IN-SITU MEASUREMENTS IN THE SOUTHERN MARGIN OF THE ORDOS BLOCK
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摘要: 利用水压致裂法得到的地应力测试数据对鄂尔多斯地块南缘地壳浅部地应力分布规律及断层活动性进行研究。结果表明：（1）两个水平主应力随深度线性增长，应力梯度分别为0.032和0.021，在测量深度域内水平和垂直应力的关系为SH > Sh > SV，该应力状态有利于断层发生逆断层活动，与1556年华山大地震的发震正断层的性质不同；（2）研究区的最大水平主应力方向为北南-北北西向，与区域速度矢量场方向一致，与其他资料解译的区域构造应力方向有一些差异，主要是受鄂尔多斯地块周缘断层活动的影响；（3）利用Mohr-Coulomb准则及Byerlee定律，摩擦系数取0.6~1.0，对研究区的地应力状态进行分析，发现鄂尔多斯地块南缘的测点未达到或超过地壳破裂极限状态，不存在断层失稳或地震等其他形式的地壳活动，处于较稳定地壳应力状态；（4）实测数据为该区补充了新的地应力测量资料，研究结果为该区工程设计及建设、构造应力场数值模拟提供了边界条件，对于该区地质灾害评价、地壳稳定性以及大陆动力学的研究具有重要意义。Abstract: The crustal stress distribution pattern and fault activity of the shallow crust in the southern margin of the Ordos block are studied by using the stress test data obtained from hydraulic fracturing method. The results reveal that the maximum and minimum horizontal principal stress show a good linear relationship with depth. The gradient is 0.032 and 0.021, respectively. Stress structure of SH > Sh > SV is favorable for the activity of the reverse fault and that is different from the normal fault occurred in the 1556 Huashan earthquake. The direction of the maximum horizontal principal stress is NS-NNW, which is consistent with the direction of velocity vector field. It is different from regional tectonic stress direction interpreted by other data, which may be affected by the fault activity around the Ordos block. The crustal activity in the study area is discussed by using the Mohr-Coulomb criterion and Byerlee's law under the premise that the friction coefficient is 0.6~1.0. We found that the measured points in the southern margin of Ordos block have not reached or exceeded the limit of the earth's crust rupture and there are no fault instability or earthquake and other forms of the activities, which is in a relatively stable state of crustal stress. New in-situ stress measurement data have been added to the area. The research results provide the boundary conditions for the engineering design and construction, numerical simulation of tectonic stress field in the area, which is of great significance for the study of geological hazard assessment, crustal stability and continental dynamics.
