安第斯山中段现今地应力测量及地震相关性分析

曹 辉 ,孙东生,孟 文,赵卫华,万串串

1)北京科技大学土木与环境工程学院,北京 100083;2)中国地质科学院地质力学研究所,国土资源部新构造运动与地质灾害重点实验室,北京 100081;3)北京矿冶研究总院,北京 100016

地应力是控制地震孕育和发生的主要因素。近年来随着地应力测试能力的不断提高,国内外开展了大量针对地震机理研究的地应力测量(Liao et al.,2003;Lin et al.,2013;Sun et al.,2014)。将实测地应力数据作为边界条件,开展地震孕育、发生和发展的数值模拟研究成为了地震机理研究的热点(Sun et al.,2013)。相比而言对于震源深度应力状态及孔隙压力与地震活动相关性方面研究较少。本文结合秘鲁南部斑岩铜矿自然崩落法可行性分析工作的需要,利用矿区探矿钻孔,采用水压致裂原位地应力测试技术,首次获取了安第斯山中段千米深度的原位地应力大小及方向随深度的变化规律。依据安德森断层强度理论绘制了应力多边形,并根据库伦摩擦破裂准则讨论了应力状态与地震活动的相关性。

安第斯山位于纳兹卡洋壳板块和南美板块之间,是全球地震活动极其活跃的区域之一。受纳兹卡洋壳板块持续向南美大陆板块俯冲作用,历史上沿安第斯山中段发生多次破坏性地震(Rhea et al.,2010)。根据世界应力图数据库的结果,截止目前沿安第斯山中段尚无深部原位地应力实测资料,仅有震源机制解及地表调查资料(Heidbach et al.,2009)。因此通过实测获取安第斯山中段深部应力状态,不仅对该地区地震机理分析具有重要意义,而且对世界应力图数据库具有重要补充价值。

1 区域地质概况

从元古代到新生代,安第斯山中部发生了多期构造运动,特别是中新生代以来,本区构造演化与纳兹卡洋壳板块向南美大陆板块俯冲息息相关,逆冲挤压、伸展拆离、走滑平移,使得区内岩石发生多期叠加变形,形成了各种构造现象复合叠加的现状(金文强,2010)。相对于稳定的南美板块而言,纳兹卡洋壳板块以73～80 mm/yr的速度持续向南美大陆板块俯冲,由于纳兹卡板块的持续活动,历史上安第斯山中段发生了数次大于7.5级的强震(如图1),震源深度集中在10～60 km之间(Rhea et al.,2010)。

2 秘鲁南部水压致裂法原地应力测量

2.1 水压致裂原地应力测量

水压致裂原地应力测量方法是国际岩石力学学会试验方法委员会建议的确定岩体应力方法之一(ISRM,1987;Zang et al.,2010)。具有操作简单、测量深度大、原位测量等优点,在国内外重大工程建设、深部矿山开采及地震机理研究方面得到了广泛应用(陈群策等,2010;Meng et al.,2012)。

2.2 测量点地质概况

测点位于秘鲁南部阿雷基帕(Arequipa)省境内,西科迪勒拉山脉西南坡,地理坐标为 16º37´8.41˝S、71º28´10.34˝W,钻孔口标高 2929 m,近秘鲁智利海沟的转折端,西南方向距海沟直线距离约90 km(如图1所示)。区域上属于安第斯山造山带的组成部分—西科迪勒拉山构造岩浆活动带西缘,东侧为高耸的米斯蒂等火山带,构造线在此由走向北西转为近南北向。地应力最大测深 985 m,钻孔揭露岩性包括花岗闪长岩、英安斑岩、安山岩、闪长岩及角砾岩。

2.3 原地应力大小

通过钻孔编录和岩芯资料,在钻孔裸眼段236～985 m深度范围内,共完成16段水压致裂测试,测量曲线标准、规范,压裂曲线特征值确切,各回次重张曲线重复性较好,典型水压致裂记录曲线如附图2所示。

图1 地应力测点位置及区域内1900—2007地震空间分布Fig.1 Location of insitu stress measurement point and spatial distribution of earthquakes that occurred in 1900–2007

图2 不同深度典型水压致裂测量曲线Fig.2 Representative curves of hydraulic fractures at different depths

表1 水压致裂地应力测量结果Table 1 Results of in situ stress measurement by hydraulic fracturing method

水压致裂原地应力测试结果如表1所示。测试得到水平最大、最小及垂向应力大小随深度的变化如图3所示。结果表明在257～985 m测量深度范围内,主应力的量值均随深度增加而增大。最小水平主应力的量值范围为 7.97～24.15 MPa;最大水平主应力的量值范围为12.38～34.47 MPa;垂向应力为上覆岩体重量(该钻孔40～1000 m范围内77个样品的平均密度为 2.65 g/cm3),其变化范围为 6.81～26.10 MPa。在全孔段范围内σH/σh比值介于 1.43～1.66之间。水平最大、最小主应力大小随深度的拟合公式如下,其中H为上覆岩体厚度,单位为m。

