地质力学学报  2019, Vol. 25 Issue (6): 1048-1057
引用本文
李兵, 王建新, 王显军, 丁立丰, 郭启良. 贵州东南部榕江加里东褶皱带内的现今地应力分布特征及构造分析[J]. 地质力学学报, 2019, 25(6): 1048-1057.
LI Bing, WANG Jianxin, WANG Xianjun, DING Lifeng, GUO Qiliang. DISTRIBUTION OF PRESENT-DAY CRUSTAL STRESS AND TECTONIC ANALYSIS IN THE RONGJIANG CALEDONIAN FOLD BELT, SOUTHEASTERN GUIZHOU[J]. Journal of Geomechanics, 2019, 25(6): 1048-1057.
贵州东南部榕江加里东褶皱带内的现今地应力分布特征及构造分析
李兵1,2, 王建新1, 王显军1, 丁立丰1, 郭启良1    
1. 中国地震局地壳应力研究所, 北京 100085;
2. 中国科学技术大学地球和空间科学学院, 安徽 合肥 230026
摘要:贵州东南部位于盖层极不发育的榕江加里东褶皱带内,为查明该区域内的地应力状态,在贵州省黔南州境内进行了7个钻孔的水压致裂地应力测量工作,同时结合贵州西部已有研究结果和贵州西北部1个钻孔的地应力测量资料,对贵州东南部与西部和西北部的地应力分布差异进行了对比研究,最后结合断层的活动性质以及Byerlee准则探讨了测孔区域断层的稳定性,结果表明:水平主应力在研究区占主导地位,最大水平主应力方向表现为北西向;根据安德森断层理论,三向主应力的相对大小有利于逆断层和走滑断层的活动,这与研究区发育的活动断层性质相对应;最大和最小水平主应力的线性拟合结果表明,研究区水平主应力的梯度大于黔西煤层地区、广西盆地东北部和全国的地应力梯度值,最大水平主应力的值在相近深度上大于黔西、黔西北地区和广西盆地东北部;三都断裂带附近存在较高的构造应力,μm值(最大剪应力与平均主应力的比值)较高,表明断层处于摩擦极限平衡状态;而三江-融安断裂两侧的构造作用存在较为明显的差异,西侧的构造作用强于东侧;虽然部分钻孔内的μm值都处于高值,但区域应力方向与断层多以较大角度相交,因此断层是稳定的,这与研究区的地震活动性相吻合。
关键词贵州东南部    地应力状态    构造分析    稳定性分析    侧压力系数    
DOI10.12090/j.issn.1006-6616.2019.25.06.087     文章编号:1006-6616(2019)06-1048-10
DISTRIBUTION OF PRESENT-DAY CRUSTAL STRESS AND TECTONIC ANALYSIS IN THE RONGJIANG CALEDONIAN FOLD BELT, SOUTHEASTERN GUIZHOU
LI Bing1,2, WANG Jianxin1, WANG Xianjun1, DING Lifeng1, GUO Qiliang1    
1. Institute of Crustal Dynamics, China Earthquake Administration, Beijing 100085, China;
2. School of Earth and Space Sciences, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, Anhui, China
Abstract: Southeastern Guizhou is located in the Rongjiang Caledonian fold belt, which is very undeveloped in caprock. In order to find out the state of crustal stress in this area, the hydraulic fracturing stress measurements of 7 boreholes were carried out. A comparative study was made on the distribution differences of crustal stress in the southeast, west and northwest of southeastern Guizhou, combining with the research results of west Guizhou and crustal measurement data of a borehole in northwestern Guizhou. Finally the fault stability around the sampling borehole area was discussed in association with fault activities and the Byerlee criterion. The results demonstrate that the horizontal principle stress is dominant in the study area, and the maximum horizontal principal stress is in the N-W direction; according to the Anderson fault theory, the relative magnitude of the three-direction principal stress is favorable to the movement of the thrust fault and strike-slip fault, which corresponds to the nature of the active fault developed in the study area; the linear fitting results of the maximum and minimum horizontal principal stresses show that the gradient of horizontal principal stress is larger than that of the coal seam area in western Guizhou, the northeastern Guangxi basin and the whole country, and the maximum horizontal principal stress is larger than that of western Guizhou, northwesternern Guizhou and the northeastern Guangxi basin at the similar depth; there are high tectonic stresses near the Sandu fault zone, and the μm value (the ratio of the maximum shear stress to the average principal stress) is higher, which indicates that the fault is in the state of friction limit equilibrium; the tectonic action on both sides of the Sanjiang-Rongan fault is obviously different, and the tectonic action on the west side is stronger than that on the east side; although μm values are high in some boreholes, the direction of regional stresses intersect with the fault at a larger angle, so the fault is stable, which is consistent with the seismicity in the study area.
Key words: southeastern Guizhou    crustal stress state    tectonic analysis    stability analysis    lateral pressure coefficient    
0 引言

