山西盆地現(xiàn)今地應力狀態(tài)與地震危險性分析

陳群策, 安其美, 孫東生, 杜建軍, 毛吉震, 豐成君

1)國土資源部新構(gòu)造運動與地質(zhì)災害重點實驗室, 北京 100081

2)中國地質(zhì)科學院地質(zhì)力學研究所, 北京 100081;

3)中國地震局地殼應力研究所, 北京 100085

山西盆地現(xiàn)今地應力狀態(tài)與地震危險性分析

陳群策1,2), 安其美3), 孫東生1,2), 杜建軍1,2), 毛吉震3), 豐成君1,2)

1)國土資源部新構(gòu)造運動與地質(zhì)災害重點實驗室, 北京 100081

2)中國地質(zhì)科學院地質(zhì)力學研究所, 北京 100081;

3)中國地震局地殼應力研究所, 北京 100085

在山西盆地南北兩端4個地區(qū)共計13個深鉆孔中進行了水壓致裂地應力測量, 獲得了現(xiàn)今地應力的大小、方向和分布規(guī)律。在盆地北端五臺山、雁門關(guān)地區(qū) 400～600 m深度內(nèi), 實測最大水平主應力值為8～12 MPa。而南端臨汾、運城地區(qū)則具有較高的構(gòu)造應力, 在400～500 m深度內(nèi)實測最大水平主應力值為20～28 MPa。地應力“南高北低”比較明顯。運用這些實測的地應力資料, 根據(jù)庫侖摩擦滑動準則, 對研究區(qū)內(nèi)斷裂的穩(wěn)定性進行了力學分析。分析結(jié)果表明, 總體來看, 目前五臺山、雁門關(guān)和臨汾地區(qū)的水平主應力都未達到斷層活動的臨界值; 運城地區(qū)已接近斷層活動臨界值的下限, 若計入孔隙壓力的影響因素, 運城地區(qū)最大水平主應力已達到逆斷層活動的臨界值。從地應力的角度分析認為該區(qū)發(fā)生地震的潛在危險性較大, 這一現(xiàn)象值得關(guān)注和研究。

山西盆地; 水壓致裂; 地應力測量; 應力狀態(tài); 庫倫破裂準則

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

地應力是固體地殼最重要的物理量之一, 也是影響和控制地震孕育和發(fā)生的主要成因。地應力在地殼中是呈非均勻性分布的(謝富仁等, 2004)。這種非均勻性不僅表現(xiàn)為空間上, 也表現(xiàn)為時間上。隨著地質(zhì)構(gòu)造活動的不斷演化, 某一地區(qū)的地應力狀態(tài)也在變化, 有可能從某一時間尺度內(nèi)的相對“平衡狀態(tài)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤芭R界狀態(tài)”。此處所謂的“平衡狀態(tài)”和“臨界狀態(tài)”是指地質(zhì)結(jié)構(gòu)——尤其是斷裂,在特定的地應力環(huán)境中所處的力學平衡狀態(tài)。當?shù)貧?nèi)的應力不斷聚集, 其應力水平達到或超過巖石的強度, 巖層產(chǎn)生破裂, 已有斷裂突然失穩(wěn), 沿斷層面產(chǎn)生錯動, 從而發(fā)生地震。因此, 從地應力的角度, 分析和研究某一地區(qū)是否進入“臨界狀態(tài)”便成為地震危險性分析的重要內(nèi)容, 并為眾多研究人員所矚目(安其美等, 2004; 李方全, 1982; Zoback M.D et al., 1992; 張景壽, 1994)。

