岩性、非均匀性、地形和断层对水压致裂原地应力测量的影响及正确的数据解释和支持测量结果的独立证据的重要性＊

Haimson B C

（University of Wisconsin，Madison， WI，USA）

引言

本文是本人从事40多年水压致裂测量实际工作的简要汇总。这些在不同地区开展的水压致裂测量工作具有不同的目的，有的为了科学研究需要，如了解地壳应力状态及由于人类活动诱发地震的成因；有的为了工程需要，如为水电站或煤矿开挖的地下洞室的稳定性设计提供参考资料。

本文主要目的是通过选择简单的水压致裂测量工作实例，来重点阐述对区域构造应力干扰的重要因素，包括地形、岩性、岩石非均匀性和断层的存在。

此外，本文还通过一个测量实例来强调正确解释水压致裂测量结果和野外经验的重要性。最后，本人建议只要可以找到支持水压致裂测量结果的独立依据，应该将此提供来增强应力场测量的可信度。

1 岩性变化导致的应力解耦

在加拿大安大略省达灵顿的一个300 m深的钻孔内开展水压致裂测量工作时发现[1]，从孔深50 m到200 m测量段的岩石为奥陶纪石灰岩，测量结果是一致的，最小和最大水平应力（σh和σH）的量值分别为9 MPa和13.5 MPa，最大主应力σH的方向为N70°E。然而，再往下80 m，岩石变为前寒武纪片麻岩，4组测量数据显示该测段应力发生了剧烈变化，σh和σH平均值分别为11 MPa和18 MPa，σH的方向变为N23°E。这说明了地层年代和岩石力学性质可以造成地壳应力的解耦。

另外一个例子是在加拿大安大略省的尼亚加拉大瀑布[2]，从浅表90 m到125 m深度范围内的 Whirlpool砂岩和下面的昆斯顿（Queenston）页岩中，水压致裂测试出的应力值只有微小的差别，但是方向旋转很大。从砂岩到页岩，σh从4 MPa变到了5 MPa，σH从9.5 MPa变到了8 MPa，变化不算大，但是，σH的方位从N58°E变到了N32°E。

与此类似，在美国阿肯色州中部，页岩中的水平主应力跟砂岩中的水平主应力差距不大，这反映出前者的延展性：在55 m深度处的Hartshorne砂岩中，最小、最大水平应力分别为5 MPa和8 MPa；在118～131 m深度处的阿托卡（Atoka）页岩中，最小、最大水平应力分别为3.5 MPa和5.5 MPa；这两种地层中应力方向变化不大。

2 断裂带导致的应力解耦

在马尼托巴的Pinawa镇附近的地下工程研究实验室的水压致裂测量工作中，人们发现了应力解耦的另一种类型[3]。在一个倾斜不大的断裂带（也指逆断层）上下Lacdu-Bonnet花岗岩中约275 m的深度进行6组水压致裂应力测量试验，从50 m到275 m间主应力随深度呈线性变化，但是这种线性变化趋势在断裂带的位置突然停止，断裂带下面应力的大小及其随深度的变化与断裂带上面不同。而且，σH的平均方位由断裂带上面的N66°E骤然变化到了断裂带下面的N66° W。

3 由地形起伏导致的区域应力场的重大偏离

第一个测量实例是在美国的内华达山脉，该实例表明了地下工程在施工之前必须谨慎地开展地应力测量工作，尤其是在山区。高蓄能抽水电站项目除了水库之外其他部分都建设在地下。该项目前期开展了一系列竖直孔中的水压致裂应力测量。竖直孔在山边以下约300 m的位置，穿过未来的电站厂房。测试结果表明，测量主应力值相对于高强度岩石来说比较安全，电站厂房及周围不存在安全隐患。

