利用原地应力实测资料分析芦山地震震前浅部地壳应力积累

龙门山断裂带南段的芦山Ms7.0级地震给雅安地区人民群众和当地社会带来巨大的损失,如何从地壳应力积累的角度来研究该次地震对于深入认识孕震发震机理将有很大的帮助.项目组在过去21年中在该区域积累了22个钻孔的应力实测资料,这些应力资料显示该区域的应力状态为逆冲断层应力状态,最大水平主压应力方向为N44＆#176;-64＆#176;W,而且在过去20多年里,该区域的应力状态是稳定的.文中提出利用平均差应力和平均有效应力之比μm来表征地壳应力积累的能力和水平.通过理论分析可知μm的物理意义与μ是近似的,完全可以用μm代替μ来开展分析.利用实测应力数据计算得到的μm范围为0.39～0.56,接近于Byerlee定律所定义的μ=0.6的下限值,该范围与龙门山断裂带震后断层泥稳态摩擦系数的范围完全吻合,芦山地震的发生说明研究区的地壳应处于摩擦极限平衡或者亚平衡状态.芦山地震的震源机制解反应的应力状态为逆冲断层应力状态,主压应力轴方向为122°,与该区域的应力测试数据所反应的应力状态一致.通过与他人的研究成果对比分析可知,芦山地震可看作汶川地震对龙门山断裂带南段区域的断层加载而诱发产生的一次地震.

汶川M_S8.0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.

汶川地震后沿龙门山裂断带原地应力测量初步结果

2008年5月12日在中国四川省西部汶川发生Ms8.0地震,震中位于青藏东缘龙门山断裂带。地震发生后的4个月,沿龙门山断裂带中南段开展了原地应力测量,获得了3个测点的应力大小和方向。在3个测孔中浅部采用压磁应力解除法,深部采用水压致裂法。浅部测量结果显示,位于震中区映秀测点,水平最大主应力值为4.3MPa,最大主应力方向为N19°E;宝兴测点位于震中区西南的龙门山断裂带南段,汶川地震没有导致该段地表破裂,该点获得的水平最大主应力值为9.8MPa,最大主应力方向为N51°W;位于龙门山断裂带最西南端的康定测点,水平最大主应力值为2.6MPa,最大主应力方向为N39°E。利用水压致裂法对各钻孔100～400m深度进行了应力测量,获得了应力随深度变化趋势和应力状态。与震前其它应力测量结果和中国其它地区表层地应力测量结果比较,龙门山断裂带西南段处于相对高应力水平,震中区仍处于中等应力水平。这项研究成果将为评价龙门山断裂带余震和今后强震发展趋势提供关键构造物理参数。

原地应力测量对某核废料处置场场地评价的应用

为研究在某核废料处置场用深地层注浆固化方法处置中放核废液的可行性,我们在该处置场的两口钻井中进行了水压致裂法原地应力测量。通过原地应力测量,发现处置场区的水平主应力和铅直主应力随深度的增加而线性增加,且σ_H>σ_h>σ_r,说明处置场的地应力状态有利于水平或近水平裂缝的产生和扩展,对用水力压裂法处置核废料是有利的,方法是可行的。

基于原地应力实测数据探讨华北典型强震区断裂活动危险性及其对雄安新区的影响

华北地区距雄安新区300km范围内包括唐山、邢台和张北三个典型强震区,近50年来,先后发生1966年邢台7.2级、1976年唐山7.8级和1998年张北6.2级强震活动,未来仍具发生破坏性地震的风险。在现今构造应力环境下,3个典型强震区内断裂活动危险性如何、再次发生中强地震对雄安新区地面稳定性有怎样的影响,这些都是要回答的问题。对此,本文首先基于唐山、邢台和张北强震区关键构造部位深孔水压致裂地应力测量数据,依据Byerlee断层滑动失稳摩擦准则,计算各强震区内潜在发震断层的临界失稳状态,探讨断裂活动危险性;之后依据中华人民共和国第五代《中国地震动参数区划图》之《中国大陆及邻区潜在震源区划分图》,厘定雄安新区外围300km范围内主要潜在震源区和震级上限;最后选取适宜的地震烈度衰减模型,定量计算主要潜在震源区未来发生震级上限地震时对雄安新区地震烈度的影响,进而为雄安新区及重大工程抗震设防提供科学参考。结果表明:(1)唐山、邢台和张北强震区内主要潜在震源区未来发生震级上限地震产生的地震烈度衰减至雄安新区时均位于Ⅳ~Ⅶ度;(2)北京通州及邻区发生8.0级地震、涞水-高碑店沿线发生6.5级地震会在雄安新区产生Ⅶ度地震烈度,震害较轻;(3)其他潜在震源区在雄安新区产生的地震烈度均小于V度,并不会产生显著震害效应。鉴于此,雄安新区抗震设防烈度建议由原Ⅶ度调至Ⅷ度为宜。

