北京昌平十三陵鉆孔地應(yīng)力測量與實時監(jiān)測在斷層活動危險性分析中的應(yīng)用探討

豐成君, 張 鵬, 孫煒鋒, 譚成軒

中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所, 國土資源部新構(gòu)造運動與地質(zhì)災(zāi)害重點實驗室, 北京 100081

北京昌平十三陵鉆孔地應(yīng)力測量與實時監(jiān)測在斷層活動危險性分析中的應(yīng)用探討

豐成君, 張 鵬, 孫煒鋒, 譚成軒*

中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所, 國土資源部新構(gòu)造運動與地質(zhì)災(zāi)害重點實驗室, 北京 100081

本文嘗試運用北京昌平十三陵鉆孔98 m深度原地應(yīng)力測量和實時監(jiān)測數(shù)據(jù), 依據(jù)彈性力學(xué)應(yīng)力張量疊加原理, 計算得到不同時段地應(yīng)力結(jié)果; 根據(jù)斷層滑動摩擦準(zhǔn)則, 探討南口山前斷裂活動性, 對了解該區(qū)地震危險性有重要的意義。原地應(yīng)力測量與實時監(jiān)測計算結(jié)果表明: 在2010年1月初和2013年3月31日, 最大水平主應(yīng)力平均值分別為5.30 MPa和7.56 MPa, 呈增加趨勢; 最大水平主應(yīng)力方向也由NNW逐漸過渡到NE至近EW向。斷層面上剪應(yīng)力與正應(yīng)力的比值結(jié)果顯示: 在2010年1月初和2013年3月底, 平均比值分別為0.12和0.22, 雖均沒有達到斷層面臨界滑動摩擦系數(shù)0.6, 但其顯示出的增加趨勢在一定程度上反映了該地區(qū)構(gòu)造活動有增強的跡象, 該現(xiàn)象值得關(guān)注。

首都圈; 地應(yīng)力測量; 地應(yīng)力實時監(jiān)測; 摩擦滑動準(zhǔn)則; 地震危險性

地應(yīng)力是導(dǎo)致地震發(fā)生的重要影響因素之一,大地震的孕育和發(fā)生是在特定構(gòu)造部位地應(yīng)力長期積累、集中、加強和最終導(dǎo)致應(yīng)變能突然釋放的過程, 地殼物質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)與地應(yīng)力對地殼運動具有決定的意義(李四光, 1973)。在地震地質(zhì)工作的基礎(chǔ)上, 研究地應(yīng)力狀態(tài)的變化與地震孕育、發(fā)生、發(fā)展的關(guān)系, 進而實現(xiàn)地震預(yù)測, 是李四光教授提出的實現(xiàn)地震預(yù)報的一條技術(shù)思路(黃相寧等, 1982a,b; 孫葉等, 2012)。

大震發(fā)生前后, 震源及附近地區(qū)地殼淺層地應(yīng)力分布特征(主應(yīng)力大小、方位及應(yīng)力狀態(tài))確實能發(fā)生明顯的改變(李方全等, 1979, 1988; Liao et al., 2003;郭啟良等, 2009; 豐成君等, 2013a; Lin et al., 2013),該現(xiàn)象對于認(rèn)識震前應(yīng)力積累、震時應(yīng)力降、震后應(yīng)力調(diào)整及余震分布均具有一定的指示作用(安其美等, 2004; 吳滿路等, 2010; 陳群策等, 2010; 秦向輝等, 2013)。由于震源點受力, 在上地殼很大范圍內(nèi)形成應(yīng)力集中區(qū), 雖然難以直接找到應(yīng)力集中點, 但在大范圍內(nèi)測量和監(jiān)測地殼淺層應(yīng)力及其變化, 進而可能尋找和確定當(dāng)前應(yīng)力增高區(qū), 并研究其狀態(tài)和變化趨勢, 則有可能判斷未來大地震的震中區(qū)(趙文津, 2009)。此外, 通過地應(yīng)力測量與監(jiān)測, 獲取地殼淺層的地應(yīng)力絕對值及其變化規(guī)律, 進而推測其深部特征, 并以此作為初始條件, 結(jié)合地殼深部應(yīng)力場的模擬研究, 使得地震的數(shù)值預(yù)報的實現(xiàn)成為可能(石耀霖等, 2013)。

