四川盆地涪陵南地区奥陶系五峰组—志留系龙马溪组页岩古构造应力场及裂缝特征

通过岩石力学实验、声发射实验和地震资料综合解释,利用有限元数值模拟方法,对涪陵南地区奥陶系五峰组—志留系龙马溪组海相页岩古构造应力场进行了数值模拟,并结合岩心实测结果,预测了构造裂缝的发育特征。研究结果表明:①涪陵南地区裂缝主要形成期(燕山晚期)构造应力和裂缝的分布受断层、岩石力学性质和构造应力的影响,断层广泛发育的区域容易出现应力集中,并引起较大的应力梯度。②利用库伦-莫尔破裂准则预测了研究区构造裂缝的发育,同时引入剪切破裂指数R定量表征裂缝发育的强度,其值越大反映裂缝发育程度越高。窄陡断背斜和断层附近裂缝发育,以高角度剪切裂缝为主,而在宽缓向斜部位裂缝发育程度最弱,研究区五峰组—龙马溪组底部硅质页岩应力集中,裂缝最发育。③涪陵南地区海相页岩气保存有利区主要为3个区带:远离大断层的凤来向斜内部,主要构造变形期未遭受大的破坏作用,其位于应力低值区,具有良好的保存条件,为Ⅰ类有利区;白马向斜内部小断层发育,应力值位于中等水平,保存条件中等,为Ⅱ类较有利区;石门—金坪断背斜遭受到强烈改造作用,容易产生大规模剪切裂缝,破坏了保存条件,为Ⅲ类不利区。

锦屏一级水电站库区中小地震震源机制解与局部应力场特征

利用四川及邻区数字地震台网2013—2018年的波形资料,基于CAP和HASH方法反演得到锦屏一级水电站(以下简称锦屏水库)库区及周边M_(L)≥2.5地震的震源机制解,根据DRSSI方法计算得到库区局部应力场信息,结合该区域的地质资料,从震源机制参数和局部应力场变化等方面讨论了水库加卸载对该区域地震活动的影响.取得的主要认识如下:(1)库区地震活动类型以走滑型为主,不同加卸载阶段震源机制类型存在一定差异,库区蓄水前期震源机制类型呈现多样性,蓄水后期与区域背景场趋于一致;(2)库区应力场最大主应力方向以NNW-SSE向为主,分时段结果显示,蓄水后期局部应力场最大主应力方向由NNW向逐渐发生偏转至NW向;(3)库区周边的地质构造和岩性条件有利于库水的渗透,蓄水后重力载荷和流体渗透的共同作用导致岩体断层面库仑应力的变化,从而呈现出库区蓄水前后中小地震活跃程度的显著差异特征.

基于区域构造应力场探讨2014年鲁甸地震余震活动发生在共轭断裂上的原因

2014年8月3日云南省昭通市鲁甸县发生MS6.5地震。该事件的特殊之处在于余震活动表现在共轭的昭通-鲁甸断裂和包谷垴-小河断裂上。为了从应力角度探究地震活动发生在2条断裂上的原因及确定主震发生在哪条断裂上,文中首先搜集了鲁甸地震周围的震源机制数据,求解了区域构造应力场,然后采用新发展的模糊聚类断层面拟合法获得了地震2条断层的产状参数:NNW-SSE向分支的走向和倾角分别为336.67°和88.41°,近EW向分支的走向和倾角分别为266.10°和86.42°。之后,将应力场投影到2条断层面上,发现包谷垴-小河断裂和昭通-鲁甸断裂的相对剪应力都很大,说明2条断层均可能发生地震活动。相比之下,包谷垴-小河断裂处的相对剪应力更大,可能预示着包谷垴-小河断裂的地震活动比昭通-鲁甸断裂更强烈。上述分析得到了2条断层上地震活动的M-T图和总体地震矩的支持。