川西北跨度23a的原地应力实测数据特征及其地壳动力学意义分析

研究区位于龙门山断裂带北段的中央断裂带和前山断裂带之间,该区地质结构主要为准原地体系和逆冲推覆体系,岩性以志留系下统的泥岩、粉砂泥岩分布最广,遍及全区。为了满足该区一工程建设的需要,在研究范围内开展了4个钻孔的水压致裂原地应力测量工作,测试时间跨度达23 a。测试数据显示,虽然测试时间跨度达23 a,但是原地应力状态基本没有变化,研究区最大水平主应力方向的优势方向为N24.4°W,最大、最小水平主应力随深度线性增加的梯度分别为0.036和0.025。基于实测数据计算的特征参数kH max,kh min,m和R在23 a内没有变化。该区域位于龙门山断裂带中央断裂的下盘,为被动盘,断层活动性和地震活动性都极其微弱,这种特殊的区域地壳动力学条件决定了研究区稳定的区域应力场特征。通过与以往研究成果的对比分析可知,m较好地反映了该区域地壳的应力积累能力,即从应力积累的角度反映了区域断层的强度,这一研究与以往研究成果十分吻合。在未来的研究中,或许可以利用实测应力资料计算的m值,再结合区域断层和地震活动性的比较分析来评价特定区域的地震危险性。

大台沟矿区深孔水压致裂原地应力测量及应用

在辽宁本溪大台沟矿区开展水压致裂法原地应力测试,获得本溪地区2个超1 km深孔的原地应力实测结果,给出深度在1 309 m以内的原地应力实测剖面。从原地应力及岩石力学的角度对该矿未来深部的岩爆可能性进行预测。研究结果表明:大台沟矿区300 m以下深度均有发生不同程度岩爆的可能性,特别是1 100 m以下有发生强烈岩爆的危险性,矿区在未来的开发建设中需注意防范。

川西某水电工程气垫调压室原地应力及相关岩体特性参数的测量与应用分析

为论证某水电工程高压洞室的方案设计,采用水压致裂技术对高压洞室的原地应力及相关岩体力学参数进行细致的测试。测量结果表明,测点洞段围岩的最小主应力值为5.6～7.9 MPa,最小主应力状态为近水平;测点洞段围岩的抗劈裂强度一般为6.0～8.0 MPa,围岩自身具有较强的承载能力;在7.0 MPa高压下洞壁围岩的透水率大多小于1.0 Lu。因此,该洞段岩体具备较为理想的岩体力学特性,是修建高压力洞室的较好位置。但在规模庞大的高压洞室岩体内的极个别张性裂隙带,由于其承载能力弱,串通性强,高压下漏水严重,是无衬砌高压洞室工程建设的一大隐患。对此进行卓有成效的高压灌浆处理,显著提高围岩结构的完整性,增强其高压封闭功能,这是工程建设成败的关键。

原地应力、岩层原地强度及中国大陆之应力场

本文根据中国8个油田中150个井段的水压致裂资料,研究了各地区的水平应力随深度的变化,发现平均水平应力和垂直应力的比值在4000m深处大体上在0.8至1.2范围内,高值对应逆断层,低值对应正断层,实测结果与各地区断层活动特征相互一致.将各区实测最大水平主应力值均归算到海平面以下4000m深处.可以看出,最大水平主应力是随着对印度板块一欧亚板块间的缝合线的距离增加而减小,这与用震源机制作出的中国大陆主应力方向的辐射状分布所暗示的力源中心之推断相互印证.本文还利用压裂曲线试验求取岩层之原地抗张强度,实际结果表现出一定的规律性,强度随岩层之埋深而增加,也随埋藏年代之对数而线性增加,这些强度数据也与实验室结果大体相符.

原地应力对钻孔应变耦合系数的影响分析

利用4层介质耦合钻孔模型,研究该模型中耦合介质弹性参数变化对钻孔应变耦合系数的影响。计算结果表明:在钻孔耦合介质中,弹性层等效弹性模量变化对面应变耦合系数的影响大于对差应变的影响,与观测结果对比,分析发现面应变耦合系数观测值存在明显非均匀性,而且其大小与台站的背景应力场存在对应关系。

