冀东地区深孔地应力测量及其意义

牛琳琳 杜建军 丰成君 孟 文李国歧 陈群策,

1） 中国北京100081中国地质科学院地质力学研究所 2） 中国北京100081国土资源部新构造运动与地质灾害重点实验室



冀东地区深孔地应力测量及其意义

1） 中国北京100081中国地质科学院地质力学研究所 2） 中国北京100081国土资源部新构造运动与地质灾害重点实验室

为获得矿山深部开采和设计所需要的地应力基础资料， 中国地质科学院地质力学研究所于2012—2013年在冀东地区滦县—乐亭大断裂附近开展了3个钻孔水压致裂的应力测量工作， 钻孔孔深为500—1000 m. 地应力测量结果初步揭示了研究区地壳浅表层现今地应力的分布规律. 实测结果表明： 现今研究区域应力场优势方向为NW70°； 3个测点的最大剪切应力与平均应力的比值um范围为0.24—0.48, 平均值分别为0.30， 0.40和0.30， 均未达到地壳应力摩擦极限状态（um=0.6）的水平， 而唐山大地震后不久研究区浅层获得的um则较大， 个别点大于0.6， 平均值为0.44， 表明唐山大地震后研究区应力积累程度较低， 应力释放较为充分； 依据断层摩擦准则及拜尔利定律可知, 研究区发生较大地震活动的危险性较低.

冀东地区 水压致裂 地应力测量 应力积累 地震危险性

引言

1976年唐山MS7.8地震是历史上破坏最为严重的地震之一， 大地震之后又有大量余震发生， 其中震级最大的为滦县MS7.1地震. 地壳表面和内部发生的各种构造现象及其伴生的各种地质灾害均与地壳应力作用密切相关（陈群策等， 2011）， 同样大地震的孕育和发生也是特定构造部位的地应力长期积累、 集中、 加强， 最终导致应变能突然释放的过程（李四光， 1973）. 针对该地区的构造活动特征， 许多研究人员采用不同的技术手段进行了比较深入的研究， 取得了丰富的研究成果. 获取某一区域地应力状态常用的方法有震源机制解法（李钦祖等， 1980； 张之立等， 1980）、 断层滑动形变法（许忠淮， 1985）、 GPS位移矢量法以及重力异常法（虢顺民， 1977）等. 其中地应力测量与监测方法为现今构造应力场研究提供了最直接的基础观测数据. 目前国内外比较常用的地应力测量方法有压磁应力解除法、 空芯包体应力解除法及水压致裂法等. 唐山大地震之前研究区地应力测量资料很少， 大地震后不久， 研究人员在滦县、 唐山黄坨苗圃采用应力解除法、 水压致裂法进行了地应力测量， 发现该地区地壳浅层应力水平较低， 其压应力作用方向为近东西向（李方全， 王连捷， 1979； 丁健民， 梁国平， 1985； 李方全等， 1985）， 与采用震源机制解获取的结果具有很好的一致性， 因此可以为本文进一步研究该地区的地应力提供较重要的基础资料.

然而在过去几十年中研究区取得的地应力实测资料总体较少， 已有的也均为地壳浅部的资料. 唐山大地震过去数十年了， 研究区现今的应力状态如何， 2011年发生的日本大地震对研究区的扰动情况如何， 研究区是否还会有大震发生， 这些都尚不清楚. 中国地质科学院地质力学研究所受某公司委托， 为获取矿山安全开采所需要的基础资料， 于2012—2013年在冀东地区滦县—乐亭大断裂附近开展了3个钻孔水压致裂的地应力测量工作， 钻孔深度为500—1000 m， 实测资料填补了冀东地区较长时间内缺乏深孔地应力资料的空白. 利用这些资料， 本文初步揭示冀东地区滦县—乐亭断裂现今地应力分布规律， 进一步分析该区域现今应力状态， 并与唐山地震后该区域浅层测量资料作对比， 讨论区域应力状态的变化， 同时依据安德森断层摩擦准则及拜尔利定律， 探讨研究区的断层活动性和地震发生危险性.