川滇菱形块体东边界震源机制与应力场特征

文中利用四川、云南、重庆、青海、甘肃地震台网以及西昌密集台阵和巧家密集台阵的数字地震波形资料,采用CAP全波形反演方法及HASH初动极性和振幅比方法,获得了川滇菱形块体东边界区域3 951组M L≥1.0地震的震源机制。进而基于以上震源机制,采用阻尼区域应力场反演算法(MSTASI)和Vavrycuk的迭代联合反演方法获得了研究区的构造应力场分布特征、主要活动断裂的应力性质和摩擦系数。结果显示,研究区震源机制P轴、T轴以及最大主应力轴σ1和最小主应力轴σ3总体上倾角较小,揭示了近水平的挤压或剪切应力环境。σ1以NW-SE和NWW-SEE向为主,从北到南有顺时针旋转的趋势,应力性质以走滑型为主,局部兼有逆冲型和拉张型,整体分布特征与区内走滑型边界断裂活动性质一致。R值具有明显的空间差异,鲜水河断裂-龙门山断裂-安宁河断裂交会地区R值相对较高,有明显的挤压特征;鲜水河断裂带、安宁河断裂带北段和小江断裂带的R值均在0.25~0.5之间,表现为NE-SW向挤压和NW-SE向拉张,拉张应力可能远小于挤压应力;大凉山断裂带北段和则木河断裂带的R值均在0.5~1之间,表现为NW-SE向压缩和NE-SW向拉张,且挤压应力大于拉张应力。研究区域主要断裂的摩擦系数也有差异:安宁河断裂带和大凉山断裂带北段的摩擦系数相对较低,在0.75以下,鲜水河断裂带、则木河断裂带及大凉山断裂带南段的摩擦系数偏高,在0.80以上。川滇菱形块体东边界活动断裂带上的构造应力相对较高,尤其是鲜水河断裂带和小江断裂带的应力更高,需要关注其地震危险性。

页岩油水平井组压裂动态应力场研究

水平井组开发页岩油是基于水平单井压裂局限性提出的新型压裂方式。在水平井组压裂过程中,由于存在多口井和多条人工裂缝,且裂缝周围应力变化和井间地应力分布复杂,这种复杂的应力变化将进一步影响裂缝的扩展形态。因此,深入研究水平井组中不同压裂方式下应力场的变化机理和规律对于控制裂缝形态和提高裂缝复杂度具有重要意义。针对页岩油储层压裂改造过程中应力分布问题,通过构建水力压裂数值模型,系统地研究水平井组不同压裂方式下应力场的变化机理和规律以及裂缝扩展后的应力场变化规律,并基于裂缝的形态特点进行了压裂效果的定量评价。研究表明:①同步压裂布缝方式可以有效影响井间地应力的变化,相较于正对布缝方式,交错布缝方式在井间产生的诱导应力提高了24%,并在相同井距下更容易引起井间地应力转向;②交错布缝方式下所形成的裂缝形态更为优越,压裂效果更为显著,交错布缝能有效提高裂缝的长度和宽度,使裂缝表面积和体积增大了4.6%和21.1%;③拉链压裂所形成的裂缝形态更为优越,压裂效果优于同步压裂,进一步增大了裂缝长度和宽度,使裂缝总表面积和总体积增大了1.3%和0.1%。

蒙冀辽交界地区地壳应力场研究

利用2008年1月1日-2021年12月31日发生在蒙冀辽交界地区的472个地震的P波初动符号资料,应用综合震源机制解法获得了蒙冀辽交界地区0.25°×0.25°精细应力场,所得应力场结果基本覆盖整个蒙冀辽交界地区。应力场反演结果显示:①蒙冀地区受拉张应力体系作用,主压应力场为东向,源自青藏高原东北边缘的强烈挤压作用。综合震源机制解类型主要为正断层和走滑型,P轴整体呈NE、NNE向,T轴整体呈NW或NNW方向,与前人研究该区域活动构造运动和地块受拉张和裂陷作用相符合。②蒙辽交界地区P波矛盾比较大,震源机制界面较为散乱,蒙辽或冀辽交界地区辽宁一侧震源机制解以逆断层为主,辽南地区震源机制以正断性质为主。