首都圈地區(qū)(北緯 39°—41°, 東經(jīng) 114°—119°)是我國政治文化中心, 同時也是我國東部板內(nèi)地震多發(fā)區(qū), 自公元前 231年至 2012年, 京津唐張地區(qū)發(fā)生5級以上的地震52次, 其中破壞性地震(MS>5.5,震中烈度約Ⅶ度)9次, 如: 1679年三河—平谷8級地震; 1966年邢臺隆堯MS6.2級地震, 寧晉MS7.2級地震; 1967年河間MS6.3級地震; 1976年唐山MS7.9級地震和 1998年張北MS6.2級地震等(高文學(xué)等,1993; 孫士宏, 1994), 這些破壞性地震都給首都圈地區(qū)造成不同程度的損失和破壞, 該地區(qū)長期以來也成為我國地震監(jiān)視的重點區(qū)域。根據(jù)華北地區(qū)地震活動的“時、空、強”分布特征, 該區(qū)可能會進入第五個地震活躍期, 直接威脅到首都的安全(馬文濤等,2004; 譚成軒等, 2010; 孫葉等, 2012)。

2011年8月3日至2013年3月31日, 北京昌平十三陵新型壓磁地應(yīng)力監(jiān)測臺站的應(yīng)力監(jiān)測曲線顯示該區(qū)應(yīng)力值呈緩慢增加的趨勢(圖 1), 其顯示出的應(yīng)力增量是否會增強其附近斷層的活動危險性值得討論。本文嘗試運用十三陵鉆孔98 m深度原地應(yīng)力測量和實時監(jiān)測數(shù)據(jù), 依據(jù)庫侖摩擦滑動準(zhǔn)則, 探討了鉆孔在2010年1月初和2013年3月31日時的應(yīng)力狀態(tài)及其對附近斷層活動危險性的影響,并結(jié)合研究區(qū) 2002年至 2013年期間的小震(ML1.0～3.0)分布規(guī)律, 初步認(rèn)識了研究區(qū)現(xiàn)今構(gòu)造活動狀況。

1 研究區(qū)主要活動斷裂及特征概述

本文研究范圍為北京城區(qū)西北側(cè)昌平十三陵地區(qū), 研究區(qū)及附近主要展布NE和NW向兩組活動斷裂(圖 2)。NE向斷裂主要有南口山前斷裂、八寶山斷裂、黃莊—高麗營斷裂帶和順義—良鄉(xiāng)斷裂帶; 其中: (1)南口山前斷裂主體走向40°～60°, 傾向SE, 傾角 50°～80°, 燕山早期斷裂活動為逆沖性質(zhì), 之后有過多期活動, 上新世至全新世部分段落則轉(zhuǎn)為張性正斷層(冉洪流等, 1996; 黃秀銘等, 1991); (2)八寶山斷裂總體走向 N40°～60°E, 傾向 SE, 傾角 25°～35°,該斷裂形成于中侏羅世至晚侏羅世, 早白堊世斷裂具有拉張活動特性, 末期受到燕山運動 NW—SE向強烈擠壓作用, 該斷裂則具逆斷層性質(zhì)(王士德等,1982; 黃秀銘等, 1991), 中更新世至全新世仍有活動,但活動性較弱(彭一民等, 1981; 車兆宏等, 1997); (3)黃莊—高麗營斷裂總體走向NNE—NE, 傾向SE, 傾角 55°～75°, 形成于早白堊世晚期, 第三紀(jì)與八寶山斷裂共同構(gòu)成北京凹陷西邊界, 第四紀(jì)期間向北擴展, 形成順義和懷柔等第四紀(jì)次級凹陷, 由南向北活動性逐漸加強, 斷裂具有正斷兼右旋走滑的活動性質(zhì)(彭一民等, 1981; 王挺梅等, 1983; 王若柏等,1984; 車兆宏等, 1997); (4)順義—良鄉(xiāng)斷裂總體走向25°～30°, 傾向 NW, 傾角 60°～80°, 主要活動時期為中生代和新生代早期并持續(xù)到第三紀(jì), 其北段第四紀(jì)以來仍在活動, 主體為正斷層(胡平等, 2000)。研究區(qū)內(nèi)NW向斷裂主要為南口—孫河斷裂(東三旗以西), 斷裂走向 N45°～50°W, 傾向 WS, 傾角約 70°,該斷裂作為首都圈中部一條規(guī)模最大的北西向活動斷層, 對首都圈活動構(gòu)造和地殼運動具有控制作用,既是華北板塊的北邊界之一, 又是一條強震活動帶,第四紀(jì)以來活動方式為張性反扭(彭一民等, 1981;黃秀銘等, 1991)。研究區(qū)內(nèi), 歷史上MS≥4.0地震相對較少, 最大的是1730年9月30日京西6.5級地震, 震中位于西北旺附近; 研究區(qū)內(nèi)歷史地震震中大致沿 NW 向南口—孫河斷裂帶及附近地區(qū)展布(圖2)(王宋賢, 1982; 馬文濤等, 2004)。

