土木工程地质—地应力

浅谈地应力与地震的关系摘要:地应力测量是现今构造应力场研究的一个重要手段,可为地震成因和地震预报的研究提供重要的基础资料。本文通过简单的概况和实例资料简要的阐述了地应力与地震的关系,初步分析震前地应力变化的特征,并提出地应力的测量方法以及地应力相对值测量结果在地震研究工作中的应用。关键词：地应力异常；地应力变化特征；地应力的测量；地震预报一、概况及实例资料沈阳、锦州、大连站于1974年1月至1975年1月,各自形成250一300天的大幅度地应力趋势异常（图1）。据华北地区各站地应力趋势异常主应力方向交汇,预测的震中区在营口一带或唐山及其沿海或邢台地区（图2）。唐山站于1974年12月至1975年1月,出现大幅度地应力跳动异常（图3）。海城地震前,地质力学研究所于1975年1月23日正式提出短临预报：“1975年1月30日或2月13日前后，在（图2）所示地区,可能发生5级左右地震。”图1海城地震地应力趋势异常图图2海城地震前地应力异常主应力方向交汇震中图图3唐山站海域地震前地应力跳动异常曲线图二、震前地应力变化特征从电感法地应力相对值测量结果中,科学家发现地应力可以出现一个数年加强（电感测值的降低反映压应力的加大）到恢复的过程,此类变化称之为地应力长趋势异常。例如北京市镇罗营台地应力电感曲线从1973年出现下降,并在地应力大幅波动（即地应力趋势异常）后发生了海城、唐山大震,震后，1977一1978年恢复到1973年的测值水平。科学家还发现一些地应力的大幅波动,或在地应力长趋势异常变化背景上的一些附加地应力变化,是由于“震前震源应力场”的变化所引起,其表现形式及特征如下：1、震前震源应力场的两类表现一是地应力趋势（负、正）异常——在地应力电感曲线上,往往表现为“凹兜”或“鼓包”的形式。异常持续时间可以从十几天、几个月到一年多。地震多在异常完成后数天、半个月以至数月发生。这类异常是1966年邢台地震之后,在李四光教授主持下总结出来的。它一般反映几百公里内的地震，如图1所示海城震前的地应力趋势异常。二是地应力速率异常一一一般是在一天内出现压应力的急速加强,这可能由于断层的快速蠕动所致。地震多发生在异常出现后的几天到半月以内,个别可达三十天左右。它反映的距离可以较远。这类地应力异常是我们预报地震主要的短临标志。2、异常主应力方向指向震中震前,上述两类异常主应力方向往往出现指向或逐步转向震中的情况,这是它们很重要的一种特性。利用这个特性,可采取多台异常主应力方向去交汇未来的震中区。在台网较稀的情况下,震前交汇区的面积约15000一25000平方公里,震中往往位于区内,偏者也多在一、二百公里以内（如图2）。在了解交汇区内何处存在孕震的地震地质背景的前提下,我们还可进一步缩小预报地段。这就是现阶段根据地应力变化预报发震地点的主要方法。由于不同时间、不同变化方式的这两类地应力异常主应力方向,都有指向震中的特性，故认为它们可能是不同发展阶段的震前震源应力场的反映。3、地应力趋势异常时间与震级对我国西南、华北数十次地震的地应力趋势异常,进行了多方案对比分析,发现趋势异常的全时间是决定震级大小的主要因素,它与震级大小存在着良好的线性关系。4、地应力跳动异常有时震前数月至震前几天,地应力会出现一种急速突跳式的变化——地应力跳动异常（如图3）。这类异常多数表现为张性的向上突跳,它往往是反映地震即将发生的一种短临标志。三、地应力的测量为了在近地表和地壳岩石中直接进行原地绝对地应力测量获得主应力的方向和大小等资料,目前世界上主要采用应力（或应变）解除法和水主反玫裂法这两种测量方法。应力（或应变）解除法是目前应用最广的一种应力测量方法。该方法简便易行,是了解地表浅部及工程地区应力状态的主要方法。其缺点是只能在离地表30到50米的深度内进行。现虽已能达到300米甚至500米深,但测量手段相当繁杂和困难,测量结果也往往不理想。深部应力解除法测量大部分是在地下巷道中进行的,但它受到巷道诱发应力的影响。