservoir areas, identifying earthquake types, exploring earthquake mechanisms, and evaluating seismic hazards. The seismicity pattern in the Xiangjiaba and Xiluodu reservoir areas, where seismic activities had been weak for a long time, has changed with the successive impoundment of the two reservoirs, showing microseismic events and seismic clusters. We investigated the spatiotemporal characteristics of seismic activities in the Xiangjiaba and Xiluodu reservoir areas using the waveform cross-correlation-based double-difference relocation technique and the b-value analysis method. We discovered that seismic events after the impoundment of these two reservoirs exhibited different characteristics in different regions. The seismic activities at the Xiluodu dam quickly responded to the rising water level, with the seismic intensity decaying rapidly afterward. These events were concentrated in the limestone strata along both sides of the Jinsha River, with a shallow focal depth, generally within 5 km, and a high b-value of approximately 1.2. Such features are close to those of karst-type earthquakes. Microseismic activities frequent occur on the eastern bank of the Yongshan reservoir section downstream of the Xiluodu dam, with two parallel NW-trending earthquake strips visible after precise earthquake relocation. The M_S5.2 earthquake near Wuji town on August 17, 2014, had prominent foreshocks and aftershocks distributed in a clear NW-trending 20-km-long strip, perpendicular to the riverbank. These seismic events had a low b-value of approximately 0.7. The orientation of the node plane revealed by the strike-slip focal mechanism of the mainshock is consistent with that of the strip formed by the foreshock-mainshock-aftershock sequence, indicating the existence of a NW-striking concealed fault. Seismic activities near the Yanjin-Mabian fault upstream of the Xiangjiaba reservoir area since 2013 were concentrated in a NW-trending strip, with several near EW-trending seismic clusters on its western side, and with the largest event having a magnitude of M_L3.7. So far, the impoundment of the Xiangjiaba and Xiluodu reservoirs has not triggered seismic activities on the large Jinyang-Ebian and Yanjin-Mabian faults nearby.     

水电站库区地壳形变流动监测网络布设探索与实践

针对金沙江下游梯级水电站地壳形变流动监测网络建设项目,分析了地壳形变流动监测在水库地震监测中的设计思路与布设原则,并就金沙江水电站溪洛渡和向家坝水库介绍了3类监测网布设情况,对两水库蓄水前监测资料进行了初步分析,旨在对大型水库建设及水库地震的综合监测起到参考与借鉴作用。     

Crustal Stress Measurement for Significant Project Construction and Its Application in Design

The hydrofracturing technique has developed into a reliable and practical method for determining the original three-dimensional crustal stress state of underground caverns,the load-bearing capacity of a high pressure cavern itself,and the high pressure hydraulic permeability of rock masses,and has also been extensively used in disposal of nuclear waste,long and deeply-buried traffic channels and high-pressure cavern engineering for hydraulic power plants.The practice shows that the comprehensive measurement of the physical parameters of the rock mass and taking full use of the wall rock load-bearing capacity to optimize the engineering design hold are very useful in ensuring the engineering safety and improving the design level.     

大震前地壳内应力方向趋于集中的地震学研究

一百多年来,地震学家一直在寻求地震预测方法,然而,目前还没有一种可靠的方法可以用于实践（Geller,1997）。由于地震预测在防震减灾方面的重要性,很多科学家致力于各种方法的尝试,地震孕育过程的应力变化相比地壳构造应力有可能是很小的,因此,地壳构造应力场方向相对应当比较稳定。但地壳构造应力与地震孕育应力场变化的比例究竟有多大是一个没有定论的科学问题。     

黄河某水电站顺层岩质滑坡形成机理与演化过程

黄河上某水电站坝后存在一大型顺层岩质滑坡.钻探、平硐、槽探和现场勘查勘察资料表明该滑坡具有平面分区和剖面分层的显著特征.运用地质环境系统全过程动态演化的观点,采用力学理论、物理模型、数值模拟等方法,分析了滑坡的形成机理和演化机制:该滑坡是在河流冲刷和地震活动等内外综合作用下因层状岩质斜坡岩体层间错动和溃屈基而形成,其演化具有明显时间和空间差异性的多次滑动.在此基础上采用多种极限平衡计算方法综合评价滑坡各区、各级在天然状态下的稳定状态,并结合滑坡所处的地质环境及其演化特征预测滑坡在雾雨、地震以及二者耦合作用下的演化趋势.     

澜沧江流域水电工程地区的环境剪应力及震源参数

使用昆明数字地震台网记录的地震波形资料,研究了1999年1月至2003年12月澜沧江流域地区的震源参数和环境应力τ0值,重点讨论了小湾、漫湾和大朝山三个电站高坝水库地区的应力状态及震源参数,结果表明地面运动峰值速度(r·v)符合M1/20τ0的标度关系,较适合澜沧江流域地区中小地震活动规律;水利枢纽工程地区的环境剪应力τ0平均值为36MPa,明显低于澜沧江流域北东和南西地区,属于低应力地区;发生于该区的地震震源深度多小于10km,震级大部分小于3级。分析认为发生于该区的低应力、浅源、低强度地震,可能与该区库区蓄水压力增加有关。