1 区域地质背景

冀东地区在构造单元上地处燕山南缘， 紧邻华北平原， 大地构造背景归属于燕山台褶带南缘的开滦台凹. 在区域构造格局上研究区还位于活动性明显的阴山—燕山南缘东西向构造带与冀鲁断拗北东向构造带（特别是沧东断裂带）的交汇部位， 深部构造特征表现为东西向重力高值带与北东向重力高值带相交汇.与本研究区相关的主要构造有宁河—昌黎深断裂、 丰台—野鸡沱大断裂、 滦县—乐亭大断裂、 蓟运河深断裂、 响嘡断裂、 坨子头断裂、 芝麻山西断裂、 唐山—古冶断裂、 陡河断裂和唐山—巍山—长山南坡断裂等（虢顺民等， 1977； 张四昌， 刁桂苓， 1992； 冉志杰等， 2013）. 冀东地区活动构造及地震活动如图1所示.

图1 冀东地区活动构造及地震活动

冀东地区处于阴山—燕山前地震带， 在时间分布的周期性上， 地震活动处于1815年至今的第四活跃期（虢顺民等， 1977）. 该区为华北地震带地震活动频繁的区域， 1976—2013年期间， 在唐山断裂带、 滦县—乐亭断裂及蓟运河断裂上发生MS≥4.5地震达83次（图1）， 其中震级最大的为1976年7月28日唐山MS7.8地震， 约15小时后又在其东北部的滦县发生MS7.1最大余震. 研究人员把研究区分成3个余震区， 唐山大地震之后余震区地震表现为有起伏的衰减（张四昌， 刁桂苓， 1992； 张宏志等， 2008）.

唐山地震MS7.1余震发生在滦县—乐亭断裂上， Shedlock等（1987）指出该地震的发生是由于唐山断裂SE盘突然产生SW向的同震运动而导致的NE--SW向近水平拉张作用, 从而造成近SN向左旋-正断层作用为主的断层错动结果， 地震的机制解表现出明显的正断层作用（闻学泽， 马胜利， 2006）.本次原地应力测量的3个钻孔恰恰位于滦县—乐亭断裂上（图1）. 通过对区域地质构造的分析， 认为研究区活动断裂较为发育， 有强地震发育的区域地质背景， 本次实测资料对于研究该断裂和冀东地区区域构造应力状态具有重要意义.

2 水压致裂地应力测量结果及分析

2.1 水压致裂地应力测量方法简介及钻孔概况

水压致裂法是国际岩石力学测试技术专业委员会推荐的常用的地应力测量方法之一．目前， 该技术被广泛应用于重大工程建设的勘测设计中， 并在地震预测研究以及地球动力学等基础研究领域也得到了重视和应用. 本文原始资料均采用水压致裂法测得， 3个测点钻孔概况列于表1. 地应力测量共获得3个钻孔30个深度段的压裂数据、 8个深度段的印模方向， 数据比较丰富. 应力参数中关键压力参数Ps按照岩石力学测试技术专业委员会最新颁布的测试技术规范取值， 且每个测段的取值均采用两种方法， 即单切线法和dt/dp方法， 以保证测试和计算结果的可靠性（杜建军等， 2013）．

表1 冀东地区水压致裂地应力测量钻孔概况Table 1 The borehole information of hydraulic fracturing in-situ stress measurement in east of Hebei

原地应力实测数据可以分析地壳及断层区域的应力积累水平. Jamison和Cook（1980）认为最大剪切应力（S1-S3）/2与平均应力（S1+S3）/2的比值um是表征地壳应力积累程度的参数．um越大， 一定程度上说明断层附近的剪应力相对较大， 反映应力积累程度较高， 越有利于断层活动， 反之亦然（Jamison， Cook， 1980）. Townend和Zoback （2000）根据实验得到地壳浅部um多为0.7， 深部um为0.5． 这说明应力参数um在0.5—0.7时， 地壳应力水平处于其极限平衡状态； 当um接近0.5时， 应力的积累水平较高；um<0.3时， 该应力积累水平较低. 该参数跟应力的方向无关， 仅代表应力积累的水平（Haimson， Cornet， 2003）. 若考虑孔隙水压力的作用，um的表达式为

（1）

式中，S1，S3和P0分别代表最大主应力、 最小主应力和孔隙压力. 实测数据处理过程中舍掉不标准的水压致裂应力曲线， 剔除应力方向离散的数据（王成虎等， 2014）， 同时利用实测资料给出每一个测深段的um值.

