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。

2024年1月23日新疆阿克苏地区乌什县M S7.1地震对周围断层的应力影响及对余震的触发作用

为研究2024年新疆阿克苏地区乌什县M S7.1大震对周边区域应力的影响,基于美国地质调查局(USGS)给出的主震破裂模型,计算此次地震对周边地区产生的同震位移场及应变场,结果发现:体应变在震源西北侧呈现拉张,东南侧呈现挤压;面应变的分布与体应变的形态基本相似。为研究该地震对余震的触发情况,首先需要确定接收断层的断层面参数,对中国地震台网发布的2024年1月23日到2024年4月10日的余震震源机制节面聚类分析,得到两簇结果,选择标准差较小的二簇节面进行平均,得到走向为243.91°,倾角为64.97°;将乌什地震震源区的构造应力场投影到该发震断层上,得到滑动角为61.02°。将这些参数作为余震接收断层的断层面参数,同样基于USGS给出的主震断层破裂模型,计算主震产生的静态库仑应力,研究发现:区内库仑应力均超过0.01 MPa阈值,且库仑破裂应力最大值达0.3 MPa,大多数余震处于库仑应力变化的高值区;表明主震产生的静态库仑应力促进了余震的发生。为研究该地震发生对周围断层的影响,根据前人给出的周边断层的几何和滑动特性,计算在周边断裂上沿滑动方向上的库仑破裂应力变化,研究发现:本次地震对迈丹—沙依拉姆断裂库仑应力最大增加量达到0.22 MPa,喀拉铁克断裂、衣木干他乌断裂、塔塔埃尔塔格断裂、奥兹格尔他乌断裂、柯坪断裂的库仑应力变化并不明显,迈丹—沙依拉姆断裂库仑应力增加最大,应注意该断层的地震活动性。

水力压裂延迟活化断层的多场耦合数值模拟研究——以加拿大福克斯溪地区诱发地震为例

加拿大西部盆地的福克斯溪(Fox Creek)页岩气开采区自压裂开采以来,地震频度急剧增加,引发工业界和科学界的广泛关注。目前一些典型诱发地震案例的断层活化动力学机制尚未完全厘清。本文以2014年初福克斯溪地区Duvernay地层附近发生的地震群及构造为研究对象,开展地下断层受流体扰动而活化的多场耦合数值模拟研究。文中重点讨论的1号平台附近发生的诱发地震主要沿着两个较为清晰的发震断层发生,最大震级M_(W)3.9事件发生于压裂井下方约1 km处的结晶基底内,并具有典型的延迟触发特点。本文就上述断层的滞后活化现象开展数值模拟研究。首先,基于PKN裂缝扩展模型计算并验证注入流体的应力扰动输入项,根据地震数据识别出断层的具体位置,结合地层和构造信息建立二维地质模型;然后,耦合固体力学、流体渗流定律和断层活化理论搭建多孔弹性介质内的断层活化数值仿真模型;最后,采用有限元方法数值模拟水力压裂活化断层的全过程,通过计算库仑应力改变量(ΔCFS)的值来观测断层活化前后的流固耦合场和应力应变场的演化特征。结果表明,经过5天注水和15天扩散的流体作用,西断层附近的ΔCFS持续增加,验证西断层延迟活化的主要成因是流体逐渐扩散累积到结晶基底并改变了其应力状态。此外,模拟结果表明东断层的存在使得西断层更容易活化。断层位错产生的正ΔCFS区域与诱发地震发生位置高度吻合。本文的数值模拟研究重现了水力压裂活化断层的物理过程,相关机制的正演分析若能事先开展,将可能为地震危害性预测提供科学依据。

考虑损伤的非等压隧道抗力系数计算

围岩抗力系数是结构设计非常重要的一个参数,Mogi-Coulomb能够较好地反映真三轴条件下中间主应力的影响。基于Mogi-Coulomb准则和弹塑性模型,在合理考虑岩石损伤的情况下,推导出圆形隧洞在非均匀应力场下的围岩抗力系数,更贴近隧洞开挖后的围岩真实状态。推导出围岩抗力系数计算公式,并结合实际工程算例分析了侧压力系数、损伤变量、极轴夹角和剪胀系数对围岩抗力系数的影响。结果表明:围岩抗力系数随着极轴夹角和侧压力系数的增大逐渐减小,且减小幅度越来越小。隧洞岩石的损伤会严重影响围岩抗力系数的计算,围岩抗力系数随着损伤变量的增大而减小,导致围岩的承载能力降低,对隧洞稳定性产生不利的影响。