我們對近年來在山西盆地獲得的原地應力測量資料進行了整理和分析, 發(fā)現(xiàn)在盆地的南北兩端地應力的賦存狀態(tài)存在較大的差異, 主要表現(xiàn)為地應力的量值呈現(xiàn)了“南大北小”的基本特征。為了對這一現(xiàn)象進行較為深入的探討, 本文給出了13個鉆孔總計84個測段的水壓致裂地應力測量資料, 包括測段深度、最大和最小水平主應力的量值以及其中部分測段確定的最大水平主應力的方向。以這些實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ), 結(jié)合庫倫破裂準則, 并引用 Byerely等人關(guān)于斷層滑動方面的研究成果(Byerlee J D, 1978; 張伯崇, 1996), 對山西盆地的地應力狀態(tài)及其斷層活動性進行了分區(qū)研究, 進而對該區(qū)域內(nèi)發(fā)生地震的危險性進行了初步的分析。

1 基本理論

地應力與斷層活動密切相關(guān), 研究結(jié)果表明,當最大、最小和垂直三個主應力的關(guān)系分別為SH＞Sh＞Sv, SH＞Sv＞Sh和Sv＞SH＞Sh時, 分別有利于逆斷層、走滑斷層和正斷層活動(李方全, 1994)。本文討論各種斷層活動類型時, 假設(shè)有一個主應力是垂直的。

庫侖準則指出, 如果斷層面上的剪應力 τ大于等于滑動摩擦阻力μσn, 則斷層出現(xiàn)滑動。若再引入有效應力的概念, 在可能產(chǎn)生滑動的斷層面上最大與最小有效應力之比是“摩擦系數(shù)”μ的函數(shù), 并用下式表示:

式中S1和S3分別為最大與最小水平主應力值, P0為孔隙壓力, μ為滑動摩擦系數(shù)。若最大與最小有效主應力值之比小于此值, 則斷層面穩(wěn)定, 若大于等于此值, 則在方位合適的層面上可能發(fā)生滑動。所謂方位合適的層面系指層面的法線方向與最大水平主應力S1的夾角為φ的面, 而φ與μ的關(guān)系為(張伯崇, 1996)

拜爾利綜合各種類型的巖石試驗資料得出, 在應力值小于 100 MPa時, 大部分巖石的 μ值為0.85(Byerlee J D, 1978)。張伯崇對三峽地區(qū)花崗巖、灰?guī)r和砂巖進行三軸摩擦試驗結(jié)果得出, 在正應力小于150～250 MPa范圍內(nèi), 巖石摩擦強度的下限大體為 τ=0.65σn, 上限為 τ=1.10σn, 平均 τ=0.85σn, 其結(jié)果大體與Byerlee的結(jié)論一致(張伯崇, 1996)。

中間主應力 S2在斷層面內(nèi), 對應于 μ=0.6～1.0, φ的取值范圍為φ=60.5°～67.5°。

2 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造概況

在大地構(gòu)造上, 測區(qū)位于燕山和秦嶺緯向構(gòu)造帶之間的新華夏系第三隆起帶上。主體構(gòu)造方向為NEE-NE向。其兩端由于受燕山和秦嶺東西向構(gòu)造的影響, 產(chǎn)生聯(lián)合現(xiàn)象, 轉(zhuǎn)成 NEE向, 如五臺山背斜和中條山背斜等。新生帶以來, 本區(qū)相對華北平原沉降區(qū)不斷隆起, 形成山西高原 NNE向隆起帶,在隆起帶軸部形成一系列走向 NE-NEE的斷陷盆地。與本研究相關(guān)的主要構(gòu)造, 自北向南主要有: 六棱山山前斷裂、恒山北山前斷裂, 五臺山山前斷裂,云中山山前斷裂、系舟山山前斷裂、交城斷裂、太古斷裂, 霍山山前斷裂、羅云山山前斷裂、中條山北山前斷裂、中條山南山前斷裂(圖1)。

3 山西盆地現(xiàn)今地應力狀態(tài)及地震危險性分析

在山西盆地的北端雁門關(guān)和五臺山地區(qū)以及南端的臨汾和運城地區(qū), 共收集了13個鉆孔的地應力測量資料(測區(qū)位置見圖 1)。測孔深度一般在 200～500 m, 最深近600 m, 測量方法均為水壓致裂原地應力測量方法。對于每一個鉆孔的測試, 一般由淺到深都進行了不少于 5個深度段的原地測試, 本文的討論共采用了 13個鉆孔總計 84個測段的數(shù)據(jù),為方便相關(guān)研究人員進一步研究, 將這些實測數(shù)據(jù)附錄在本文后(附表1～4)。

