3D IN-SITU CRUSTAL STRESS MEASUREMENT AND ITS APPLICATION TO UNDERGROUND WATER-SEALED OIL STORAGE CAVE ENGINEERING
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摘要: 地下水封油库是一种复杂的地下工程, 在施工期间开展岩体原位应力三维测量, 对设计的开挖和支护方案进行检验和复核, 有利于设计优化和指导施工。采用水压致裂测量方法, 在油库内南北水平、东西水平和垂直3个方向钻探成孔进行地应力测量, 综合3个方向的地应力测量结果, 计算确定三维地应力大小和方向。计算结果验证了设计所使用的勘察阶段地应力测量结果的可靠性, 检验和复核了设计施工方案的合理性, 并进一步评价了地下水封油库围岩稳定性。Abstract: Underground water-sealed oil storage cave is a complex underground project. 3D in-situ crustal stress measurement in the constructing process, which can be used to test and re-check for the design scheme of cave excavation and support, is advantageous to the design optimization and the construction. In-situ crustal stress measurements by hydrofracturing method in drilling boreholes along a three dimensional Cartesian coordinate system are conducted, and then the reliable 3D crustal stress magnitudes and directions are calculated from those measuring results. This 3D results examined the in-situ measurements at surveying stage used for designing, and verified the rationality of the design and construction scheme. In addition, the stability of surrounding rock of underground water-sealed oil storage cave was further assessed using the 3D results.
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0. 引言
2008年祁连山木里冻土区发现天然气水合物，这是中国陆域首次钻获天然气水合物[1~3]。多年冻土是天然气水合物形成和富集的决定因素之一，对水合物成藏特征具有明显的控制作用[4]。前人对祁连山冻土进行过多年研究，划分了祁连山地区冻土类型，并探讨了区域内多年冻土和季节冻土的平面分布特征[5~8]。李静等[9]借助DEM和地形因子模拟了柴达木—木里沿线多年冻土分布概率；张文杰等[10]通过高程数据、年平均气温和垂直递减率，研究了祁连山近40年来的冻土分布面积和退化情况。然而，目前尚缺乏对该区域冻土厚度及其空间变化规律的研究，进而影响了对祁连山地区天然气水合物资源潜力评价和成藏规律的研究。
本文根据青藏高原和祁连山地区气温、地温、海拔及经纬度与冻土厚度的经验公式，结合数字高程模型(DEM)，利用ArcGIS的空间分析模块，提取祁连山及年平均气温、年平均地温和多年冻土厚度等参数，建立该地区年平均气温、年平均地温及多年冻土厚度的空间分布模型，并讨论各相关要素的空间分布特征，为祁连山地区天然气水合物的资源勘查提供科学依据。
1. 区域概况
祁连山位于青藏高原东北缘，地处河西走廊与柴达木盆地之间，由北祁连山缝合带、中祁连地块和南祁连地块等构造单元组成。北祁连缝合带和中祁连地块由一系列北西—南东走向的山脉和盆地组成，发育有托来南山、疏勒南山、党河南山、土尔根达坂山和大通山等高山(见图 1)，其间分布疏勒和木里等盆地，地势西北高东南低，海拔3500~5000 m，山峰多在4000 m以上，最高峰为疏勒南山的团结峰，海拔5826.8 m。南祁连地块地势较平坦，大片新生代夷平面连续分布，海拔4000~4300 m。祁连山南、北两侧的柴达木盆地和河西走廊地形相对平坦，海拔一般小于3000 m。区内水系主要由青海湖、哈拉湖、布哈河、黑河、大通河及巴音郭勒河等构成。