2023年塔吉克斯坦M_(W)7.2地震InSAR同震形变场与滑动分布

利用Sentinel-1A卫星SAR影像数据,对2023年塔吉克斯坦M_(W)7.2地震开展同震形变提取,基于弹性位错模型进行断层反演,并以本文反演得到的右旋节面解为接收面,计算不同深度的静态库仑应力。同震形变结果显示,升轨LOS向最大形变量达15 cm,降轨LOS向最大形变量达16 cm。断层反演结果表明,此次地震最优发震断层走向为131.1°、倾角为85.7°,同震主滑移区分布在深度10~30 km范围内,以右旋走滑为主,最大滑移位置位于地下约20 km深度处,滑移量为3.49 m,未破裂至地表,矩震级为M_(W)7.16。库仑应力结果显示,该区域库仑应力符合帕米尔高原已有的应力场及地质学研究结果,随着深度增加,其影响范围以发震断层为中心向外扩张,且自5 km深度往下,应力加载区逐渐侵蚀应力卸载区,并开始以加载区为主,在约10 km深度处开始发生余震活动,与本次发震断层相邻的2条断层未来短时间内地震风险性较小。

2023年土耳其两次强震对周围地区的静态应力影响

基于2023年2月6日土耳其卡赫拉曼马拉M_(W)7.8地震和M_(W)7.5地震的有限断层破裂模型,计算了两次强震在周围地区产生的位移场、应力场以及同震库伦应力变化对M_(W)>4.0的余震的应力触发。结果表明:(1)两次强震在地表产生了较大的位移,其中,M_(W)7.8地震产生的最大水平位移约为3.1m,最大隆升约为0.4m,最大沉降约为0.6m。M_(W)7.5地震产生的最大水平位移约为4.3m,最大隆升约为1.9m,最大沉降约为0.8m。两次强震后地表的最大水平位移约为4.15m,最大隆升约为1.9m,最大沉降约为0.8m。(2)M_(W)7.8地震震中南北两侧为面膨胀区,东西两侧为面压缩区,震中区域的主压应力方向为近南北向,主张应力方向为近东西向。M_(W)7.5地震震中北东和南西侧为面膨胀区,南东和北西侧为面压缩区,震中区域的主压应力方向为近东西向,主张应力方向为近南北向。(3)M_(W)7.8地震在M_(W)7.5地震震中处的库伦应力增加约为0.28MPa,说明M_(W)7.8地震对M_(W)7.5地震的发生是有触发作用的。两次强震的发生使得有限断层周围出现较大范围的应力卸载,库伦应力增加的区域主要出现在两个地震的有限断层的两端,应该注意库伦应力增加区域发生地震的危险性。(4)M_(W)7.5地震对M_(W)7.8地震所在断层的南段和北段上M_(W)>4.0的余震是有促进作用的,14~25km深度上的M_(W)>4.0的余震主要发生M_(W)7.8地震所在断层北段与M_(W)7.5地震所在断层东段的交叉区域,M_(W)7.5地震震中西侧的M_(W)>4.0的余震是由M_(W)7.5地震所触发。

浅埋煤层工作面开采覆岩应力场-裂隙场时变演化规律研究

为研究采煤工作面上覆岩层采动应力演化特征及破断过程,以高家梁煤矿40101工作面开采为例,建立数值模型,对工作面开采过程中应力场-裂隙场演化规律进行模拟。结果表明:利用莫尔-库伦准则分析最大主应力与最小主应力差值的变化规律可以判断岩层垮落、破坏之间的关系,通过数值模拟结果与现场实测结果进行比对,可以验证工作面开采过程中裂隙场与应力场时变演化的正确性。

