巖性、非均勻性、地形和斷層對水壓致裂原地應(yīng)力測量的影響及正確的數(shù)據(jù)解釋和支持測量結(jié)果的獨立證據(jù)的重要性＊

Haimson B C

（University of Wisconsin，Madison， WI，USA）

引言

本文是本人從事40多年水壓致裂測量實際工作的簡要匯總。這些在不同地區(qū)開展的水壓致裂測量工作具有不同的目的，有的為了科學(xué)研究需要，如了解地殼應(yīng)力狀態(tài)及由于人類活動誘發(fā)地震的成因；有的為了工程需要，如為水電站或煤礦開挖的地下洞室的穩(wěn)定性設(shè)計提供參考資料。

本文主要目的是通過選擇簡單的水壓致裂測量工作實例，來重點闡述對區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力干擾的重要因素，包括地形、巖性、巖石非均勻性和斷層的存在。

此外，本文還通過一個測量實例來強調(diào)正確解釋水壓致裂測量結(jié)果和野外經(jīng)驗的重要性。最后，本人建議只要可以找到支持水壓致裂測量結(jié)果的獨立依據(jù)，應(yīng)該將此提供來增強應(yīng)力場測量的可信度。

1 巖性變化導(dǎo)致的應(yīng)力解耦

在加拿大安大略省達靈頓的一個300 m深的鉆孔內(nèi)開展水壓致裂測量工作時發(fā)現(xiàn)[1]，從孔深50 m到200 m測量段的巖石為奧陶紀石灰?guī)r，測量結(jié)果是一致的，最小和最大水平應(yīng)力（σh和σH）的量值分別為9 MPa和13.5 MPa，最大主應(yīng)力σH的方向為N70°E。然而，再往下80 m，巖石變?yōu)榍昂浼o片麻巖，4組測量數(shù)據(jù)顯示該測段應(yīng)力發(fā)生了劇烈變化，σh和σH平均值分別為11 MPa和18 MPa，σH的方向變?yōu)镹23°E。這說明了地層年代和巖石力學(xué)性質(zhì)可以造成地殼應(yīng)力的解耦。

另外一個例子是在加拿大安大略省的尼亞加拉大瀑布[2]，從淺表90 m到125 m深度范圍內(nèi)的 Whirlpool砂巖和下面的昆斯頓（Queenston）頁巖中，水壓致裂測試出的應(yīng)力值只有微小的差別，但是方向旋轉(zhuǎn)很大。從砂巖到頁巖，σh從4 MPa變到了5 MPa，σH從9.5 MPa變到了8 MPa，變化不算大，但是，σH的方位從N58°E變到了N32°E。

與此類似，在美國阿肯色州中部，頁巖中的水平主應(yīng)力跟砂巖中的水平主應(yīng)力差距不大，這反映出前者的延展性：在55 m深度處的Hartshorne砂巖中，最小、最大水平應(yīng)力分別為5 MPa和8 MPa；在118～131 m深度處的阿托卡（Atoka）頁巖中，最小、最大水平應(yīng)力分別為3.5 MPa和5.5 MPa；這兩種地層中應(yīng)力方向變化不大。

2 斷裂帶導(dǎo)致的應(yīng)力解耦

在馬尼托巴的Pinawa鎮(zhèn)附近的地下工程研究實驗室的水壓致裂測量工作中，人們發(fā)現(xiàn)了應(yīng)力解耦的另一種類型[3]。在一個傾斜不大的斷裂帶（也指逆斷層）上下Lacdu-Bonnet花崗巖中約275 m的深度進行6組水壓致裂應(yīng)力測量試驗，從50 m到275 m間主應(yīng)力隨深度呈線性變化，但是這種線性變化趨勢在斷裂帶的位置突然停止，斷裂帶下面應(yīng)力的大小及其隨深度的變化與斷裂帶上面不同。而且，σH的平均方位由斷裂帶上面的N66°E驟然變化到了斷裂帶下面的N66° W。

3 由地形起伏導(dǎo)致的區(qū)域應(yīng)力場的重大偏離

第一個測量實例是在美國的內(nèi)華達山脈，該實例表明了地下工程在施工之前必須謹慎地開展地應(yīng)力測量工作，尤其是在山區(qū)。高蓄能抽水電站項目除了水庫之外其他部分都建設(shè)在地下。該項目前期開展了一系列豎直孔中的水壓致裂應(yīng)力測量。豎直孔在山邊以下約300 m的位置，穿過未來的電站廠房。測試結(jié)果表明，測量主應(yīng)力值相對于高強度巖石來說比較安全，電站廠房及周圍不存在安全隱患。