2 北京昌平十三陵鉆孔水壓致裂地應(yīng)力測量與斷層活動危險性討論(2010年初)

北京昌平十三陵地應(yīng)力測量與監(jiān)測鉆孔位于北京市昌平區(qū)十三陵長陵鎮(zhèn)泰陵村國土資源部

圖1 北京昌平十三陵鉆孔新型壓磁地應(yīng)力監(jiān)測曲線(2011年8月3日—2013年3月31日)Fig. 1 New piezomagnetic stress monitoring curves at Ming tombs boreholes in Changping District, Beijing(2011.8.3—2013.3.31)

圖2 研究區(qū)主要活動斷裂分布Fig. 2 Distributions of main active fractures in the research region

表1 十三陵鉆孔水壓致裂地應(yīng)力測量結(jié)果Table 1 Hydraulic fracturing in-situ stress measuring results at Ming Tombs boreholes

圖3 北京昌平十三陵地應(yīng)力測量與監(jiān)測鉆孔地層剖面(A-A’)簡圖Fig. 3 Stratigraphic section of in-situ stress measuring and monitoring borehole at Ming Tombs in Changping District, Beijing

十三陵培訓(xùn)中心院內(nèi)(圖 2), 地理坐標(biāo)為 116°12′49″E,40°19′22″N, 鉆孔高程 171 m, 深度 600 m, 于 2009年8月25日開鉆, 12月30日終孔。鉆孔附近野外地質(zhì)調(diào)查和鉆孔巖芯初步表明, 該鉆孔位于南口山前斷裂附近, 鉆孔淺部(約 0～182 m)位于斷裂上盤,為太古代片麻巖, 巖體較完整; 而在鉆孔深部(約182～600 m)則處于斷裂下盤, 為中元古代灰?guī)r, 巖體較破碎(圖3)。

2.1 北京昌平十三陵鉆孔水壓致裂地應(yīng)力測量及結(jié)果分析

水壓致裂地應(yīng)力測量方法是國際巖石力學(xué)學(xué)會試驗方法委員會建議的確定巖體應(yīng)力方法之一,目前也是國際上能較好地直接進行深孔應(yīng)力測量的先進方法(Haimson et al., 1989, 2003)。關(guān)于水壓致裂地應(yīng)力測量的原理和方法本文不再贅述。北京十三陵鉆孔水壓致裂地應(yīng)力測量結(jié)果見表1。

十三陵鉆孔在103.50～207.50 m深度范圍內(nèi), 最大水平主應(yīng)力SH為4.33～6.25 MPa, 最小水平主應(yīng)力Sh為3.33～4.71 MPa。在165.00 m以上, 三個主應(yīng)力之間的關(guān)系為SH>Sh>Sv(圖 4), 為逆斷型應(yīng)力狀態(tài),該特征與南口山前斷裂燕山早期逆沖活動性質(zhì)相一致; 而在 180.00 m以下, 三個主應(yīng)力之間的關(guān)系則轉(zhuǎn)為Sv>SH>Sh(圖4), 為正斷型應(yīng)力狀態(tài), 該特征則與南口山前斷裂現(xiàn)今活動特性相吻合。鉆孔附近最大水平主應(yīng)力SH方向為 N18°W—N26°W, 平均為N22°W(圖 4), 該方向與附近十三陵抽水蓄能電站廠區(qū)內(nèi)水壓致裂地應(yīng)力測量得到的最大水平主應(yīng)力方向(N16°W)基本一致(圖 2), 而與首都圈及華北區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場主壓應(yīng)力方向(NE—NEE)有較大的差別(李欽祖, 1980; 李欽祖等, 1982; 魏光興等, 1982;黃福明等, 1995; 周翠英等, 2001; 馬文濤等, 2004;崔效鋒等, 2010); 由于該鉆孔測量得到的最大水平主應(yīng)力方向數(shù)據(jù)多取自200.00 m以上, 而區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場主壓應(yīng)力方位多由震源機制解確定得到, 其深度均在幾km至幾十km, 受地形地貌、巖石物理力學(xué)性質(zhì)及局部構(gòu)造活動不同等因素的影響, 地殼淺表層與深部的地應(yīng)力特征可能會存在差異(譚成軒等, 2006)。