圖1 山西盆地區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造與地應力測量位置示意圖(據(jù)國家地震局, 1989)Fig. 1 Sketch map showing regional geological structures and in-situ stress measurement positions in Shanxi Basin (after State Seismological Bureau, 1989)

對上述地應力測試數(shù)據(jù)進行的初步分析表明,位于山西盆地北部的五臺山和雁門關(guān)兩個地區(qū)應力量值較低, 而靠近盆地南部的臨汾和運城地區(qū)應力值較高, 尤其是運城地區(qū), 在深度為 350～450 m的深度范圍, 其最大水平主應力的量值均超過20 MPa,最高達到28.55 MPa(參見附表1～4), 幾乎相當于北部五臺山和雁門關(guān)地區(qū)相應深度地應力值的兩倍。就山西盆地而言, 地應力值呈現(xiàn)出明顯的“南高北低”現(xiàn)象。為了對測區(qū)的地應力狀態(tài)進行深入的分析, 以下將這些實測數(shù)據(jù)繪制成應力隨深度的分布圖, 并根據(jù)本文第一節(jié)給出的計算公式, 計算出對應于逆斷層活動和正斷層活動的最大和最小水平主應力的臨界值, 也一并繪制于上述圖件中。具體分析結(jié)果如下。

3.1 雁門關(guān)、五臺山、臨汾地區(qū)現(xiàn)今地應力狀態(tài)

雁門關(guān)測區(qū)位于靜樂向斜北東部邊緣。在 4個鉆孔內(nèi)(孔深200～570 m)的鉆孔中取得28個深度的應力資料, 其最大水平主應力值一般為 8～15 MPa,最小水平主應力值一般為6～10 MPa。

五臺山測區(qū)在五臺縣城西南方向約10 km左右,位于著名的忻定盆地的東緣。在該測區(qū)內(nèi)的 5個鉆孔中(孔深 200～600 m)取得 42個測段的應力資料,最大水平主應力值一般為8～12 MPa, 最小水平主應力值一般為4～6 MPa。

臨汾測區(qū)位于山西省臨汾盆地西部。在兩個500 m深度的鉆孔內(nèi), 取得8個測段深度的應力資料, 最大水平主應力值一般為 16～20 MPa, 最小水平主應力值一般為9～11 MPa。

將上述3個測區(qū)獲得的地應力實測數(shù)據(jù)繪制成隨深度的分布圖, 同時, 按照前述的庫倫破裂準則以及拜爾利定律, 計算出對應于逆沖斷裂活動和正斷層活動最大和最小水平主應力的臨界值, 也繪制于同一個圖上, 如圖2所示。在此需要提及的是, 由于測量鉆孔的地下水位都很低或者為干孔, 因此,在資料分析中未計入孔隙壓力Po的影響。

在圖2中, 黑色圓點為實測的最小水平主應力,空心圓代表最大水平主應力, 草綠色直線代表按照靜巖壓力計算的垂向應力。兩條紅色直線表示斷層摩擦系數(shù)分別取值為0.6和1.0時最大水平主應力的臨界值, 兩條藍色直線為最小水平主應力的臨界值。從該圖中可以看出, 除淺部個別測點最大水平主應力進入臨界區(qū), 以及400～500 m范圍幾個測點的最小水平主應力進入臨界區(qū), 其余絕大部分測點都在臨界區(qū)以外, 從地應力的角度來分析, 區(qū)域內(nèi)斷裂處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2 五臺-雁門關(guān)-臨汾地區(qū)地應力隨深度分布Fig. 2 In-situ stress measurements and fault activity analyses of Wutai-Yanmenguan-Linfen area

3.2 運城地區(qū)現(xiàn)今地應力狀態(tài)

