鄂尔多斯地块西南缘宁夏固原地区原位地应力测量结果及其成因

鄂尔多斯地块西南缘新构造活动强烈、地震频发,具有复杂多样的构造变形模式和活动特征。为了解鄂尔多斯地块西南缘地壳浅部地应力分布规律及断层稳定性,利用宁夏固原地区的水压致裂地应力测量数据,结合其他实测及震源机制解资料,分析了鄂尔多斯地块西南缘构造应力场特征。结果表明:①研究区2个钻孔的主应力关系整体表现为SHSvSh,水平应力起主导作用,属于走滑型应力状态,钻孔附近最大水平主应力方位平均为N59°W,与震源机制解获得的青藏高原东北缘主压应力方位有差异,推断鄂尔多斯地块西南缘现今NWW向走滑剪切应力环境的形成可能主要受到海原断裂带和六盘山断裂带的影响,应为局部构造和区域构造应力场共同作用的结果。②利用Mohr-Coulomb准则及Byerlee定律,摩擦系数取0.6～1.0,对研究区的现今地应力状态分析后发现,鄂尔多斯地块西南缘海原断裂带和六盘山断裂带的地应力大小未达到地壳浅部断层产生滑动失稳的临界条件,处于较稳定的应力状态。该研究成果为鄂尔多斯地块关键构造部位的断裂活动性分析和地质环境安全评价提供了参考依据。     

青藏高原及其周围地区区域应力场与构造运动特征

本文系统解析并分析了1931年8月-2005年10月期间青藏高原及其周围发生的905个震级M4．5-8．5地震的震源机制结果,研究了青藏高原岩石圈的区域应力场与构造运动特征。结果表明,来自印度板块的北北东或北东方向的水平挤压应力控制了青藏高原及其周缘地区的岩石圈应力场。从喜马拉雅到贝加尔湖以南包括中国西部的广大范围内,主压应力P轴的水平分量位于近NE-SW方向,形成了一个广域的NE-SW方向的挤压应力场。特别是青藏高原周缘地区,除其东部边缘外,南部的喜马拉雅山前沿以及青藏高原的北部、西部边缘地区所发生的绝大部分地震都属于逆断层型或走滑逆断层型地震,表现出周缘地区的水平挤压应力更为强势。应力场特征充分表明, 印度板块的北上运动,以及它与欧亚板块之间的碰撞,所形成的挤压应力场是青藏高原强烈隆起的直接原因。在青藏高原周缘地区受到强烈挤压应力场控制的同时,有大量正断层型地震集中发生在青藏高原中部海拔4000m以上的地区,其中许多地震是纯正断层型地震。震源机制结果显示,近E-W向或WNW-ESE向的水平扩张应力控制着该区的岩石圈应力场;正断层型地震的断层走向多为南北方向,断层位错矢量的水平分量大体位于近东西方向。这表明青藏高原中部高海拔地区存在着近东西方向的扩张构造运动,且扩张构造运动是该区引张应力场的作用结果。其动力学原因可能与持续隆升的高原自重增大引起的重力崩塌及其周边区域构造应力状况有关。研究青藏高原存在挤压应力场与引张应力场及其构造运动的区域特征,对于认识青藏高原形成、发展的地球动力学机制,有着极其重要的意义。     

成兰铁路地应力测量与构造应力场分布规律研究

成兰铁路位于青藏高原东部边缘高山峡谷区,由于印度板块与欧亚板块碰撞,区域内构造变形强烈,构造应力场十分复杂。为研究成兰铁路工程区地应力分布规律及断层稳定性,在铁路沿线茂县、松潘县以及宕昌县境内4个深孔水压致裂地应力测量基础上,获得了不同位置区域地应力实测值的大小和方向,并建立工程区应力参数随深度分布规律。分析表明:工程区应力随深度变化呈现出较好的线性关系,在测试深度范围内,水平应力普遍高于垂直主应力,地应力值总体上属于中—高地应力级别,在750 m深度内,最大水平主应力达25 MPa,反映出工程区构造应力占主导地位,侧压系数随深度呈缓慢衰减趋势。成兰铁路在不同构造单元上最大水平主应力方向有所不同,在东昆仑断裂以北甘南块体内,最大水平主应力为北北东向,在东昆仑断裂以南川青块体内最大水平主应力为北西向。根据实测的地应力数据并结合库伦滑动摩擦准则,对工程区内的断层稳定性进行了分析。文中取得的认识对成兰铁路工程区的构造应力场、断裂活动性的研究以及隧道工程的建设具有重要的参考意义。     