图 1 祁连山地貌及冻土类型分布(冻土类型边界据文献[6])Figure 1. Geomorphology and permafrost type distribution of Qilian Mountains根据周幼吾等[6]的划分方案，祁连山及邻区涵盖了阿尔金山—祁连山高寒带山地多年冻土区、阿尔金山—祁连山高寒带季节冻土区、河西走廊—阿拉善高原温带季节冻土区、柴达木盆地温带季节冻土区和青藏高原东缘高寒带季节冻土区(见图 1)。研究区内高山发育现代冰川，其中走廊南山、疏勒南山和党河南山冰川数量最多，疏勒南山、土尔根达坂山和走廊南山冰川规模最大。研究表明，祁连山地区年平均地表温度-2.4~0 ℃，冻土下界海拔为3500~3900 m，冻土厚度8.0~139.3 m；其中连续冻土区年均地表温度-2.4~-1.5 ℃，冻土厚度50.0~139.3 m；岛状冻土区年平均地温为-1.5~0 ℃，冻土厚几米到几十米不等[6]。
2. 冻土参数提取
年平均气温、年平均地表温度和多年冻土厚度等冻土参数的提取过程主要包括数据源和经验公式的选取与GIS空间分析。GIS空间分析包括数据预处理、字段计算、IDW(反距离权重)空间插值和三维可视化表达等4个方面(见图 2)。
2.1 数据源获取
本文采用“地理空间数据云”网站平台提供的SRTM3雷达影像数据作为数字高程模型(DEM)的数据基础。需要指出的是，该数据分为SRTM1和SRTM3，空间分辨率分别为30 m和90 m。考虑到数据运算量及精度的要求，本文选用SRTM3(90 m分辨率)作为数据源进行冻土参数的提取。
2.2 冻土参数经验公式选取
邱国庆等[11]根据西藏和青海78个气象站点的多年气象资料，统计分析得到青藏高原年平均气温与纬度、经度及海拔之间的经验公式：
T=66.3032−0.9197x1−0.1438x2−0.005596x3 (1) 式中：T——年平均气温，℃；x1——纬度，m；x2——经度，m；x3——海拔，m。
周幼吾等[6]依据青海省26个站点的年平均地表温度和年平均气温观测值资料，统计得到了年平均地表温度与年平均气温之间的经验关系式，并建立了祁连山多年冻土厚度与年平均地表温度之间的经验公式：
t=3.2664+0.894T (2) B=10.48−31.88t (3) 式中：t——年平均地表温度，℃；T——年平均气温，℃；B——多年冻土厚度，m。
通过分析，本文选取上述公式(1)、(2) 和(3) 分别反演祁连山地区年平均气温、年平均地表温度和多年冻土厚度。
2.3 冻土厚度GIS空间分析
利用ArcGIS软件中的空间分析模块，对DEM进行计算和IDW(Inverse Distance Weighted，反距离权重)空间插值，根据点的空间位置属性，结合冻土参数与空间位置关系模型进行计算机模拟，通过叠加山体阴影制作视立体多年冻土厚度分布图，获取研究区多年冻土厚度空间分布特征。
2.3.1 数据预处理
对原始STRM3高程数据进行镶嵌和裁剪，得到研究区DEM。运用栅格数据矢量化计算转化为高程点矢量数据，转化后的矢量点数为14408401个，结合本研究计算所需的精度，运用统计分析方法进行抽稀。本文从原高程点矢量数据中以邻域计算方法进行抽稀，选取百分之一后剩下144084个点进行运算，其结果可以满足研究精度需要。
2.3.2 字段计算
运用Add XY Coordinates工具为抽稀后的高程点赋予经纬度属性，得到含坐标的高程点，该数据具有纬度(x1)、经度(x2)、高程(x3)等属性列信息。
打开含坐标高程点属性表，添加年平均气温字段，使用字段计算器将纬度、经度和高程属性列代入公式(1)，计算得到年平均气温属性列T；再将年平均气温属性列T代入地温计算公式(2) 求得年平均地温属性列t；最后将年平均地温属性列t代入冻土厚度计算公式(3)，计算得到冻土厚度属性列B。
2.3.3 IDW空间插值
插值是在合理选取采样点的基础上，通过采样点的测量值，采用适当的数学模型对区域所有点位进行合理测算，模拟区域测量值。IDW插值作为一种确定性插值方法，适合在样本密集且均匀分布的情况下使用。该方法空间分布的对象都是空间相关的，彼此邻近的对象具有相似性特征，插值结果可以反映对象特征变化的空间相关性。
采用ArcGIS空间分析模块下的IDW插值工具，由矢量高程点空间插值生成栅格面。分别使用年平均气温T、年平均地温t、冻土厚度B作为空间插值的z_field字段值，依次得到年平均气温、年平均地温、冻土厚度的栅格面数据。
2.3.4 三维可视化表达
在3D分析工具集下的Hillshade(山体阴影)工具中设置太阳高度角和方位角，用年平均气温栅格数据生成气温数据山体阴影。将气温栅格面图层叠加至气温山体阴影图层之上，设置气温栅格的透明度，两图层叠置，得到气温栅格数据的立体显示。同理，可实现年均地温及冻土厚度栅格数据的立体可视化显示。
经过上述GIS空间分析，得到了研究区年均气温分布图、年均地温分布图和多年冻土厚度分布图(见图 3—图 5)。
图 3 祁连山年均气温分布图(单位：℃)Figure 3. Distribution of mean annual temperature in Qilian Mountains
