山西盆地现今地应力状态与地震危险性分析

陈群策, 安其美, 孙东生, 杜建军, 毛吉震, 丰成君

1)国土资源部新构造运动与地质灾害重点实验室, 北京 100081

2)中国地质科学院地质力学研究所, 北京 100081;

3)中国地震局地壳应力研究所, 北京 100085

山西盆地现今地应力状态与地震危险性分析

陈群策1,2), 安其美3), 孙东生1,2), 杜建军1,2), 毛吉震3), 丰成君1,2)

1)国土资源部新构造运动与地质灾害重点实验室, 北京 100081

2)中国地质科学院地质力学研究所, 北京 100081;

3)中国地震局地壳应力研究所, 北京 100085

在山西盆地南北两端4个地区共计13个深钻孔中进行了水压致裂地应力测量, 获得了现今地应力的大小、方向和分布规律。在盆地北端五台山、雁门关地区 400～600 m深度内, 实测最大水平主应力值为8～12 MPa。而南端临汾、运城地区则具有较高的构造应力, 在400～500 m深度内实测最大水平主应力值为20～28 MPa。地应力“南高北低”比较明显。运用这些实测的地应力资料, 根据库仑摩擦滑动准则, 对研究区内断裂的稳定性进行了力学分析。分析结果表明, 总体来看, 目前五台山、雁门关和临汾地区的水平主应力都未达到断层活动的临界值; 运城地区已接近断层活动临界值的下限, 若计入孔隙压力的影响因素, 运城地区最大水平主应力已达到逆断层活动的临界值。从地应力的角度分析认为该区发生地震的潜在危险性较大, 这一现象值得关注和研究。

山西盆地; 水压致裂; 地应力测量; 应力状态; 库伦破裂准则

Key words:Shanxi basin; hydraulic fracturing; in situ stress measurement; stress state; Coulomb faulting criterion

地应力是固体地壳最重要的物理量之一, 也是影响和控制地震孕育和发生的主要成因。地应力在地壳中是呈非均匀性分布的(谢富仁等, 2004)。这种非均匀性不仅表现为空间上, 也表现为时间上。随着地质构造活动的不断演化, 某一地区的地应力状态也在变化, 有可能从某一时间尺度内的相对“平衡状态”转变为“临界状态”。此处所谓的“平衡状态”和“临界状态”是指地质结构——尤其是断裂,在特定的地应力环境中所处的力学平衡状态。当地壳内的应力不断聚集, 其应力水平达到或超过岩石的强度, 岩层产生破裂, 已有断裂突然失稳, 沿断层面产生错动, 从而发生地震。因此, 从地应力的角度, 分析和研究某一地区是否进入“临界状态”便成为地震危险性分析的重要内容, 并为众多研究人员所瞩目(安其美等, 2004; 李方全, 1982; Zoback M.D et al., 1992; 张景寿, 1994)。

我们对近年来在山西盆地获得的原地应力测量资料进行了整理和分析, 发现在盆地的南北两端地应力的赋存状态存在较大的差异, 主要表现为地应力的量值呈现了“南大北小”的基本特征。为了对这一现象进行较为深入的探讨, 本文给出了13个钻孔总计84个测段的水压致裂地应力测量资料, 包括测段深度、最大和最小水平主应力的量值以及其中部分测段确定的最大水平主应力的方向。以这些实测数据为基础, 结合库伦破裂准则, 并引用 Byerely等人关于断层滑动方面的研究成果(Byerlee J D, 1978; 张伯崇, 1996), 对山西盆地的地应力状态及其断层活动性进行了分区研究, 进而对该区域内发生地震的危险性进行了初步的分析。

1 基本理论

地应力与断层活动密切相关, 研究结果表明,当最大、最小和垂直三个主应力的关系分别为SH＞Sh＞Sv, SH＞Sv＞Sh和Sv＞SH＞Sh时, 分别有利于逆断层、走滑断层和正断层活动(李方全, 1994)。本文讨论各种断层活动类型时, 假设有一个主应力是垂直的。