2.4 现今主应力方向

图3 主应力随深度变化曲线Fig.3 Curves of variation of principal stress with depth

采用印模技术获取376 m、424 m、541 m、640 m共计 4个深度的最大水平主应力方向。结果表明396 m和424 m深度处水平最大主应力方向为NEE,541 m和 640 m深度的水平最大主应力方向为NWW,水平最大主应力方向在深部(500 m以下)发生了偏转。已有资料表明大断层及岩性变化可造成水平最大主应力发生偏转(Shamir et al.,1992)。岩芯编录显示在钻孔530 m附近发育近2 m厚断层角砾岩,可能是造成主应力方向发生偏转的原因之一。岩性上,根据矿区大量钻孔揭露资料表明,研究区浅部(500 m 以上)岩性主要为花岗闪长岩,以下主要为英安斑岩及角砾岩(吴斌等,2013),即在500 m附近存在明显的岩性分界线。

根据世界应力图数据库(Heidbach et al.,2009),沿安第斯山脉基本无实测应力资料,仅有地震机制解和地表调查统计结果表明安第斯山中段处于山脉走向转折区,最大主应力方向变化比较复杂,总体上研究区最大主应力优势方向为NWW—EW方向,测量结果与已有区域结果基本吻合。

3 深部应力状态与地震

3.1 深部应力状态的估算

研究区震源深度在 10～60 km之间,如何由浅部应力状态推测深部应力状态是一个正在探索的问题。根据安德斯断层理论及库伦破裂准则,可由正断层、走滑断层和逆断层发生破坏滑动的条件估算深部应力的范围(Jaeger et al.,1979;Zoback,2007):

图4 根据安德斯断层和有效库伦破裂准则绘制的应力多边形(Sv为30 km深度的垂向应力;RF为逆断层应力状态;SS为走滑断层应力状态;NF为正断层应力状态)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为孔隙压力,σ1,σ3为最大与最小主应力,μ为摩擦系数。方程左边小于右边则断层稳定,若左边等于或大于右边,断层将沿最优断面滑动。

拜尔利定律指出当围压大于200 MPa时,μ值约为0.6(Byerlee,1978)。本文假定震源深度30 km,摩擦系数μ=0.6,铅直应力 σv按上覆岩层的重量计算(密度2.65 g/cm3),孔隙压力按静水压力计算,计算30 km处的应力范围如图4a,根据测量结果推测30 km处应力大小在多边形范围之内,属于走滑断层应力状态,且断层稳定。如果应力状态处在多边形的边缘上,则断层将要滑动。

3.2 地震发生的条件

研究区属于地震活动高发区,历史上测点附近发生过多次破坏性地震(Rhea et al.,2010)。由图4a可知当前深部应力状态距断层滑动的临界状态尚远,若断层达到临界状态,需要满足以下条件之一。(1)提高最大水平主应力或者降低最小水平主应力,即加大主应力比值。可通过构造加载实现,也就是纳兹卡板块向东的持续俯冲,在该区形成应力集中,逐渐提高最大与最小主应力的比值。但由于地壳应力加载速率相对较慢,已有资料表明,多数地区的应力加载速率约为每年几KPa(Wan et al.,2010),这样千年时间的应力积累才达到MPa的量级,因此地震周期内的应力积累不足以引起断层滑动。(2)高孔隙压力的存在。高孔隙压力可降低有效应力和断层临界应力。由式4可知,当孔隙压力为0.68 σv时,当前应力达临界状态,小的应力扰动或应力积累就可能触发断层滑动,发生地震,如图4b。深部是否可能存在高孔隙压力？答案是肯定的。如日本 2011年 9级大地震后,Hasegawa等(2011)根据该地震的应力降计算得到地震时震源处的孔隙压力约为上覆地层重量的0.94倍。同样在油气田开发中也证明了存在高地层压力(孔隙压力)的情况(Zoback et al.,2007)。

4 结论

利用水压致裂原地应力测试技术首次获取了安第斯山中段千米钻孔的原地应力状态,为地震活动研究提供了基础资料。

(1)获取了安第斯山中段原地应力大小及方向随深度的变化规律,测试深度范围内主应力之间的关系为 σH>σv≥σh,最大与最小水平主应力比值σH/σh介于 1.43～1.63之间,有利于逆冲或走滑断层活动。最大水平主应力方向与震源机制解和地表调查结果基本吻合。

(2)根据实测地应力结果推测30 km深处的应力状态落入根据地壳强度估计的应力范围之内,据此应力状态讨论了地震发生的条件,提出除纳斯卡板块的挤压外,高孔隙压力可能是该区地震频发的主要原因。

致谢:感谢地壳应力研究所安其美研究员,北京矿冶研究总院杨小聪教授、陈何教授对本文的指导和帮助！

陈群策,安其美,孙东生,杜建军.2010.山西盆地现今地应力状态与地震危险性分析[J].地球学报,31(4):541-548.