图 4 祁连山年均地温分布图(单位：℃)Figure 4. Distribution of mean annual ground temperature in Qilian Mountains
图 5 祁连山多年冻土厚度分布图(单位：m)Figure 5. Distribution of permafrost thickness in Qilian Mountains3. 结果分析
3.1 祁连山年均气温
由图 3可见，祁连山多年冻土区除深切河谷外，年均气温一般为-12~-6 ℃；其中疏勒南山、土尔根达坂山和党河南山为年均气温最低的区域，年均气温可低至-10℃以下，以团结峰年均气温最低(低于-12 ℃)；而祁连山季节冻土区除个别海拔较高的区域外，年均气温相对较高，一般为-6~0 ℃。
3.2 祁连山年均地温
祁连山多年冻土区年均地温一般为-4~-2 ℃(见图 4)，其中疏勒南山、土尔根达坂山和党河南山为研究区内年平均地表温度最低的区域，一般为-8~-4 ℃；季节冻土区除个别海拔较高的地区外，年均地温相对较高，一般高于-1 ℃；祁连山多年冻土下界与年平均地温零度等值线分布大体一致。
3.3 祁连山冻土厚度
由图 5可见，祁连山多年冻土区冻土厚度分布极不均匀。疏勒南山、大通山西段、土尔根达坂山、哈拉湖南及党河南山区域内多年冻土厚度最大，一般大于140 m；南祁连山中西部地区分布厚度90~140 m厚的冻土，而南祁连东部及疏勒河、大通河及黑河谷地冻土厚度一般小于70 m。
4. 讨论与结论
祁连山多年冻土区冻土厚度分布受海拔、经纬度等因素的影响，在已发现天然气水合物的木里地区和南祁连广袤的夷平面上，冻土厚度一般大于90 m，在疏勒南山等高山地区冻土厚度大于140 m，在深切河谷区和南祁连东部冻土厚度一般小于70 m。
已发现天然气水合物的木里聚呼更矿区三露天DK-9孔冻土长期监测结果(胡道功等，另文发表)表明，该地区冻土厚度110 m左右，与模型计算结果相一致，说明本文采用的冻土厚度反演模型与冻土参数提取方法不失为研究冻土区域分布规律的有效方法。模型计算的年平均气温、年平均地温和多年冻土厚度，为祁连山天然气水合物的远景调查提供了科学依据。
野外调查结果[12]表明，祁连山有效烃源岩主要分布在中祁连地块中西部和南祁连地块的北部地区，根据前人研究得到的青藏高原天然气最浅顶界埋深为74 m左右[13]，再结合本文冻土厚度及其空间分布状况，认为中祁连盆-山构造区为天然气水合物成藏的最有利地区。
需要说明的是，本文采用的经验公式考虑了海拔、经度、纬度等主要因素的控制作用，但水体、活动断裂等因素对多年冻土厚度也有一定的影响。如：哈拉湖和青海湖地区，大面积湖水的保温效应可能会使该地区实际冻土厚度小于模型计算值；同样地，在活动断裂经过的地方，由于地下水和地壳内热量的影响，也会造成冻土厚度值变小。这些因素对多年冻土厚度及天然气水合物成藏影响的定量分析还有待进一步细化和深入研究。
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图 1 锦州某地下水封油库内地应力测点钻孔布置示意图
Figure 1. The sketch map showing the arrangement of drilling boreholes for in-situ crustal stress measurement in an underground water-sealed oil storage cave in Jinzhou city
图 2 JZNS-1(左)与JZWE-2(右)实测主应力大小随水平深度变化
Figure 2. Variation of measured principal stress magnitudes along with horizontal depth in JZNS-1 and JZWE-2 boreholes
图 4 JZVZK-3实测主应力大小随垂直深度变化趋势
Figure 4. The variation of measured principal stress magnitudes along with vertical depth in JZVZK-3 borehole
图 5 锦州某地下水封油库内水压致裂三维地应力测量结果
Figure 5. The results of 3D crustal stress measurements using hydrofracturing method in an underground water-sealed oil storage cave in Jinzhou city
图 6 锦州某地下水封油库勘察阶段垂直钻孔地应力测量主应力大小随深度变化
Figure 6. The variation of principal stress magnitudes obtained at surveying stage along with depth in vertical drilling boreholes of an underground water-sealed oil storage cave in Jinzhou city