2022年门源6.9级地震的GPS形变特征

利用1999~2021年的GPS观测资料研究2022年门源6.9级地震震中附近区域的地壳形变特征。速度场在祁连山-海原地震带两侧呈现出明显的“南大北小”特性。发震断层速度剖面结果显示,断层两侧挤压速率为3.1 mm/a,走滑速率为3.9 mm/a,这与走滑为主的震源机制解一致。门源地震位于主应变率场和面膨胀率场高值区向低值区过渡的梯度带上,发生在最大剪应变率场和应变率第二张量不变量高值区边缘地区。同震库仑应力触发了大部分的余震,对冷龙岭断裂到海原断裂的地区有一定的应力加载作用。综合地壳形变特征和库仑应力等分析结果认为,冷龙岭断裂到海原断裂地区的地震危险性有所提高。

2022年墨西哥米却肯州7.6级地震序列的触发关系及发震动力学探讨

2022年9月19日墨西哥米却肯州发生M_(W)7.6地震,该地震位于北美板块与科科斯板块交汇处。为进一步研究本次地震对周围断层和后续地震的影响,剖析该地震的孕震背景和发生条件,首先使用包括USGS在内的多个国外地震机构得到的墨西哥M_(W)7.6地震以及后续的两次M_(W)>5.0地震的震源机制解,分别计算出震源机制中心解,然后通过计算主震产生库伦破裂应力变化来研究本次地震对后续两次地震的触发作用,最后收集了1976年1月1日至2022年5月31日发生在本次地震附近的M_(W)≥4.9的29条震源机制解数据,反演该地区的构造应力场,并模拟在局部构造及其作用下产生的各种断层形状及相对正应力和剪应力的分布情况。研究结果表明:①震源机制中心解表明主震和6.8级余震为逆冲型地震,而5.8级余震的震源机制为正断型地震;②本次地震对5.8级和6.8级余震的库伦破裂力变化均超过0.01MPa的阈值,表明这两次强余震可能是在主震的触发下发生的;③震源区应力场的主压应力轴为NNE-SSW向,主张应力轴近乎垂直。本地震序列的断层破裂近乎沿应力场的最大剪应力平面发生,最大限度地释放了构造运动积累的应力。

基于InSAR约束的2022年泸定MW6.6地震同震滑动分布及库仑应力变化

基于Sentinel-1A升降轨影像数据,利用D-InSAR获取2022-09-05泸定地震视线向同震形变场。首先利用贝叶斯方法搜索断层的先验几何参数,利用非负最小二乘原理反演断层精细滑动分布,然后根据断层滑动分布参数计算震中附近库仑应力变化,最后利用震间GPS速度场数据计算发震区震间应变场。结果表明:1)泸定地震的同震形变场沿视线向的最大形变量为15 cm;2)泸定地震是一次典型的左旋走滑型地震,断层走向为NNW-SSE,约167°,沿走向破裂约为55 km,倾角约74°,断裂深度主要为0~17 km,最大滑动量约为1.12 m,对应深度为1 km,释放的总地震矩为1.02×10^(19)Nm,对应矩震级为MW6.64;3)鲜水河断裂带南东段、安宁河断裂带北段和玉龙希断裂中北段处于应力加载状态,未来发生地震的可能性较大;4)震源区位于拉张应变和挤压应变的转换区域,该应变转换区可能与多个不同活动块体在该地区的交会有关。

2022年9月17日中国台湾地震序列的触发机制及其动力学成因

2022年9月17—18日,中国台湾先后发生台东县M_(S)6.5和花莲县M_(S)6.9两次强震及多次余震。两次强震均为逆走滑型地震,且震中都位于台湾纵谷断裂带,该地区构造复杂,为晚中生代古太平洋板块朝东亚陆缘的消减带,具有逆冲型构造应力背景。对纵谷断裂带周围地区历史上发生过的地震进行统计发现,大部分地震为逆断型。为探究该地区此次发生逆走滑型地震的原因及其与构造应力场的关系,首先通过搜集研究区相关的地震震源机制,反演该地区的构造应力场,明确其是以走向为北西西向的压应力为主的应力场;然后将应力场投影到走向、倾角不同的断层面上,发现一些节面上表现出较大的相对剪应力和较小的相对正应力,说明这些节面上具有较强的剪切作用和较小的摩擦力,容易发生错动而产生逆断型、逆走滑型和走滑型的地震。同时,为明确短时间内两次强震间的触发关系,通过计算M_(S)6.5地震在M_(S)6.9地震破裂面和滑动方向上产生的库伦破裂应力变化发现,M_(S)6.9地震约在0.02MPa的库伦破裂应力触发下发生。相关结论对研究台湾纵谷带地震的发震机理和地球动力学具有一定的指导意义。