2.2 马城GK1-2钻孔地应力测量结果分析

在马城GK1-2钻孔340.00—922.44 m深度内， 获得了13个深度段的测量数据（表2）. 该测点主应力值与最大水平主应力方位随深度的分布见图2. 该钻孔及附近地区现今地应力场分布特征如下：

表2 GK1-2测点水压致裂地应力测量结果Table 2 Hydraulic fracturing in-situ stress measurement results at GK1-2 borehole

注：P0为孔隙压力；SH为最大水平主应力；Sh为最小水平主应力；Sv为垂向应力， 近似等于上覆岩层的重量； 岩石密度取2.65×103kg/m3；KH=SH/Sv；Kh=Sh/Sv；um=（S1-S3）/（S1+S3-2P0）.

图2 GK1-2测点主应力及最大水平主应力方位随深度（h）的变化

1） 在340.00—922.44 m测量深度范围内， 其最大水平主应力SH为14.97—29.82 MPa，最小水平主应力Sh为11.53—20.27 MPa， 水平主应力均随深度的增加而增加（图2）.

2） 最大水平主应力SH与垂向应力Sv的比值KH为1.07—2.00， 平均值为1.43； 最小水平主应力Sh与垂向应力Sv的比值Kh为0.79—1.41， 平均值为1.01. 总体表明水平应力起主导作用.

3） 3个主应力的关系表现出分段性的特点： 测量段的上部， 应力状态为SH>Sh>Sv， 为逆断型应力状态； 到一定深度后， 3个主应力的关系逐渐变为SH>Sv>Sh, 为走滑型应力状态. 钻孔深部应力状态与附近滦县—乐亭断裂第四纪表现出的左旋-正断的活动特性一致性较好（吴开统等， 1981; 闻学泽， 马胜利， 2006）.

4） 在该钻孔340.00， 413.50和605.00 m深度段测得的最大水平主应力方位分别为N60°W， N70°W和N74°W， 平均方位约为N68°W. 主压应力的该作用方式易于区域内NW向断层产生左旋走滑运动.

2.3 田兴—大贾庄NK20地应力测量结果分析

在田兴—大贾庄NK20钻孔403.14—482.41 m深度内， 获得了7个深度段的测量数据（表3）. 该测点主应力值与最大水平主应力方位随深度分布如图3所示. 该钻孔及附近地区现今地应力场分布特征如下：

表3 NK20测点水压致裂地应力测量结果Table 3 Hydraulic fracturing in-situ stress measurement results at the borehole NK20

图3 NK20测点主应力及最大水平主应力方位随深度的变化

1） 在403.14—480.00 m测量深度范围内， 其最大水平主应力SH为7.83—28.12 MPa， 最小水平主应力Sh为6.12—17.64 MPa.

2）SH与Sv的比值KH为0.73—2.20， 平均值为1.56；Sh与Sv的比值Kh为0.57—1.38， 平均值为1.00.

3） 水平主应力与垂向应力之间的关系为： 测量段的上部， 应力状态为Sv>SH>Sh， 表现为垂直应力占主导地位， 为正断型应力状态； 到一定深度后， 应力状态为SH>Sh>Sv， 为逆断型应力状态. 该测点由于测量深度段范围较小， 不能简单地从局部较小范围深度段给出区域应力状态.

4） 在该钻孔403.14和474.98 m深度段测得的最大水平主应力方位分别为N75°W和N70°W， 平均方位约为N72.5°W. 主压应力的该作用方式易于区域内NW向断层产生左旋走滑运动.

2.4 田兴—大贾庄NK05钻孔地应力测量结果

在田兴—大贾庄NK05钻孔376.92—464.21 m深度内， 获得了10个深度段的测量数据（表4）. 该测点主应力值与最大水平主应力方位随深度分布见图4. 该钻孔及附近地区现今地应力场分布特征如下：

1） 在376.92—464.21 m深度测量范围内， 其最大水平主应力SH为6.51—28.77 MPa， 最小水平主应力Sh为5.29—16.55 MPa;SH与Sv的比值KH为0.62—2.88， 平均值为1.22；Sh与Sv的比值Kh为0.57—1.38， 平均值为1.00.