碳酸盐岩储层高精度构造应力场模拟与裂缝多参数分布预测方法及其应用

构造裂缝是碳酸盐岩的主要储集空间之一,局部应力导致的构造破裂是影响裂缝发育的重要因素。基于有限元方法的构造应力场模拟已成为构造裂缝预测的重要方法,但尚未能解决模型设置与实际地质情况相差较大、最优边界条件获取效率低以及构造裂缝发育的主控因素不清晰等问题。①引入非均质岩石力学模型构建方法和自适应边界条件约束算法以提升应力场模拟的精度,根据储层破裂率和断裂活动性等参数定量表征储层裂缝发育特征;②定量探讨走滑断裂变形特征的差异和应力扰动对构造裂缝发育的影响,优选控制构造裂缝发育的最强因素构建碳酸盐岩裂缝型储集体发育指数并定量研究其主控因素;③以储集体发育规模预测为基础,结合单井裂缝测井和岩心解释成果,建立不同级别碳酸盐岩裂缝型储集体的地质模式。将该方法在中国塔里木盆地顺北地区18号断裂带及邻区奥陶系碳酸盐岩储层中应用。结果表明,张扭段、平移段与压扭段的裂缝发育程度依次降低。地层变形幅度越大,裂缝发育程度越高。储层岩石力学参数、距断裂的距离、水平两向应力差、应力非均质性系数和综合破裂率被用于构建裂缝型储集体发育指数,其分级结果与实际地质情况匹配度较高。

盖州青石岭震群断层面参数的确定及构造应力场特征研究

根据之前学者的双差定位结果,使用Fit_Fault软件包计算盖州青石岭震群发震断层面走向为114.30°,倾角74.67°。收集2001年至2011年辽宁地区的震源机制解资料,采用全局网格搜索算法,反演该地区的构造应力场,其主压应力轴为NEE向,主张应力轴为NNW向,整体呈现拉张的应力状态。并据此确定出青石岭震群发震断层的滑动角是35.49°,为左旋走滑性质。模拟在辽宁地区构造应力体系下各种产状的断层面上可产生的相对剪应力和相对正应力分布情况,发现该震群发震断层面上的相对剪应力和相对正应力分别为0.513和0.576。分析认为盖州青石岭震群是一处地质薄弱带,背景构造应力场在其最近一期的活动中未起主导作用。

316L电阻增材成形过程应力场数值分析

针对不同速度、不同压力及不同电流情况下应力场的变化情况,采用控制变量和热力间接耦合的方法,建立电阻增材制造316L不锈钢应力场模型,分别截取每一组参数中第1~10层的第1步和最后一步中应力场作为参考数据,对316L不锈钢电阻成形工艺中的应力场进行研究,得出不同参数对应力场的影响规律。通过对仿真结果的分析可知:当移动速度降低时,应力场也随之减小;当压力增大时,应力场也增大;当电流增大时,应力场也增大。该规律为其在实际生产中的应用提供了依据。

复杂应力场中圆形隧洞偏应力场分布规律

为了厘清深部圆形中导洞(设置于双向隧洞中间)围岩偏应力分布问题,结合岩石力学与摩尔-库仑屈服准则,推导平面三向应力场中圆形隧洞围岩主偏应力与塑性区半径解析解,研究不同工况下圆形隧洞围岩主偏应力的分布规律及塑性区边界处主偏应力的几何形态分布特征。结果表明:当隧洞所处的斜向应力场为竖向应力场0.5~1.0倍时,随着斜向应力场水平方位角α_(1)=α_(2)增加,径向1.0倍隧洞半径范围内顶底主偏应力在快速降低,腰部主偏应力在快速增加,径向1.0倍隧洞半径范围外隧洞围岩主偏应力先小幅下降后又逐渐增大,最终在围岩深部趋于某定值;隧洞围岩主偏应力对其塑性区形态分布影响显著,当斜向应力场水平方位角α_(1)=α_(2)为30°时,围岩塑性区形态分布较优,为圆形或椭圆形。

