曹 輝 ,孫東生,孟 文,趙衛(wèi)華,萬串串

1)北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院,北京 100083;2)中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所,國(guó)土資源部新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081;3)北京礦冶研究總院,北京 100016

地應(yīng)力是控制地震孕育和發(fā)生的主要因素。近年來隨著地應(yīng)力測(cè)試能力的不斷提高,國(guó)內(nèi)外開展了大量針對(duì)地震機(jī)理研究的地應(yīng)力測(cè)量(Liao et al.,2003;Lin et al.,2013;Sun et al.,2014)。將實(shí)測(cè)地應(yīng)力數(shù)據(jù)作為邊界條件,開展地震孕育、發(fā)生和發(fā)展的數(shù)值模擬研究成為了地震機(jī)理研究的熱點(diǎn)(Sun et al.,2013)。相比而言對(duì)于震源深度應(yīng)力狀態(tài)及孔隙壓力與地震活動(dòng)相關(guān)性方面研究較少。本文結(jié)合秘魯南部斑巖銅礦自然崩落法可行性分析工作的需要,利用礦區(qū)探礦鉆孔,采用水壓致裂原位地應(yīng)力測(cè)試技術(shù),首次獲取了安第斯山中段千米深度的原位地應(yīng)力大小及方向隨深度的變化規(guī)律。依據(jù)安德森斷層強(qiáng)度理論繪制了應(yīng)力多邊形,并根據(jù)庫倫摩擦破裂準(zhǔn)則討論了應(yīng)力狀態(tài)與地震活動(dòng)的相關(guān)性。

安第斯山位于納茲卡洋殼板塊和南美板塊之間,是全球地震活動(dòng)極其活躍的區(qū)域之一。受納茲卡洋殼板塊持續(xù)向南美大陸板塊俯沖作用,歷史上沿安第斯山中段發(fā)生多次破壞性地震(Rhea et al.,2010)。根據(jù)世界應(yīng)力圖數(shù)據(jù)庫的結(jié)果,截止目前沿安第斯山中段尚無深部原位地應(yīng)力實(shí)測(cè)資料,僅有震源機(jī)制解及地表調(diào)查資料(Heidbach et al.,2009)。因此通過實(shí)測(cè)獲取安第斯山中段深部應(yīng)力狀態(tài),不僅對(duì)該地區(qū)地震機(jī)理分析具有重要意義,而且對(duì)世界應(yīng)力圖數(shù)據(jù)庫具有重要補(bǔ)充價(jià)值。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

從元古代到新生代,安第斯山中部發(fā)生了多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng),特別是中新生代以來,本區(qū)構(gòu)造演化與納茲卡洋殼板塊向南美大陸板塊俯沖息息相關(guān),逆沖擠壓、伸展拆離、走滑平移,使得區(qū)內(nèi)巖石發(fā)生多期疊加變形,形成了各種構(gòu)造現(xiàn)象復(fù)合疊加的現(xiàn)狀(金文強(qiáng),2010)。相對(duì)于穩(wěn)定的南美板塊而言,納茲卡洋殼板塊以73～80 mm/yr的速度持續(xù)向南美大陸板塊俯沖,由于納茲卡板塊的持續(xù)活動(dòng),歷史上安第斯山中段發(fā)生了數(shù)次大于7.5級(jí)的強(qiáng)震(如圖1),震源深度集中在10～60 km之間(Rhea et al.,2010)。

2 秘魯南部水壓致裂法原地應(yīng)力測(cè)量

2.1 水壓致裂原地應(yīng)力測(cè)量

水壓致裂原地應(yīng)力測(cè)量方法是國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)試驗(yàn)方法委員會(huì)建議的確定巖體應(yīng)力方法之一(ISRM,1987;Zang et al.,2010)。具有操作簡(jiǎn)單、測(cè)量深度大、原位測(cè)量等優(yōu)點(diǎn),在國(guó)內(nèi)外重大工程建設(shè)、深部礦山開采及地震機(jī)理研究方面得到了廣泛應(yīng)用(陳群策等,2010;Meng et al.,2012)。

2.2 測(cè)量點(diǎn)地質(zhì)概況

測(cè)點(diǎn)位于秘魯南部阿雷基帕(Arequipa)省境內(nèi),西科迪勒拉山脈西南坡,地理坐標(biāo)為 16o37′8.41?S、71o28′10.34?W,鉆孔口標(biāo)高 2929 m,近秘魯智利海溝的轉(zhuǎn)折端,西南方向距海溝直線距離約90 km(如圖1所示)。區(qū)域上屬于安第斯山造山帶的組成部分—西科迪勒拉山構(gòu)造巖漿活動(dòng)帶西緣,東側(cè)為高聳的米斯蒂等火山帶,構(gòu)造線在此由走向北西轉(zhuǎn)為近南北向。地應(yīng)力最大測(cè)深 985 m,鉆孔揭露巖性包括花崗閃長(zhǎng)巖、英安斑巖、安山巖、閃長(zhǎng)巖及角礫巖。

