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地应力地质学方法

发布日期:2019-06-14  来源:地质论评  作者:王成虎  浏览次数:1021
 

地应力地质学方法

3.1 地倾斜调查

地倾斜调查主要用于油田区域应力场分析, 在进行油井压裂的过程中, 地表会发生形变, 地表的这种形变与地下的油井压裂裂缝扩散和分布密切相关。在油井区域的地表布置地表倾斜仪, 通过测量地表形变及其分布特征, 可以得到地下压裂裂缝的分布特征, 进而得到区域应力场的方向特征 (Hill et al., 1994) 。一般情况下, 这种地表倾斜仪的精度能够检测到水平距离400km长度上2mm的地表变形所产生的角度变化, 或者更高的精度。理想条件下, 需要在井下水压致裂前几个周就将地表倾斜仪埋入地下3~5m的预设孔内, 一方面可以让仪器获得一定的稳定时间, 另外一方面也可以得到研究区的环境背景地倾斜噪声, 这种噪声包括日月潮汐, 地表温度变化所产生的热弹性变形以及其它如风力、降水、地下水位变化、地表人类活动等所造成的地表变形。当基于钻孔或者基于岩芯的方法不能足以提供可靠的区域应力数据时, 就可以开展这种地倾斜观测, 但是压裂深度不能超过1500m, 同时这种方法费时、花费高而且需要足够好的后勤保障。

地震预测研究中也使用了相应的跨断层地倾斜仪, 常见的有水管仪 (吴涛等, 2010) 、摆式倾斜仪 (马武刚等, 2012) 和伸缩仪 (杨江等, 2010、2012) , 也可以在一定程度上反应中长期的地壳中的地应力场变化趋势, 但是到目前为止仅见到利用其进行地震预报的报道, 未见到相关的利用其进行反演区域应力场的报道, 或许这在今后也是一项值得开展的研究工作, 因为地震部门积累了大量的地形变观测资料。

3.2 断层滑动反演

断层运动是地壳构造运动的基本表现形式之一, 是地壳岩石中构造应力直接作用的产物。岩石中存在的大量断面构造 (擦痕、阶步等) 真实地记录了断层受构造应力作用而产生滑动的方向特征。该方法的实质是用计算出的断面上的剪应力方向拟合断面上的滑动方向, 也称滑动方向拟合法。该方法基本原理如图10所示, 其中假定 (1) 在一定的研究区域范围构造应力场是均匀的, 这种均匀性包括了构造事件在空间和时间上的相对稳定和持续; (2) 断层运动相互独立, 即断层的存在不改变应力场的均匀性; (3) 断层沿断面剪应力方向 (L) 滑动, 即断层擦痕方向 (S) 与断面剪应力方向 (τ) 一致; (4) 断层所在岩体为各向同性体 (Angelier, 1984;谢富仁等, 1994) 。该方法可以确定三个主应力倾向、倾角相对大小、反应三个主应力比值的应力形因子 (Angelier, 1979、1984) , 同时作出资料的赤平投影图, 各断裂面, 擦痕矢量及位置, 以 (τ, S) 为坐标的直方图, 直方图反映剪应力分量 (τ) 与擦痕走向 (S) 的夹角大小, 如图10所示。在野外测量过程中, 需要认真测量擦痕所在断面的产状, 包括走向、倾角、倾向三个参数, 以及断层面上的擦痕侧伏角、侧伏向和动向。根据Mercier等 (1992) 所总结的此套工作理论、方法的特点, 野外资料收集要求从新到老, 即从最新地层内的断裂动力学分析开始, 逐步深入, 依据区域构造层次划分, 层层深入剥离。

该方法需要大量细致详实的野外调查工作, 野外工作中最困难但也是最重要的就是确定擦痕的性质、滑动方向及断层活动期次配套, Mercier等 (1992) 曾对所采用的几类擦痕的判别方法进行了归纳总结, 侯明等 (2002) 对这些方法进行过简要介绍, 可参考。对于人类活动稀少地区的区域应力场研究非常有价值, 但是在断层擦痕露头不明显的地区, 使用范围受限。该方法的一个很大的缺陷是非常难确定断层滑动擦痕发生的具体时间或者年代。

3.3 新构造运动节理测绘

新构造运动节理测绘的统计结果可以估算新构造运动发生年代的区域应力场方向, 其所基于的主要原理是安德森理论 (Anderson, 1951) 。安德森理论认为主要的断层类型可以分为三类, 正断层、走滑断层和逆断层, 三种断层类型所对应的应力状态分别为SV>SH>Sh, SH>SV>Sh和SH>Sh>SV, 而三种断层的走向与最大最小水平主应力的夹角也有一定的分布规律, 这一统计规律就可以用来分析区域应力场方向 (Zoback, 2007) 。拜尔利总结了众多岩石力学实验的结果, 认为地壳岩石的内摩擦系数为0.6~0.85, 少数岩石除外, 这就是著名的拜尔利定律或拜尔利范围 (Byerlee, 1979) 。其它一些研究成果表明, 绝大多数岩石的摩擦系数在0.5~1.0之间 (张伯崇、马元春, 1987;李方全等, 1993) 。研究人员进行的原地应力实测证明实验室测得的摩擦系数适用于上地壳, 且限定了上地壳的应力水平 (Townend和Zoback, 2000;Zoback et al., 2002;Scholz, 2002) 。由拜尔利定律可知, 符合安德森理论的断层 (以下简称安德森断层) , 中间主应力与断层面共面, 当断层面上的摩擦系数为0.6~1.0之间, 最大主应力与断层面的夹角较小, 一般为23°~30°。

3.4 火山口排列调查

 

火山口排列调查法所依据的力学原理与水压致裂相似, 但是这里压裂液为低粘度的熔岩岩浆, 该方法由Nakamura所提出 (1977) 。Nakamura (1977) 指出, 所需要调查的参数包括: (1) 火山口的形状 (圆形或者椭圆形) ; (2) 火山口周边或者火山岩侵入围岩所形成岩脉的分布方式; (3) 同期次火山口的排列方式; (4) 火山附近的断层活动分布特征 (展布和活动) 。通常情况下, 火山口排列或者岩浆岩岩脉的延伸方向与火山爆发时的区域最大水平主应力平行, 与最小水平主应力垂直, 如图16所示 (Adiyaman et al., 1998) , 该方法对于古应力场分析研究非常有用。在实际运用该方法的过程中, 需要仔细辨别不同期次火山形成过程的地质背景和构造条件、同时需要利用DEM或者遥感手段对火山口的地貌性态进行细致分析。该方法给出的古应力方向可靠度较高, 但是对于一些古火山和复杂形态和多成因火山, 需要开展更为细致的研究工作来确定形成时的古应力方向。

 
 
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