青藏高原中部的东西向扩张构造运动

系统分析了1933~2003年间青藏高原及其周缘发生的745个中、强地震的震源机制解,研究了高原地壳构造运动及其动力学特征。结果表明,大量正断层型地震集中发生在青藏高原中部海拔4000m以上的地区,其中许多地震是纯正断层型地震。震源机制结果显示,该区正断层型地震的断层走向多为南北方向,断层位错矢量的水平分量均位于近东西方向,这表明青藏高原高海拔地区存在着近东西方向的扩张构造运动。地震震源应力场的研究结果表明,在高原中部高海拔地区,E-W向或WNW-ESE向的水平扩张作用控制着该区的地壳应力场。青藏高原高海拔地区近东西方向的扩张构造运动是该区引张应力场的作用结果,其动力学原因可能与持续隆升的高原自重增大引起的重力崩塌及其周边区域构造应力状况有关。而青藏高原周缘地区,除了东部边缘外,南部的喜马拉雅山前沿以及青藏高原的北部、西部边缘所发生的绝大部分地震都是逆断层型或走滑逆断层型地震。在青藏高原周缘地区,北东或者北北东方向水平挤压的构造应力场为优势应力场。在中国西部的大范围内,主压应力P轴水平分量位于NE-SW方向,形成了一个广域的NE-SW方向的挤压应力场。青藏高原及其周缘应力场特征表明,印度板块的北上运动以及它与欧亚板块之间的碰撞所形成的挤压应力场是高原强烈隆起的直接原因。在青藏高原中南部形成了近东西向引张应力场为主的区域,并以东西向扩张构造运动部分释放其应力积累。研究高原高海拔地区的引张应力场和近东西向扩张构造运动的特征,对于认识青藏高原强烈隆起的地球动力学过程与机制,有着重要的理论意义。     

龙门山北端青川断层附近应力测量与断层稳定性

汶川8.0级地震后, 余震是否沿青川断裂向汉中方向发展, 是否还会发生强烈余震成为社会关注的问题。为了查明汶川8.0级地震后青川断层库仑应力的变化, 判明余震的发展趋势, 2008年6月2日~28日我们在青川断裂中段阳平关一带开展了断层附近原地应力测量研究, 在3个钻孔中分别用水压致裂法和解除法得到了断层上下盘构造应力的大小、方向和分布特征。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向主压应力方向有一些差异, 说明受断层活动影响, 断层附近的应力状态与区域应力场已经发生了改变。青川断层是一条逆冲兼右行走滑的活动断裂, 在汶川大地震中虽未见其活动, 但其阻隔了余震向北发展, 表明该断层是一条重要的边界断层, 既是区域构造分区的界线, 也是区域应力场的分区标志线。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铅直应力的关系为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及近期在断层附近发生的地质异常现象一致。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接近产生逆断层摩擦滑动的临界值, 其中断裂东段发生逆断层活动的可能性较小, 相比而言, 青川断裂带西段危险性更大。      

马边-永善地震带及邻区新构造应力场和现代构造应力场的探讨

本文用数学统计方法对马边-永善地震带及邻近地区水系格局的优势方向进行了计算,结合断层滑动参数、原地应力测量、地震震源机制解和三角测量资料进行对比分析认为:构造应力分区与活动的深大断裂围限的褶断隆起区和凹陷区有关,如马边凹陷区构造应力方向为NW向,而雷波-永善褶断隆起区和五莲峰褶断隆起区构造应力方向为NWW-NEE向。该区构造应力场有右旋渐变的特点,自南而北主压应力轴右旋转动约30～40°,并且,全新世以来的现代构造应力场继承了新构造时期构造应力场的特点。     