图 7 锦州某地下水封油库垂直钻孔最大水平主应力方向随深度变化
Figure 7. The variation of maximum horizontal principal stress orientations along with depth in vertical drilling boreholes of an underground water-sealed oil storage cave in Jinzhou city
图 8 区域最大、最小水平主应力方向玫瑰花图
Figure 8. The rose diagram of regional maximum and minimum horizontal principal stress directions
表 1 锦州某地下水封油库水平钻孔JZNS-1水压致裂应力测量结果
Table 1. The hydrofracturing crustal stress measurements of JZNS-1 horizontal borehole in an underground water-sealed oil storage cave in Jinzhou city
序号 测试段深度/m 压裂参数/MPa 应力值/MPa S′H方向/(°) Pb Pr Ps PH P0 T S′H S′h 1 4.60~5.15 17.63 3.37 3.78 0.00 0.00 14.26 7.97 3.78 2 6.60~7.15 18.29 3.93 4.09 0.00 0.00 14.36 8.34 4.09 3 8.60~9.15 17.31 4.64 4.31 0.00 0.00 12.67 8.29 4.31 4 12.60~13.15 17.95 3.80 4.25 0.00 0.00 14.15 8.95 4.25 5 14.60~15.15 14.33 4.50 4.38 0.00 0.00 9.83 8.64 4.38 6 16.60~17.15 20.41 3.94 4.31 0.00 0.00 16.47 8.99 4.31 7 18.60~19.15 19.14 4.50 4.61 0.00 0.00 14.64 9.33 4.61 8 20.60~21.15 9.23 4.89 4.87 0.00 0.00 4.34 9.72 4.87 9 22.60~23.15 12.93 5.18 4.94 0.00 0.00 7.75 9.64 4.94 10 24.60~25.15 11.65 3.64 2.85 0.00 0.00 8.01 4.91 2.85 11 26.60~27.15 18.52 3.88 3.91 0.00 0.00 14.64 7.85 3.91 13 12 28.30~28.85 12.85 4.01 3.93 0.00 0.00 8.84 7.78 3.93 18 
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表 2 锦州地下水封油库水平钻孔JZWE-2水压致裂应力测量结果
Table 2. The hydrofracturing crustal stress measurements of JZWE-2 horizontal borehole in an underground water-sealed oil storage cave in Jinzhou city
序号 测试段深度/m 压裂参数/MPa 应力值/MPa S′H方向/(°) Pb Pr Ps PH P0 T S′H S′h 1 4.60~5.15 17.12 4.95 4.35 0.00 0.00 12.17 8.10 4.35 2 6.60~7.15 17.20 4.71 4.82 0.00 0.00 12.49 9.75 4.82 3 8.60~9.15 17.16 5.30 4.77 0.00 0.00 11.86 9.01 4.77 4 10.60~11.15 16.93 5.26 5.08 0.00 0.00 11.67 9.98 5.08 5 12.60~13.15 15.70 5.12 4.89 0.00 0.00 10.58 9.55 4.89 6 14.60~15.15 16.73 4.72 4.52 0.00 0.00 12.01 8.84 4.52 7 16.60~17.15 16.77 4.70 4.42 0.00 0.00 12.07 8.56 4.42 8 18.60~19.15 16.83 4.45 4.69 0.00 0.00 12.38 9.62 4.69 9 20.60~21.15 17.45 4.58 4.77 0.00 0.00 12.87 9.73 4.77 10 22.60~23.15 17.49 4.90 5.01 0.00 0.00 12.59 10.13 5.01 11 24.60~25.15 18.83 4.40 4.25 0.00 0.00 14.43 8.35 4.25 12 26.60~27.15 20.17 4.89 5.30 0.00 0.00 15.28 11.01 5.30 15 13 28.60~29.15 16.71 5.34 5.15 0.00 0.00 11.37 10.11 5.15 25