因为水压比最小水平主应力σh还小，项目管理者将上述应力测量结果解释成距离电站厂房1 km的无衬砌压力隧洞不会发生泄漏。然而，这种解释是基于一种期望在机房附近测出的应力值在整个工程区具有代表性。但这种期望被证实是不正确的。在压力隧洞周围的陡峭和不平的地形高差严重影响着当地的应力状态。在压力隧道开挖的过程中，距离电站厂房数百米处的多个没有预料到的张开节理被横切。他们的存在和方向都可能会使局部应力状态改变。而后在发现的张开节理附近又进行了一系列的水压致裂测量。结果显示应力方向有40°的偏转，水平应力的大小减少了50%。σh的减小解释了张开节理的存在，局部应力方向和垂直节理方向一致。

第二组应力测量解释了没有预料到的张开节理的存在，而且指出了隧洞填充物大量泄漏的危险。这些测量无法阻止大幅度地改动设计方案，比如从没有加固到钢衬是一个昂贵又费时的工作。我们从这个实例中得到的主要教训就是，要认真研究工程所在的整个区域和相关的地形-地质条件，来选择关键点进行应力测量的重要性。在平坦的地形，大多数的实例中一组测试就可能代表整个区域的状况，但是，在地形起伏相当大的地区，要多测量几组来确定我们研究区域中全面的应力状态。

另一个重要的例子是在巴西一个山区对水利枢纽进行开挖前的水压致裂测量[4]。该枢纽的主要地下洞室的平均深度为100 m，设备周围不平坦的地形地貌使得有必要钻两个相距100 m的专用测孔。一个孔在机房-调压室附近，另一个在压力管道附近。

这两组测试结果很好地解释了在大型地下工程中开展多孔测试的重要性，尤其是在山区。两孔测出的主应力大小差别不太大，然而方位却大不相同。在上面40 m左右的深度范围内，最大水平应力σH连续旋转，尽管在两个孔中旋转的类型不一样。这种现象在其他地方也观察到了，通常被解释为是地表影响的结果，比如地形高差、日温变化和各种侵蚀。σH方向的连续变化说明了一个主要的结论：如果没有其他证据和手段，利用在近地表浅孔中的应力测量值去推断更深处的应力值是不可靠的。

这两组测量最显著的结果是：不论是在σH连续旋转深度以下，还是在与这个工程（320～380 m）相关的测孔1（N15° W）和测孔2（N45° W）的高程之间，σH的平均方位都有明确且一致的差异。在水平距离只有100 m的距离范围内，这样一个σH稳定的30°旋转是能够预见的。方向的这种变化主要是由该区的地形高差引起的。

4 火山岩的非均匀性对应力-深度分布图的影响

在冰岛Reydarfjordur的600 m深的科学实验孔中开展水压致裂应力测量[5]，得出的应力-深度分布图有点特别。该实验孔打在一层薄的火山岩流和玄武岩岩脉中。测量结果显示，在50～300 m之间，主应力随深度呈一致的线性增加，说明此处是一个逆断裂机制。然而，在300～400 m之间，两个水平应力以比较快的速率随深度的增加而增加；在400～500 m之间，它们以相同的速度随深度增加而减小，说明这个深度以下是正断裂机制。对这种出人意料的应力-深度变化行为还没有给出令人满意的解释，但是，这似乎是由岩石的非均匀性引起的。

5 正确解释数据的重要性

不论采用何种方法开展原地应力测量不仅与遵守相关测量规程有关，而且还跟测量经验有关。测量经验可能是得到正确应力估计最重要的因素。在很多实例中，水压致裂测量由受过训练的人进行操作。然而，由于这些人缺乏足够的测量经验，导致了对原地应力解释的错误。

下面这个实例是在一个逆冲活断层附近进行的水压致裂测量，在测量的若干年前这个断层就有过地震错动。不知何原因，这一系列的测量没有按照水压致裂测量技术规范来确定水压产生的钻孔壁破裂的方向和倾向，而这是水压致裂测量的有机组成部分。该测量工作由一个拥有一些知名科学家的商业团体完成，然而，这些科学家们几乎没有水压致裂测量的经验。他们根据压力-时间测试记录推断（或作为先验知识）破裂是垂直的，正如在常规的工程实例中那样。但事实上，在一个逆冲活动断层区域，最小主应力应该是垂直的，即水压产生的裂隙可能是水平的。