只有在应力测量深入岩石的距离大于巷道的直径三倍以上,才不受这一影响。水压致裂法是目前能够进行深部应力测量的唯一方法。这种方法是利用可膨胀的封隔器在已知深度上封闭一段钻孔,然后通过泵入流体来控制对钻孔的压力。从而记录张破裂发生时的破坏压力,在这种状态下停泵使水压回路保持密闭时的瞬时关闭压力,以及再次增压时使破裂重新张开的压力。根据破坏压力、关闭压力和破裂重新张开的压力及孔隙压力即可确定水平主应力的大小。铅直应力可根据上覆岩层的重量来估算。通过印模套筒,或是用钻孔电视来测定破裂方位。破裂的方向也就是最大水平主应力的方向。由于水压致裂法不需要套芯,故可在深井中测量应力。目前水压致裂法测量应力的最大深度已达5100米。这一方法操作简便,不需要精密的井下电子仪器,且无须知道岩石的弹性参数。近年来这一方法发展很快,已有很多国家开展了这一工作。水压致裂数据的解释还存在一些问题且较为复杂。其中一个问题是产生剪切破裂的可能性。假如压裂液注入速度太慢,那么钻孔处就可能不产生张破裂而产生剪破裂,这势必导致对破坏压力的误解。这种效应对高渗透率岩石和高构造剪应力状态下的地区是不容忽视的。我国的应力测量工作开始于六十年代初,七十年代得到了很大的发展,主要采用应力解除法。目前世界上所通用的几种主要的测量仪器我国已研制成功并投入实际测量。我国的水压致裂法应力测量是从1980年才开始的,并于1982年起与美国开展了这方面的合作研究。四、地应力测量在地震研究工作中应用对于地震研究夹说,地应力测量的目的在于查清地下深部的应力状态及估价应变能的积累程度,以便为地震成因的研究及危险区的划分提供重要的基础资料。1、大震区应力状态的研究从邢台、海城、龙陵、唐山等大震区震后的地应力测量结果,可以看出震中区在震后主应力和剪应力值远小于邻近地区,主应力方向也发生了较大变化。这可能反映了地震过程中和震后应力的调整。2、活动断层附近的应力状态佐巴克等报导了在圣安德烈斯断层附近的应力测量结果，发现剪应力值随着与断层的距离增加而增加。我国郑城一庐江断裂带附近的测量结果也类似。这也许是活动断裂现今活动的标志之一。3、诱发地震的研究海姆森等在美国科罗拉多州的兰吉里油田有关地震的控制研究中，应用了水压致裂法测量深部的应力。兰吉里油田由于向油层注水加压以提高原油产量,随之而来记录到了频繁的地震活动,这些地震集中在兰吉里油田的一条走滑断层附近,看来地震的触发与岩层的孔隙压力有关。水压致裂应力测量表明,中间主应力为铅直应力,这有力地说明了走向滑动断层的作用。根据测得的主应力值算出了该断层产生震动的临界孔隙压力为24兆帕,这个值与在该点监测到的与地震有关的临界压力的误差不超过10%。他们认为兰吉里的应力测量是非常成功的。佐巴克等为研究南卡罗来纳州蒙蒂西洛水库蓄水诱发地震而进行了应力测量。根据测量结果指出,由于近地表处已具有相当大剪应力的原有断层面,所以当孔隙压力增加至足以触发逆断层型的运动时,就引起地震。并认为对于逆断层型的运动,临界差应力的深度小于200米到300米。根据这一模式的预测认为该区的地震活动性将限制在很小的范围内,且震级也是有限的。4、地壳中的剪应力关于地壳剪应力的大小,特别是驱动主断层所需要的剪应力的大小,存在着很大的争论。根据圣安德烈斯断层热流模式的测量结果得出,在10一20公里的深度内剪应力为20兆帕或更小。而根据实验室模拟地壳深部温度和压力条件对岩石摩擦的测量结果,认为剪应力接近100兆帕。根据原地应力测量资料,表明大陆地壳的抗剪强度至少为20兆帕甚至更大。因此,一般所说的地震应力降,只代表地壳中周围剪应力的一小部分。五、总结综上所述,在地震前,地应力的异常反应是客观存在的。随着地震科技的发展以及地应力观测仪器的质量和精度的不断提高,把高质量的仪器布设在一些“敏感点”及重点监视区,在专群结合搞地震测报的实践中,不失时机地捕捉短临前兆信息,对于提高地震预报效果,达到直接减灾的目的是有意义的。