川西折多山某深埋隧道地应力测量及其应用研究

川西地区地质构造环境复杂,该区深埋隧道建设过程中经常面临岩爆风险,而地应力条件对深埋隧道的规划建设和岩爆风险预判具有重要意义。本研究利用水压致裂法在川西折多山某深埋隧道开展了原地应力测量及其工程效应分析。某钻孔196~650 m深度范围内的地应力测试结果显示,隧址区以水平构造应力为主导,测试深度范围内水平主应力随深度线性增加,且应力增加梯度高于中国大陆背景值。地应力结构整体以逆断型(S_H>S_h>S_v)为主,其中389.50~560.50 m深度范围属应力释放区,地应力结构以走滑型(S_H>S_v>S_h)为主。侧压系数及最大、最小水平主应力比值随深度分布基本符合中国大陆各参数变化特征。最大水平主应力方向为NWW向,与区域应力场分布及周边活动断裂反映的力学机制一致,主要受印度板块向欧亚板块持续俯冲和高原物质东南向扩散作用控制。测点现今地应力强度较高,临近断裂失稳状态,随着应力的不断积累,区内优势破裂方向或已有断裂的特殊构造部位可能发生失稳滑动。最后,基于地应力测量结果对深埋隧道围岩稳定性进行了预判分析,受隧址区高地应力影响,围岩发生中-强岩爆的可能性较大,需优化设计并重点防护。     

中国岩石圈应力场与构造运动区域特征

笔者系统分析了1918—2005年间中国大陆及其周缘发生的3130个中、强地震的震源机制解,根据其特征进行了岩石圈应力场构造分区,首次得到区域应力场的压应力轴和张应力轴空间分布的统计数字结果。在此基础上研究了应力场的区域特征、探讨了其动力学来源以及构造运动特征。总体结果表明,中国大陆及其周缘岩石圈应力场和构造运动可以归结为印度洋板块、太平洋板块、菲律宾海板块与欧亚板块之间相对运动,以及大陆板内区域块体之间的相互作用的结果。印度洋板块向欧亚板块的碰撞挤压运动所产生的强烈的挤压应力,控制了喜马拉雅、青藏高原、中国西部乃至延伸到天山及其以北的广大地区。在青藏高原周缘地区和中国西部的大范围内,压应力P轴水平分量方位位于20～40°,形成了近NE方向的挤压应力场。大量逆断层型强震集中发生在青藏高原的南、北和西部周缘地区,以及天山等地区。而多数正断层型地震集中发生在青藏高原中部高海拔的地区,断层位错的水平分量位于近东西方向。表明青藏高原周缘区域发生南北向强烈挤压短缩的同时,中部高海拔地区存在着明显的近东西向的扩张运动。中国东部的华北地区受到太平洋板块向欧亚板块俯冲挤压的同时,又受到从贝加尔湖经过大华北直到琉球海沟的广阔地域里存在着的统一的、方位为170°的引张应力场的控制。华北地区大地震的震源机制解均反映出该区地震的发生大体为NEE向挤压应力和NNW向张应力的共同作用结果。台湾纵谷断层是菲律宾海板块与欧亚板块之间碰撞挤压边界。来自北西向运动的菲律宾海板块构造应力控制了从台湾纵谷、华南块体,直到中国南北地震带南段东部地域的应力场。地震的震源机制结果还表明,将中国大陆分成东、西两部分的中国南北地震带是印度洋板块、菲律宾海板块与太平洋板块在中国大陆内部影响控制范围的分界线。     

中核甘肃核技术产业园预选厂址区地应力测量研究

为更科学地指导中核甘肃核技术产业园的选址工作,需对预选厂址工程区范围内岩体的地应力状态及分布规律进行分析研究。在预选厂址工程区内对2个450m深的钻孔开展水压致裂原地应力测试,并采用了4种方法进行关闭压力处理来保证主应力值的可靠性和准确性。压裂测试结果表明,工程区内最大水平主应力值6.66~25.91 MPa,最小水平主应力值3.94~15.76 MPa,水平主应力和垂直应力关系为S_HS_hS_v,揭示工程区内水平应力作用占主导,利于逆断层活动。印模测试结果显示最大水平主应力优势方位为NE方向,与区域构造应力场方向基本吻合。基于实测数据计算K_(av)、K_(Hv)、K_(Hh)、μm和τm这5种应力状态特征参数,并利用库伦摩擦滑动准则分析预选厂址区断层活动性,进而综合评价预选厂址区的应力场特征及其对岩体工程稳定性的影响。     

