安第斯山中段現今地應力測量及地震相關性分析

曹 輝 ,孫東生,孟 文,趙衛華,萬串串

1)北京科技大學土木與環境工程學院,北京 100083;2)中國地質科學院地質力學研究所,國土資源部新構造運動與地質災害重點實驗室,北京 100081;3)北京礦冶研究總院,北京 100016

地應力是控制地震孕育和發生的主要因素。近年來隨著地應力測試能力的不斷提高,國內外開展了大量針對地震機理研究的地應力測量(Liao et al.,2003;Lin et al.,2013;Sun et al.,2014)。將實測地應力數據作為邊界條件,開展地震孕育、發生和發展的數值模擬研究成為了地震機理研究的熱點(Sun et al.,2013)。相比而言對于震源深度應力狀態及孔隙壓力與地震活動相關性方面研究較少。本文結合秘魯南部斑巖銅礦自然崩落法可行性分析工作的需要,利用礦區探礦鉆孔,采用水壓致裂原位地應力測試技術,首次獲取了安第斯山中段千米深度的原位地應力大小及方向隨深度的變化規律。依據安德森斷層強度理論繪制了應力多邊形,并根據庫倫摩擦破裂準則討論了應力狀態與地震活動的相關性。

安第斯山位于納茲卡洋殼板塊和南美板塊之間,是全球地震活動極其活躍的區域之一。受納茲卡洋殼板塊持續向南美大陸板塊俯沖作用,歷史上沿安第斯山中段發生多次破壞性地震(Rhea et al.,2010)。根據世界應力圖數據庫的結果,截止目前沿安第斯山中段尚無深部原位地應力實測資料,僅有震源機制解及地表調查資料(Heidbach et al.,2009)。因此通過實測獲取安第斯山中段深部應力狀態,不僅對該地區地震機理分析具有重要意義,而且對世界應力圖數據庫具有重要補充價值。

1 區域地質概況

從元古代到新生代,安第斯山中部發生了多期構造運動,特別是中新生代以來,本區構造演化與納茲卡洋殼板塊向南美大陸板塊俯沖息息相關,逆沖擠壓、伸展拆離、走滑平移,使得區內巖石發生多期疊加變形,形成了各種構造現象復合疊加的現狀(金文強,2010)。相對于穩定的南美板塊而言,納茲卡洋殼板塊以73～80 mm/yr的速度持續向南美大陸板塊俯沖,由于納茲卡板塊的持續活動,歷史上安第斯山中段發生了數次大于7.5級的強震(如圖1),震源深度集中在10～60 km之間(Rhea et al.,2010)。

2 秘魯南部水壓致裂法原地應力測量

2.1 水壓致裂原地應力測量

水壓致裂原地應力測量方法是國際巖石力學學會試驗方法委員會建議的確定巖體應力方法之一(ISRM,1987;Zang et al.,2010)。具有操作簡單、測量深度大、原位測量等優點,在國內外重大工程建設、深部礦山開采及地震機理研究方面得到了廣泛應用(陳群策等,2010;Meng et al.,2012)。

2.2 測量點地質概況

測點位于秘魯南部阿雷基帕(Arequipa)省境內,西科迪勒拉山脈西南坡,地理坐標為 16o37′8.41?S、71o28′10.34?W,鉆孔口標高 2929 m,近秘魯智利海溝的轉折端,西南方向距海溝直線距離約90 km(如圖1所示)。區域上屬于安第斯山造山帶的組成部分—西科迪勒拉山構造巖漿活動帶西緣,東側為高聳的米斯蒂等火山帶,構造線在此由走向北西轉為近南北向。地應力最大測深 985 m,鉆孔揭露巖性包括花崗閃長巖、英安斑巖、安山巖、閃長巖及角礫巖。

2.3 原地應力大小

通過鉆孔編錄和巖芯資料,在鉆孔裸眼段236～985 m深度范圍內,共完成16段水壓致裂測試,測量曲線標準、規范,壓裂曲線特征值確切,各回次重張曲線重復性較好,典型水壓致裂記錄曲線如附圖2所示。

圖1 地應力測點位置及區域內1900—2007地震空間分布Fig.1 Location of insitu stress measurement point and spatial distribution of earthquakes that occurred in 1900–2007

圖2 不同深度典型水壓致裂測量曲線Fig.2 Representative curves of hydraulic fractures at different depths

表1 水壓致裂地應力測量結果Table 1 Results of in situ stress measurement by hydraulic fracturing method

水壓致裂原地應力測試結果如表1所示。測試得到水平最大、最小及垂向應力大小隨深度的變化如圖3所示。結果表明在257～985 m測量深度范圍內,主應力的量值均隨深度增加而增大。最小水平主應力的量值范圍為 7.97～24.15 MPa;最大水平主應力的量值范圍為12.38～34.47 MPa;垂向應力為上覆巖體重量(該鉆孔40～1000 m范圍內77個樣品的平均密度為 2.65 g/cm3),其變化范圍為 6.81～26.10 MPa。在全孔段范圍內σH/σh比值介于 1.43～1.66之間。水平最大、最小主應力大小隨深度的擬合公式如下,其中H為上覆巖體厚度,單位為m。