金文强.2010.秘鲁南部Cercana-Don javier斑岩铜矿地质特征及成因探讨[D].长沙:中南大学.

吴斌,方针,叶震超.2013.Donjavier斑岩型铜钼矿床地质特征[J].矿床地质,32(6):1159-1170.

BYERLEE J.1978.Friction of Rocks[J].Pure and Applied Geophysics,116(4):615-626.

CHEN Qun-ce,AN Qi-mei,SUN Dong-sheng,DU Jian-jun,MAO Ji-zhen,FENG Cheng-jun.2010.Current In-Situ Stress State of Shanxi Basin and Analysis of Earthquake Risk[J].Acta Geoscientica Sinica,31(4):541-548(in Chinese with English abstract).

HASEGAWA A,YOSHIDA K,OKADA T.2011.Nearly complete stress drop in the 2011Mw9.0 off the Pacific coast of Tohoku Earthquake[J].Earth Planets Space,63:703-707.

HEIDBACH O,TINGAY M,BARTH A,REINECHER J,KURFEB D,MULLER B.2009.The 2009 release of the World Stress Map[Ol/Eb].[2014-02-05].Available online at www.world-stress-map.org.

ISRM.1987.Suggested methods for rock stress determination[J].Int.J.Rock Mech.Min.Sci.Geomech.Abstr.,24(1):55-73.

JAEGER C,COOK W.1979.Fundamentals of rock mechanics[M].London:Wiley Blackwell.

JIN Wen-qiang.2010.On geological features and genesis study of the cercana-Don jovier porphyry copper deposit in southern Peru[D].Changsha:Central South University(in Chinese with English abstract).

LIAO Chun-ting,ZHANG Chun-shan,WU Man-lu,MA Yin-sheng,OU Ming-yi.2003.Stress change near the Kunlun fault before and after the Ms8.1 Kunlun earthquake[J].Geophysical Research Letters,30(20):2027-2030.

LIN Wei-ren,CONIN M,MOORE J C,CHESTER F M,NAKAMURA Y,MON J J,ANDERSON L,BRODSKY E,EGUCHI N,SCIENTISTS E.2013.Stress State in the Largest Displacement Area of the 2011 Tohoku-Oki Earthquake[J].Science,339(6120):687-690.

MENG Wen,CHEN Qun-ce,DU Jian-jun,FENG Cheng-jun,QIN Xiang-hui,AN Qi-mei.2012.In-situ stress measurement in Singapore[J].Chinese Journal of Geophysics,55(4):1333-1342.

RHEA S,HAYES G,VILLASENOR A,FURLONG K P,TARR A C,BENZ H.2010.Seismicity of the Earth 1900—2007 Nazca plate and South America[R].US:USGS.

SUN Dong-sheng,LIN Wei-ren,CUI Jun-wen,WANG Hong-cai,CHEN Qun-ce,MA Yin-sheng,WANG Lian-jie.2014.Three-dimensional insitustress determination by anelastic strain recovery and its application at the Wenchuan Earthquake Fault Scientific Drilling Hole-1 (WFSD-1)[J].Science China:Earth Sciences,57(6):1212-1220.

SUN Dong-sheng,WANG Lian-jie,WANG Hong-cai,MA Yin-sheng,ZHOU Chun-jing,CUI Jun-wen.2013.Analysis of the Wenchuan Ms8.0 Earthquake Co-seismic Stress and Displacement Change by Using the Finite Element Method[J].Acta Geologica Sinica,87(4):1120-1128.

WAN Yong-ge,SHEN Zheng-kang.2010.Static Coulomb stress changes on faults caused by the 2008 Mw 7.9 Wenchuan,China earthquake[J].Tectonophysics,491:105-118.

WU Bin,FANG Zhen,YE Zhen-chao.2013.Geological characteristics of Don Javier porphyry copper molybdenum deposit[J].Mineral Deposits,32(6):1159-1170(in Chinese with English abstract).

ZANG A,STEPHANSSON O.2010.Stress Field of the Earth’s Crust[M].London:Springer.

ZOBACK D.2007.Reservoir Geomechanics[M].Cambridag:Cambridag University Press.