陆相页岩油藏三维空间应力场动态演化规律

砂页互层是中国陆相页岩油藏的一个显著地质特征。由于不同层内的孔渗和力学性质差异巨大,二维模型无法为页岩油藏开发提供准确的指导。本文针对中国陆相页岩油储层纵向多砂页互层特点,建立多压裂水平井三维流固耦合数学模型,并分别考虑地层非均质引起不同层内的应力敏感效应,通过数值模拟研究页岩油储层内单井和多井生产过程中的应力场演化规律。结果表明,当已钻井需要关井进行重复压裂时,重复压裂的位置应当选择水平井筒中部位置,重复压裂最优井段的长度也与生产时间有关,生产时间越长,最优复压井段越短;当以储层的总体开发效率为目标时,应当在不同小层内进行井位设计,如此可以在避免井间干扰的情况下减小井距,增大储层整体动用程度;在进行空间布井的时候也要考虑不同层内的井在水平面上具有一定井间距(大于300 m),且不同层内的井间距不同,如此才能使得页岩油藏达到较好的整体开发效果。本文建立模型可为页岩油立体布井、加密井及重复压裂提供技术支持。

基于仿真数据库的深潜球壳应力场数字孪生方法

提出一种基于仿真数据库及数字孪生技术的深潜球壳应力场预报方法,通过建立不同尺度及载荷下耐压球壳的应力场分布仿真数据库,在潜水器上实现了通过单个耐压壳有限传感器布点虚拟传感监测其他关键部位的应力状态。基于数字孪生技术构建三级虚拟结构层,Level-1 DT层实现从有限元仿真模型到数字模型的空间映射及云图展示,球壳的极限承载力实验与数值结果对比误差小于9.4%。Level-2 DT层通过创建数据库实现数字模型的数据样本推演,仿真数据库中未获得尺寸及载荷条件下的球壳应力场分布通过局部拉格朗日插值方法获得,插值应力结果相对于仿真结果的相对误差为4.8%。Level-3 DT层开发了深潜球壳数字模型危险区域应力场分布的机器学习预报功能,通过粒子群算法优化后的BP神经网络保证预测结果与仿真结果的误差小于1%。该方法综合考虑材料性能、结构尺寸和环境载荷,可以为耐压壳结构的实时安全评估提供参考,实现对潜水器单个或多个球壳动应力场分布的动态感知、智能诊断和科学预测。

四川盆地川西坳陷深部致密砂岩储层地应力场预测及分区评价——以新场—丰谷地区须家河组二段为例

四川盆地川西坳陷新场构造带三叠系须家河组二段致密气藏资源潜力巨大,但地质构造复杂,勘探开发面临巨大挑战。尤其是对现今地应力状态和展布规律的认识尚不清晰,严重制约了工程甜点选取、井眼轨迹优化以及储层压裂改造工作的开展。为明确研究区须二段致密气藏现今地应力的分布特征,从岩心试验、矿场测试和测井解释等多个角度切入,明确单井地应力特征;充分考虑构造变形和断裂对地应力的扰动特征,采用Rhinoceros和FLAC3D软件,对须二段进行了精细的三维应力场建模与预测;基于地应力分布预测结果,选取对压裂和产量影响较大的最小主应力和应力差作为评价指标,对应力场特征进行了分区评价,并对不同应力区井位部署、井轨迹及压裂改造设计给出了初步建议。新场构造带须二段的现今最大水平主应力方向多在N85°—108°E之间,整体随埋深增加逆时针偏转;现今地应力属于走滑应力机制,中部合兴场三向应力明显高于新场和丰谷地区,构造变形和断裂对局部应力场存在扰动。应力分区结果显示,有利于压裂改造的低应力差—低地应力区主要发育在新场和合兴场的三级东西向断裂和四级南北、北东向断裂带附近,以及丰谷地区的构造张性扰动区域。

