钻孔对初始应力场扰动影响的初步研究

地应力测量是获得初始地应力最直接最有效的方法,但在地应力测量打钻的过程中初始地应力会遭到扰动,岩体在打钻后出现卸载现象,初始地应力重新分布,使得测量值与实际初始地应力值有差别.本文应用有限元方法对钻孔地应力测量过程进行模拟,重点研究岩体的性质、边界应力、断裂在钻孔过程中对初始地应力变化的影响,并总结影响初始地应力变化的敏感因素.     

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.     

粘弹性介质中初始构造应力对钻孔应力相对测量的影响

讨论了在粘弹性介质中用长圆筒式探头测量地应力相对变化时初始构造应力对测量值的影响．用地层、水泥环和探头圆筒组成的三层线性粘弹性介质模型来模拟整个测量系统，利用对应原理得到了在初始构造应力作用下探头内壁径向位移解．计算表明；① 初始应力的影响表现为探头内壁径向位移随时间逐渐增大，但其增长率逐渐减小，最终达到一恒定值；② 对于地应力变化量的测量结果来说，如不考虑初始应力的影响，则将在地应力变化量上引入主应力大小为(c0+c1e－1t+c2e－2t)io、方向与初始主应力相反的误差．其中，c0，c1，c2和1，2只与地层的力学性质有关，io(i=1，2)是初始构造应力的两个主分量．最后指出，在地层比较软和初始应力比较高的情况下，初始构造应力对地应力相对变化的测量有相当大的影响.      

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.     

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。     

首次直接观测到与理论预测一致的同震静态应力偏量变化——2016年4月7日山西原平ML4.7地震的钻孔L应变观测

地震会引起同震位移和应力场变化,造成现存各断层上的库仑应力变化量的增加或减小并影响后续地震风险,对于地震预测具有重要意义.现有的大量地震实例中,理论计算的同震位移场与GPS、InSAR等实测的同震位移吻合,间接证实了基于均匀理想弹性假定下可以使用半无限空间Okada公式计算与位移微分相关的同震应力变化.然而,由于地壳并非严格的均匀理想弹性介质,理论计算和直接测量的同震应力变化进行比较仍是一个重要的研究课题.中国对四分量钻孔应变仪的数百个地震同震阶变的研究,发现记录绝大多数阶变不能满足自检条件;美国板块边界观测(PBO)中数百个同震钻孔应变记录同样发现观测幅度与理论预期值相差甚多,可达一两个数量级,这成为国际钻孔应变观测中的一个未解难题.2016年4月7日山西原平发生ML4.7地震,该地震虽然不大,但原平钻孔应力台站距离震中仅19 km,得到了优质的同震阶变记录.本文以此展开研究,结果表明台站观测到的主应力方向和应力偏量大小,均与基于震源机制解的破裂模型的理论预计值很好吻合,这是首次实际观测到与理论计算预测基本一致的同震水平应力偏量变化,为利用库仑应力概念估计后续地震活动性提供了观测基础.然而,观测到的应力变化与理论计算值相差109 Pa的围压,本文也对其可能原因进行了探索,认为在探头、固结水泥和围岩三个可能影响观测的因素中,固结水泥影响可能性最大,并对今后工作提出了建议.     

用地应力测值定性判别测区应力状态

应用钻孔法测量地壳中应力的相对变化,其中一个重要环节,就是通过元件测值变化计算测区应力的变化。这种定量计算需涉及若干力学问题,然而现有的一些地应力台站,在这些方面存在着不同程度的缺欠。针对这种情况,就需要一种定性判别测区应力的方法。 当前多数地应力台站,是根据材料的压磁效应测定元件电感值的变化以确定测区应力变化。而元件电感值的升降,直接取决于钻孔孔壁对元件两端的作用力。由于元件与孔壁间存     

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.     

基于边界积分方程方法的弯折断层破裂传播过程控制因素分析

本文利用边界积分方程方法,以基于三角形网格的全空间格林函数及离散积分核计算为基础,进行了最常见的弯折断层的破裂传播过程模拟.为了去除边界积分方程方法中格林函数计算存在的高度奇异性,研究采用分部积分等方法对动力学方程进行了重整化和离散化处理.地震力学过程可以被视为断层由静摩擦转为动摩擦的过程,对于震源破裂过程的动力学模拟,摩擦准则起着重要作用,本研究采用常用的滑动弱化摩擦准则.计算引入Courant-Friedrich-Lewy比值来表达场点的影响,并控制计算的收敛性和稳定性.通过与典型算例的比对,检验了方法的正确性和有效性.地震破裂能否穿越断层弯折部位继续传播是震源动力学研究的重要内容,基于此,本文建立了多种理论弯折断层模型,模拟了断层弯折对地震破裂传播的控制作用,并通过改变断层周边初始应力场、断层弯折角度大小以及滑动弱化距离大小等来分析各个因素对破裂传播的影响.模拟结果表明:断层面上初始破裂区域内外的应力越高,破裂越容易越过断层弯折部位继续传播;初始破裂区域半径越大,或滑动弱化距离越小,破裂也越容易发生,并越过弯折部位继续传播.同样的初始条件,断层弯折角度越大,断层弯折作为障碍体,对破裂传播的阻碍作用越显著.小的弯折角,其破裂传播过程与平面断层差别不明显,基本仍以椭圆方式对称向两侧传播.     