測區(qū)位于華北大陸亞塊南部鄂爾多斯塊與河灘地塊接觸帶南端。進行地應力測量的兩個鉆孔水平距離約200 m左右, 巖性分別為花崗巖和石英巖、石英砂巖(安其美等, 2009)。

在以上兩個深度近500 m的鉆孔內(nèi)取得了14個深度段的應力資料, 應力值隨深度分布如圖3所示。從中可以看出, 最大水平主應力值一般為 15～25 MPa, 最高28 MPa。最小水平主應力值一般為9～12 MPa, 最高16 MPa。對照圖2, 運城地區(qū)的應力狀態(tài)明顯不同于前述的3個地區(qū), 在其測量深度域內(nèi)(除1個別測點外), 三向主應力的關(guān)系一致表現(xiàn)SH＞Sh＞Sv, 應力結(jié)構(gòu)明顯有利于逆斷層活動, 水平主應力隨深度增加而增大。在不考慮孔隙壓力Po的情況下(兩條藍色直線代表對應的最大水平主應力的臨界值), 測區(qū)的最大水平主應力值部分已進入斷層摩擦滑動的臨界區(qū), 如計入孔隙壓力 Po的影響,最大水平主應力值大部分已進入逆斷層活動的臨界區(qū)(兩條紅色直線代表對應的最大水平主應力的臨界值)。其最大水平主應力的量值基本已進入臨界狀態(tài)。由此判斷, 本區(qū)域內(nèi)已積累了較高的應變能, 斷裂處于逆沖活動的臨界應力狀態(tài), 這一現(xiàn)象值得進一步的研究與關(guān)注。

圖3 運城地區(qū)地應力測量結(jié)果及其斷層活動性分析Fig. 3 In-situ stress measurements and fault activity analyses of Yuncheng Area

3.3 地震危險性分析

從地震活動的發(fā)展過程看, 華北地區(qū)地震自公元1290年以來經(jīng)歷了三次活躍期, 第一和第二活躍期分別經(jīng)歷了 178年和 246年, 該期強震主要發(fā)生在山西盆地, 例如, 臨汾盆地在1303和1695年2次8級大地震; 第三活躍期至今強震幾乎全部發(fā)生于華北平原區(qū)(李學新, 1988)。例如1966年邢臺大地震, 1976年唐山大地震等。從而導致華北平原區(qū)及鄰區(qū)應變釋放。研究表明, 1720年至今山西地震亞帶正處于應變積累階段, 已持續(xù)了 270余年, 可能進入地震前兆釋放階段。該階段也是地應力值由低向高的積累階段。

劉明清等人對山西中南部地區(qū)的地殼結(jié)構(gòu)、地球物理場異常和地震活動性進行了綜合研究(劉明清等, 1999), 從莫霍界面埋深情況可以看出臨汾、介休地區(qū)有局部隆起, 且在臨汾、侯馬至運城一帶有一個強梯度扭曲帶, 該強梯度扭曲帶表現(xiàn)出 Moho面向西傾突, 臨汾、侯馬至運城正好位于其向西傾突的前緣部位。而地震大部分均發(fā)生在這種向西傾突的前緣部位附近, 另外, 從該區(qū)域特定的深部構(gòu)造環(huán)境來分析, 山西斷陷帶的西緣是鄂爾多斯塊體,相對質(zhì)量較大且很穩(wěn)定; 東側(cè)為沁水現(xiàn)代穩(wěn)定地塊;南部是秦嶺褶皺系。在區(qū)域構(gòu)造應力的作用下, 必然是這種向前傾突的巖體部位應力最易集中, 因而也最容易發(fā)生地震。對該區(qū)域深部重力異常進一步研究, 得到梯度異常圖。并發(fā)現(xiàn), 運城、侯馬、臨汾地區(qū)的地震均在負梯度極值區(qū), 大同、介休附近地震在正梯度極值區(qū)。根據(jù)上述地球物理場的綜合研究成果, 他們認為山西省中南部具備發(fā)生中強地震的危險性(劉明清等, 1999)。