上海及邻近地区区域应力场和地震破裂方式的探讨

本文从震源机制、地应力测量、地震等震线长轴统计,形变场、构造分析等几方面求得本区区域应力场在北纬30°以北为81°,30°以南为133°。空间分布上主压应力轴大致与海岸轮廓线垂直,反映力源主要来自太平洋板块对中国大陆的挤压。在这样的应力场背景下,本区北东向断裂将作右旋正走滑活动;北西向,特别是北北西向新断裂将作左旋逆走滑活动;北东东至近东西向断层将作张性倾滑活动。由于本区地震大多座落在不同方向断裂的交汇复合部位,地震的孕育、发生、发展与两断裂的共轭活动关系密切,但具体到某一次地震的破裂方式则以单侧破裂与双侧破裂居多。     

有效应力强度指标与总应力强度指标的关系

由总应力强度指标计算的 ,并不是试样破坏时的真实破裂角,而仅是一个假想的破裂角,与之对应的平面是一个假想的剪切破坏面。试验结果表明,试样破坏时的真实破裂角,是用有效应力强度指标 计算的 。分析论证了在关于土的抗剪强度计算的相关公式中,有效应力强度指标与总应力强度指标不可混用,且公式中有效应力强度指标应与有效应力相对应、总应力强度指标应与总应力相对应。     

应力化学

应力化学是研究应力的性质,作用方式和规模,组合和序列,它们的发生,发展,演化所成生的化学作用和过程,以及物理－化学动态机制。当应力作用于地质体时,接受能量和释放能量的作用方式之一就是应力化学作用,应力化学作用主要受应力性质,应力配置和应力序列的影响,以剪应力化学作用最为重要,应力作用可产生化学作用,改善化学反应所需条件,因而促进和加速了化学作用。     

构造应力场研究与实践

由李四光教授开创的构造应力场研究自20世纪20年代至今已经历70多年。回顾其研究过程,展望未来发展,可以分为两个研究时期:①开创研究时期(1926-1966).主要运用构造形迹力学性质及组合规律分析推断构造应力状态,重点研究构造体系及其典型构造型式的构造应力场。②实测研究时期(1966-).最初通过实测地应力、地形变、断层位移以及现今构造活动的各种相关资料,配合模拟实验研究现今构造应力场;尔后对地质时期古构造应力场进行研究,主要采用应力、应变矿物进行应力状态定量或半定量分析,并配合模拟实验进行研究。实测研究时期可分为3个研究阶段:实测平面构造应力场研究阶段。主要以进行平面构造应力场研究为主;实测三维构造应力场研究阶段。以三维构造应力场研究为主并对构造应力场学科进行研究总结;深部构造应力场研究阶段。未来将会开展对地壳整体及地壳深部进行全面的构造应力场研究。构造应力场研究对认识地壳运动问题具有深远意义,在地质找矿、地质环境与灾害、工程建设中均可发挥积极的作用。      

巷道诱发型冲击地压的发生机制及危险性分析

为了治理巷道诱发型冲击地压发生的灾害,从力学机制方面阐述了巷道诱发型冲击地压发生的静-动应力主导关系,揭示了巷道诱发型冲击地压发生的机制;将煤层巷道的围岩二次静应力和震源产生的动应力叠加,得到了巷道围岩二次应力与不同应力波叠加后的最大主应力和最小主应力表达式。从高应力差和巷道围岩冲击倾向性两方面考虑,提出了巷道诱发型冲击地压发生的判断方法;直接判断出巷道在特定深度、震源在某个位置、产生一定的应力波时,巷道发生冲击地压及冲击范围,并解释了巷道群附近产生大范围冲击的机制,成功分析了山东某煤矿掘进工作面发生冲击的原因。研究结果为分析诱发型冲击地压的危险性提供了理论基础,为治理诱发型冲击地压提供了技术途径。     

考虑主应力轴旋转的基坑开挖应力路径研究

首先对应力路径的概念进行丰富和扩展,提出考虑主应力轴旋转的三维应力路径,然后采用数值方法,对基坑开挖过程中的应力路径进行了深入分析,研究了基坑内外各种应力路径及其规律,结果表明：开挖过程中无论横向还是竖向,应力路径都表现出卸荷特性,且坑内卸荷量大于坑外卸荷量,使得坑内应力变化及主应力轴旋转较坑外大;随着离基坑中心距离的增大,坑内应力变化减小,主应力轴旋转趋缓;开挖过程对坑外应力变化及主应力轴旋转的影响随离围护墙距离的增大而减小。坑内应力路径总体表现为平均压应力p减小,广义剪应力q减小,主应力轴偏转角? 增大;坑外应力路径总体表现为p减小,q增大,? 增大。最后归纳出基坑开挖过程中坑内与坑外的典型应力路径,以指导基坑工程实践设计分析和室内试验模拟。     