2） 测量段的上部， 应力状态为SH>Sh>Sv， 为逆断型应力状态； 到一定深度后， 最大水平主应力与垂向应力间或表现为最大主应力. 深部的应力状态与附近滦县—乐亭断裂带第四纪所表现出的左旋-正断活动特性比较吻合.

3） 在该钻孔376.92， 412.31和422.71 m深度段测得的最大水平主应力方位为N72°W, N57°W和N57°W， 平均方位约为N64.6°W. 主压应力的该作用方式易于区域内NW向断层产生左旋走滑运动.

表4 NK05测点水压致裂地应力测量结果Table 4 Hydraulic fracturing in-situ stress measurement results at NK05 borehole

2.5 综合分析

以上3个钻孔的应力状态呈现出较好的规律性， 在地壳浅部400 m深度域内， 3个主应力的关系一致表现为SH>Sh>Sv， 属逆断型应力结构， 有利于逆断层的发育活动； 500 m以下深度域内， 三向主应力的关系一致表现为SH>Sv>Sh， 属走滑型应力结构， 有利于走滑断层的发育活动. 将本文所得结果与Haimson采用水力压裂的方法在美国沉积盆地中取得的结果进行比较， 发现这两个地区应力随深度的变化趋势有共同的特征： 在地壳的浅部， 两个水平主应力几乎都大于垂直主应力； 随着深度的逐渐增大， 垂直主应力变为中间主应力（张之立等， 1980； Haimson， Rummel， 1982）.

图4 NK05测点主应力及最大水平主应力方位随深度分布

前人对冀东地区构造应力场已经开展了许多研究工作. 薛志照和杨港生（1993）认为在地质构造背景下， 受EW向强大主压应力的作用， 唐山主震区NE向断裂带中部应力高度集中， 南北两端由于不同方向构造断裂的截阻而发生强余震， 形成共扼构造， 滦县以NW向断裂左旋错动为主. 华祥文（1990）认为唐滦震源区及其邻区应力场的特点是以水平应力作用为主， 表现为EW受挤压， NS受引张， 与唐山MS7.8主震震源机制和震后效应均较一致. 随着主震和强余震能量的释放， 该区应力场的优势程度明显削弱， 但仍长期支配着该区的余震活动.

唐山大地震后的实测结果（附表1, 2, 3）反映该区域浅部的应力方向为N57°E， 200 m以下为NW83°. 本次3个测点测量深度均在300 m以下， 反映应力优势方向为N70°W. 本文地应力实测结果与唐山地震后200 m深度以下地应力测量结果及薛志照和杨港生（1993）的研究成果比较吻合， 与前人震源机制解反演出的P，T，B轴最大主压应力轴的优势方向一致性也较好（李钦祖等， 1980； 张之立等， 1980； 许忠淮， 1985； Zobacketal， 1989； 刁桂苓等， 1995； 李瑞莎等， 2008； 张宏志等， 2008）； 3个钻孔获得um值的深度均在200 m以下，um值的范围为0.24—0.48， 平均值分别为0.30， 0.40和0.30， 均未达到摩擦极限状态um=0.6的水平， 而唐山大地震后不久研究区浅层获得的um值较大， 个别点大于0.6， 平均值为0.44， 说明滦县MS7.1余震之后滦县—乐亭断裂应力状态低于摩擦极限状态， 应力释放较为充分．

3 冀东地区地震危险性探讨

3.1 断层滑动摩擦准则

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3个主应力的关系分别为SH>Sh>Sv、SH>Sv>Sh和Sv>SH>Sh时， 应力结构分别有利于逆断层、 走滑断层和正断层的活动（李方全, 1994）.

国内研究人员常用最大与最小主应力比的方法进行区域地壳稳定性分析， 该方法主要通过比较实测应力与拜尔利摩擦范围所限定的主应力关系， 判定在该应力状态下能否产生地壳的破裂． 实际上， 这也是一种定性分析应力状态的方法， 只能反映最大主应力及最小主应力的大小关系， 不含有应力方向的相关信息.