地应力状态对地震预报和区域地壳稳定性评价具有重要的意义。随着大量地下工程建设项目的开展,积累了大量的地应力测量数据,为了解某一区域的应力场和稳定性提供了新的视角。Hast最早利用地应力测量获得的两向水平主应力之和分析了地壳上部的应力状态[1];Brown和Hoek[2]利用垂直应力和侧应力系数对世界范围内的地应力测量数据随深度的变化进行了统计和解释工作;Rummel[3]利用水平应力系数对100多个钻孔中500多次的水压致裂地应力测量数据进行了统计。同时Hast根据矿产开发和工程中出现的岩爆问题,提出了地壳应力动态平衡理论,认为地震等与应力的改变有很大关系,例如水库蓄水后会发生地震,可能就是不稳定区水平应力之和明显偏高导致的[1];现有研究中更多的是利用水压致裂法地应力测量资料结合Byerlee准则[4]分析断层的稳性[5-6],该方法具有一定的合理性[7],例如Raleigh[8]在兰吉利油田研究注水诱发地震的试验中,发现注水引发地震的活动断裂临界应力与Byerlee提出的的砂岩滑动准则相一致,印证了实验室得到的Byerlee准则可以用于研究天然断层;Zoback等[9]在Monticello水库诱发地震的研究中,采用摩擦系数0.60~0.80较好地反映了断层的摩擦滑动。同时平均水平地应力与垂直应力之比(Ka)随深度的变化特征也经常被用作研究应力的变化特征和稳定性[10]

贵州东南部(简称黔东南)处于扬子地台向华南褶皱过渡区域,是一个典型的古陆地区,结晶基底大面积出露,该区北北东—北东东向活动性断裂发育[11]。有关贵州地区的地应力研究较少,黔东南地区的测量结果未见报道,已有研究主要集中在贵州西部(简称黔西)地区和相邻的广西地区。黔东南与广西盆地处于同一区域应力场的作用下,了解广西盆地的应力场特征有助于贵州地区的地应力场研究。黔西地区的研究结果认为:贵州高原可以划分为三个应力区,最大主应力方向为北西向[12];黔西六盘水煤田和织纳煤田属于中高应力区,最大水平主应力(SH)方向近南东至北西方向为主,处于挤压的区域高地应力背景之下[13]。广西盆地的研究结果表明:广西及其邻区现今构造应力场的主压应力轴为北西向[14];地震地质和深部构造的资料结合数值模拟研究结果显示广西北部主要为北西向[15];广西盆地东北部的地应力测量结果显示SH方向表现为北北西至北西西向[10]

本文拟对黔东南7个钻孔的地应力状态进行研究,这将会补充世界应力图在该区域缺失的地应力方向数据,同时通过与以往黔西、广西周边地区测点和贵州西北部(简称黔西北)1个尚未报道的钻孔的地应力测量结果进行对比研究,进一步了解贵州地区的地应力状态分布差异,最后结合拜尔利(Byerlee)准则探讨了黔东南测孔附近断层的活动性,这对研究黔东南区域的稳定性具有参考意义。

1 水压致裂地应力测量原理

水压致裂地应力测量方法(简称HF)具有很多优点,使其在国内外大型工程中得到了广泛应用[16-17],详细的测量程序,数据处理方法以及质量控制可参考Haimson和Zoback等的著作[18-19]。根据测量过程中获得的压力-时间曲线,可以得到测试部分的破裂压力Sb、重新张开压力Sr以及关闭压力Ps(等于最小水平主应力Sh),利用Sh的值计算可得到最大水平主应力SH,在Sb明显的测段利用由电子罗盘和印模器组成的定向印模器,可确定最大主应力方向。确定Ps值的常用方法有拐点法、单切线及双切线法等多种方法,本文主要采用了单切线方法和双切线法。水压致裂地应力测量以弹性力学为基础,提出三种假设,在此基础上,可以得到SH的计算公式:

$ {S_{\rm{H}}} = 3{P_{\rm{s}}} - {S_{\rm{r}}} - {P_0} $ (1)

式中:P0为静水压力。

2 地应力测量概况及结果 2.1 区域地质背景

贵州地处云贵近代掀斜隆起区,地势西高东低,处于第二梯级高原山地向第一梯级丘陵平原过渡的一个斜坡地带。贵州高原的新构造运动主要是青藏高原隆升及挤出构造远程效应的反映,形成了一系列地垒-地堑式组合样式,控制了该区的地质灾害及地震的发生[20]。根据不同构造旋回期所处位置,提出了贵州构造单元划分综合方案:以普安-贵阳-梵净山断裂带为界,划分出2个三级构造单元区,以控盆控相断裂,结合深部隐伏断裂带和地表地层出露、变形特点划分出8个四级构造单元;将贵州省区域地壳稳定性分为5个等级,其中黔东南州西部、北部及南西大部为稳定区和次稳定区,黔西为不稳定和次稳定区,黔北为次稳定区[20]。黔东南和南部偏东属于江南复合造山带华南褶皱带,其中文中研究区位于榕江加里东褶皱区,该区北北东—北东东向活动性断裂发育,进入第四纪后,贵州地区除威宁、坪地、贵定、麻江等少数地区外,活动强度大幅度减弱,大部分地区处于相对稳定状态[11]

黔东南7个钻孔的分布如图 1所示,钻孔孔号包括:DZ-1、DZ-2、TMS-1、GT-1、LX-2、LX-5和JGS-2。同时,图 1给出了测孔区域主要分布的断裂带:三都断裂带、宰便断裂带、三江-融安断裂带和平硐岭断裂。黔西地应力测量区[13]位于贵州六盘水附近,在图 1中以虚方框圈出大体位置;以往作者在黔西北的毕节地区进行的1个钻孔的地应力测量和广西2个钻孔的地应力测量结果[10]分别以Bgp1,QL-1和QL-2在图 1中进行标注。

图 1 研究区的断层分布图[11] Fig. 1 Fault distribution in the survey area[11]
2.2 测量结果与分析

黔东南7个钻孔深度介于100~500 m之间,使用直径50 mm的普通地质钻杆连接HF系统,在不同深度开展了HF地应力测量工作。钻孔的岩性和测量结果见表 1,部分地应力测量曲线以及SH方向结果见图 2。现代构造应力场的基本特征表明,研究区构造应力场中最大主压应力方向为北西至南东向[21]。由表 1可以看出研究区SH的方向介于N28°W—N56°W之间,北西向主应力占优势,这与许忠淮[14]的研究结果基本相一致。

表 1 地应力测量结果 Table 1 Results of in-situ stress measurement in boreholes

图 2 压力-时间测量曲线和SH方向 Fig. 2 The curves of pressure-time and schematic diagram of the direction of SH

最大水平主应力与最小水平主应力值的大小随深度变化如图 3所示,对其进行线性拟合,方程为:

图 3 三向主应力随深度变化 Fig. 3 Curves of tri-axial principal stress with depths
$ {S_{\rm{H}}} = 5.771 + 0.032z, \quad {r^2} = 0.52 $ (2)
$ {S_{\rm{h}}} = 3.740 + 0.020z, \quad {r^2} = 0.53 $ (3)

式中:z为深度,m;r为相关系数;SV为垂直主应力,MPa,其计算取上覆岩石容重2.70 g/cm3,即:

$ {S_{\rm{v}}} = 0.027z $ (4)

通过对比黔西地区[13]、广西盆地东北部[10]、中国大陆[16]地应力的测量数据随深度变化规律发现(表 2),黔东南的SHSh梯度大于黔西煤层地区、广西盆地东北部和中国大陆的地应力梯度值。研究区500 m深度范围内的SH值在相近深度上大于黔西地区和广西盆地东北部的值,但地应力值的差别并不大。同时表 1给出了黔西北毕节地区Bgp1孔的测量资料,可以看出黔西北的地应力值大多小于黔东南相近深度上的值。

表 2 地应力随深度变化拟合方程 Table 2 Fitting equation of in-situ stress with depths in different regions