圖4 北京昌平十三陵鉆孔主應(yīng)力值及最大水平主應(yīng)力方向隨深度變化Fig. 4 Magnitude of principal stresses and direction of maximum horizontal principal stress versus depth at Ming Tombs boreholes in Changping District, Beijing

2.2 斷層活動危險性討論

在不考慮斷層內(nèi)聚力的情況下, 當(dāng)斷層面上的剪應(yīng)力τn大于或等于滑動摩擦阻力μσn, 則斷層出現(xiàn)摩擦滑動, 其中,σn為斷層面上的正應(yīng)力,μ為斷層面的摩擦系數(shù), 斷層滑動失穩(wěn)的條件為(Byerlee,1978):

建立三維直角坐標(biāo)系xyz, 其中,x軸正方向和鉆孔最大水平主應(yīng)力平均方向(N22°W)一致,y軸正方向與最小水平主應(yīng)力方向一致,z軸垂直向上十三陵鉆孔附近南口山前斷層傾向取 148°, 傾角為70°(圖 3), 根據(jù)任意斜截面上的正應(yīng)力與剪應(yīng)力的計算公式(梁海慶等, 1993; 李同林等, 2006), 計算鉆孔附近斷層面上的剪應(yīng)力(τn)、正應(yīng)力(σn), 及兩者之間的比值τn/σn(表 2)。

研究表明, 大部分巖石的摩擦系數(shù)位于0.6～1.0之間(Byerlee, 1978; Zoback et al., 2003), 在分析地殼淺部斷層活動時, 該摩擦系數(shù)可近似代表斷層面的滑動摩擦系數(shù), 并將 0.6作為判斷斷層失穩(wěn)的臨界摩擦系數(shù)(安其美等, 2004; 陳群策等, 2010; 秦向輝等, 2013; 豐成君等, 2013b)。由表2可看出, 2010年初, 在0～210 m深度范圍內(nèi), 十三陵鉆孔附近斷層面上的剪應(yīng)力與正應(yīng)力的比值為0.05～0.18, 遠沒達到斷層面上的臨界摩擦系數(shù)0.6, 理論上, 南口山前斷裂不存在因為應(yīng)力達到臨界狀態(tài)而發(fā)生黏滑失穩(wěn)的危險。

表2 十三陵鉆孔附近斷層面外法線與主應(yīng)力坐標(biāo)軸夾角余弦值與斷層面上剪應(yīng)力值、正應(yīng)力值及兩者比值計算結(jié)果Table 2 Results of l, m, n, σn, τn and τn/σn

3 北京昌平十三陵鉆孔地應(yīng)力監(jiān)測與變化(2011年8月3日—2013年3月31日)

3.1 北京昌平十三陵鉆孔地應(yīng)力監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析

十三陵鉆孔水壓致裂地應(yīng)力測量結(jié)束后, 于2010年1月在該鉆孔98 m深度安裝了4分量新型壓磁地應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所研制, 目前, 已實現(xiàn) 4分量監(jiān)測探頭自動加(卸)載、監(jiān)測數(shù)據(jù)遠程無線傳輸?shù)墓δ? 且安裝深度已超過200 m, 處于國際領(lǐng)先水平(陳群策等,2011; 董樹文等, 2012, 2013)。十三陵鉆孔4分量應(yīng)力監(jiān)測探頭安裝方位見圖5。