安德森断层理论（Anderson, 1951）指出地壳应力状态与断层活动性之间具有密切关系. 库仑摩擦滑动准则假定断层面内聚力为零， 若断层面上的剪应力τ大于等于滑动摩擦阻力μσn， 则断层发生滑动失稳. 其中，μ为根据试验确定的断层“摩擦系数”，σn为断层面上的正应力. 用主应力改写库仑准则， 同时引入有效应力的概念， 则最大主应力与最小主应力之比可以表示为“摩擦系数”的函数， 即（σ1-P0）/（σ3-P0）=[（1+μ2）1/2+μ]2. 式中，σ1和σ3为断裂外围最大主应力与最小主应力，P0为孔隙压力. 国内外的研究和大量应力实测资料表明， 在地壳浅部低渗透率岩石中， 孔隙压力大致等于水柱静压力（Zoback， 2007）. 若最大有效主应力与最小有效主应力之比小于此值则表示断层面处于稳定状态， 大于或等于此值则表示断层面的法线方向与最大水平主应力的夹角为φ的面可能发生滑动， 而φ与μ的关系为φ=0.5（π/2+arctanμ）（张伯崇， 1996）.

拜尔利（1978）综合各种岩石的室内试验资料发现， 应力值小于100 MPa条件下， 大部分岩石的μ值在0.6—1.0之间. 张伯崇（1996）对三峡坝区花岗岩、 灰岩、 砂岩岩石力学三轴试验结果表明， 三峡坝区岩石摩擦强度的上限和下限值分别为τ=1.10σn，τ=0.65σn， 平均值为τ=0.85σn， 其结果大体与拜尔利（1978）的结论一致. 中间主应力σ2在断层面内， 对应于μ=0.6—1.0，φ的取值范围为60.5°—67.5°（陈群策等， 2010）.

3.2 冀东地区地震危险性探讨

由拜尔利定律可知，μ=0.6和μ=1.0是断层发生逆断型滑动的下限和上限取值， 因此本文将它们分别作为判断断层失稳滑动时的临界取值， 并由此绘制各钻孔的应力状态分析图（图5—7）． 可以看出， 除了NK05钻孔的个别浅部测点已经进入临界区, 3个钻孔绝大部分的最大水平主应力值都在临界区左侧, 从地应力的角度分析表明, 钻孔附近的应力水平较低， 区域内断裂处于相对稳定状态. 该结果与上述um平均值较小、 应力释放较充分比较吻合（王艳华等， 2012）．

剪应力在一定程度上能够反映区域的构造应力状态， 本文利用3个钻孔结果， 给出了剪应力随深度变化图（图8）. 可以看出， 剪应力最大值在4 MPa左右（个别点除外）， 表明区域处于稳定状态．

综上， 研究区在华北地区区域应力场近EW向水平挤压作用下， 受到唐山断裂东南盘的引张作用， 应力状态更有利于滦县—乐亭断裂发生左旋走滑. 不过由于小微地震的发生， 断裂带及整个冀东地区地壳内能量得到释放， 应力水平降低， 研究区暂时处于相对稳定的状态.

图5 GK1-2钻孔应力状态分析

图7 NK05钻孔应力状态分析

4 讨论与结论

本文地应力测量结果初步揭示了冀东研究区地壳浅表层现今地应力分布规律， 得出如下结论：

1） 用水压致裂法获得了滦县—乐亭大断裂附近的3个钻孔的应力测量资料， 初步揭示了研究区地壳浅表层现今地应力的赋存特征， 结果显示研究区的应力整体处于中偏低水平， 滦县—乐亭断裂及邻区应力状态以走滑型为主， 3个主应力之间的关系有利于断层走滑活动.