库仑准则指出, 如果断层面上的剪应力 τ大于等于滑动摩擦阻力μσn, 则断层出现滑动。若再引入有效应力的概念, 在可能产生滑动的断层面上最大与最小有效应力之比是“摩擦系数”μ的函数, 并用下式表示:

式中S1和S3分别为最大与最小水平主应力值, P0为孔隙压力, μ为滑动摩擦系数。若最大与最小有效主应力值之比小于此值, 则断层面稳定, 若大于等于此值, 则在方位合适的层面上可能发生滑动。所谓方位合适的层面系指层面的法线方向与最大水平主应力S1的夹角为φ的面, 而φ与μ的关系为(张伯崇, 1996)

拜尔利综合各种类型的岩石试验资料得出, 在应力值小于 100 MPa时, 大部分岩石的 μ值为0.85(Byerlee J D, 1978)。张伯崇对三峡地区花岗岩、灰岩和砂岩进行三轴摩擦试验结果得出, 在正应力小于150～250 MPa范围内, 岩石摩擦强度的下限大体为 τ=0.65σn, 上限为 τ=1.10σn, 平均 τ=0.85σn, 其结果大体与Byerlee的结论一致(张伯崇, 1996)。

中间主应力 S2在断层面内, 对应于 μ=0.6～1.0, φ的取值范围为φ=60.5°～67.5°。

2 区域地质构造概况

在大地构造上, 测区位于燕山和秦岭纬向构造带之间的新华夏系第三隆起带上。主体构造方向为NEE-NE向。其两端由于受燕山和秦岭东西向构造的影响, 产生联合现象, 转成 NEE向, 如五台山背斜和中条山背斜等。新生带以来, 本区相对华北平原沉降区不断隆起, 形成山西高原 NNE向隆起带,在隆起带轴部形成一系列走向 NE-NEE的断陷盆地。与本研究相关的主要构造, 自北向南主要有: 六棱山山前断裂、恒山北山前断裂, 五台山山前断裂,云中山山前断裂、系舟山山前断裂、交城断裂、太古断裂, 霍山山前断裂、罗云山山前断裂、中条山北山前断裂、中条山南山前断裂(图1)。

3 山西盆地现今地应力状态及地震危险性分析

在山西盆地的北端雁门关和五台山地区以及南端的临汾和运城地区, 共收集了13个钻孔的地应力测量资料(测区位置见图 1)。测孔深度一般在 200～500 m, 最深近600 m, 测量方法均为水压致裂原地应力测量方法。对于每一个钻孔的测试, 一般由浅到深都进行了不少于 5个深度段的原地测试, 本文的讨论共采用了 13个钻孔总计 84个测段的数据,为方便相关研究人员进一步研究, 将这些实测数据附录在本文后(附表1～4)。

图1 山西盆地区域地质构造与地应力测量位置示意图(据国家地震局, 1989)Fig. 1 Sketch map showing regional geological structures and in-situ stress measurement positions in Shanxi Basin (after State Seismological Bureau, 1989)

对上述地应力测试数据进行的初步分析表明,位于山西盆地北部的五台山和雁门关两个地区应力量值较低, 而靠近盆地南部的临汾和运城地区应力值较高, 尤其是运城地区, 在深度为 350～450 m的深度范围, 其最大水平主应力的量值均超过20 MPa,最高达到28.55 MPa(参见附表1～4), 几乎相当于北部五台山和雁门关地区相应深度地应力值的两倍。就山西盆地而言, 地应力值呈现出明显的“南高北低”现象。为了对测区的地应力状态进行深入的分析, 以下将这些实测数据绘制成应力随深度的分布图, 并根据本文第一节给出的计算公式, 计算出对应于逆断层活动和正断层活动的最大和最小水平主应力的临界值, 也一并绘制于上述图件中。具体分析结果如下。

3.1 雁门关、五台山、临汾地区现今地应力状态

雁门关测区位于静乐向斜北东部边缘。在 4个钻孔内(孔深200～570 m)的钻孔中取得28个深度的应力资料, 其最大水平主应力值一般为 8～15 MPa,最小水平主应力值一般为6～10 MPa。

