基于速率-状态摩擦准则断层滑动失稳的数值模拟研究

文章基于FLAC有限差分程序,利用Fish语言在FLAC程序中引入了速率-状态的摩擦准则,系统研究了断层活动速率对断层滑动失稳时产生的应力降及能量释放的影响规律,为进一步探索断层滑动失稳机制打下了基础。

岩石摩擦滑动失稳前断层区的波速变化

对岩石摩擦滑动失稳前断层区的波速变化进行了实验研究。实验表明，岩石摩擦滑动失稳前沿断层一侧的测线上观测不到波速变化，沿着跨断层的测线可观测到波速下降的前兆，因此，在尝试用波速异常预报断层带粘滑型地震时。

应用滑动准则判断断层稳定性

中国海上某油田钻井少,缺乏足够的毛管压力数据,无断层岩样品,浅层断层多处于未胶结成岩状态,应用目前常用的SGR方法和断层岩排替压力方法判断断层封闭性具有一定的局限性。为此,文中采用Byerlee滑动准则,从三轴应力的角度计算了断层临界失稳压力。研究认为,在类似断裂带填充物饱含水、未成岩的状况下,用Byerlee滑动准则判断断层稳定性时,摩擦系数的选取应该不同于其常规工业取值范围(0.6～1.0),在本油田推荐取值为0.4～0.5,相应断层临界失稳压力为2.74～4.26 MPa。计算结果对工区油田注水开采具有重要的借鉴意义。

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。

断层岩体剪切滑移变形及其临界应力判别准则

为揭示断层岩体在滑动摩擦过程中的应力及运动规律,利用自主研制的裂隙岩体大位移剪切变形装置,研究了单裂隙花岗岩在法向应力等梯度递减过程中的剪切滑移特征及滑移临界应力状态。摩擦强化作用下,单裂隙花岗岩的失稳滑移变形不会无限增长,其滑移临界剪切应力约为该状态下法向应力的1.79倍,在法向应力等梯度降低过程中,最大剪应力降低速率平均约0.145 MPa/s,最大滑移速率平均约8.4μm/s,最大滑移加速度平均约0.547μm/s^(2);借助莫尔-库仑失稳准则建立了临界滑移条件下各应力参数之间的理论模型,将模型与实测参数比较,认为该模型可以较好地匹配实验结果。该结果对预判及评估深度地层裂隙岩体失稳滑移及临界应力状态有一定的参考价值。

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。

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20km×20km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.

基于地应力特征的断层滑动失稳评价方法研究

深部开采时高地应力影响着深部断层以及巷道的稳定性。以淮南矿区实测地应力数据为基础,通过分析不同深度的地应力特征,从地应力的角度研究得出了断层滑动失稳判据。结果表明:深部侧压系数KH值总体上大于1,Kh值均小于1,应力场类型主要为σH>σv>σh型,主要受走滑断层控制;结合库伦滑动准则和Anderson断层理论,得出淮南矿区深部逆断层滑动摩擦系数临界值为0.2,正断层和走滑断层临界值为0.4。最后应用该判据验证了淮南矿区各井田典型断层的稳定性,结果与实际情况一致,均处于稳定状态。

雄安新区现今地应力环境及其对构造稳定性影响研究

雄安新区是一项"千年大计"的国家战略,查明雄安新区及邻区现今地应力环境,评价其构造稳定的动力背景,对保障新区的规划、建设和未来安全具有重要的意义。为此,综合考虑雄安新区及其外围区域构造地质背景、岩体条件等,在雄安新区外围顺平县关键构造部位燕山期隐伏花岗岩中开展620m深孔水压致裂地应力测量和压磁电感法地应力实时监测。结果表明:在测量深度范围内,最大水平主应力(SH)大小为13.23~29.42 MPa,最小水平主应力(Sh)大小为9.28~19.73 MPa;三个主应力大小关系为SH>Sh>SV;最大水平主应力方向为NW20°。引入应力积累系数(μm)、断层摩擦系数(μ),依据库伦断层滑动失稳摩擦准则和Byerlee定律对保定-石家庄、牛东和徐水-大城三条主要隐伏断裂的稳定性进行计算分析,结果显示:在目前地应力条件下,雄安新区三条主要隐伏断裂不会滑动失稳、构造是稳定的,但地壳浅表层应力积累水平中等偏高,建议加强长期地应力实时监测,分析其稳定性的动态演化过程。

M_S8.1昆仑山口西地震和M_S8.0汶川地震余震序列的时空分布特征和持续时间的对比

2001年MS8.1昆仑山口西地震和2008年MS8.0汶川地震发生在同一构造单元,但其余震序列无论在个数、空间分布,还是持续时间上都表现了显著的差别.余震通常由主震区域内背景场地震活动性受到的扰动所引起,这样的扰动则来自于主震造成的应力场状态的变化.本文从滑移速率和状态相依赖的摩擦定律(Rate-and State-Dependent Friction Law)出发,结合区域主震前后的地震活动性资料,定量地估算了这两个大地震后余震序列可能的持续时间,并对不同模型所得的结果进行了比较和对比.结果表明,汶川地震余震持续时间约为昆仑山口西地震余震持续时间的20倍,这是由于昆仑山口西地震和汶川地震余震序列的个数和持续时间不仅与地震成核过程的状态变化有关,还与作用在断层面上的正应力σN和剪应力加载速率τ.的大小有关.主震前后剪应力速率τ.的差别导致了在相同大小应力扰动ΔCFS之后的余震的活动性变化率的明显不同,导致了所触发的余震的个数和余震序列的持续时间的巨大差别.通过对昆仑山口西地震和汶川地震余震序列的时空分布特征和持续时间的定量化认识,可以为地震灾害定量评估提供合理和有益的物理参数.

长三角溧阳震区地应力环境及构造稳定性分析

溧阳震区地处长三角腹地,因短期内连续发生两次中强震而被广泛关注,其构造稳定性对长三角地区影响重大.目前溧阳震区地应力环境尚缺少实测数据,对震区内主要断裂在现今地应力环境下的稳定性认识不清.为此在溧阳震区开展深孔水压致裂地应力测量工作,查明震区现今地应力环境,结果显示:最大水平主应力(SH)大小4.11~6.90 MPa,最小水平主应力大小(Sh)3.69~5.68 MPa;三个主应力的大小关系为Sv>SH>Sh;最大水平主应力方向为N70°W.依据库仑断层滑动失稳摩擦准则和Byerlee定律对震区内金坛—南渡、茅东、溧阳—南渡、南京—湖熟、宝堰—金坛五条主要断裂在现今地应力环境下的稳定性按产状差异分段进行分析,结果显示:在现今地应力环境下,五条主要断裂短期内滑动失稳的可能性较小,震区整体构造是稳定的,但NW向和NNE向两组断裂应力积累水平中等偏高,两组断裂交汇的震区中北部是未来需要重点关注的区域.