利用重力场模型解算全球地幔对流应力场

在利用Runcorn模型确定全球地幔对流应力场的研究中,扰动位系数是关键参数之一。在以往研究中,该参数阶次的选取缺乏定量准则,本文引入点质量源法中场源深度与扰动位系数阶次的关系方程,初步对Runcorn模型中截止阶次进行限定。基于该思路,场源深度为30 km的地幔对流应力场应使用2~213阶扰动位系数推算。采用EGM2008地球重力场模型(2~213阶)解算全球地幔对流应力场,并与近8 a内深度大于30 km的M5.5以上地震的震中分布进行比较。结果表明,与板块边界重合的高应力区域和地震震中的分布有较好的对应关系,说明地幔对流可能通过控制板块间汇聚、拉张或错动,进而控制该地区地震的发生。此外,对3处地震发生频数较高的典型区域(欧亚-菲律宾板块边界等)的地幔对流应力及其构造背景进行分析,结果与前人研究结论一致。最后,通过与前人研究结论(2~8阶)进行对比发现,本文解算结果(2~213阶)在太平洋板块西南缘等有较大地震发生的板块边界具更多高地幔对流应力细节,这些地震的发生可能受到小尺度地幔对流的控制。

从震源机制中准确识别发震断层面对重构应力场的意义

基于震源机制的应力场反演,需要从震源机制的两个节面中准确地识别出发震断层面,然后通过拟合发震断层面的滑动方向获得应力场.然而,目前的技术和方法不能保证能够从所有的震源机制中准确地识别出发震断层面.因此,用于应力场反演的断层数据中会参入小部分辅助断层面,这部分假断层的存在会造成重构的应力场与实际应力场产生多大程度的偏离?本文通过合成实验揭示出,从部分震源机制中错误地选择断层面可能会造成重构的应力场方向和主应力相对大小(R)与实际产生较大偏离,重构应力场的偏离程度主要与实际的应力R值、错误选择断层面的震源机制所占的比例以及震源机制中包含的噪声大小这三个因素有关.当实际的应力R值为中间值附近时,只有准确地选择断层面才能准确地重构R值,当实际的应力R值较小时,准确地选择断层面有助于准确地重构应力方向,故准确地从震源机制中选择断层面可以保证在不同的背景应力场下都能准确地重构应力场方向和R值,这对于根据重构的应力场合理解释构造运动具有重要意义.

陕西凤翔井水位和区域应力场变化与地震活动性关系研究

陇县-宝鸡断裂带的北段闭锁程度较强,但关于其南段的闭锁性研究较少。承压含水层的观测井被认为是灵敏的“体应变计”,井水位的上升或下降变化往往能反映区域应力处于拉张或挤压状态。陕西凤翔井位于陇县-宝鸡断裂的中南段。基于对凤翔井水位在2013-2023年期间变化趋势的分析,利用气压系数和M_2波潮汐因子等滑动拟合,计算了不排水条件下,该井含水层的孔隙度、固体骨架的体积压缩系数和水的体积压缩系数。通过该井水位变化量和含水层垂向应力变化量的关系式,定量分析了该井周边地区构造应力场的时序特征。结合区域内GNSS基线和面应变变化,以及2013年以来的地震活动,综合分析认为,该区域的应力场变化分为两个阶段:(1) 2013-2017年,凤翔井水位下降,垂向应力减弱,处于拉张环境,地震频次较低;(2) 2017-2023年,凤翔井水位趋于平稳,垂向应力在零值上下波动,拉张减弱并逐渐转变为应力积累增强阶段,地震频次有所增加。综合近十年凤翔井水位、垂向应力、 GNSS基线和面应变以及地震活动性分析可知,陇县-宝鸡断裂带中南段应力积累较弱,形变量较小,处于相对稳定的状态。

福建仙游震群的应力场及其成因分析

利用双差定位法对2010年8月1日至2014年12月31日福建仙游地区中国地震台网中心记录到的地震群进行重定位,并采用P波初动的方法求解出该震群的159个震源机制解,显示该震群的震源机制解结果与背景构造应力场表现明显不一致。为了进一步探究差异性存在的原因,将得到的震群震源机制解结果分区域和分深度求解应力场,结果显示:金钟水库的东南部附近应力方向更远离背景构造应力方向,并且应力形因子小于0.5,中间轴呈现为拉张应力;随着深度的增加,应力场的方向也更接近背景构造应力场的方向。此外,根据前人研究推断该区域应力方向发生偏转是由于太平洋板块在深部的低角度俯冲挤压导致浅部张开,应力呈现为东西向拉张所致。在上述两原因的共同作用下,使得经震源机制解反演出的应力场结果与背景应力场差别较大。