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0. 引言
鄂尔多斯地块在华北地区新生代和现代构造活动中具有重要作用[1], 同时紧邻青藏高原, 其地壳动力学、构造活动、地震活动性问题一直是地学界研究的热点, 并取得了许多研究成果[2~7]。鄂尔多斯块体作为华北克拉通内部的稳定块体, 内部地质构造单一, 地震活动性较弱。而在鄂尔多斯块体周缘发育有一系列断陷盆地, 分布大量的活动断裂, 在构造应力的作用下, 受地壳水平和垂直差异性运动的影响, 鄂尔多斯块体周缘地震活动频繁。据历史记载, 鄂尔多斯地块周缘发生了19次7级以上的强震, 其中包括1303年山西洪洞8级地震、1556年陕西华县8.5级地震、1739年宁夏平罗8级地震和1920年宁夏海原8.5级地震[4, 6~7]。
地震活动是在区域构造应力作用下, 应变在活动断裂带上不断积累并达到极限状态后而突发失稳破裂的结果[8]。地震过程包含着两个相互关联的根本环节, 即构造背景和孕震环境[6]。在长期的地质构造作用下, 研究区现今地表地质构造表现为一定的分区性和差异性, 同时浅部和深部地球物理场呈现明显的不协调性[9], 以上为鄂尔多斯地块周缘地震发生的孕震环境。此外, 在中国大陆为印度板块、太平洋板块和菲律宾海板块所挟持的构造背景下, 鄂尔多斯地块及相邻板块间的相互作用和板内深部地球动力作用, 为强震的发生提供了有利的构造背景。
基于对研究区上述地质构造和有关地球物理场资料的理解, 结合2015年8月至2015年9月在鄂尔多斯地块南缘地带获取的原位地应力测试数据, 采用线性拟合方法, 对鄂尔多斯地块南缘的地应力赋存特征进行综合分析, 利用断层摩擦滑动准则和Byerlee定律, 探讨了鄂尔多斯南缘的断层活动性质, 以期对鄂尔多斯地块南缘的地震活动性有一定的认识。
1. 鄂尔多斯地块南缘地质构造和动力背景
1.1 地质构造
鄂尔多斯地块自始新世开始形成至今仍在活动, 内部变形较小, 其周缘边界断裂带变形强烈、强震频繁发生(见图 1)。活动地块及其边界组合包括鄂尔多斯周缘断陷系和鄂尔多斯稳定地块[10]。鄂尔多斯块体四周被断裂和断陷盆地所包围, 其西部、南部、东部边界分别为银川—吉兰泰断陷盆地、渭河断陷盆地、山西断陷盆地, 西南边界为青藏高原东北缘挤压性构造带。其中, 鄂尔多斯地块东侧的山西断陷盆地是一条不连续的右旋剪切拉张带, 而北缘的河套断陷盆地为东西向剪切拉张带, 主要断裂显示了左旋走滑活动特征[11~12]。基于新生代盆地的演化、现代地震活动以及区域应力场特征等, 众多学者对鄂尔多斯地块周缘新生代断陷盆地形成的动力学演化机制进行了探讨[2~7, 13~14]。
图 1 鄂尔多斯地块活动断裂及地震分布Figure 1. Active faults and seismic distribution in the Ordos block1.2 水平运动特征
鄂尔多斯地块西南侧表现为挤压边界, 而四周为剪切拉张带, 整体水平运动差异大[12~13]。相关研究结果认为, 自晚新生代以来, 鄂尔多斯地块运动稳定[14~16]。鄂尔多斯地块现今水平运动形式包括地块自身逆时针的旋转运动和随中国大陆东部的整体运动, 两者叠加构成了地块现今水平运动的宏观表现形式[17]。
有关学者对研究区GPS速度场滤波进行了研究, 结果表明, 鄂尔多斯地块东西缘、南北缘分别表现为右旋、左旋运动特征, 地块西南侧的运动速率变化较大, 反应青藏高原向该区的挤压力逐渐增大[10]。
1.3 动力来源
在运动学上相互制约的块体的转动是地壳中重要的构造运动形式, 块体间边界断裂的活动本质上是这些块体以不同方式转动的结果。鄂尔多斯地块的运动既包括自身的逆时针旋转, 同时作为中国东部整体运动的一部分, 解释了鄂尔多斯地块东西缘和南北缘运动方式的差异性[17]。此外, "鄂尔多斯地块推挤阻碍"模式认为地块运动的力源主要来自于印度板块向欧亚板块的碰撞造成的青藏高原东北缘的挤压作用力, 同时, 南部的华南板块以及北部的燕山地块对鄂尔多斯南北边界存在推挤阻碍作用[18~19]。