從 2011年 8月至今, 該地應(yīng)力監(jiān)測儀器已連續(xù)、穩(wěn)定地獲得了地應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)(圖1)。圖1顯示的地應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)從2011年8月3日00:00至2013年2013年3月31日00:00, 可以直觀看出: 分量1、2、4變化幅度較小, 分量 3變化較大, 但不超過4 MPa, 總體上, 4個分量監(jiān)測探頭顯示的正應(yīng)力變化比較平穩(wěn)(圖 1)。參考應(yīng)力觀測數(shù)據(jù)的自檢條件“(1+2)正應(yīng)力變化=(3+4)正應(yīng)力變化”(張培耀等,2008; 黃相寧等, 2009; 池順良等, 2013), 由圖6可以看出, 在該階段, 分量(1+2)正應(yīng)力變化曲線與分量(3+4)正應(yīng)力變化曲線形態(tài)較為相近, 兩者之間雖然并不相等, 但其差值比較小, 介于 0～1.5 MPa之間, 且多小于1.0 MPa, 故該階段4分量所顯示出的正應(yīng)力變化是比較可靠的。

圖5 十三陵鉆孔4分量新型壓磁地應(yīng)力監(jiān)測探頭方位Fig. 5 Positions of four new piezomagnetic probes at Ming Tombs boreholes

圖6 十三陵地應(yīng)力臺站應(yīng)力觀測數(shù)據(jù)自檢曲線Fig. 6 Self checking curves of stress monitoring data at Ming Tombs in-situ stress monitoring station

由圖1可看出, 與2011.8.3 00:00相比, 在該階段末(2013.3.31 00:00), 4分量應(yīng)力監(jiān)測得到的正應(yīng)力均有不同程度的增加, 假設(shè) 4個分量探頭在該階段內(nèi)的正應(yīng)力變化量分別記為: △σ1, △σ2, △σ3,△σ4, 有 : △σ1=0.89 MPa, △σ2=1.73 MPa,△σ3=3.98 MPa, △σ4=0.28 MPa。

3.2 基于 4分量應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)計算其引起平面應(yīng)力狀態(tài)下應(yīng)力分量變化

假設(shè)三個方向a、b、c相互夾角為45°, 三個方向上正應(yīng)力(或變化量)分別為σa、σb、σc(或△σa、△σb、△σc), 而兩個主應(yīng)力(或引起a、b、c三個方向正應(yīng)力變化量的主應(yīng)力變化量)分別為σHmax、σhmin(或△σHmax、△σhmin), 其中,σHmax(或△σHmax)與a方向的夾角為θ, 則由公式(2)可計算出主應(yīng)力(或變化量)(王連捷等, 1991):

表3 二維平面應(yīng)力分量變化計算結(jié)果(2011.8.3—2013.3.31)Table 3 Results of variations of stress tensors under the two-dimensional plane stress state (2011.8.3—2013.3.31)

表4 初始水平主應(yīng)力及應(yīng)力分量計算結(jié)果Table 4 Results of initial horizontal principal stresses and components of stress tensors

建立直角坐標(biāo)系xoy,x正方向與正東方向一致,y正方向與正北方向一致(圖5), 根據(jù)二維平面應(yīng)力張量轉(zhuǎn)換公式(李同林等, 2006), 將由公式(2)計算得到的主應(yīng)力變化量計算得到其引起在坐標(biāo)系xoy下的平面應(yīng)力分量變化。計算過程中基于4分量監(jiān)測探頭中任意 3個方向上的正應(yīng)力變化量, 共有 4組方案, 分別為: ①(分量 2, 4, 1)、②(分量 4, 1, 3)、③(分量1, 3, 2)和④(分量3, 2, 4)。二維平面應(yīng)力張量變化量計算結(jié)果見表3。

4 北京昌平十三陵鉆孔地應(yīng)力計算結(jié)果與斷層活動危險性討論(2013年3月底)

4.1 初始地應(yīng)力場(2011年8月初)

參考表1中十三陵鉆孔2010年1月初的地應(yīng)力測量結(jié)果, 在2011年8月初, 壓磁探頭安裝深度(98 m)處的最大水平主應(yīng)力σiHmax=5.30 MPa,σihmin=3.91 MPa,σiv=2.60 MPa, 最大水平主應(yīng)力方向仍然為 N22°W, 并將該應(yīng)力結(jié)果作為初始應(yīng)力值。根據(jù)二維平面應(yīng)力張量轉(zhuǎn)換公式可以計算出其在直角坐標(biāo)系xoy下的應(yīng)力分量σixx、σiyy、τixy(表 4)。

4.2 現(xiàn)今地應(yīng)力場(2013年3月底)