五台山测区在五台县城西南方向约10 km左右,位于著名的忻定盆地的东缘。在该测区内的 5个钻孔中(孔深 200～600 m)取得 42个测段的应力资料,最大水平主应力值一般为8～12 MPa, 最小水平主应力值一般为4～6 MPa。

临汾测区位于山西省临汾盆地西部。在两个500 m深度的钻孔内, 取得8个测段深度的应力资料, 最大水平主应力值一般为 16～20 MPa, 最小水平主应力值一般为9～11 MPa。

将上述3个测区获得的地应力实测数据绘制成随深度的分布图, 同时, 按照前述的库伦破裂准则以及拜尔利定律, 计算出对应于逆冲断裂活动和正断层活动最大和最小水平主应力的临界值, 也绘制于同一个图上, 如图2所示。在此需要提及的是, 由于测量钻孔的地下水位都很低或者为干孔, 因此,在资料分析中未计入孔隙压力Po的影响。

在图2中, 黑色圆点为实测的最小水平主应力,空心圆代表最大水平主应力, 草绿色直线代表按照静岩压力计算的垂向应力。两条红色直线表示断层摩擦系数分别取值为0.6和1.0时最大水平主应力的临界值, 两条蓝色直线为最小水平主应力的临界值。从该图中可以看出, 除浅部个别测点最大水平主应力进入临界区, 以及400～500 m范围几个测点的最小水平主应力进入临界区, 其余绝大部分测点都在临界区以外, 从地应力的角度来分析, 区域内断裂处于相对稳定状态。

图2 五台-雁门关-临汾地区地应力随深度分布Fig. 2 In-situ stress measurements and fault activity analyses of Wutai-Yanmenguan-Linfen area

3.2 运城地区现今地应力状态

测区位于华北大陆亚块南部鄂尔多斯块与河滩地块接触带南端。进行地应力测量的两个钻孔水平距离约200 m左右, 岩性分别为花岗岩和石英岩、石英砂岩(安其美等, 2009)。

在以上两个深度近500 m的钻孔内取得了14个深度段的应力资料, 应力值随深度分布如图3所示。从中可以看出, 最大水平主应力值一般为 15～25 MPa, 最高28 MPa。最小水平主应力值一般为9～12 MPa, 最高16 MPa。对照图2, 运城地区的应力状态明显不同于前述的3个地区, 在其测量深度域内(除1个别测点外), 三向主应力的关系一致表现SH＞Sh＞Sv, 应力结构明显有利于逆断层活动, 水平主应力随深度增加而增大。在不考虑孔隙压力Po的情况下(两条蓝色直线代表对应的最大水平主应力的临界值), 测区的最大水平主应力值部分已进入断层摩擦滑动的临界区, 如计入孔隙压力 Po的影响,最大水平主应力值大部分已进入逆断层活动的临界区(两条红色直线代表对应的最大水平主应力的临界值)。其最大水平主应力的量值基本已进入临界状态。由此判断, 本区域内已积累了较高的应变能, 断裂处于逆冲活动的临界应力状态, 这一现象值得进一步的研究与关注。

图3 运城地区地应力测量结果及其断层活动性分析Fig. 3 In-situ stress measurements and fault activity analyses of Yuncheng Area

3.3 地震危险性分析

从地震活动的发展过程看, 华北地区地震自公元1290年以来经历了三次活跃期, 第一和第二活跃期分别经历了 178年和 246年, 该期强震主要发生在山西盆地, 例如, 临汾盆地在1303和1695年2次8级大地震; 第三活跃期至今强震几乎全部发生于华北平原区(李学新, 1988)。例如1966年邢台大地震, 1976年唐山大地震等。从而导致华北平原区及邻区应变释放。研究表明, 1720年至今山西地震亚带正处于应变积累阶段, 已持续了 270余年, 可能进入地震前兆释放阶段。该阶段也是地应力值由低向高的积累阶段。