2） 3个测点资料的应力优势方向为N70°W, 应力积累程度参数um值处于0.24—0.48之间， 平均值分别为0.30， 0.40和0.30， 均未达到摩擦极限状态（um=0.6）的水平. 而唐山大地震后不久研究区浅层获得的um值较大， 个别点大于0.6， 平均值为0.44， 表明唐山大地震的滦县MS7.1余震之后滦县—乐亭断裂应力状态低于摩擦极限状态， 应力释放较为充分．

3） 唐山大地震之后， 研究区的应力得到释放， 整体处于较低水平， 依据断层摩擦准则及拜尔利定律, 研究区发生较大地震活动的危险性较低. 从近几十年该区地震的发生情况来看， 沿断裂带仍有大量的小微地震发生， 持续时间较长， 应力处于进一步的调整之中， 小微地震发生的可能性仍然很大.

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附录

附表1 唐山及其邻近地区30 m内应力解除法测量结果（引自李方全等， 1985）Table 1 Stress measurement results of stress releasing method in Tangshan and its adjacent areas （after Li et al， 1985）

附表2 唐山大地震后黄佗苗圃水压致裂应力测量结果（引自李方全等， 1985）Table 2 Hydraulic fracturing in-situ stress measurement results of Huangtuo nursery after Tangshan earthquake （after Lietal， 1985）

深度/m孔隙压力P0/MPa最大水平主应力/MPa最小水平主应力/MPaum最大主应力方向29．02—31．360．32．52．30．66N50°E45．74—48．080．53．21．80．60N40°E65．31—67．660．74．82．50．62N72°E106．77—109．111．15．42．90．45N61°E155．75—158．351．63．43．00．13N62°E161．39—163．731．64．12．90．32187．23—189．831．93．72．70．56195．99—198．592．04．43．10．45208．98—211．322．15．03．40．42N81°W268．79—271．392．76．14．70．34N83°W293．70—296．302．97．85．80．26N86°W

附表3 唐山地区水力压裂地应力测量结果（引自丁健民, 梁国平, 1985）Table 3 Hydraulic fracturing in-situ stress measurement result in Tangshan area （after Ding and Liang, 1985）

In-situ stress measurement of deep borehole in east of Hebei and its significance

1）InstituteofGeomechanics,ChineseAcademyofGeologicalSciences,Beijing100081,China2）KeyLaboratoryofNeotectonicMovementandGeohazard,MinistryofLandandResources,Beijing100081,China

In order to obtain the required basic information of crustal stress for exploitation and design of deepmine, Institute of Geomechanics of Chinese Academy of Geological Sciences carried out hydrofracturing in-situ stress measurements in three boreholes near Luanxian and Laoting fault in east of Hebei area successively in 2012 and 2013. The three boreholes are between 500—1000 m in depth. The results of the stress measurements preliminarily revealed the distribution regularity of current in-situ stress in shallow crust of study area. The measured data show that the dominant direction of regional stress field is NW70°; the ratio of the maximum shear stress to the average stress of the three boreholes is in the range of 0.24—0.48 and the average values of the ratio are 0.30, 0.40, 0.30 for the three boreholes, which are less than 0.6， that is the friction limit state of earth’s crust stress. But the ratio got shortly after the TangshanMS7.8 earthquake is large, few of them are greater than 0.6, and the average value is 0.44, which reveals that the stress accumulation degree in the study area was low and stress has been completely released. According to the friction criterion of faults and Byerlee law, the risk of a large seismic activity in the study area is in low risk.

east of Hebei area; hydrofracture; in-situ stress measurement; stress accumulation; seismic hazard

压裂时间年⁃月编号深度/m孔隙压力P0/MPa最大水平主应力/MPa最小水平主应力/MPaum1982⁃101470．53．91．90．641982⁃102670．75．92．80．661982⁃1031081．15．62．90．441982⁃1041571．64．83．30．311982⁃1051631．65．63．20．431982⁃1061891．95．03．00．481982⁃1071972．05．13．20．441982⁃1082102．15．43．50．401982⁃1092702．77．45．00．341982⁃10102952．99．86．30．34

10.11939/jass.2015.01.008.

国家科技支撑计划项目（2012BAK19B03-3）和中国地质科学院地质力学研究所基本科研业务费项目（DZLXJK201404）共同资助.

2014-03-15收到初稿， 2014-06-02决定采用修改稿.

e-mail: chenqunce@sina.com

10.11939/jass.2015.01.008

P315.72+7

A

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