從地震的孕程和發(fā)震周期看, 在臨汾和運城盆地內(nèi)也曾發(fā)生過多次破壞性地震, 但地震活動周期較長, 頻度低。測量的高地應力狀態(tài), 說明該區(qū)應變能已經(jīng)積累了較長時間, 可能進入地震前兆釋放階段。

與上述深部地球物理場研究成果相比, 本文給出的原地應力測量數(shù)據(jù)及其分析結(jié)果, 屬于地殼的淺表范圍。但大量的研究成果表明, 地殼應力在深部和淺部存在一定的成生聯(lián)系和緊密關(guān)聯(lián)(吳滿路等, 2002; 吳滿路等, 2005; Zoback M L, 1992), 地殼淺部的地應力測量結(jié)果能夠反映區(qū)域構(gòu)造應力場特征。本文第3部分的分析表明, 山西盆地的現(xiàn)今地應力狀態(tài)呈現(xiàn)出“南高北低”的基本特征。按照庫倫破裂準則以及拜爾利定律, 運城地區(qū)最大水平主應力已經(jīng)接近和達到了發(fā)生逆沖斷裂活動的臨界值。結(jié)合上述地震發(fā)生周期規(guī)律的研究, 以及該區(qū)域深部地球物理的研究成果, 可以認為: 山西南部, 尤其是運城地區(qū)及其附近發(fā)生地震的危險性較大。

4 結(jié)論與認識

(1) 在山西盆地南北兩端地層淺部, 地應力以水平構(gòu)造應力為主, 水平主應力值隨地層深度增加而增大。南部臨汾和運城地區(qū)水平主應力值比較高,應力值相當于五臺山地區(qū)的兩倍, 地應力場“南高北低”現(xiàn)象比較明顯。

(2) 在五臺山、雁門關(guān)和臨汾地區(qū), 水平主應力與靜巖壓力之間的關(guān)系視深度而變化, 分別有利于逆斷層、走滑斷層和正斷層活動, 目前的應力值還未達到斷層活動的臨界值。在運城地區(qū)水平主應力與靜巖壓力之間的關(guān)系有利于逆斷層活動, 最大水平主應力值已達到或接近逆斷層活動的臨界值。具有發(fā)生逆斷層活動的可能。從地應力的角度分析,在山西南部, 尤其是運城及其附近地區(qū), 發(fā)生地震的危險性較大。

本文運用地應力測量資料, 根據(jù)庫倫摩擦滑動準則, 分析研究了山西盆地的斷層活動性。這是分析研究工作的初步嘗試, 難免存在片面性, 還有許多需要研究解決的問題。例如, 摩擦系數(shù)選取的合理性, 用地殼淺部的地應力資料分析地殼深部斷層活動性的淺部效應問題等, 均有待地學工作者深入探索。

致謝: 中國地震局地殼應力研究所王成虎博士為本文的資料收集提供了支持和幫助, 在此特致謝意！

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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 五臺山地區(qū)地應力測量結(jié)果Table 1 In-situ stress measurements of Wutaishan area

附表2 雁門關(guān)地區(qū)地應力測量結(jié)果Table 2 In-situ stress measurements of Yanmenguan area

附表3 臨汾地區(qū)地應力測量結(jié)果Table 3 In-situ stress measurements of Linfen area

附表4 運城地區(qū)地應力測量結(jié)果Table 4 In-situ stress measurements of Yuncheng area

P315.727; P553

A

1006-3021(2010)04-541-08

本文由深部探測技術(shù)與實驗研究專項項目(編號: SinoProbe-06)與公益性行業(yè)科研費專項項目(編號: 200811070)聯(lián)合資助。

2010-03-31; 改回日期: 2010-04-27。

陳群策, 男, 1963年生。中國地質(zhì)科學院地質(zhì)力學研究所研究員。主要從事地應力測量及構(gòu)造應力場分析研究工作。

通訊地址: 100081, 北京市海淀區(qū)民族大學南路11號。電話: 010-68482092。E-mail: chenqunce@sina.com。