騰沖科學鉆探孔非彈性應變恢復法三維地應力測量

王連捷, 崔軍文, 孫東生, 趙衛華, 錢華山

1)中國地質科學院地質力學研究所, 北京 100081;　2)中國地質科學院地質研究所, 北京 100037; 3)北京超算科技有限公司, 北京 100085

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騰沖科學鉆探孔非彈性應變恢復法三維地應力測量

王連捷1), 崔軍文2), 孫東生1), 趙衛華1), 錢華山3)

1)中國地質科學院地質力學研究所, 北京 100081;2)中國地質科學院地質研究所, 北京 100037; 3)北京超算科技有限公司, 北京 100085

摘要:用非彈性應變恢復法(簡稱ASR法)進行了騰沖科學鉆探孔地應力測量。基于巖芯測量的ASR法是近年來發展起來的深部三維地應力測量的一種經濟實用的新方法。使用該方法進行了720 m至1098 m深處的三維地應力測量, 獲得了該深度范圍的地應力狀態。測量結果表明: 最大和中間主應力近于水平, 最小主應力近于鉛直。最大水平主應力方向為30°到45°。測量結果與地震機制解進行了對比。對比表明, ASR法得到的結果與地震機制解非常吻合。應力狀態有利于高角度斷層產生走滑運動, 低角度斷層產生逆沖運動。這與騰沖地區的地震斷層活動性質一致。測量結果對地震機理的研究有意義。

關鍵詞:地應力測量; 非彈性應變恢復; 騰沖科學鉆; 震源機制解

本文由國家深部探測技術與實驗研究專項(編號: Sinoprobe-05-07)和國家自然科學基金項目(編號: 41404080)聯合資助。

云南騰沖科學鉆探孔位于印度板塊與歐亞大陸碰撞前緣怒江斷裂帶東側的騰沖地塊, 區內有強烈的火山, 熱構造和地震活動。開展騰沖科學鉆探鉆孔的地應力測量, 查明地應力狀態, 對火山和地震活動的研究具有重要意義。

我們用非彈性應變恢復法進行了騰沖科學鉆探孔深部的地應力測量。獲得了720 m至1098 m深度范圍的應力狀態和分布規律。為闡明騰沖火山-地熱區的構造應力場特征, 研究騰沖地區火山和地震活動提供了地應力依據。

基于巖芯測量的非彈性應變恢復法(簡稱ASR 法)是近年來發展起來的深部三維地應力測量的一種新方法。ASR法首先由Voight(Voight, 1968)提出,并由Teufel(Teufel, 1983)進行了一些實用性研究和進一步的發展。但他們考慮的是二維問題。Matsuki(Matsuki, 1991)將其發展為三維問題。近年來, ASR法逐漸被應用于實際的深部三維地應力測量中(Matsuki, 1993; Weiren, et al., 2007; Lin et al., 2008)。汶川5.12大地震后, 我國大陸首次應用ASR法進行了汶川地震斷裂帶科學鉆的地應力測量(崔軍文等, 2013; 孫東生等, 2013; Cui, 2014)。本文是我國大陸又一次用該方法進行的深部地應力測量。

本文對ASR法進行了簡述, 對騰沖科學鉆探鉆孔的地應力測量結果進行了分析, 并與震源機制解進行了對比。ASR法的測量結果與震源機制解很一致。所獲得的地應力狀態與該區地震斷層活動性質相協調。

1　地應力測量方法

ASR法是基于巖心非彈性應變恢復測量的一種深部應力測量的新方法。其原理是基于巖石的流變性。巖石是一種黏彈性體, 具有流變性(耶格等, 1981; 尹祥礎, 1985)。當巖芯被鉆出后, 即脫離應力場的作用, 巖芯卸荷, 首先發生彈性應變恢復, 隨后發生非彈性(滯彈性)應變恢復, 根據巖芯非彈性應變恢復量, 可以確定三維原地應力狀態。

由鉆孔中取出的帶有定向標志線的巖心(定向標志線是用于巖心定向的。為了獲得主應力方向,需進行巖心定向。定向方法有多種, 本文用古地磁方法定向), 經清洗后, 將應變計粘貼在巖心表面。至少在6個方向粘貼應變片。圖1是在9個方向(a1到a9)粘貼應變片的一種布置, 每個方向有兩個應變計。共有18個應變計, 即C1, C2…C18。