黔东南7个钻孔的三个主应力相对大小主要以SH>ShSv为主,有利于逆断层和走滑断层的活动(图 3),这与该区域内发育的逆断层以及部分断层具有走滑的性质相一致[22]

为进一步分析地应力随深度变化特征,把KaKHmaxK′称为侧压力系数K[7],其表达式如式(5),相关值见表 1

$ \left. \begin{array}{l} {K_{\rm{a}}} = \frac{{{S_{\rm{H}}} + {S_{\rm{h}}}}}{{2{S_{\rm{v}}}}}\\ {K_{{\rm{Hmax}}}} = \frac{{{S_{\rm{H}}}}}{{{S_{\rm{v}}}}}\\ {K^\prime } = \frac{{{S_{\rm{H}}} - {P_0}}}{{{S_{\rm{v}}} - {P_0}}} \end{array} \right\} $ (5)

在测试深度范围内,Ka值的介于1.17~2.72之间,且随着深度的增加Ka值变小。Brown[2]给出了侧压力系数相关数据的两个边界包络线,其拟合形式为:K=c/z+b,其中cb为常数;按照该方法对其数据进行非线性拟合,Ka拟合方程为:${K_{\rm{a}}} = 1.21 + \frac{{136.38}}{H}$ (图 4)。利用相同的方法对本文的Ka值和KHmax值进行非线性拟合,得到的拟合方程参数值:Kab=1.113,c=150.70;KHmaxb=1.376,c=182.65;由图 4的拟合曲线可知,本文的Ka值与Brown的结果相接近,而KHmax值则大于Brown的Ka结果。同时从图 4可以看出,Ka值和KHmax值都在包络线内,200 m深度以上两值的结果都较高,有效应力条件下的K′值大于Ka值和KHmax值。由表 1可知,K′值大于3.12的值大多位于DZ-1和JGS-2钻孔内,少部分位于其它钻孔的浅部。中国大陆浅部的KHmax结果为[16]: c=190.3,b=1.0399,本文非线性拟合的参数b值和c值均高于中国大陆浅部的值。

图 4 K值随深度变化 Fig. 4 Variation of K values with depths
3 地应力分布特征 3.1 研究区地应力分布特征

根据构造应力分区,研究区属于华南应力区,最大主压应力方向以南东—北西到南东东—北西西方向占优势[21]。测量结果显示,SH方向位于N28°W~N56°之间,总体而言应力方向趋于北西向,这与震源机制解和地震地质资料结果相一致[14],这说明地壳浅部的构造作用起主导作用。

Hast[1]和Ranalli[25]对斯堪的纳维亚结晶地盾和加拿大地盾不同构造环境中地应大小随深度的变化进行了研究(大部分数据分布于500 m深度范围内),在地盾区古生代褶皱带的水平应力之和随深度的变化是:

$ {S_{\rm{H}}} + {S_{\rm{h}}} = 18.62 + 0.100z $ (6)

而在地台中的沉积盖层、古生代褶皱带内的测量结果的经验关系式:

$ {S_{\rm{H}}} + {S_{\rm{h}}} = 5.00 + 0.026z $ (7)

地盾地区存在着较高的地应力,明显大于地台中沉积盖层以及断裂带内的应力值。

本文得到水平应力之和随深度的变化的关系式为:

$ {S_{\rm{H}}} + {S_{\rm{h}}} = 9.511 + 0.052z $ (8)

等式(8)介于等式(6)和(7)之间,说明在雪峰褶皱带内的应力介于Hast研究结果中的地台中和地盾之间。研究区的两向水平应力之和介于12.43~32.00 MPa之间,应力之差介于2.54~8.26 MPa之间(见图 5),水平剪应力的最大值明显小于斯堪的纳维亚24 MPa的结果。研究区应力之和与应力之差的最大值都出现在靠近三都断裂带的DZ-2孔;应力之和最小值出现在GT-1孔,应力之差的最小值出现在LX5孔,均靠近广西地区。由图 5还可以看出,研究区的应力之和与之差都大于广西盆地东北部的值。

图 5 研究区和广西东北部的水平应力之和与之差随深度变化 Fig. 5 Variation of the sum and the difference of the horizontal stress with depths in the survey area and northeastern Guangxi