因為水壓比最小水平主應(yīng)力σh還小，項目管理者將上述應(yīng)力測量結(jié)果解釋成距離電站廠房1 km的無襯砌壓力隧洞不會發(fā)生泄漏。然而，這種解釋是基于一種期望在機房附近測出的應(yīng)力值在整個工程區(qū)具有代表性。但這種期望被證實是不正確的。在壓力隧洞周圍的陡峭和不平的地形高差嚴重影響著當?shù)氐膽?yīng)力狀態(tài)。在壓力隧道開挖的過程中，距離電站廠房數(shù)百米處的多個沒有預(yù)料到的張開節(jié)理被橫切。他們的存在和方向都可能會使局部應(yīng)力狀態(tài)改變。而后在發(fā)現(xiàn)的張開節(jié)理附近又進行了一系列的水壓致裂測量。結(jié)果顯示應(yīng)力方向有40°的偏轉(zhuǎn)，水平應(yīng)力的大小減少了50%。σh的減小解釋了張開節(jié)理的存在，局部應(yīng)力方向和垂直節(jié)理方向一致。

第二組應(yīng)力測量解釋了沒有預(yù)料到的張開節(jié)理的存在，而且指出了隧洞填充物大量泄漏的危險。這些測量無法阻止大幅度地改動設(shè)計方案，比如從沒有加固到鋼襯是一個昂貴又費時的工作。我們從這個實例中得到的主要教訓(xùn)就是，要認真研究工程所在的整個區(qū)域和相關(guān)的地形-地質(zhì)條件，來選擇關(guān)鍵點進行應(yīng)力測量的重要性。在平坦的地形，大多數(shù)的實例中一組測試就可能代表整個區(qū)域的狀況，但是，在地形起伏相當大的地區(qū)，要多測量幾組來確定我們研究區(qū)域中全面的應(yīng)力狀態(tài)。

另一個重要的例子是在巴西一個山區(qū)對水利樞紐進行開挖前的水壓致裂測量[4]。該樞紐的主要地下洞室的平均深度為100 m，設(shè)備周圍不平坦的地形地貌使得有必要鉆兩個相距100 m的專用測孔。一個孔在機房-調(diào)壓室附近，另一個在壓力管道附近。

這兩組測試結(jié)果很好地解釋了在大型地下工程中開展多孔測試的重要性，尤其是在山區(qū)。兩孔測出的主應(yīng)力大小差別不太大，然而方位卻大不相同。在上面40 m左右的深度范圍內(nèi)，最大水平應(yīng)力σH連續(xù)旋轉(zhuǎn)，盡管在兩個孔中旋轉(zhuǎn)的類型不一樣。這種現(xiàn)象在其他地方也觀察到了，通常被解釋為是地表影響的結(jié)果，比如地形高差、日溫變化和各種侵蝕。σH方向的連續(xù)變化說明了一個主要的結(jié)論：如果沒有其他證據(jù)和手段，利用在近地表淺孔中的應(yīng)力測量值去推斷更深處的應(yīng)力值是不可靠的。

這兩組測量最顯著的結(jié)果是：不論是在σH連續(xù)旋轉(zhuǎn)深度以下，還是在與這個工程（320～380 m）相關(guān)的測孔1（N15° W）和測孔2（N45° W）的高程之間，σH的平均方位都有明確且一致的差異。在水平距離只有100 m的距離范圍內(nèi)，這樣一個σH穩(wěn)定的30°旋轉(zhuǎn)是能夠預(yù)見的。方向的這種變化主要是由該區(qū)的地形高差引起的。

4 火山巖的非均勻性對應(yīng)力-深度分布圖的影響

在冰島Reydarfjordur的600 m深的科學(xué)實驗孔中開展水壓致裂應(yīng)力測量[5]，得出的應(yīng)力-深度分布圖有點特別。該實驗孔打在一層薄的火山巖流和玄武巖巖脈中。測量結(jié)果顯示，在50～300 m之間，主應(yīng)力隨深度呈一致的線性增加，說明此處是一個逆斷裂機制。然而，在300～400 m之間，兩個水平應(yīng)力以比較快的速率隨深度的增加而增加；在400～500 m之間，它們以相同的速度隨深度增加而減小，說明這個深度以下是正斷裂機制。對這種出人意料的應(yīng)力-深度變化行為還沒有給出令人滿意的解釋，但是，這似乎是由巖石的非均勻性引起的。