設(shè)在2013年3月底鉆孔98 m處的最大水平主應(yīng)力為σPHmax, 最小水平主應(yīng)力為σPhmin, 垂向應(yīng)力為σPv, 在直角坐標(biāo)系xoy下的應(yīng)力分量為σPxx、σPyy,τPxy, 將初始應(yīng)力分量(表 4)和該階段(2011.8.3—2013.3.31)應(yīng)力分量變化(表3)進行疊加(公式3), 即可得到在2013年3月底的二維應(yīng)力分量(表5), 再由二維平面應(yīng)力狀態(tài)下主應(yīng)力計算公式(李同林等,2006)分別計算出現(xiàn)今最大水平主應(yīng)力σPHmax、最小水平主應(yīng)力σPhmin和最大水平主應(yīng)力方向(表5)。

由表5可以看出, 在2013年3月底, 鉆孔98 m處的最大水平主應(yīng)力值為 6.06～8.73 MPa, 最小水平主應(yīng)力值為 2.17～6.91 MPa, 最大水平主應(yīng)力優(yōu)勢方向為NE—近EW向, 逐漸趨于華北區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場NEE—近EW向的主壓應(yīng)力方位。2010年1月初, 地應(yīng)力絕對測量得到鉆孔內(nèi)的最大水平主應(yīng)力方向平均為N22°W, 由此看來, 從2010年1月初至2013年3月底, 十三陵鉆孔附近的最大主應(yīng)力方向有調(diào)整,并呈現(xiàn)出與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場方位一致的趨勢。

4.3 斷層活動危險性討論

計算出十三陵鉆孔98 m位置在初始應(yīng)力條件下(2011年 8月初)和現(xiàn)今應(yīng)力條件下(2013年 3月底)附近斷層面上的剪應(yīng)力、正應(yīng)力和兩者的比值(表6)。

由表6可以看出, 在2011年8月初, 十三陵鉆孔附近斷層面上的剪應(yīng)力與正應(yīng)力的比值為 0.18;在2013年3月底, 兩者之間的比值為0.16～0.24, 平均為 0.22; 兩個階段剪應(yīng)力與正應(yīng)力的比值均沒有達到斷層面上的臨界摩擦系數(shù) 0.6, 理論上, 鉆孔附近的南口山前斷裂不存在黏滑失穩(wěn)的危險。比較可以看出, 在 2013年 3月底, 斷層面上剪應(yīng)力與正應(yīng)力的比值大于2011年8月初的值, 表明, 從2011年8月初至2013年3月底約3年的時間內(nèi), 十三陵鉆孔附近應(yīng)力水平在逐漸增加, 斷層面上的剪應(yīng)力與正應(yīng)力的比值在也逐漸增大, 該變化趨勢值得關(guān)注。

4.4 北京昌平及其附近地區(qū)現(xiàn)今地震活動性

上述分析表明北京昌平十三陵及其附近地區(qū)的應(yīng)力水平自 2010年初以來是增加的, 由地應(yīng)力資料計算得到的淺層南口山前斷裂面上的剪應(yīng)力與正應(yīng)力的比值雖沒有達到斷層發(fā)生黏滑失穩(wěn)時的臨界值0.6, 卻呈現(xiàn)出增大的趨勢。為直觀了解該區(qū)構(gòu)造活動的強度, 我們根據(jù)中國地震臺網(wǎng)中心首都圈地區(qū)地震數(shù)據(jù)庫搜集到研究區(qū)內(nèi) 347條ML1.0～3.0級小震活動記錄(2002年1月8日至2013年4月24日) (http://www.csndmc.ac.cn/newweb/data.htm)(注:該區(qū)沒有ML＞3.0級地震記錄); 為深入地了解這些小震分布特征, 將本文研究區(qū)根據(jù)經(jīng)緯度分為 9個區(qū), 分別記為 A、B、C、D、E、F、G、H 和 I(圖7); 將 347條小震分布區(qū)域進行分區(qū)統(tǒng)計, 并給出其 M-T(震級-時間) 圖(圖 8), 并描繪出各個小區(qū)塊內(nèi)小震發(fā)生時間和震級圖(圖9)。

研究區(qū)小震活動分布特征分析如下:

(1)從空間尺度上可看出, 研究區(qū)內(nèi)ML1.0～3.0小震活動主要分布在區(qū)域 B、D、G、H和 I, 即昌平區(qū)、海淀區(qū)北部和順義區(qū)南部(圖 8a)。其中, 以昌平為中心, 15 km為半徑的范圍內(nèi), 小震活動分布(區(qū)域 A+區(qū)域 B+區(qū)域 D+區(qū)域 E)則占到了總數(shù)的40%(圖 8a), 該區(qū)域內(nèi), NW 向?qū)O河—南口斷裂和NE向南口山前斷裂在南口附近交匯, 小震活動分布又相對密集, 一定程度上可能反映出南口山前斷裂現(xiàn)今活動性有所增強。

(2)從時間尺度上可以看出, 在整個研究區(qū)內(nèi),大致從 2007年以來, 小震活動發(fā)生較頻繁, 其中,在2009年至2013年時間段內(nèi), 其分布更加密集(圖8b)。在十三陵鉆孔附近 4個區(qū)域(A、B、D和 E)中, 區(qū)域A和B在2010年4月以后, 小震活動明顯多于該時間點之前; 區(qū)域D和E在2008年4月以后, 小震活動也顯著增加; 在其他區(qū)域中, 小震活動分布相對較均勻; 總體上, 研究區(qū) 9個小區(qū)域內(nèi)小震發(fā)生頻次在近 5年間大體呈現(xiàn)出增加的趨勢,其中, 昌平區(qū)的A、B、D和E四個區(qū)域中這種變化趨勢更明顯(圖9)。

綜上所述, 研究區(qū)近12年小震活動表明, 受控于區(qū)域內(nèi)斷裂活動, 十三陵鉆孔所在的昌平及附近地區(qū)現(xiàn)今構(gòu)造活動有增強的趨勢, 該現(xiàn)象與十三陵鉆孔地應(yīng)力測量和監(jiān)測結(jié)果所反映出斷層活動危險性增加的趨勢基本一致。

圖7 研究區(qū)小震活動分布區(qū)域(ML1.0～3.0; 圖例同圖2)Fig. 7 Distribution of small earthquakes in the study area(ML1.0～3.0; legends as for Fig. 2)

表5 十三陵鉆孔98 m位置現(xiàn)今主應(yīng)力計算結(jié)果(2013年3月底)Table 5 Results of current principal stress at the depth of 98 m at Ming Tombs borehole

表6 北京十三陵鉆孔附近斷層面外法線與主應(yīng)力坐標(biāo)軸夾角余弦值與斷層面上剪應(yīng)力值、正應(yīng)力值及兩者比值計算結(jié)果Table 6 Results of l, m, n, σn, τn and τn/σn

5 結(jié)論與討論

5.1 十三陵鉆孔原地應(yīng)力測量結(jié)果及變化

(1)2010年1月初, 在鉆孔103.50～207.50 m深度范圍內(nèi), 最大水平主應(yīng)力SH為4.33～6.25 MPa; 最小水平主應(yīng)力Sh為3.33～4.71 MPa; 最大水平主應(yīng)力SH方向為 N18°W～N26°W, 平均為 N22°W; 其中, 在鉆孔98 m深度,SH約為5.30 MPa,Sh約為3.91 MPa。

(2)2013年3月底, 在鉆孔98 m深度, 最大水平主應(yīng)力SH值為6.06～8.73 MPa, 平均為7.56 MPa;最小水平主應(yīng)力Sh值為 2.17～6.91 MPa; 最大水平主應(yīng)力優(yōu)勢方位為NE—近EW向。

比較該鉆孔不同時段應(yīng)力測量結(jié)果可得, 從2010年1月初至 2013年3月底, 最大水平主應(yīng)力平均值由 5.30 MPa增加到 7.56 MPa, 增加了近42.6%; 最大水平主應(yīng)力方向由 NNW 逐漸過渡到NE—近EW向。

5.2 十三陵鉆孔附近斷層活動危險性分析

在2010年1月初, 在0～210 m深度范圍內(nèi), 十三陵鉆孔附近南口山前斷層面上的剪應(yīng)力與正應(yīng)力的比值為0.05～0.18, 平均為0.12; 在2013年3月底,在98 m深度, 該比值為0.16～0.24, 平均為0.22; 2個階段斷層面上的剪應(yīng)力與正應(yīng)力的比值均小于斷層面滑動臨界摩擦系數(shù)0.6, 理論上, 在現(xiàn)今應(yīng)力水平下該斷層不存在發(fā)生黏滑活動的危險, 但其增加的趨勢一定程度上表明了該區(qū)構(gòu)造活動有所增強,該現(xiàn)象值得關(guān)注。