摩尔-库仑强度准则计算冻结壁应力场和位移场

将冻结壁视为无限长轴对称厚壁圆筒,利用摩尔-库仑强度准则对冻结壁进行弹塑性分析,得到了平面应变状态下应力场和位移场分布特征,对充分发挥冻结壁承载力和深井冻结壁设计具有一定的参考意义。

静态应力触发中影响库仑应力变化的参数敏感性分析

基于弹性位错理论,分析了库仑应力计算中断层的有效摩擦系数、区域构造应力场的最大主应力大小及方向对震后库仑破裂应力场变化的影响。结果表明,在静态应力触发的研究中,这些参数对同震库仑应力变化场存在不同程度的影响。如构造应力场主应力轴方向的改变直接影响接收断层的最优化破裂面,对计算接收断层面上正应力和剪应力变化将产生直接影响,不仅改变库仑应力变化的大小,还明显改变库仑应力变化增强区及影区的空间分布等。

1973～1976年四川松潘强震序列的应力触发过程

本文计算和研究了1 973～1976年四川松潘4次强震组成的序列引起的库仑应力变化图像,分析了由该序列各次事件引起的近场应力变化及其与后续强震发生以及余震分布的关系,同时分析了该序列引起的远场应力变化与随后25年区域中-强地震活动的关系.结果显示:1973年8月11日松潘黄龙6.5级地震导致虎牙断裂带中段上库仑应力的显著增加并触发了1976年8月16日的7.2级地震;此后,又沿断层向南相继触发了1 976年8月22日的6.7级地震和8月23日的7.2级地震.该序列的绝大多数余震主要发生在主震发震断层的近场库仑应力增加区.另外,在该强震序列发生后的25年中、在距该序列发震断层中部约200 km范围内,6次5.0～6.6级地震均发生在由该序列引起的远场、微量的库仑应力变化增加区中.

华北北部构造应力场

本文根据震源机制、原地应力测量、小震应力降和形变测量等资料，结合有限元数值计算的结果，研究了华北北部（东经１１４°─１１７°，北纬３９°─４１°）的构造应力场特征，并根据库仑剪切破裂准则，进一步研究了强震危险区的应力标志。结果表明，强震危险区的应力标志是：（１）最大剪应力相对集中的高值区；（２）围压相对较小的引张区；（３）发震断裂走向与临界走向断裂的走向相同或相近。据此，综合判定研究区未来的强震危险区主要有４个，若依危险程度的大小顺序排列，则是：（１）怀安－化稍营危险区；（２）怀来－涿鹿危险区；（３）广灵－灵丘危险区；（４）怀柔－大兴危险区。

内蒙古阿拉善左旗M_S5.8地震的构造应力场和静态库伦应力变化分析

利用收集的60个震源机制解,应用MSATSI软件反演了2015年4月15日内蒙古阿拉善左旗MS5.8级地震的震中周围地区的构造应力场。结果显示:此次地震是发生在走滑体系的背景下,总体应力场的空间不均匀性表现不明显。总体最大主压应力走向N42±7°E,主张应力走向为N58±12.6°W,R值约为0.4。相比于前人的结果,该结果与地震发生震源机制的P、T轴方位更加一致。为揭示余震和主震之间的关系,计算了此次地震所造成的静态破裂库仑应力变化。结果表明:M4.0级余震的静态库仑应力变化值分别为0.042 8 MPa,M3.2级余震的静态库伦应力变化值为0.023 MPa,说明此次地震对2次余震有触发作用。