σ-τ平面上莫尔理论的修正

在莫尔理论中如何引进中间主应力σ2的影响一直是长期困扰力学界的一个问题,由此产生了在σ-τ平面上难以界定某些状态下应力圆的破损界线。以静水应力σm对结合力和滑移的影响观点,将二参数的莫尔定理修正为三参数形式后,分析了它在σ-τ平面上的应用,为引进中间主应力σ2的影响提供了新途径。     

构造应力场研究的新进展

本文阐明构造应力（主应力与剪应力）方向的研究方法以及最新研究成果，指出全球各地区在某一时期的应力方向可以是各不相同的，同一地区在不同地质时期内的构造应力方向也是截然不同的，并且应力方向的转变周期也不相等。在概述了应力大小的研究方法之后，作者介绍了构造应力大小研究中的两个新成果：（１）构造应力主要集中在岩石圈内，（２）构造应力从板块边缘向内部具有明显的衰减趋势。至于构造应力积累时间，一般认为是ｎ×１０￣７年的缓慢过程，而应力释放时间则为ｎ×１０￣６年的过程，是一种灾变性、较快的流变过程。构造应力场数学模拟方法已经比较成熟，构造应力的起源问题则为当今构造地质学的前沿性课题之一，对此本文较客观地进行了探讨。     

一个可考虑球应力和剪应力共同作用的结构性参数

土的结构性是岩土材料的基本特性,基于综合结构势理论建立的结构性参数,以表述土的结构性,但已有的表述存在缺陷,为此针对应变和应力结构性参数的缺点提出了一个可同时考虑球应力和剪应力作用的结构性参数--应力比结构性参数。通过理论分析和三轴试验研究发现,应力比结构性参数与应力或应变结构性参数相比,可同时考虑剪应力和球应力对土结构性的影响,并且剪切过程中结构性参数不再出现峰值,更符合人们以往对结构性的认识。该参数从定量上更加准确地反映了土的结构性。     

全球应力场与构造分析

介绍了近年来全球构造应力研究方面的一些新进展并以“世界应力图”提供的资料为背景 ,结合一些最新的研究成果 ,阐述了全球构造应力场的分布特征及其与板块构造运动之间的联系。研究结果表明 :(1)全球存在大尺度的统一性构造应力场 ;(2 )全球大多数板块内部地区为挤压应力作用 ,其应力结构多为逆断型、走滑型或逆走滑型 ;(3)大陆板块内部的扩张区大多位于高海拔异常地区 ,其应力结构为正断型或正走滑型 ,如青藏高原、东非裂谷和贝加尔裂谷等 ;(4)全球大部分地区的地壳上部构造应力作用方向较为均一 ,存在区域统一应力场 ;(5 )全球大部分地区的最大水平主应力方向与板块绝对运动 (角速度 )迹线保持较好的一致性 ,反映出构造应力与板块运动的关系密切 ;(6 )板块汇聚、洋脊扩张可能是产生岩石圈上部构造应力的主要力源。     

低渗致密砂岩渗透率应力敏感性试验研究

储层岩石中孔隙流体压力的变化会引起有效应力发生变化,进而导致渗透率的改变,引发储层岩石渗透率应力敏感现象。以试验研究了不同围压下渗透率随孔隙流体压力的变化规律,试验包含了老化处理和升降内压4个回路,每个回路是在围压不变降低和增加孔隙流体压力下实现的,采用稳态法采集每个测试点的数据。试验结果表明,渗透率随着孔隙流体压力的降低而减小,随着孔隙流体压力的增加而增加;在低围压下渗透率的变化幅度较大,在高围压下,则变化幅度较小;在不同围压回路下,净应力相等的点对应的渗透率不相等;渗透率在随孔隙流体压力的变化中呈现出“台阶式”变化。根据Bernabe的模型计算了渗透率有效应力系数,结合Bernabe的观点分析计算结果发现渗透率呈“台阶式”变化是微裂缝随应力的变化而发生变形的表现。对试验岩样进行了储层岩石应力敏感性评价,结果表明,该低渗致密砂岩储层表现为中等应力敏感。