一般情况下,现今应力场和大尺度活动断层相对应,但是在一些地区则不一致[19]。如果晚期构造运动没有超过早期构造运动的强度,它很难改变早期构造运动形成的地应力场,只会对早期形成的应力场产生一定影响,例如甘肃金川矿区的最大水平主应力方向与该区早期的吕梁运动和后期的加里东运动、海西运动及燕山运动的应力场一致,而晚近的喜马拉雅运动在区内虽有反映,只是使之稍微偏转[26]。本文的钻孔主要分布在三都断裂、宰便断裂、平硐岭断裂和三江-融安断裂的影响区域,这些断层主要以逆断层为主,宰便断裂兼具走滑性质,实测应力的相对大小表现为有利于逆断层活动,部分测点表现为有利于走滑断层活动,说明现今地应力与断层性质存在着对应关系。

3.2 断层稳定性

在走滑断层和逆断层中,K1K′值越大,μm值越大,越接近Byerlee定律摩擦滑动的下限[10]。由图 4表 1可以看出,DZ-1孔和JGS-2孔中的K′值和μm值处于高值,接近Byerlee定律摩擦滑动的下限,反映了断裂带附近存在高的构造应力。DZ-1孔和DZ-2孔位于三都断裂附近,该断裂是加里东期都匀运动和广西运动的分界带,对强大的区域挤压应力具有显著的调节作用[22],这就造成了三都断裂东、西两侧的地质构造存在差异,三都断裂以东构造以水平挤压变形为主,主要形成北东向的褶皱、断裂和剪切带等,形成自南东向北西的挤压效应[22]。同时区域应力方向均与三都断裂以较大角度相交,所以μm值虽然较高,处于摩擦极限平衡状态,但是不会发生摩擦滑动。

JGS-2孔位于三江-融安断裂附近的花岗岩体内,一般而言,花岗岩的剪切强度高,可以承受较强的应力积累,而且区域应力方向与三江-融安断裂以较大角度相交,所以μm值虽然超过0.51,处于摩擦极限平衡状态,但是三江-融安断裂不会发生摩擦滑动。三江-融安断裂是一条长期活动的硅镁层深断裂,控制着雪峰期岩浆活动[20],倾向北西西,东西两侧岩层厚度以及岩相均有明显变化,第四纪以来,融安附近西侧剧烈上升形成中低山地貌,东侧下降为第四纪和近代断陷盆地[18],这表明断层西侧的构造作用强于断层东侧。根据中国地震局地壳应力研究所在三江-融安断裂东侧开展的研究表明[10]:QL-1和QL2孔岩性为变质砂岩和炭质页岩,地应力量值较低(图 6)。本文的结果表明:西侧的JGS-2孔为花岗岩,地应力量值较高,在相近深度上,西侧的SH大于东侧的值。三江-融安断裂东西两侧的地应力差异,反映了第四纪以来该断裂在该区的构造活动强弱。

图 6 三江-融安断裂带两侧相近深度上的水平主应力随深度变化 Fig. 6 Variation of the horizontal principal stress with depths at similar depths on both sides of the Sanjiang-Rong'an fault zone
4 结论

利用黔东南开展的7个钻孔的地应力测量资料,获得了500 m深度范围内的地应力分布特征,同时对贵州东部和西部的地应力结果进行了比较,以上结果将对开展贵州省地应力场和区域稳定性的研究具有重要参考意义。

(1) 测量结果显示,三向主应力相对大小以SH>ShSv为主,这种应力状态有利于逆断层和走滑断层的活动,这与测孔附近的断层性质相一致,断层性质与现今应力场存在着对应关系;

(2) 研究区的水平主应力大于垂直应力,水平构造应力起主导作用;SH方向均趋向于北西向,与震源机制解和地震地质资料的结果相一致;

(3) 研究区SHSh的梯度大于黔西煤层地区、广西盆地东北部和中国大陆的地应力梯度值;在500 m深度范围内,SH值在相近深度上大于黔西、黔西北和广西盆地东北部的值;

(4) 三都断裂带附近μm值处于高值,表明断裂带处于摩擦极限平衡状态,这与该断裂带对强大挤压应力有显著的调节作用相一致;三江-融安断裂两侧的构造作用存在明显的差异,西侧强于东侧;总体而言,区域应力方向与区域内断层以较大角度相交,虽然三都断裂和三江-融安断裂附近存在较高的应力,但是不会发生摩擦滑动,研究区处于稳定状态,这与研究区的地震活动性相吻合。

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