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。     

金沙江溪洛渡水电站水压致裂地应力测量分析研究

溪洛渡水电站位于四川省雷波县与云南省永善县接壤的金沙江峡谷中。电站设计采用的是双曲拱坝、两岸库内地下厂房的方案，最大坝高273m。电站以发电为主，兼用于拦沙、防洪、改善下游航运等。电站规模巨大，工程厂址的稳定性分析以及高坝、深埋厂房的设计     

在同一钻孔中水压致裂法地应力测量与套钻孔应力解除法测量成果的比较

本文叙述了在同一钻孔中水压致裂法地应力测量和套钻孔应力解除法进行对比测量，获得基本一致实测成果的两个实例。     

高差异应力下的水压致裂实验

根据已公布的水压致裂测量结果可知,在最大水平主应力σH与最小水平主应力σh之间有σH/σh≤2的关系。为了分析这一关系,进行了三轴压力条件下高差异应力的水压致裂模拟实验。发现,即使实际的σH/σh>2时,用现行的测量计算方法仍然只能给出σH/σh≤2的结果。这使得对实际数据使用Haimson公式计算最大水平主应力时,所得结果与最小有效水平主应力存在2:1的约束界限。作者用断裂力学理论对上述实验结果进行讨论和分析,认为现行的处理野外资料的计算公式的主要欠缺是只考虑了孔壁的力学特征而忽略了孔壁外围的应力强度特征。 本文最后介绍了一个改进的新方法。     

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.     

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.     

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.

     

岩石水压致裂和诱发地震的实验研究

用7种岩石各制备了几类不同预裂纹的系列试件，并在不同围压下进行水压致裂强度实验。结合典型的水库诱发地震的实际资料和现今构造应力场的实验结果，以及应用岩石强度理论和岩石断裂力学的一些原理、方法，进行岩石孔隙水压诱发地震的探讨。初步结果为：(1)若岩体内构造应力很小，一定大小的孔隙水压力σp，可直接使岩体内的薄弱面致裂并发生小地震。(2)若构造应力较大，存在两类诱发地震的可能：①对岩体浅部一些走向与构造应力的主压应力σ1方向相近的薄弱面，σp可促使其发生张性破裂并诱发小地震。②当构造应力接近于断裂的抗剪强度时，因σp，降低了断裂面上的正应力σn，使原处于稳定状态的断裂失稳，发生滑移破裂并诱发出地震。σp导致断裂的破裂深度增大，使诱发地震的震级大于原潜在的地震震级。(3)各种岩体均存在着一个极限深度，此深度后不再有诱发地震。     

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.     

用量板法分析水压致裂应力测量数据

以文献的资料为例,用量板法分析水压致裂数据,并与原方法比较,结果表明,在深度较大的情况下,新方法所得出的最大水平主应力较原方法所给出的结果系统偏大,把这个趋势与实验室结果相比,量权法所给出的应力结果可能更接近野外实际应力值。文中还讨论了确定封闭压力的方法。     

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.     

用云南下关测点的水压致裂结果分析地形起伏对应力测值的影响

本文以云南下关黄草坝的水压致裂应力测量结果为例,讨论了地形起伏对云南区应力测值的影响。结果表明,地形起伏对应力测值的绝对影响随深度的增加衰减缓慢,相对影响急剧减小。100米以内深度的应力测量,地形影响可能给测值带来10%以上的误差。云南区的水压致裂应力测量深达500米,是可以排除掉地形起伏的影响的。     

缝长,尺度对水压致裂应力测量结果的影响规律

本文从弹性力学、断裂力学的基本理论出发,结合室内实验和野外观测结果研究了尺度、缝长对水压致裂应力测量结果的影响规律。研究结果表明,室内实验样品的孔径比不应大于四分之一,最好小于十分之一,较大的绝对尺度可以使实验结果变得稳定。野外实际测量除了满足上述要求外,裂缝单翼长度不应小于十倍的钻孔半径,否则测不到可靠的封闭压力。据此,进行大尺度水压致裂室内模拟实验对于提高压裂技术,完善水压致裂应力测量理论是非常必要的。     

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.     

用电测深法在水压致裂实验中确定岩石破裂方向的实验研究

1.测点布设及观测方法实验场地位于福建省南靖县汤坑盆地中央。盆地内分布有F_1、F_2、F_3和F_44组断裂,其中F_1为张性兼压扭性断裂,F_2为扭性断裂,F_3为张扭性断裂,F_4为压扭性断裂(图1)。     

对水压致裂法测得的应力结果之重新估价

本文讨论了水压致裂进行的绝对应力测量结果的可靠性,指出目前水压致裂法是深部绝对应力测量的较好方法。但应用现在通用的资料处理方法时,它可能给出偏小的最大水平主应力SH和偏大的最小水平主应力Shi特别是两个水平主应力差别较大的地区,这个偏差更加显著。以这样的数据,按照库伦强度准则和Byerlee定律去估价地区稳定性,易于得出与事实不符的结论。本文指出了造成上述测量误差的可能原因,并提出了降低测量误差,改进计算结果的办法。     

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40~95 m.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.