2.3 原地應(yīng)力大小

通過鉆孔編錄和巖芯資料,在鉆孔裸眼段236～985 m深度范圍內(nèi),共完成16段水壓致裂測(cè)試,測(cè)量曲線標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范,壓裂曲線特征值確切,各回次重張曲線重復(fù)性較好,典型水壓致裂記錄曲線如附圖2所示。

圖1 地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)位置及區(qū)域內(nèi)1900—2007地震空間分布Fig.1 Location of insitu stress measurement point and spatial distribution of earthquakes that occurred in 1900–2007

圖2 不同深度典型水壓致裂測(cè)量曲線Fig.2 Representative curves of hydraulic fractures at different depths

表1 水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果Table 1 Results of in situ stress measurement by hydraulic fracturing method

水壓致裂原地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果如表1所示。測(cè)試得到水平最大、最小及垂向應(yīng)力大小隨深度的變化如圖3所示。結(jié)果表明在257～985 m測(cè)量深度范圍內(nèi),主應(yīng)力的量值均隨深度增加而增大。最小水平主應(yīng)力的量值范圍為 7.97～24.15 MPa;最大水平主應(yīng)力的量值范圍為12.38～34.47 MPa;垂向應(yīng)力為上覆巖體重量(該鉆孔40～1000 m范圍內(nèi)77個(gè)樣品的平均密度為 2.65 g/cm3),其變化范圍為 6.81～26.10 MPa。在全孔段范圍內(nèi)σH/σh比值介于 1.43～1.66之間。水平最大、最小主應(yīng)力大小隨深度的擬合公式如下,其中H為上覆巖體厚度,單位為m。

2.4 現(xiàn)今主應(yīng)力方向

圖3 主應(yīng)力隨深度變化曲線Fig.3 Curves of variation of principal stress with depth

采用印模技術(shù)獲取376 m、424 m、541 m、640 m共計(jì) 4個(gè)深度的最大水平主應(yīng)力方向。結(jié)果表明396 m和424 m深度處水平最大主應(yīng)力方向?yàn)镹EE,541 m和 640 m深度的水平最大主應(yīng)力方向?yàn)镹WW,水平最大主應(yīng)力方向在深部(500 m以下)發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。已有資料表明大斷層及巖性變化可造成水平最大主應(yīng)力發(fā)生偏轉(zhuǎn)(Shamir et al.,1992)。巖芯編錄顯示在鉆孔530 m附近發(fā)育近2 m厚斷層角礫巖,可能是造成主應(yīng)力方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)的原因之一。巖性上,根據(jù)礦區(qū)大量鉆孔揭露資料表明,研究區(qū)淺部(500 m 以上)巖性主要為花崗閃長(zhǎng)巖,以下主要為英安斑巖及角礫巖(吳斌等,2013),即在500 m附近存在明顯的巖性分界線。

根據(jù)世界應(yīng)力圖數(shù)據(jù)庫(Heidbach et al.,2009),沿安第斯山脈基本無實(shí)測(cè)應(yīng)力資料,僅有地震機(jī)制解和地表調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明安第斯山中段處于山脈走向轉(zhuǎn)折區(qū),最大主應(yīng)力方向變化比較復(fù)雜,總體上研究區(qū)最大主應(yīng)力優(yōu)勢(shì)方向?yàn)镹WW—EW方向,測(cè)量結(jié)果與已有區(qū)域結(jié)果基本吻合。

3 深部應(yīng)力狀態(tài)與地震

3.1 深部應(yīng)力狀態(tài)的估算

研究區(qū)震源深度在 10～60 km之間,如何由淺部應(yīng)力狀態(tài)推測(cè)深部應(yīng)力狀態(tài)是一個(gè)正在探索的問題。根據(jù)安德斯斷層理論及庫倫破裂準(zhǔn)則,可由正斷層、走滑斷層和逆斷層發(fā)生破壞滑動(dòng)的條件估算深部應(yīng)力的范圍(Jaeger et al.,1979;Zoback,2007):

圖4 根據(jù)安德斯斷層和有效庫倫破裂準(zhǔn)則繪制的應(yīng)力多邊形(Sv為30 km深度的垂向應(yīng)力;RF為逆斷層應(yīng)力狀態(tài);SS為走滑斷層應(yīng)力狀態(tài);NF為正斷層應(yīng)力狀態(tài))Fig.4 Stress polygons based on the Anderson theory of faulting and effective Coulomb failure criteria (Sv-vertical stress at the depth of 30 km;RF-reverse faulting;SS-strike-slip faulting;NF-normal faulting)