2.4 現今主應力方向

圖3 主應力隨深度變化曲線Fig.3 Curves of variation of principal stress with depth

采用印模技術獲取376 m、424 m、541 m、640 m共計 4個深度的最大水平主應力方向。結果表明396 m和424 m深度處水平最大主應力方向為NEE,541 m和 640 m深度的水平最大主應力方向為NWW,水平最大主應力方向在深部(500 m以下)發生了偏轉。已有資料表明大斷層及巖性變化可造成水平最大主應力發生偏轉(Shamir et al.,1992)。巖芯編錄顯示在鉆孔530 m附近發育近2 m厚斷層角礫巖,可能是造成主應力方向發生偏轉的原因之一。巖性上,根據礦區大量鉆孔揭露資料表明,研究區淺部(500 m 以上)巖性主要為花崗閃長巖,以下主要為英安斑巖及角礫巖(吳斌等,2013),即在500 m附近存在明顯的巖性分界線。

根據世界應力圖數據庫(Heidbach et al.,2009),沿安第斯山脈基本無實測應力資料,僅有地震機制解和地表調查統計結果表明安第斯山中段處于山脈走向轉折區,最大主應力方向變化比較復雜,總體上研究區最大主應力優勢方向為NWW—EW方向,測量結果與已有區域結果基本吻合。

3 深部應力狀態與地震

3.1 深部應力狀態的估算

研究區震源深度在 10～60 km之間,如何由淺部應力狀態推測深部應力狀態是一個正在探索的問題。根據安德斯斷層理論及庫倫破裂準則,可由正斷層、走滑斷層和逆斷層發生破壞滑動的條件估算深部應力的范圍(Jaeger et al.,1979;Zoback,2007):

圖4 根據安德斯斷層和有效庫倫破裂準則繪制的應力多邊形(Sv為30 km深度的垂向應力;RF為逆斷層應力狀態;SS為走滑斷層應力狀態;NF為正斷層應力狀態)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為孔隙壓力,σ1,σ3為最大與最小主應力,μ為摩擦系數。方程左邊小于右邊則斷層穩定,若左邊等于或大于右邊,斷層將沿最優斷面滑動。

拜爾利定律指出當圍壓大于200 MPa時,μ值約為0.6(Byerlee,1978)。本文假定震源深度30 km,摩擦系數μ=0.6,鉛直應力 σv按上覆巖層的重量計算(密度2.65 g/cm3),孔隙壓力按靜水壓力計算,計算30 km處的應力范圍如圖4a,根據測量結果推測30 km處應力大小在多邊形范圍之內,屬于走滑斷層應力狀態,且斷層穩定。如果應力狀態處在多邊形的邊緣上,則斷層將要滑動。

3.2 地震發生的條件

研究區屬于地震活動高發區,歷史上測點附近發生過多次破壞性地震(Rhea et al.,2010)。由圖4a可知當前深部應力狀態距斷層滑動的臨界狀態尚遠,若斷層達到臨界狀態,需要滿足以下條件之一。(1)提高最大水平主應力或者降低最小水平主應力,即加大主應力比值。可通過構造加載實現,也就是納茲卡板塊向東的持續俯沖,在該區形成應力集中,逐漸提高最大與最小主應力的比值。但由于地殼應力加載速率相對較慢,已有資料表明,多數地區的應力加載速率約為每年幾KPa(Wan et al.,2010),這樣千年時間的應力積累才達到MPa的量級,因此地震周期內的應力積累不足以引起斷層滑動。(2)高孔隙壓力的存在。高孔隙壓力可降低有效應力和斷層臨界應力。由式4可知,當孔隙壓力為0.68 σv時,當前應力達臨界狀態,小的應力擾動或應力積累就可能觸發斷層滑動,發生地震,如圖4b。深部是否可能存在高孔隙壓力？答案是肯定的。如日本 2011年 9級大地震后,Hasegawa等(2011)根據該地震的應力降計算得到地震時震源處的孔隙壓力約為上覆地層重量的0.94倍。同樣在油氣田開發中也證明了存在高地層壓力(孔隙壓力)的情況(Zoback et al.,2007)。

4 結論

利用水壓致裂原地應力測試技術首次獲取了安第斯山中段千米鉆孔的原地應力狀態,為地震活動研究提供了基礎資料。

(1)獲取了安第斯山中段原地應力大小及方向隨深度的變化規律,測試深度范圍內主應力之間的關系為 σH>σv≥σh,最大與最小水平主應力比值σH/σh介于 1.43～1.63之間,有利于逆沖或走滑斷層活動。最大水平主應力方向與震源機制解和地表調查結果基本吻合。

(2)根據實測地應力結果推測30 km深處的應力狀態落入根據地殼強度估計的應力范圍之內,據此應力狀態討論了地震發生的條件,提出除納斯卡板塊的擠壓外,高孔隙壓力可能是該區地震頻發的主要原因。

致謝:感謝地殼應力研究所安其美研究員,北京礦冶研究總院楊小聰教授、陳何教授對本文的指導和幫助！

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