5.3 討論

圖8 小區(qū)域內(nèi)小震活動分布統(tǒng)計及研究區(qū)“M-T”圖Fig. 8 Statistic distribution of small earthquakes in each sub-region and “M-T” chart in the study area

圖9 小區(qū)域內(nèi)小震活動“M-T”圖Fig. 9 “M-T” chart of small earthquakes in each sub-region

本文論述過程中, 主要基于鉆孔 98 m深度原地應(yīng)力測量與實時監(jiān)測資料, 故地應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性直接決定了鉆孔在不同時段地應(yīng)力計算結(jié)果的正確性, 進而影響到對該區(qū)地震活動危險性的判斷。分析認(rèn)為, 從2011年 8月 3日00:00至 2013年3月31日00:00的地應(yīng)力實時監(jiān)測數(shù)據(jù)基本滿足自檢條件, 監(jiān)測數(shù)據(jù)較客觀、可靠, 該臺站測量和監(jiān)測數(shù)據(jù)所顯示出的地應(yīng)力變化規(guī)律一定程度上直觀反映出研究區(qū)現(xiàn)今構(gòu)造活動的強度, 因此, 繼續(xù)加強野外地質(zhì)調(diào)查, 充分利用現(xiàn)有地震地質(zhì)資料,并深入分析地應(yīng)力實時監(jiān)測數(shù)據(jù), 對于認(rèn)識區(qū)域內(nèi)斷裂活動、地震危險性及地殼穩(wěn)定性是有必要的。致謝:衷心地感謝中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所王連捷研究員、廖椿庭研究員、陳群策研究員、吳滿路研究員、孫東生博士、周能娟博士和秦向輝助理研究員對本文提出寶貴的建議。

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The Application of in Situ Stress Measuring and Real-time Monitoring Results to Analyzing the Fault Activity Hazard at Ming Tombs Borehole in Changping District, Beijing

FENG Cheng-jun, ZHANG Peng, SUN Wei-feng, TAN Cheng-xuan*
Key Laboratory of Neotectonic Movement and Geohazard,Ministry of Land and Resources,Institute of Geomechanics,Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing100081

According to the elasticity of the stress tensors superposition principle, the authors calculated the stress state in different periods at the borehole drilled at Ming Tombs, Changping District, Beijing, attempting to apply the data obtained by in-situ stress measuring and monitoring. Based on the frictional sliding criteria, this paper deals with the sliding of piedmont Nankou fault near the borehole, which serves as an important implication for understanding the seismic hazard in this region. The in-situ stress results show that, at the stages of early January,2010 and March 31, 2013, the average maximum horizontal principal stress was respectively 5.30 Mpa and 7.56 MPa, showing an increasing trend; the direction of maximum horizontal principal stress was gradually converted from NNW to NE–nearly EW. The ratio between shear stress and normal stress on the fault plane revealed that, at the stages of early January, 2010 and the end of March, 2013, the average ratio was respectively 0.12 and 0.22 at the depth of 98 m, which didn’t achieve the threshold sliding friction coefficient 0.6 of the fault.However, the increasing trend of the average ratio indicates that the tectonic activity in the region may increase to some extent. The phenomenon deserves further attention.

Beijing region; in-situ stress measurement; in-situ stress real-time monitoring; frictional sliding criteria; seismic hazard

P315.727; P553

A

10.3975/cagsb.2014.03.10

本文由中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查評價專項“首都圈地區(qū)關(guān)鍵構(gòu)造部位深孔地應(yīng)力測量監(jiān)測與地質(zhì)安全評價”(編號: 12120113012100)與國土資源部公益性行業(yè)科研專項“我國東部沿海核電站區(qū)域地殼穩(wěn)定性與地質(zhì)災(zāi)害研究”(編號: 201211096)聯(lián)合資助。

2013-09-25; 改回日期: 2014-01-07。責(zé)任編輯: 魏樂軍。

豐成君, 男, 1985年生。博士研究生。主要從事構(gòu)造應(yīng)力場方向研究。E-mail: fcj19850718@163.com。

*通訊作者: 譚成軒, 男, 1964年生。研究員, 博士生導(dǎo)師。主要從事構(gòu)造應(yīng)力場方向研究。E-mail: tanchengxuan@tom.com。