水力阶撑法用于原地应力测量的工作原理及其工程实践

将水力阶撑实验做为原地应力测量的一种新的方法，阐明了其工作原理及其实验过程中的水力学机制。以具体工程实践为例给出了该方法的操作程序并论述了它的特色所在。

原生裂隙水压致裂原地应力测量的理论与实践新进展

HTPF法测试所需的数目众多的原生裂隙面大大制约了这种方法的推广应用。针对这一问题,通过为原生裂隙面上广泛存在的剪应力建立力学方程,利用最小二乘法和计算机程序试错搜索原生裂隙面摩擦系数的办法反演原地应力张量。理论上基于每个原生裂隙面的水压致裂测试结果可以建立两个力学方程,那么只需要3条原生裂隙就可以求解原地应力张量,但为了保证计算机程序反演收敛,至少需要5条原生裂隙,这一方法被定名为M-HTPF法。将这种方法在山东某科研钻孔的原地应力测量作业中进行了应用,通过利用5条原生裂隙面上的水压致裂测试得到的关闭压力和方位角数据,反演得到原地应力张量:σ_1=8.85 MPa,方位角为N58.12°W∠14.18°;σ_2=6.61 MPa,方位角为N26.2°E∠-21.54°;σ_3=5.01 MPa,方位角为N62.86°E∠63.86°。通过与同一钻孔内的经典水压致裂法的测量结果对比可知,两种方法得到的最小主应力和中间主应力非常接近,最大主应力则相差较大;两种方法获得的最大、最小主应力方位角基本一致。该方法为单孔三维水压致裂原地应力测量提供了新的思路和途径。

井眼崩落与原地应力

本文从理论上讨论了井眼崩落与原地应力的关系。证明崩落是井眼周围应力集中的结果,其长轴方向指示最小主应力方向,可根据崩落形状计算应力大小。还介绍了测量统计方法及计算程序,并以sz36—1构造为例。

深部垂直钻孔中原地应力测量的混合方法

本文提出一种测量深部垂直钻孔中3个原地主应力的混合方法。最小水平主应力大小及其方向采用水压致裂方法测量,垂直应力利用上覆岩体自重来计算。最大水平主应力的确定则采用其他野外和实验室方法来实现。利用诸如钻孔电视成像仪或地层微成像技术等地球物理测井技术可记录到钻孔崩落的定向图像,从而可得到崩落范围随深度的变化。钻孔岩样的三轴压缩试验可得到岩石的真实三轴强度准则。利用崩落与钻孔壁交界处的局部应力状态与强度准则之间的极限平衡条件,可得到用来计算最大水平主应力的非线性方程。最后,本文将混合方法应用到德国的KTB科学超深钻和台湾地区车笼埔断层钻探的原地应力测量中。

岩性、非均匀性、地形和断层对水压致裂原地应力测量的影响及正确的数据解释和支持测量结果的独立证据的重要性

在水压致裂测量中经常会出现令人感到迷惑的结果,迫切需要对出现异常的原因进行彻底的分析和研究。本文重点阐述岩石的岩性、非均匀性、地形和断裂带对水压致裂测量结果的影响,并强调野外测量经验和正确解释测试数据的重要性。

岩石原地应力的变化性

本文讨论了与不同尺度相关的岩石原地应力的变化性:构造区域尺度、工程场地尺度、洞室挖掘尺度、钻孔测量尺度以及微观尺度。造成这种应力变化性的因素有岩石非均匀性、岩石各向异性、不连续性以及自由面。本文介绍了关于岩石非均匀性导致应力变化的数值模拟。通过应力第一不变量的引入使应力随深度的变化变得明确。在锦屏Ⅱ号场地,钻孔中的岩石圆盘化现象得到展示。建议将对岩体的计算机建模作为增强地应力测量结果的一种方法。

原地应力状态三维分布估算方法的发展及初步应用

日本原子能机构(Japan Atomic Energy Agency)提出了一种方法,即通过地表原地应力测量所得的有限数据精确估算任意一点的实际原地应力状态分布。我们假定实际地应力是由上覆岩层压力和板块构造力的综合作用形成的,并建立了两种模型:三维有限元模型和边界元模型,模型考虑了地质情况的不均匀性,如岩石类型的变化和断层的存在。然后,为了检验模型,我们将这个方法应用到了瑞浪市地下研究实验室(MIU)周边的一些测点的原地应力状态估算之中。

水压致裂法测试原地应力的研究与应用

文章以红庆河区乃马岱井田为例,着重介绍了水压致裂法测试原地应力基本原理、测试方法及良好的技术效果,为煤矿巷道的施工设计提供了可靠的依据。

根据原地应力测量估算地壳的挠曲及其与大地构造的关系

在早先的研究中,著者提出了一个数值方法来估算地壳表层的静态挠曲和引起挠曲的力.著者把这个方法用来估算在Kanto-Tokai区测量的原地应力资料(Kanto-Tokai区是3块板块汇合的活动边缘),估算出了静态挠曲和引起挠曲的力.他发现算出的挠曲与该区的大地构造一致并且它是由菲律宾海板块的俯冲引起的.早先研究中仍未解决的应力标准态问题本文提出了解答.根据附加的信息对早先的结果作了回顾并取得了下列结论: (1)估算出的挠曲的垂直向横剖面显示出与由二维有限元模型奎值估算的地球表面的垂直向形变很相似,还计算了对沿列岛和下沉海洋板块之间界面拖拽的日本列岛的影响.根据粗略比较,推断该界面上的累积拖拽为1一2 km. (2)近年来Kant。一Tokai周围区的垂直运动显示了与估算的静态挠曲具正相关,暗示这应力是现代积累的.