用6個方向的非彈性應變恢復的觀測值可以求出非彈性應變分量, 主應變(包括主應變的大小, 方位和傾角)。若多于6個方向的觀測值, 則通過最小二乘法進行計算。

由主應變進而求出非彈性主應變偏量eai( t )和非彈性體應變εm(t )。當已知非彈性恢復柔量時, 由下式可求出主應力(Matsuki, 2008):

p0為孔隙壓力; Jav( t )和Jas( t )分別為體積模式和剪切模式的非彈性恢復(ASR)柔量。

非彈性恢復柔量可由實驗室實驗求得(孫東生等, 2014; Gao, 2014), 也可以近似地認為= 2 , 進而由鉛直應力求得恢復柔量(Lin et al., 2006)。鉛直應力可表示為:

圖1　巖心表面應變計的布置(王連捷等, 2012)Fig. 1　The layout of strain gauges on the surface of a rock core (WANG et al., 2012)

式中: lp, mp, np為鉛直應力與三個應變主軸之間的方向余弦。

鉛直應力又可按上覆巖層的重量計算:

如果已知測量深度h, 從地表到測量深度的平均密度ρ及重力加速度g, 則vσ可由式(3)求出。再由式(2)求出Jav( t ) , 進而求出Jas( t )。

2　騰沖科學鉆地應力測量

2.1騰沖科學鉆孔簡況

騰沖科學鉆位于云南省騰沖縣以北約20 km處(圖4), 是火山、地熱, 地震活動區。鉆孔深度1300 m。對720 m至1098 m深度, 5個巖心樣品(樣品長度10~20 cm)進行了測量, 獲得了該深度的三維地應力狀態。

2.2非彈性應變恢復曲線

來自深度720 m至1098 m巖心樣品的典型非彈性應變恢復曲線如圖2a。該曲線進行了擬合平滑處理, 所以曲線光滑。連續觀測近7天。曲線符合非彈性應變恢復的變化規律。曲線的變化量達50~600多微應變, 超過儀器測量誤差, 滿足測量要求。

由9個方向應變觀測曲線使用前面敘述的方法計算出三個非彈性主應變(ε1, ε2, ε3)和平均主應變(εm), 如圖2b所示。

2.3主應力的方位和傾角

三維最大主應力的方向為北東32°~52°, 傾角小于32°, 最大和中間主應力近水平。最小主應力近鉛直如表1。水平最大主應力的方向為30°~45°,優勢方位35°, 如表1及圖3。

圖2　TC5號樣品非彈性應變恢復曲線Fig. 2　Anelastic strain recovery curves from Sample TC5a-9個方向的非彈性應變恢復觀測曲線; b-非彈性主應變恢復曲線a-anelastic strain recovery curves of measured nine directions from Sample TC5; b-anelastic principal strain curves

表1　主應力的方位和大小Table 1　Azimuth and magnitude of principal stress

圖3　水平最大主應力的方向Fig. 3　Azimuth of horizontal maximum principal stress by ASR

2.4主應力方向與地震機制解的比較

圖4給出了ASR得到的最大水平主應力方向和地震機制解的p軸方位的分布。可以看出, ASR得到的水平最大主應力方向與地震機制解的p軸方向是很一致的。文獻(王紹晉和龍曉帆, 2000)指出, 騰沖火山區強震和中小地震震源機制解的P軸方向大多數為北北東—北東向, 仰角多數小于30, 接近水平。這與本文結果一致。

不但最大水平主應力方向和地震機制解的p軸方位很一致, 而且ASR的三個主應力空間方位(包括傾角)與地震機制解的三個軸(P軸, T軸和N軸)的空間方向和傾角也有較好的一致性, 如圖5所示。

圖4　最大水平主應力方向與震源機制解的p軸方向比較(p軸方向據吳中海等, 2013修改)Fig. 4　The horizontal maximum principal stress from ASR And P-axis of focal mechanism solutions (P-axis is from WU et al., 2013)

圖5為三個主應力軸和地震機制解三個軸的下半球投影。可以看出,1σ與P軸,2σ與T軸,3σ與N軸相對應。也就是ASR得到的三個主應力與地震機制解的三個主軸在空間方位上有較好的一致性。

圖5　ASR得到的三個主應力方位和傾角與地震機制解三個軸的方位和傾角的比較(地震機制解據中國地震臺網中心, 2014)Fig. 5　Azimuth and dip angle of principal stress by ASR and principal axis of focal mechanism solutions (focal mechanism solutions is from China Earthquake Network Center, 2014)

圖6　三維主應力隨深度的變化Fig. 6　The changes with depth of the in-situ stressesa-三維主應力隨深度的變化(S1, S2, S3-分別為最大, 中間和最小主應力, 標有1, 2, 3的直線為擬合直線); b-水平應力隨深度的變化(SH, Sh, SV分別為水平最大, 水平最小主應力和鉛直應力;標有H, h, V的直線分別為SH, Sh, SV的回歸線)a-the changes with depth of the three-dimensional principal stresses (S1, S2, S3are maximum and intermediate and minimum principal stresses and the straight lines labeler as 1, 2, 3 show the regression lines); b-the changes with depth of the horizontal principal stresses (SH, Sh, SVare the maximum and minimum horizontal stresses and the vertical stress respectively and the straight lines labeled H, h, V show the regression lines)