5 正確解釋數(shù)據(jù)的重要性

不論采用何種方法開展原地應(yīng)力測量不僅與遵守相關(guān)測量規(guī)程有關(guān)，而且還跟測量經(jīng)驗有關(guān)。測量經(jīng)驗可能是得到正確應(yīng)力估計最重要的因素。在很多實例中，水壓致裂測量由受過訓(xùn)練的人進行操作。然而，由于這些人缺乏足夠的測量經(jīng)驗，導(dǎo)致了對原地應(yīng)力解釋的錯誤。

下面這個實例是在一個逆沖活斷層附近進行的水壓致裂測量，在測量的若干年前這個斷層就有過地震錯動。不知何原因，這一系列的測量沒有按照水壓致裂測量技術(shù)規(guī)范來確定水壓產(chǎn)生的鉆孔壁破裂的方向和傾向，而這是水壓致裂測量的有機組成部分。該測量工作由一個擁有一些知名科學(xué)家的商業(yè)團體完成，然而，這些科學(xué)家們幾乎沒有水壓致裂測量的經(jīng)驗。他們根據(jù)壓力-時間測試記錄推斷（或作為先驗知識）破裂是垂直的，正如在常規(guī)的工程實例中那樣。但事實上，在一個逆沖活動斷層區(qū)域，最小主應(yīng)力應(yīng)該是垂直的，即水壓產(chǎn)生的裂隙可能是水平的。

一位經(jīng)驗豐富的測量人員能根據(jù)測量中記錄的壓力-時間明顯特征，給出對閉合壓力和破裂傾角的正確描述。記錄數(shù)據(jù)顯示在曲線達到峰值（第一個壓力周期中開始破裂或在下一個破裂周期中破裂重張）后，壓力驟降到一個比較低的數(shù)值，并且在減壓之前保持不變。經(jīng)驗豐富的測量人員可以立即意識到這是一個非常明顯的水平方向的破裂。閉合壓力等于作用于破裂面法向上的主應(yīng)力。這個壓力只比根據(jù)上覆地層重量估計值小5%，在誤差范圍之內(nèi)。在更深處，測出的閉合壓力比垂直應(yīng)力小1%。

被那些科學(xué)家們記錄下的相對低的閉合壓力（這在有經(jīng)驗的測量人員看來是水滲漏的結(jié)果），佐證了破裂是垂直的這一斷言。這種對真實閉合壓力的錯誤解釋導(dǎo)致對應(yīng)力狀態(tài)整體的錯誤斷言，即把逆沖斷層當成了走滑斷層。

6 獨立證據(jù)對支持應(yīng)力測量結(jié)果的重要性

在美國科羅拉多州的蘭杰利（Rangely）油田[6]，利用注水法增加孔隙壓力來提高采油量后記錄到了一個沒有預(yù)料到的小震級地震。注水法有助于從致密的 Weber砂巖層中增加石油產(chǎn)量。水壓致裂測量揭示了沿著已經(jīng)存在的、穿越油田的斷層，應(yīng)力狀態(tài)更容易是走滑型的。根據(jù)獨立的斷層滑動準則，水壓致裂結(jié)果可用來計算出使斷層滑動的臨界孔隙壓力。這個壓力與地震活動時監(jiān)測出的參數(shù)驚人地接近，說明測試結(jié)果的可靠性。

在加拿大安大略省的達靈頓，水壓致裂測試揭示出在籌建的核能發(fā)電站地下300 m深度以內(nèi)壓應(yīng)力值高且一致。計算出的應(yīng)力的大小和方向與套取巖芯測量結(jié)果完全一致，從而證明了結(jié)果的正確性[1]。

在韓國，從首爾北部到南部海岸，在5個測點的13個鉆孔的測量數(shù)據(jù)表明了在500 m深度以下有一致的應(yīng)力狀態(tài)：應(yīng)力方位幾乎近E- W，且反映出走滑狀態(tài)。與半島周圍的震源機制解結(jié)果相一致[7]。

7 總結(jié)

目前沒有辦法證明我們在野外測量結(jié)果就是真正的地殼應(yīng)力。只有通過不同的應(yīng)力測量方法、應(yīng)力指示、地質(zhì)觀察，我們才能對我們的測量結(jié)果有信心。上述實例說明，了解測點局部地質(zhì)構(gòu)造和測點周圍巖性，對地應(yīng)力測量很重要。總而言之，測量經(jīng)驗是成功進行應(yīng)力測量和結(jié)果解釋的關(guān)鍵。建議用獨立的證據(jù)支持測量的結(jié)果，從而增強測量結(jié)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