刘明清等人对山西中南部地区的地壳结构、地球物理场异常和地震活动性进行了综合研究(刘明清等, 1999), 从莫霍界面埋深情况可以看出临汾、介休地区有局部隆起, 且在临汾、侯马至运城一带有一个强梯度扭曲带, 该强梯度扭曲带表现出 Moho面向西倾突, 临汾、侯马至运城正好位于其向西倾突的前缘部位。而地震大部分均发生在这种向西倾突的前缘部位附近, 另外, 从该区域特定的深部构造环境来分析, 山西断陷带的西缘是鄂尔多斯块体,相对质量较大且很稳定; 东侧为沁水现代稳定地块;南部是秦岭褶皱系。在区域构造应力的作用下, 必然是这种向前倾突的岩体部位应力最易集中, 因而也最容易发生地震。对该区域深部重力异常进一步研究, 得到梯度异常图。并发现, 运城、侯马、临汾地区的地震均在负梯度极值区, 大同、介休附近地震在正梯度极值区。根据上述地球物理场的综合研究成果, 他们认为山西省中南部具备发生中强地震的危险性(刘明清等, 1999)。

从地震的孕程和发震周期看, 在临汾和运城盆地内也曾发生过多次破坏性地震, 但地震活动周期较长, 频度低。测量的高地应力状态, 说明该区应变能已经积累了较长时间, 可能进入地震前兆释放阶段。

与上述深部地球物理场研究成果相比, 本文给出的原地应力测量数据及其分析结果, 属于地壳的浅表范围。但大量的研究成果表明, 地壳应力在深部和浅部存在一定的成生联系和紧密关联(吴满路等, 2002; 吴满路等, 2005; Zoback M L, 1992), 地壳浅部的地应力测量结果能够反映区域构造应力场特征。本文第3部分的分析表明, 山西盆地的现今地应力状态呈现出“南高北低”的基本特征。按照库伦破裂准则以及拜尔利定律, 运城地区最大水平主应力已经接近和达到了发生逆冲断裂活动的临界值。结合上述地震发生周期规律的研究, 以及该区域深部地球物理的研究成果, 可以认为: 山西南部, 尤其是运城地区及其附近发生地震的危险性较大。

4 结论与认识

(1) 在山西盆地南北两端地层浅部, 地应力以水平构造应力为主, 水平主应力值随地层深度增加而增大。南部临汾和运城地区水平主应力值比较高,应力值相当于五台山地区的两倍, 地应力场“南高北低”现象比较明显。

(2) 在五台山、雁门关和临汾地区, 水平主应力与静岩压力之间的关系视深度而变化, 分别有利于逆断层、走滑断层和正断层活动, 目前的应力值还未达到断层活动的临界值。在运城地区水平主应力与静岩压力之间的关系有利于逆断层活动, 最大水平主应力值已达到或接近逆断层活动的临界值。具有发生逆断层活动的可能。从地应力的角度分析,在山西南部, 尤其是运城及其附近地区, 发生地震的危险性较大。

本文运用地应力测量资料, 根据库伦摩擦滑动准则, 分析研究了山西盆地的断层活动性。这是分析研究工作的初步尝试, 难免存在片面性, 还有许多需要研究解决的问题。例如, 摩擦系数选取的合理性, 用地壳浅部的地应力资料分析地壳深部断层活动性的浅部效应问题等, 均有待地学工作者深入探索。

致谢: 中国地震局地壳应力研究所王成虎博士为本文的资料收集提供了支持和帮助, 在此特致谢意！

安其美, 丁立丰, 王海忠, 赵仕广. 2004. 龙门山断裂带的性质与活动性研究[J]. 大地测量与地球动力学, 24(2): 115-119.

安其美, 孙东生. 2009. 山西省运城市解州—陌南高速公路隧道地应力测量分析报告[R]. 北京: 中国地质科学院地质力学研究所.

崔作舟, 尹周勋, 高恩元, 卢德源, 傅维洲. 1990. 青藏高原地壳结构构造及其与地震的关系[J]. 地球学报, 11(2): 224-225.

国家地震局. 1989. 中国岩石圈动力学地图集[M]. 北京: 中国地图出版社.

李方全. 1994. 断层活动与原地应力状态[C].//中国地震学会地震地质专业委员会. 中国活动断层研究. 北京: 地震出版社, 15-21.

李方全, 孙世宗, 李立球. 1982. 华北及郯庐断裂带地应力测量[J]. 岩石力学与工程学报, 1(1): 73-86.