式中Pp為孔隙壓力,σ1,σ3為最大與最小主應(yīng)力,μ為摩擦系數(shù)。方程左邊小于右邊則斷層穩(wěn)定,若左邊等于或大于右邊,斷層將沿最優(yōu)斷面滑動(dòng)。

拜爾利定律指出當(dāng)圍壓大于200 MPa時(shí),μ值約為0.6(Byerlee,1978)。本文假定震源深度30 km,摩擦系數(shù)μ=0.6,鉛直應(yīng)力 σv按上覆巖層的重量計(jì)算(密度2.65 g/cm3),孔隙壓力按靜水壓力計(jì)算,計(jì)算30 km處的應(yīng)力范圍如圖4a,根據(jù)測(cè)量結(jié)果推測(cè)30 km處應(yīng)力大小在多邊形范圍之內(nèi),屬于走滑斷層應(yīng)力狀態(tài),且斷層穩(wěn)定。如果應(yīng)力狀態(tài)處在多邊形的邊緣上,則斷層將要滑動(dòng)。

3.2 地震發(fā)生的條件

研究區(qū)屬于地震活動(dòng)高發(fā)區(qū),歷史上測(cè)點(diǎn)附近發(fā)生過多次破壞性地震(Rhea et al.,2010)。由圖4a可知當(dāng)前深部應(yīng)力狀態(tài)距斷層滑動(dòng)的臨界狀態(tài)尚遠(yuǎn),若斷層達(dá)到臨界狀態(tài),需要滿足以下條件之一。(1)提高最大水平主應(yīng)力或者降低最小水平主應(yīng)力,即加大主應(yīng)力比值?？赏ㄟ^構(gòu)造加載實(shí)現(xiàn),也就是納茲卡板塊向東的持續(xù)俯沖,在該區(qū)形成應(yīng)力集中,逐漸提高最大與最小主應(yīng)力的比值。但由于地殼應(yīng)力加載速率相對(duì)較慢,已有資料表明,多數(shù)地區(qū)的應(yīng)力加載速率約為每年幾KPa(Wan et al.,2010),這樣千年時(shí)間的應(yīng)力積累才達(dá)到MPa的量級(jí),因此地震周期內(nèi)的應(yīng)力積累不足以引起斷層滑動(dòng)。(2)高孔隙壓力的存在。高孔隙壓力可降低有效應(yīng)力和斷層臨界應(yīng)力。由式4可知,當(dāng)孔隙壓力為0.68 σv時(shí),當(dāng)前應(yīng)力達(dá)臨界狀態(tài),小的應(yīng)力擾動(dòng)或應(yīng)力積累就可能觸發(fā)斷層滑動(dòng),發(fā)生地震,如圖4b。深部是否可能存在高孔隙壓力？答案是肯定的。如日本 2011年 9級(jí)大地震后,Hasegawa等(2011)根據(jù)該地震的應(yīng)力降計(jì)算得到地震時(shí)震源處的孔隙壓力約為上覆地層重量的0.94倍。同樣在油氣田開發(fā)中也證明了存在高地層壓力(孔隙壓力)的情況(Zoback et al.,2007)。

4 結(jié)論

利用水壓致裂原地應(yīng)力測(cè)試技術(shù)首次獲取了安第斯山中段千米鉆孔的原地應(yīng)力狀態(tài),為地震活動(dòng)研究提供了基礎(chǔ)資料。

(1)獲取了安第斯山中段原地應(yīng)力大小及方向隨深度的變化規(guī)律,測(cè)試深度范圍內(nèi)主應(yīng)力之間的關(guān)系為 σH>σv≥σh,最大與最小水平主應(yīng)力比值σH/σh介于 1.43～1.63之間,有利于逆沖或走滑斷層活動(dòng)。最大水平主應(yīng)力方向與震源機(jī)制解和地表調(diào)查結(jié)果基本吻合。

(2)根據(jù)實(shí)測(cè)地應(yīng)力結(jié)果推測(cè)30 km深處的應(yīng)力狀態(tài)落入根據(jù)地殼強(qiáng)度估計(jì)的應(yīng)力范圍之內(nèi),據(jù)此應(yīng)力狀態(tài)討論了地震發(fā)生的條件,提出除納斯卡板塊的擠壓外,高孔隙壓力可能是該區(qū)地震頻發(fā)的主要原因。

致謝:感謝地殼應(yīng)力研究所安其美研究員,北京礦冶研究總院楊小聰教授、陳何教授對(duì)本文的指導(dǎo)和幫助！

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