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地應力地質學方法

發布日期:2019-06-14  來源:地質論評  作者:王成虎  瀏覽次數:529
 

地應力地質學方法

3.1 地傾斜調查

地傾斜調查主要用于油田區域應力場分析, 在進行油井壓裂的過程中, 地表會發生形變, 地表的這種形變與地下的油井壓裂裂縫擴散和分布密切相關。在油井區域的地表布置地表傾斜儀, 通過測量地表形變及其分布特征, 可以得到地下壓裂裂縫的分布特征, 進而得到區域應力場的方向特征 (Hill et al., 1994) 。一般情況下, 這種地表傾斜儀的精度能夠檢測到水平距離400km長度上2mm的地表變形所產生的角度變化, 或者更高的精度。理想條件下, 需要在井下水壓致裂前幾個周就將地表傾斜儀埋入地下3~5m的預設孔內, 一方面可以讓儀器獲得一定的穩定時間, 另外一方面也可以得到研究區的環境背景地傾斜噪聲, 這種噪聲包括日月潮汐, 地表溫度變化所產生的熱彈性變形以及其它如風力、降水、地下水位變化、地表人類活動等所造成的地表變形。當基于鉆孔或者基于巖芯的方法不能足以提供可靠的區域應力數據時, 就可以開展這種地傾斜觀測, 但是壓裂深度不能超過1500m, 同時這種方法費時、花費高而且需要足夠好的后勤保障。

地震預測研究中也使用了相應的跨斷層地傾斜儀, 常見的有水管儀 (吳濤等, 2010) 、擺式傾斜儀 (馬武剛等, 2012) 和伸縮儀 (楊江等, 2010、2012) , 也可以在一定程度上反應中長期的地殼中的地應力場變化趨勢, 但是到目前為止僅見到利用其進行地震預報的報道, 未見到相關的利用其進行反演區域應力場的報道, 或許這在今后也是一項值得開展的研究工作, 因為地震部門積累了大量的地形變觀測資料。

3.2 斷層滑動反演

斷層運動是地殼構造運動的基本表現形式之一, 是地殼巖石中構造應力直接作用的產物。巖石中存在的大量斷面構造 (擦痕、階步等) 真實地記錄了斷層受構造應力作用而產生滑動的方向特征。該方法的實質是用計算出的斷面上的剪應力方向擬合斷面上的滑動方向, 也稱滑動方向擬合法。該方法基本原理如圖10所示, 其中假定 (1) 在一定的研究區域范圍構造應力場是均勻的, 這種均勻性包括了構造事件在空間和時間上的相對穩定和持續; (2) 斷層運動相互獨立, 即斷層的存在不改變應力場的均勻性; (3) 斷層沿斷面剪應力方向 (L) 滑動, 即斷層擦痕方向 (S) 與斷面剪應力方向 (τ) 一致; (4) 斷層所在巖體為各向同性體 (Angelier, 1984;謝富仁等, 1994) 。該方法可以確定三個主應力傾向、傾角相對大小、反應三個主應力比值的應力形因子 (Angelier, 1979、1984) , 同時作出資料的赤平投影圖, 各斷裂面, 擦痕矢量及位置, 以 (τ, S) 為坐標的直方圖, 直方圖反映剪應力分量 (τ) 與擦痕走向 (S) 的夾角大小, 如圖10所示。在野外測量過程中, 需要認真測量擦痕所在斷面的產狀, 包括走向、傾角、傾向三個參數, 以及斷層面上的擦痕側伏角、側伏向和動向。根據Mercier等 (1992) 所總結的此套工作理論、方法的特點, 野外資料收集要求從新到老, 即從最新地層內的斷裂動力學分析開始, 逐步深入, 依據區域構造層次劃分, 層層深入剝離。

該方法需要大量細致詳實的野外調查工作, 野外工作中最困難但也是最重要的就是確定擦痕的性質、滑動方向及斷層活動期次配套, Mercier等 (1992) 曾對所采用的幾類擦痕的判別方法進行了歸納總結, 侯明等 (2002) 對這些方法進行過簡要介紹, 可參考。對于人類活動稀少地區的區域應力場研究非常有價值, 但是在斷層擦痕露頭不明顯的地區, 使用范圍受限。該方法的一個很大的缺陷是非常難確定斷層滑動擦痕發生的具體時間或者年代。

3.3 新構造運動節理測繪

新構造運動節理測繪的統計結果可以估算新構造運動發生年代的區域應力場方向, 其所基于的主要原理是安德森理論 (Anderson, 1951) 。安德森理論認為主要的斷層類型可以分為三類, 正斷層、走滑斷層和逆斷層, 三種斷層類型所對應的應力狀態分別為SV>SH>Sh, SH>SV>Sh和SH>Sh>SV, 而三種斷層的走向與最大最小水平主應力的夾角也有一定的分布規律, 這一統計規律就可以用來分析區域應力場方向 (Zoback, 2007) 。拜爾利總結了眾多巖石力學實驗的結果, 認為地殼巖石的內摩擦系數為0.6~0.85, 少數巖石除外, 這就是著名的拜爾利定律或拜爾利范圍 (Byerlee, 1979) 。其它一些研究成果表明, 絕大多數巖石的摩擦系數在0.5~1.0之間 (張伯崇、馬元春, 1987;李方全等, 1993) 。研究人員進行的原地應力實測證明實驗室測得的摩擦系數適用于上地殼, 且限定了上地殼的應力水平 (Townend和Zoback, 2000;Zoback et al., 2002;Scholz, 2002) 。由拜爾利定律可知, 符合安德森理論的斷層 (以下簡稱安德森斷層) , 中間主應力與斷層面共面, 當斷層面上的摩擦系數為0.6~1.0之間, 最大主應力與斷層面的夾角較小, 一般為23°~30°。

3.4 火山口排列調查

 

火山口排列調查法所依據的力學原理與水壓致裂相似, 但是這里壓裂液為低粘度的熔巖巖漿, 該方法由Nakamura所提出 (1977) 。Nakamura (1977) 指出, 所需要調查的參數包括: (1) 火山口的形狀 (圓形或者橢圓形) ; (2) 火山口周邊或者火山巖侵入圍巖所形成巖脈的分布方式; (3) 同期次火山口的排列方式; (4) 火山附近的斷層活動分布特征 (展布和活動) 。通常情況下, 火山口排列或者巖漿巖巖脈的延伸方向與火山爆發時的區域最大水平主應力平行, 與最小水平主應力垂直, 如圖16所示 (Adiyaman et al., 1998) , 該方法對于古應力場分析研究非常有用。在實際運用該方法的過程中, 需要仔細辨別不同期次火山形成過程的地質背景和構造條件、同時需要利用DEM或者遙感手段對火山口的地貌性態進行細致分析。該方法給出的古應力方向可靠度較高, 但是對于一些古火山和復雜形態和多成因火山, 需要開展更為細致的研究工作來確定形成時的古應力方向。

 
 
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