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表 3 锦州地下水封油库垂直钻孔JZVZK-3水压致裂应力测量结果
Table 3. The hydrofracturing crustal stress measurements of JZVZK-3 vertical borehole in an underground water-sealed oil storage cave in Jinzhou city
序号 测试段深度/m 压裂参数/MPa 应力值/MPa SH方向/(°) Pb Pr Ps PH P0 T SH Sh SV 1 6.60~7.15 17.12 4.79 4.42 0.06 0.06 12.33 8.41 4.42 3.09 N84°E 2 10.60~11.15 16.19 4.62 4.03 0.10 0.10 11.57 7.37 4.03 3.20 N58°W 3 14.60~15.15 15.64 3.94 3.57 0.14 0.14 11.70 6.63 3.57 3.31 4 18.60~19.15 13.87 3.98 3.88 0.18 0.18 9.89 7.48 3.88 3.42 5 22.60~23.15 15.68 4.02 3.96 0.22 0.22 11.66 7.64 3.96 3.53 N67°E 6 26.60~27.15 16.93 4.76 4.56 0.26 0.26 12.17 8.66 4.56 3.63 7 30.60~31.15 18.41 5.80 5.58 0.30 0.30 12.61 10.64 5.58 3.74 N83°E 8 34.60~35.15 20.28 7.23 6.61 0.34 0.34 13.05 12.26 6.61 3.85 N88°E 9 38.60~39.15 14.32 5.68 5.66 0.38 0.38 8.64 10.92 5.66 3.96 10 44.60~45.15 18.40 5.74 5.64 0.44 0.44 12.66 10.74 5.64 4.12 11 48.60~49.15 17.58 6.54 6.22 0.48 0.48 11.04 11.64 6.22 4.23 N76°E 12 52.60~53.15 20.87 7.60 7.33 0.52 0.52 13.27 13.87 7.33 4.34 N87°W 13 56.60~57.15 21.90 8.91 8.93 0.55 0.55 12.99 17.33 8.93 4.44
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表 4 锦州某地下水封油库三维应力计算结果
Table 4. The 3D crustal stress calculated results in an underground water-sealed oil storage cave in Jinzhou city
主应力 量值/MPa 方位角/(°) 仰角/(°) 倾伏向 最大主应力(σ1) 11.56 59.86 12.32 NEE 中间主应力(σ2) 5.84 329.82 11.70 NNW 最小主应力(σ3) 3.07 0.27 -78.18 SN
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表 5 锦州某地下水封油库垂直钻孔地应力测量最大水平主应力方向统计
Table 5. The statistics of maximum horizontal principal stress orientations in an underground water-sealed oil storage cave in Jinzhou city
孔号 印模段中心深度/m 最大水平主应力方向 ZK1 79.5 N78°E 115.5 N33°E 132.5 N72°W ZK3 41.0 N73°E 85.0 N79°E 115.0 N86°E ZK8 78.7 N62°E 93.0 N65°E 104.2 N68°E 113.2 N54°W ZK12 43.7 N82°E 69.3 N71°E 99.0 N62°E ZK11 65.5 N77°E 103.5 N67°E 121.5 N87°E 133.9 N83°E JZVZK-3 116.9 N84°E 120.9 N58°W 122.9 N67°E 130.9 N83°E 134.9 N88°E 148.9 N76°E 152.9 N87°W
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