初始地应力场分析方法的研究

岩体初始地应力场是地震预测和岩体工程设计的重要依据之一,根据实测地应力资料,采取一定的数值分析方法,反演出整个计算区的初始地应力场。本文综述了国内外地应力场的研究现状,介绍并分类归纳了几种典型的地应力场研究方法,并对每个方法的适用范围进行了评价,对以后地应力研究的发展方向提出了建议。     

苍山地震库仑破裂应力变化与地震活动相关性探讨

本文收集了苍山地震周围断层的几何参数和运动学参数, 选择不同的接受断层, 研究了苍山地震库仑应力变化对余震及周边断层活动的影响。 结果表明, 苍山地震正的库仑应力变化对余震活动有促进作用, 大部分苍山余震分布于库仑应力变化增加区域, 应力增加量值为0.003~0.005 MPa。 通过对比该地区苍山地震前后16年的地震资料, 发现苍山地震正的库仑应力变化对苍山断裂附近地震活动增强亦有一定的促进作用, 而对于周边其他断层, 由于距离较远, 库仑应力变化量较小, 苍山地震库仑应力变化的影响可以忽略。     

冀东地区深孔地应力测量及其意义

为获得矿山深部开采和设计所需要的地应力基础资料,中国地质科学院地质力学研究所于2012—2013年在冀东地区滦县—乐亭大断裂附近开展了3个钻孔水压致裂的应力测量工作,钻孔孔深为500—1 000 m.地应力测量结果初步揭示了研究区地壳浅表层现今地应力的分布规律.实测结果表明:现今研究区域应力场优势方向为NW70°;3个测点的最大剪切应力与平均应力的比值um范围为0.24—0.48,平均值分别为0.30,0.40和0.30,均未达到地壳应力摩擦极限状态(um=0.6)的水平,而唐山大地震后不久研究区浅层获得的um则较大,个别点大于0.6,平均值为0.44,表明唐山大地震后研究区应力积累程度较低,应力释放较为充分;依据断层摩擦准则及拜尔利定律可知,研究区发生较大地震活动的危险性较低.      

In situ stress measurements in NIED boreholes in and around the fault zone near the 1995 Hyogo-ken Nanbu earthquake, Japan

Abstract The 1995 Hyogo-ken Nanbu (Kobe) earthquake, M 7.2, occurred along the north-east–south-west trending Rokko–Awaji Fault system. Three boreholes of 1001 m, 1313 m and 1838 m deep were drilled in the vicinity of the epicenter of the earthquake. Each borehole is located at characteristic sites in relation to active faults and the aftershock distribution. In particular, the Nojima–Hirabayashi borehole [Hirabayashi National Research Institute for Earth Science and Disaster Prevention (NIED) drilling] in Awaji Island was drilled to a depth of 1838 m, approximately 320 m southeast from the surface rupture of the Nojima Fault, and it crosses fracture zones below a depth of 1140 m. In situ stress measurements by the hydraulic fracturing method were conducted in these boreholes within 1.5 years after the earthquake. Measurement results suggest the following: (i) Differential stress values are very small, approximately 10 MPa at a depth of 1000 m at each site; (ii) the orientation of maximum horizontal compression is almost the same in the boreholes, perpendicular to the surface trace of the faults, north-west–south-east; (iii) fault types estimated from the state of stress differ among these sites; and (iv) the differential stress value just beneath the fault fracture zone decreases abruptly to one-half of that above the fault zone in the Hirabayashi NIED drilling. These features support the idea that the shear stress along the Rokko–Awaji Fault system decreased to a low level just after the earthquake.     

断-块模型中走滑型地震应力触发研究——以青藏高原北部几次强震为例

从发震断层与活动块体的分布关系出发,以青藏高原北部地区几次强震为例,研究了介质非连续的断－块构造模型中地震永久位移造成的区域断层静库仑应力变化．研究表明,在断块构造模型中,走滑型为主的地震位错引起的区域断层库仑应力变化在地震破裂面以外随距离衰减很快,影响范围仅为几十公里,和余震分布尺度相当;对有地表破裂数据的1937年M7.5花石峡地震、1997年M7.5玛尼地震和2001年M7.8可可西里地震的模拟结果显示,先前地震的断层位移在后续地震断层面所造成的库仑应力甚微,预示了远距离地震之间的静应力触发效应不明显．     

当代钻孔地应力测量的主要问题

近半个世纪以来,钻孔法地应力测量中尚未解决的主要问题是:假定岩石在力学性质上各向同性;没有考虑钻孔效应;忽视了测量的时间效应;简化了岩石力学性质的多变性。由于这些问题的存在,使得主应力测值的误差可达100%,主应力方向的测量误差可达90°,还可以引起主应力性质的正负变换。要进行高水平的地应力测量,必须把测量建立在岩石方学性质各向异性的基础上,减少或避开钻孔效应的影响,考虑或避开测量的时间效应,避开岩石力学性质多变性的影响,分别测量各种地应力成份,进行定点长期连续观测。     

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.     

2008年和2014年于田地震对周边断层发震概率的影响

大震后区域静态库仑应力变化直接影响地震活动性速率的变化、主震断层外余震和即将失稳断层的发震概率的变化.利用滑移速率和状态相依赖的摩擦定律,结合2008年3月21日于田地震前后的地震活动性水平,定量计算了2008年于田地震后该地区周边断层发震概率的变化,着重解释了2014年于田地震发震的可能根源.此外,本文还对库仑应力明显变化的周边三条断层进行了发震概率的定量计算.贡嘎错断裂中段、贡嘎错断裂西南段和康西瓦断裂中段分别经历了发震概率先降后升、先升后升和先降后降两个阶段,充分显示了库仑应力的细微变化造成的周边断层的危险性的变化.这三条断裂发生7.0级以上地震的发震概率超越95%均需要500年左右;贡嘎错断裂西南段发生中强地震的可能性较大,而康西瓦断裂中段活跃度较低.