工作面回采与断层活化的相互影响分析

对断层活化进行了数值模拟,并分析了断层活化与工作面回采的相互影响。得出如下规律:当断层面的切向应力达到断层的抗剪强度时,断层便进入非稳定的临界状态,此时轻微扰动便可能导致断层活化,释放巨大能量。开采引起的库伦应力增量Δσm是断层活化的主要原因,断层活化概率增益与Δσm成正比。工作面从断层上盘向断层面推进时,断层面法向应力和切向应力都逐渐增大。工作面从断层上盘向断层面推进时,整体上断层面法向应力下降,切向应力上升,这都导致了断层的活化。工作面回采与断层活化是相互影响的两个方面,工作面开采会引起断层应力场的变化继而导致断层活化,断层的活化反过来又对工作面产生影响。

基于应力场与渗流场耦合的尾矿坝稳定性

为探求应力场和渗流场耦合作用对尾矿坝稳定性的影响,采用有限元软件MIDAS,建立Mohr-Coulomb准则的分析模型.在重力作用下,分析不同干滩长度工况下应力场和渗流场的耦合作用,用强度折减有限元法分析尾矿坝稳定性.结果表明:随着干滩长度的减少,剪应变区域增大并形成贯通区,较大的剪应变出现在堆积坝靠近初期坝处,尾矿坝安全系数降低,不利于尾矿坝安全.因此,矿山企业要加强尾矿库现场管理,采用合理排渗措施,以保证尾矿坝安全运行.

玉树地震产生的位移场和应力场研究

根据2010年4月14日玉树7.1级地震的震源破裂模型及余震目录,本文计算了玉树地震产生的位移场和库仑破裂应力。计算结果表明,玉树地震导致应力变化以破裂带为中心高达正负1000Pa变化,沿近东西方向应力增加,巴彦喀喇山主峰断裂、清水河断裂、杂孕—楚玛尔河断裂东南段、称多—曲麻莱—五道梁断裂、冶多断裂中段,扎那曲—着晓断裂、莫云—结多断裂、杂多—上拉秀断裂西北段处于应力增强区,冶多断裂中段、杂多—上拉秀断裂应力增强尤为显著,高达1 000Pa之多,应力的增加有利于这些断裂活动性增强。而沿破裂带方向的断层如甘孜—玉树—风火山断裂带及玉树南—风火山南麓断裂西北段应力减小,对这些地区后续地震的发生有一定的抑制作用。

2015年12月25日山东平邑塌陷事件产生的位移场与应力场

2015年12月25日山东平邑县发生石膏矿塌陷事件。采用各向同性塌缩点源模型计算了该塌陷事件在周围地表产生的位移场、水平应力场及在其附近的蒙山山前断裂上的库伦破裂应力变化。结果表明:1)塌陷中心的水平位移达18mm,在距离塌陷位置约5km范围内的水平位移>1mm,方向指向塌陷中心;塌陷中心的垂直沉降达4mm,在塌陷中心约3km以内沉降>1mm,水平位移和垂直位移在远处快速衰减到可以忽略不计,这是由于该塌陷源较浅,位移变化局限在地表局部所致。2)由于自由表面的影响,该塌陷造成地下2km深度的约5km范围内呈现面收缩应力状态,面收缩应力达1 000Pa;而在远处均处于面膨胀应力状态,膨胀应力最大约达1 000Pa,面膨胀应力在距塌陷中心约10km处迅速衰减到100Pa以下。在2km深度的平面上造成的最大主张应力和主压应力达10 000Pa,在主压应力大于主张应力的塌陷中心约5km范围内,主压应力呈现以塌陷为中心的径向分布,在距塌陷中心约5km以外,主张应力呈现以塌陷为中心的径向分布,随着距离的增大,主压应力和主张应力快速衰减到100Pa量级。3)该塌陷造成了其西北部的蒙山山前断裂(被认为不活动的断层段)上的库伦破裂应力降低,最大值达2 500Pa,造成了东南部的蒙山山前断裂(被认为第四纪左旋正断活动的断层段)上的库伦破裂应力增加,最大值达2 400Pa,在分析该断裂的危险性时要予以注意。