2. 地应力测量方法及测量结果
2.1 地应力测量方法
水压致裂技术起源于美国油气田开采, 是油气开采增产的重要措施。国际岩石力学学会(ISRM)推荐水压致裂方法为有效确定岩体应力的方法之一。由于该方法具有操作简单、原位测量、不受测量深度限制等特点, 在国内外工程建设、地震机理研究、地壳动力学研究等领域得到广泛应用。
为了取得真实可靠的地应力测量结果, 现场测试程序及数据采集、处理均按照国际岩石力学学会相关技术规范执行[20], 测试记录曲线规范、标准, 曲线所记录的压力参数特征值确切, 尤其为关闭压力的取值奠定基础, 保证了测量成果的真实性和可靠性[21]。同时, 依据压裂段的压力—时间曲线, 选取破裂压力明显, 重张压力和关闭压力确切的测段作为压力印模试验段[21], 以尽可能准确地获取每个测段的最大水平主应力方位。在水压致裂法中, 瞬时关闭压力Ps等于最小水平主应力, 另外由于Ps取值导致的误差可在最大主应力值中扩大3倍, 因此关闭压力的取值对于地应力测量的精度尤为关键[21]。ISRM建议至少采用2种方法对Ps进行判读, 试验中Ps取值采用单切线法、dt/dp、dp/dt方法, 并将三者平均值作为水平应力的计算依据[21~23]。在地应力测量中, 孔隙压力取值据已有研究结果, 近似等于静水压力[24]。
2.2 地应力测量结果
地应力测量点位于西安市长安区天子峪, 钻孔的位置如图 1所示, 点位坐标为34.0311°N、108.9236°E, 海拔高度650 m, 钻孔位于冲沟缓坡地带, 从钻探岩心来看, 岩性为中粗粒角闪二长花岗岩, 地表风化强烈, 岩石比较松散, 但地应力测量深度段岩石较为完整。在80.50~399.00 m测试深度域内, 共取得了10个测段的压裂数据和4个测段的印模定向数据(见表 1), 其中10个测段的原始压裂曲线如图 2所示。
表 1 鄂尔多斯地块南缘地应力测量结果Table 1. Results of in-situ stress measurement by hydraulic fracturing in southern margin of the Ordos block测段序号 测段深度/m 孔隙压力Po/MPa 主应力值/MPa 应力特征参数 印痕裂缝方向/° SH Sh SV SH/ SV SH/ Sh (SH+Sh)/2SV (σ1-Po)/(σ3-Po) 1 80.50 0.76 3.91 3.71 2.13 1.84 1.05 1.79 0.44 2 120.60 1.16 5.40 5.11 3.20 1.69 1.06 1.64 0.48 3 136.40 1.31 5.88 5.27 3.61 1.63 1.12 1.54 0.50 N313°W 4 167.92 1.63 5.19 4.60 4.45 1.17 1.13 1.10 0.79 5 187.00 1.82 8.79 7.97 4.96 1.77 1.10 1.69 0.45 N357°W 6 224.80 2.20 11.99 8.88 5.96 2.01 1.35 1.75 0.38 7 237.26 2.32 13.56 9.29 6.29 2.16 1.46 1.82 0.35 N345°W 8 258.75 2.54 13.83 9.56 6.86 2.02 1.45 1.70 0.38 9 299.24 2.94 10.17 7.75 7.93 1.28 1.31 1.13 0.69 10 399.00 3.94 12.51 10.29 10.57 1.18 1.22 1.08 0.77 N10°E 注:SV为铅直应力(SV=ρgH, ρ取2650 kg/m3, H为上覆岩体的厚度), SH为最大水平主应力, Sh为最小水平主应力, σ1为最大主应力值, σ3为最小主应力值 
图 2 10个测段原始压裂曲线Figure 2. Original hydraulic fracturing pressure-time curves of ten segments3. 测试数据分析
3.1 水平主应力随深度分布规律
地应力值随深度的变化特征一定程度上反映地壳浅部的应力状态, 通过地应力测量资料分析地壳应力特征一直是地球科学家探索的问题[21, 24~26]。为了直观地表现测点所反映的地应力分布规律, 利用钻孔的实测资料, 使用线性回归分析的方法, 对10个测试段的应力值进行回归分析, 得到最大水平主应力、最小水平主应力随深度变化的关系式, 回归曲线如图 3 a所示。回归方程如下:
图 3 最大、最小水平主应力(a)及侧压系数(b—d)随深度变化图Figure 3. Curves of variation of the maximum and the minimum horizontal principal stress (a) and lateral pressure coefficient (b—d) with depthSH=2.357+0.032H (1) Sh=2.719+0.021H (2) 式中:SH、Sh分别为最大水平主应力、最小水平主应力, MPa; H为测点埋深, m。
结合表 1及图 3a, 可知在测试深度80.50~399.00 m范围内, 最大水平主应力和最小水平主应力的量值分布范围分别为3.91~13.83 MPa、3.71~10.29 MPa。回归方程中最大水平应力与最小水平应力的梯度分别为0.032、0.021, 高于相关学者对华北板块、华南板块以及整个中国大陆的拟合结果(0.022、0.017左右)[27~29], 这主要是数据测量方法、岩性以及拟合深度不同所致。同时回归方程具有较大的常数项, 反映测点的构造应力较大。
表 1给出了测点水平主应力和垂向应力的应力量值, 由Anderson断层理论[30], 结合图 3a可知, 鄂尔多斯地块南缘地壳浅部三个主应力值之间的关系为SH>Sh>Sv, 构造应力场以水平构造应力为主, 应力状态有利于逆断层活动, 区别于1556年华山大地震正断活动性质。
3.2 侧压系数随深度的分布规律
利用实测资料, 计算侧压系数kHh(SH/Sh)、kHv(SH/Sv)、kav(SH+Sh2Sv)的比值如表 1所示, 并分别建立随埋深变化的散点分布图, 见3b—3d示。对于kHh, 采用线性拟合其随深度变化的关系, 而kHv、kav则选用Stacey和Wesseloo[31]统计南非地应力采用的k=a/H+b的函数形式进行回归拟合。相应的拟合公式如(3)—(5)所示, 拟合曲线如图 3所示。
kHh=1.94×10−4+1.22 (3) kHv=152/H+0.93 (4) kav=160/H+0.60 (5) 图 3d中红色外包络线为Brown和Hoek[32]利用全球地应力测量资料统计的水平平均主应力与垂直应力之比, 即侧压系数kav的分布范围, 鄂尔多斯地块南缘的地应力测量数据分布在外包络线之内。
由表 1与图 3b—3d可知, kHh、kHv、kav的分布范围分别为1.05~1.46、1.17~2.16、1.08~1.82, kHh随深度的增加变化较小, 稳定在1.22左右。kHv、kav的比值随深度呈缓慢衰减的态势, 表明在测试深度范围内, 鄂尔多斯地块南缘构造水平应力占主导地位, 随着深度增加, 构造应力场的影响减弱, 垂向应力增强[21]。
3.3 最大水平主应力方位分布特征
采用水压致裂印模系统获得了最大水平主应力方向值, 见表 1, 应力方向的分布范围为北西313°—北东10°。为了更直观的分析应力方向的分布规律, 利用实测结果, 做出最大水平主应力方向随深度的分布图(见图 4)及分布统计玫瑰花图(见图 5a), 结合表 1判别分析可知[21], 各测段地应力方向分布比较集中, 鄂尔多斯地块南缘地应力状态主要受区域构造应力场控制, 钻孔在0~400 m深度范围内最大水平主应力方向为北北西到近南北向。
图 4 最大水平主应力方位随深度变化图Figure 4. Variation of the orientation of the maximum horizontal principal stress with depth
图 5 鄂尔多斯地块南缘现今地应力作用方向(a、c)及地壳运动速度场(b)Figure 5. Directions of in-situ stress (5-a、5-c) and GPS velocity field (5-b) in southern margin of the Ordos block从板块尺度来看, 鄂尔多斯地块南缘的力源仍然来自印度板块相对于欧亚板块的北向碰撞作用。新生代以来, 印度板块以50 mm/a的速率向北推挤欧亚板块, 导致青藏高原的整体上升和下地壳物质的东移, 其远程效应作用于鄂尔多斯地块南缘。鄂尔多斯地块南缘交接转换区成为青藏高原向东北边缘扩展的前锋地带, 构成高原与东侧外围的渐变过渡边界, 高原物质向外扩展受阻而在转换区向东有限逃逸[33]。