基于潜高斯过程引入理论先验的钛合金结构件残余应力场推断方法

残余应力(Residual stress,RS)是导致钛合金结构件加工变形的主要原因。钛合金结构件的残余应力包括初始残余应力(Initial residual stress,IRS)和加工表层残余应力(Machined surface residual stress,MSRS),其中,MSRS是加工表层区域的IRS与高水平的加工残余应力(Machining‑induced residual stress,MIRS)耦合作用的结果。结构件的加工变形控制是航空航天工业亟需解决的重要问题,准确获取结构件残余应力场的是加工变形精确预测和控制的基础。然而,现有的残余应力预测方法难以考虑零件制造过程中的各种不确定性,导致预测精度有限。现有的测量方法仅能在样件中测量局部的残余应力,对于大型结构件残余应力场测量,测量效率低。针对以上挑战,本文提出了一种贝叶斯框架下同时推断钛合金结构件IRS和MSRS的方法。该方法将不可观测的IRS和MSRS建模为潜高斯过程,将不同区域的MSRS场之间存在相关性这一先验知识通过具有共享协方差的核函数融入潜高斯过程,并利用可观测的变形力对残余应力场进行推断。本方法提供了一种从概率角度利用变形力数据推断零件残余应力场的有效手段,为后续变形控制策略优化提供了可靠依据。

跳跃运动中不同护膝条件下膝关节半月板应力场的数值研究

目的 采用数值模拟方法,建立人体膝关节肌骨系统生物力学模型,并将人体动力学模型模拟跳跃运动时所获得的运动学和动力学信息作为模型驱动数据,进而分析不同热力耦合护膝条件下膝关节半月板的应力场分布特征。方法 基于受试者CT与MRI断层扫描图像,构建包括骨、关节软骨、半月板、韧带和膝关节外围软组织的较真实人体膝关节模型,依据跳跃运动全周期分析选择蓄力起跳、落地冲击两个半月板损伤风险较大的位姿步态进行模拟,分析4种不同热力耦合护膝条件下膝关节半月板的应力场特征,讨论半月板峰值应力及其应力集中区域的变化,探究半月板损伤以及佩戴护膝的防护功效和力学依据。结果 膝关节内侧半月板前角是应力集中的易受损区域;在热力场耦合护膝条件下,内侧半月板应力集中区域由其狭长且薄弱的前角转移至其较为宽厚的中部,且峰值应力显著降低;内、外侧半月板的峰值应力接近,表明两者共同承担外载,且半月板应力集中区域面积减小。结论 热力场耦合护膝对于膝关节半月板的损伤具有良好防护作用。数值模拟研究结果可以为热力多功能护膝的设计提供理论支撑和技术指导。

结合构造应力场探究地磁转换函数异常

变化的磁场是联系区域应力场和孕震区地球物理环境信息的天然媒介,而地磁短周期转换函数可以反映地下电阻率等物理信息,本研究利用有界影响估计法计算喀什地磁台地磁短周期转换函数实部Ar绝对值,并使用南天山西段及西昆仑地区的震源机制解资料反演了研究区震源机制一致性参数,其时序变化代表研究区应力场的变化。结合研究区应力场变化尝试探究地磁转换函数实部Ar绝对值异常对构造应力作用的响应。结果显示,当应力作用增强后,地磁转换函数在时间上出现同步或滞后的异常变化,表明应力在不断积累增强后,地下介质电阻率发生变化,从而引起感应磁场变化,因此得出应力变化是造成局部磁异常变化的影响因素之一,验证了地震前感应磁效应现象。通过研究8次中强震前应力场与地磁场转换函数变化,发现在6次中强震前均出现震前异常变化,两者在震前的变化有较好的一致性。研究还发现喀什地磁台地磁转换函数不同周期的实部Ar绝对值对不同方位的地震响应不同,可能与震源区地下介质各向异性差异有关。