一位经验丰富的测量人员能根据测量中记录的压力-时间明显特征，给出对闭合压力和破裂倾角的正确描述。记录数据显示在曲线达到峰值（第一个压力周期中开始破裂或在下一个破裂周期中破裂重张）后，压力骤降到一个比较低的数值，并且在减压之前保持不变。经验丰富的测量人员可以立即意识到这是一个非常明显的水平方向的破裂。闭合压力等于作用于破裂面法向上的主应力。这个压力只比根据上覆地层重量估计值小5%，在误差范围之内。在更深处，测出的闭合压力比垂直应力小1%。

被那些科学家们记录下的相对低的闭合压力（这在有经验的测量人员看来是水渗漏的结果），佐证了破裂是垂直的这一断言。这种对真实闭合压力的错误解释导致对应力状态整体的错误断言，即把逆冲断层当成了走滑断层。

6 独立证据对支持应力测量结果的重要性

在美国科罗拉多州的兰杰利（Rangely）油田[6]，利用注水法增加孔隙压力来提高采油量后记录到了一个没有预料到的小震级地震。注水法有助于从致密的 Weber砂岩层中增加石油产量。水压致裂测量揭示了沿着已经存在的、穿越油田的断层，应力状态更容易是走滑型的。根据独立的断层滑动准则，水压致裂结果可用来计算出使断层滑动的临界孔隙压力。这个压力与地震活动时监测出的参数惊人地接近，说明测试结果的可靠性。

在加拿大安大略省的达灵顿，水压致裂测试揭示出在筹建的核能发电站地下300 m深度以内压应力值高且一致。计算出的应力的大小和方向与套取岩芯测量结果完全一致，从而证明了结果的正确性[1]。

在韩国，从首尔北部到南部海岸，在5个测点的13个钻孔的测量数据表明了在500 m深度以下有一致的应力状态：应力方位几乎近E- W，且反映出走滑状态。与半岛周围的震源机制解结果相一致[7]。

7 总结

目前没有办法证明我们在野外测量结果就是真正的地壳应力。只有通过不同的应力测量方法、应力指示、地质观察，我们才能对我们的测量结果有信心。上述实例说明，了解测点局部地质构造和测点周围岩性，对地应力测量很重要。总而言之，测量经验是成功进行应力测量和结果解释的关键。建议用独立的证据支持测量的结果，从而增强测量结果的可信度。

[1]Haimson B C，Lee C F.Hydrofracturing stress determination at Darlington，Ontario.In：Underground Rock Engineering（13thCanadian Rock Mechanics Symposium），CIM Special Volume 22.The Canadian Institute of Mining and Metallurgy，1980：42-50

[2]Haimson B C，Lee C F，Huang J H S.High horizontal stresses at Niagara Falls，their measurement，and the design of a new hydroelectric plant.In：Rock Stress.Ed.：Stephannson O.CENTEK Publishers，Lulea，Sweden.1986：615-624

[3]Haimson B C.Six hydraulic fracturing campaigns at the URL，Manitoba.In：Proceedings of the 9thIntl.Congress on Rock Mech.，Eds.：Vouille G and Berest P.Balkema，Rotterdam，1999，2：1 143-1 147

[4]Haimson B.Hydraulic fracturing and rock characterization.Int.J.Rock Mech.and Mining Sci.，2004，41（3）：391 and CD-ROM，2004 Elsevier

[5]Haimson B C，Rumel F.Hydrofracturing stress measurements in the IRDP drill hole at Reydarfjordur，Iceland.J.Geophys.Res.，1982，87（B8）：6 631-6 649

[6]Haimson B C.Earthquake related stresses at Rangely，Colorado.In：New Horizons in Rock Mechanics.Eds.：Hardy H R and Stefanko R.Am.Soc.of Civil Engr.，1973：689-708

[7]Haimson B C，Lee MY，Song I.Shallow hydraulic fracturing measurements in Korea support tectonic and seismic indicators of regional stress.Int.J.Rock Mech.and Mining Sci.，2003，40：1 243-1 256