印度板块的向北推挤到本区的楔形挤入, 这种推挤作用在鄂尔多斯地块南部边界受到阻挡作用, 秦巴断块隆起消减了在地区的运动, 印度洋板块通过印度次大陆向北与欧亚板块顶撞的势头逐渐减弱, 在东面遇到华北地块的阻挡, 迫使应力发生调整, 构造应力场会产生一定偏转, 最新的GPS观测数据获得的区域运动速度场矢量资料反映最大主压应力方向由青藏高原东北缘到鄂尔多斯地块南缘发生了北东到北西西—北西向的变化[34], 如图 5b所示。利用震源机制资料、GPS方法、地质等方法也得到相同的应力场特征[35~38]。如江在森等根据中国大陆的GPS观测资料, 得到中国大陆地壳水平运动速度场结果, 而在鄂尔多斯地块南缘表现为北西—北西西向[35]; 徐纪人等研究中国大陆及其周缘发生的中强震的震源机制解, 得到中国大陆地壳区域应力场特征, 在鄂尔多斯地块南缘P轴方位集中在北西—东西向之间[36]。
地应力实测资料显示鄂尔多斯地块南缘现今的主压应力方向呈现出北北西向到近南北向的趋势, 结合该区其他资料解译反演得到的构造应力场方向, 发现实测方向与部分水压致裂资料得到的方向吻合较好, 而与其他资料解译的构造应力场方向存在差异(见图 5c)[21, 39], 很可能是由于其他资料的测试结果受到鄂尔多斯地块南缘断层不同程度的影响所致。
4. 断层活动性
库伦剪切破裂准则认为岩石抵抗剪切破坏的能力不仅与作用在截面上的剪应力有关, 而且还与作用在该界面上的正应力有关, 并可写成关系式τ=τ0+μσn。其中, τ0表示内聚力, σn表示剪切面上的正应力值, μ=tanψ, μ表示内摩擦系数, ψ为内摩擦角。用主应力改写库伦准则, 并引入有效应力的概念。这样滑动阻力便是正应力σn与孔隙压力Po之差的函数。最大、最小主应力之比可简单的表示为摩擦系数μ的函数, 如下[21]:
(σ1−Po)/(σ3−Po)=((μ2+1)1/2+μ)2 (6) 式中σ1、σ3分别为断层面上的最大与最小主应力值, Po为孔隙压力。
当应力之比大于((μ2+1)1/2+μ)2值时, 断层面在方位合适的面上可能发生滑动, 这里取方位合适的面指断层面的法线方向与最大主应力σ1的夹角为ψ的面, ψ与μ的关系为ψ=0.5(π/2+tanμ)[21, 40]。
Byerlee综合各种不同岩石类型的实验室摩擦试验资料, 结果表明大部分岩石的摩擦系数位于0.6~1.0之间, 并认为当σn低于相当于地壳中部深度的正应力数值200 MPa时, τ=0.85σn; 当超过200 MPa而小于2000 MPa时, τ=50+0.6σn, 即拜尔利定律[21, 41]。国内外众多学者通过研究得到摩擦系数的分布范围大致在0.6~1.0之间[40, 42~43], 因此在分析鄂尔多斯地块南缘断层活动性的研究中取μ=0.6~1.0, 并且不考虑断层内聚力。
在原地应力测量过程中, 能够获得σ1、σ2和σ3(σ2, 中间主应力)具体量值的机会非常少, 但是按照Anderson理论, 比较SH、Sh和SV量值的大小, 可以近似的将其看作三向主应力值。利用实测数据及表 1, 做出(σ1-Po)/(σ3-Po)比值的分布情况及摩擦系数分别为μ=0.6和μ=1.0时的临界线(见图 6), 可以看出, 所有测段的(σ1-Po)/(σ3-Po)比值均位于临界线的下侧, 地应力的实测值低于断层发生摩擦滑动极限状态的临界值, 表明鄂尔多斯地块南缘现今地应力积累水平较低, 未达到地壳破裂极限状态, 不存在断层失稳或地震等其他形式的地壳活动。
图 6 (σ1-Po)/(σ3-Po)的分布情况及应力状态分析图Figure 6. Distribution of(σ1-Po)/(σ3-Po) and stress state analysis of the fault5. 结论
通过水压致裂方法获得鄂尔多斯地块南缘的地应力测量数据, 采用统计回归方法, 分析了该区的地应力的赋存特征及分布规律, 结合Mohr-Coulomb准则及Byerlee定律探讨了这一地区的地壳活动性, 得到以下结论:
(1) 水平主应力随深度的增加呈现良好的线性关系, 最大、最小水平主应力量值随深度变化的拟合关系式分别为SH=2.357+0.032H、Sh=2.719+0.021H, 三个主应力值之间的关系有利于逆断层活动; 在测试深度范围内, 侧压系数kHv、kav的值随深度呈缓慢衰减的态势, 表明在测试深度范围内鄂尔多斯地块南缘构造水平应力占主导地位, 随着深度增加, 构造应力场的影响减弱, 垂向应力增强。