李学新. 1988. 山西多字形盆地的成因及其地震危险性探讨[C]//国家地震局地壳应力研究所. 地壳构造与地壳应力文集(2): 189-198.

刘明清, 祝治平, 方盛明, 刘明军, 张建狮, 虎喜凤, 杨清, 刘敏,啜永清, 景呈国. 1999. 山西中南部地区地壳深部地球物理场异常与地震[J]. 地震学报, 21(3): 305-312.

吴满路, 廖椿庭, 袁嘉音. 2002. 荒沟蓄能电站地下厂房地应力状态与工程稳定性研究[J]. 地球学报, 23(3): 263-268.

吴满路, 张春山, 廖椿庭, 马寅生, 区明益. 2005. 青藏高原腹地现今地应力测量与应力状态研究[J]. 地球物理学报, 48(2): 327-332.

谢富仁, 崔效峰, 赵建涛, 陈群策, 李宏. 2004. 中国大陆邻区现代构造应力场分区[J]. 地球物理学报, 47(4): 654-663.

张伯崇. 1996. 孔隙压力、断层滑动准则和水库蓄水的影响[C]//苏恺之, 李方全, 张伯崇, 王建军，尹建民，周维垣，刘瑞民. 长江三峡坝区地壳应力与孔隙水压力综合研究. 北京:地震出版社. 166-198.

张景寿. 1994. 深圳地应力状态及其稳定性评价[J]. 地球学报, 15(1): 17-26.

References:

AN Qi-mei, DING Li-feng, WANG Hai-zhong, ZHAO Shi-guang. 2004. Research of property and activity of Longmen Mountain fault zone[J]. Journal of geodesy and geodynamics, 24(2): 115-119(in Chinese with English abstract).

AN Qi-mei, SUN Dong-sheng. 2009. Report on the study of in situ stress measurements for Xiezhou-Monan high way tunnel in Shanxi Province[R]. Beijing: Institute of Geomechanics, CAGS(in Chinese).

BYERLEE J D 1978. Friction of rock[J]. Pure and Applied Geophysics, 116(415): 615-626.

CUI Zuo-zhou, YIN Zhou-xun, GAO En-yuan, LU De-yuan, FU Wei-zhou. 1990. The structure and tectonics of the crust and their relation with earthquakes in the Qinghai-Xizhang plateau[J].Acta Geoscientica Sinica,11(2): 224-225(in Chinese).

LI Fang-quan. 1994. Fault activity and in situ stress state[C].//Seismogeology committee of China seismology society, Study on China active faults. Beijing: Seismic press, 15-21(in Chinese).

LI Fang-quan, SUN Shi-zong, LI Li-qiu. 1982. In-situ stress measurements in North China and Tancheng-Lujiang fault zone[J]. Chinese journal of rock mechanics and engineering, 1(1): 73-86(in Chinese).

LI Xue-xin. 1988. Disscuss on the genesis of Shanxi Duozi-type basains and its seismic hazards[C].//Institute of crustal dynamics, SSB, Crustal structure and stress(2). 189-198(in Chinese).

LIU Ming-qing, ZHU Zhi-ping, FANG Sheng-ming, LIU Ming-jun. 1999. Earthquake and geophysical field abnormal at deep crust in the middle and south parts of Shanxi[J]. Acta Seismologica Sinica, 21(3): 305-312(in Chinese with English abstract).

State Seismological Bureau. 1989. Lithospheric Dynamics Atlas of China[M]. Beijing: China Cartographic Publishing House(in Chinese).

WU Man-lu, LIAO Chun-ting, YUAN Jia-yin. 2002. A Study of Stress State and Engineering Stability of Underground House at the Huanggou Accumulation Power Station[J]. ACTA Geoscientica Sinica, 23(3): 263-268(in Chinese with English abstract).

WU Man-lu, ZHANG Chun-shan, LIAO Chun-ting, MA Yin-sheng, OU Ming-yi. 2005. The recent state of stress in the central Qinghai—Tibet Plateau according to in-situ stress measureme[J]. Chinese Journal of Geophysics, 48(2): 327-332(in Chinese with English abstract).