2.5主應力的大小

在720 m和1098 m深度之間, 最大主應力在28~38 MPa之間; 中間主應力在20~32 MPa之間;最小主應力在16~27 MPa之間。水平最大主應力SH在27~37.4 MPa之間; 水平最小主應力Sh在17~ 31 MPa之間。圖6a為三維主應力大小隨深度的變化, 圖6b為水平主應力大小隨深度的變化。可以看出他們都隨深度近于線性增加。

主應力隨深度變化的擬合方程和相關系數為:

最大主應力: S1= 0.0319H + 4, R2 = 0.96;

中間主應力: S2= 0.0257H + 2.5, R2 = 0.89;

最小主應力: S3= 0.0218H + 2, R2=0.88;

水平最大主應力: SH= 0.0295H + 5, R2 = 0.92;

水平最小主應力: Sh= 0.025H + 0.7, R2 = 0.80;

鉛直應力: σv= 0.026H。

鉛直應力由上覆巖層重量得出。

由圖6b可以看出, 水平與鉛直應力的關系為SH>Sh≈SV。這種應力狀態有利于高角度斷層發生走滑運動和低角度斷層發生逆沖活動。與該區的地震斷層活動性質一致。該區大多數地震斷層傾角大于60, 為高角度走滑斷層, 地震多為右旋走滑斷層錯動。有部分地震斷層傾角小于45, 較為平緩, 為逆沖斷層活動(王紹晉和龍曉帆, 2000)。這與該區應力狀態是協調的。

3　結論

(1)ASR法得到的三維最大和中間主應力近于水平, 最小主應力傾角近于鉛直。水平最大主應力方向為30°~45°, 優勢方位為35°。

(2)在720 m至1098 m的深度, 三維最大主應力為28~38 MPa之間。水平最大主應力SH為27~37.4 MPa之間。應力大小隨深度近于線性增加。應力的關系為SH>Sh≈Sv。這種應力狀態有利于高角度斷層發生走滑運動和低角度斷層發生逆沖活動。這與該區的地震斷層活動性質一致。

(3)水平最大主應力方向與震源機制解P軸方位一致。三個主應力的空間方位和傾角與地震機制解的三個軸有較好的對應關系。

(4)騰沖火山區應力場與印度板塊和亞歐板塊的碰撞形成的北北東—北東向應力場一致。應力場的研究對該區火山及地震活動研究以及工程建設有意義。

致謝: 對日本高知巖心研究所林為人教授在ASR方法方面的幫助, 首席科學家許志琴院士的幫助一并表示感謝。

Acknowledgements:

This study was supported by the Science and Technology Project (No. Sinoprobe-05-07) and National Natural Science Foundation of China (No. 41404080).

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WANG Lian-jie1), CUI Jun-wen2), SUN Dong-sheng1), ZHAO Wei-hua1), QIAN Hua-shan3)
1) Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081; 2) Institute of Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037; 3) Beijing Sup-compute Technology Co., Ltd., Beijing 100085

Abstract:Three-dimensional in-situ stress is measured by anelastic strain recovery method (ASR) in Scientific Drilling well in Tengchong of Yunnan province. ASR method is an economic and practical new method, which is developed for three-dimensional in-situ stress measurement at great depth in recent years. In-situ stress state is obtained in depth from 720 m to 1098 m by ASR method. The results of measurement show that the maximum and intermediate principal stress is nearly horizontal, and the minimum principal stress is nearly vertical. The direction of the maximum horizontal stress is from 30° to 45°. Measurement results by ASR are compared with the focal mechanism solution. Comparison shows that the results by ASR are in good agreement with focal mechanism solutions. The stress state is conducive to strike slip movement for high-angle faults and to thrust movement for low-angle faults. This stress state is consistent with activity nature of earthquake faulting in Tengchong area. The results are meaningful for study in earthquake mechanism in Tengchong area.

Key words:In-situ stress measurement; anelastic strain recovery; scientific drilling well in Tengchong; focal mechanism solutions

作者簡介:第一 王連捷, 男, 1933年生。研究員。從事地質災害、地應力測量、應力場數值分析及應用研究。E-mail: wanglj01@sina.com。

收稿日期:2015-07-12; 改回日期: 2015-10-06。責任編輯: 閆立娟。

中圖分類號:P553; P315.727

文獻標志碼:A

doi:10.3975/cagsb.2016.01.11