(2) 鄂尔多斯地块南缘现今最大水平主应力方向与最新的GPS观测数据反映地壳运动速度场基本吻合, 而与其他资料解译的构造应力场方向存在差异, 很可能是由于测量结果受到鄂尔多斯地块南缘断层不同程度的影响所致。印度洋板块对青藏高原北向的持续挤压, 造成高原隆升以及东北缘的扩张, 鄂尔多斯地块南缘交接转换区在东面遇到华北地块的阻挡, 迫使应力发生调整, 构造应力场会产生一定偏转, 自青藏高原东北缘向鄂尔多斯地块南缘的构造应力方向由北东、北东东向逐渐转为近北西向。
(3) 测点的地应力状态未达到或超过地壳破裂极限状态, 鄂尔多斯地块南缘处于较稳定的应力状态。
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图 1 鄂尔多斯地块活动断裂及地震分布
Figure 1. Active faults and seismic distribution in the Ordos block
图 2 10个测段原始压裂曲线
Figure 2. Original hydraulic fracturing pressure-time curves of ten segments
图 3 最大、最小水平主应力(a)及侧压系数(b—d)随深度变化图
Figure 3. Curves of variation of the maximum and the minimum horizontal principal stress (a) and lateral pressure coefficient (b—d) with depth
图 4 最大水平主应力方位随深度变化图
Figure 4. Variation of the orientation of the maximum horizontal principal stress with depth
图 5 鄂尔多斯地块南缘现今地应力作用方向(a、c)及地壳运动速度场(b)
Figure 5. Directions of in-situ stress (5-a、5-c) and GPS velocity field (5-b) in southern margin of the Ordos block
图 6 (σ1-Po)/(σ3-Po)的分布情况及应力状态分析图
Figure 6. Distribution of(σ1-Po)/(σ3-Po) and stress state analysis of the fault
表 1 鄂尔多斯地块南缘地应力测量结果
Table 1. Results of in-situ stress measurement by hydraulic fracturing in southern margin of the Ordos block
测段序号 测段深度/m 孔隙压力Po/MPa 主应力值/MPa 应力特征参数 印痕裂缝方向/° SH Sh SV SH/ SV SH/ Sh (SH+Sh)/2SV (σ1-Po)/(σ3-Po) 1 80.50 0.76 3.91 3.71 2.13 1.84 1.05 1.79 0.44 2 120.60 1.16 5.40 5.11 3.20 1.69 1.06 1.64 0.48 3 136.40 1.31 5.88 5.27 3.61 1.63 1.12 1.54 0.50 N313°W 4 167.92 1.63 5.19 4.60 4.45 1.17 1.13 1.10 0.79 5 187.00 1.82 8.79 7.97 4.96 1.77 1.10 1.69 0.45 N357°W 6 224.80 2.20 11.99 8.88 5.96 2.01 1.35 1.75 0.38 7 237.26 2.32 13.56 9.29 6.29 2.16 1.46 1.82 0.35 N345°W 8 258.75 2.54 13.83 9.56 6.86 2.02 1.45 1.70 0.38 9 299.24 2.94 10.17 7.75 7.93 1.28 1.31 1.13 0.69 10 399.00 3.94 12.51 10.29 10.57 1.18 1.22 1.08 0.77 N10°E 注:SV为铅直应力(SV=ρgH, ρ取2650 kg/m3, H为上覆岩体的厚度), SH为最大水平主应力, Sh为最小水平主应力, σ1为最大主应力值, σ3为最小主应力值 
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