XIE Fu-ren, CUI Xiao-feng, ZHAO Jian-tao, CHEN Qun-ce, LI Hong. 2004. Rggional Division of the Recent Tectonic Stress Field in China and Adjacent Aeras[J]. Chinese Journal of Geophysics, 47(4): 654-663(in Chinese with English abstract). ZHANG Bo-chong. 1996. Pore pressure, fault slip criterion and influence of resevoir impounding[C]//SU Kai-zhi, LI Fang-quan, ZHANG Bo-chong, WANG Jian-jun, YIN Jian-min, ZHOU Wei-yuan, LIU Rui-min. Integrated research on the stress field and pore pressure at the Three Gorges site. Beijing: Seismological Press(in Chinese).

ZHANG Jing-shou. 1994. The State of the in situ Stress and the Evaluation of the Stability of area in ShenZheng[J]. Acta Geoscientia Sinica, 15(1): 17-26(in Chinese).

ZOBACK M L. 1992. First- and second- order patterns of stress in the lithosphere: the world stress map project[J]. J. Geophys. Res., 97(B8): 11703-11728.

ZOBACK M D, HEALY J H. 1992. In-situ stress measurements to 3.5 km depth in the Cajon. Pass Scientific Research Borehole:implications for the mechanics of crustal faulting[J]. J. G. R., 97(B4): 5039-5057.

ZOBACK M D, HICKMAN S. 1982. In-Situ Study of the Physical Mechanisms Controlling Induced Seismicity at Monticello Reservoir, South Caroling[J]. J. Geophys. Res. 87(B8), 6959-6974.

Current In-situ Stress State of Shanxi Basin and Analysis of Earthquake Risk

CHEN Qun-ce1,2), AN Qi-mei3), SUN Dong-sheng1,2), DU Jian-jun1,2), MAO Ji-zhen3), FENG Cheng-jun1,2)
1) Key Laboratory of Neotectonic Movement and Geohazard, Ministry of Land and Resources, Beijing 100081;
2) Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081;
3) Institute of Crustal Dynamics, China Seismological Bureau, Beijing 100085

Hydraulic fracturing in-situ stress measurements were carried out in 13 boreholes in the southern and northern parts of Shangxi Basin, and the magnitude and direction as well as the distribution regularity of the stress values were obtained. In Wutaishan and Yanmenguan areas within the northern part of Shanxi basin, the magnitude of the measured maximum horizontal principal stress is 8～12 MPa in the depth range of 400～600 m. In Linfen and Yuncheng areas within the southern part of Shanxi basin, the tectonic stress is much higher, with the measured maximum horizontal principal stress being 20～28 MPa in the depth range of 400～500 m. Obviously, the magnitude of the stress in the southern part is much higher than that in the northern part. According to Coulomb faulting criterion and by using the above in-situ stress data, the authors studied the characteristics and activities of the faults in the study area. The results show that in Wutai, Yanmenguan and Linfen, the stress values have not reached the critical value, whereas in Yuncheng area, the values have reached the lower limit of the fault activity; moreover, if the pore pressure is taken into account, the maximum horizontal principal stress has reached the critical value for reverse fault activity, and the strain accumulation is even much higher. It is suggested that much more attention should be paid to this area.

附表1 五台山地区地应力测量结果Table 1 In-situ stress measurements of Wutaishan area

附表2 雁门关地区地应力测量结果Table 2 In-situ stress measurements of Yanmenguan area

附表3 临汾地区地应力测量结果Table 3 In-situ stress measurements of Linfen area

附表4 运城地区地应力测量结果Table 4 In-situ stress measurements of Yuncheng area

P315.727; P553

A

1006-3021(2010)04-541-08

本文由深部探测技术与实验研究专项项目(编号: SinoProbe-06)与公益性行业科研费专项项目(编号: 200811070)联合资助。

2010-03-31; 改回日期: 2010-04-27。

陈群策, 男, 1963年生。中国地质科学院地质力学研究所研究员。主要从事地应力测量及构造应力场分析研究工作。

通讯地址: 100081, 北京市海淀区民族大学南路11号。电话: 010-68482092。E-mail: chenqunce@sina.com。