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2023年  第29卷  第3期

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2023 年 3 期封面
2023, 29(3).
摘要 (175) PDF (1311KB)(77)
摘要:
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2023 年 3 期目录
2023, 29(3).
摘要 (279) HTML (145) PDF (430KB)(48)
摘要:
地应力监测技术与应用
深井地壳活动综合观测技术略谈
蔡美峰
2023, 29(3): 301-312. doi: 10.12090/j.issn.1006-6616.20232901
摘要 (1119) HTML (97) PDF (2098KB)(79)
摘要:

岩石圈在地球内动力作用下,塑造出不同类型的地球表面形态,而通过钻孔地壳活动综合观测技术捕捉地壳应力状态及其动态变化规律,是人类认识地球内动力过程、研究内动力地质灾害机理的重要途径。文章总结了日本、美国等发达国家以及IODP国际合作研究计划在发展钻孔地壳活动综合观测技术方面的贡献,并对中国钻孔应变观测技术及其观测仪器发展历程、研发现状进行了系统性的总结,尤其是“十三五”以来,在深地深海探测国家战略的大背景下,中国地质调查局、中国地震局等单位相继完成井中综合地球物理观测系统研发工作,并在陆域综合观测站中完成野外验证。其中,中国地质科学院地质力学研究所利用系统集成关键技术成功研制的地壳活动综合地球物理观测系统,拥有应变、倾斜、地震、地磁、地温、孔隙压等多种传感器和15个分量,具备观测地壳变形、应力、应变、倾斜、地震及其诱导的地温、水文、地电、地磁等岩石圈地球动力相对变化的能力,已在甘肃山丹(安装深度253 m)、四川平武(WFSD-4,1600 m)观测站投入使用,取得了一定的成效,对中国未来突破3000 m深井地壳活动综合观测技术具有指导意义,可为地球动力学研究、深部矿产和地热资源安全开采、内动力地质灾害预测提供重要地应力动态变化信息。同时,以“十四五”深地深海探测国家战略为契机,提出了深井地壳活动综合观测系统的未来发展方向和构想。

DRY-1B型电容分量式钻孔应变仪关键技术与应用
彭华, 马秀敏, 孙尧, 姜景捷, 郝飞
2023, 29(3): 313-323. doi: 10.12090/j.issn.1006-6616.20232902
摘要 (928) HTML (88) PDF (2714KB)(55)
摘要:

文章简述了DRY-1B型电容分量式钻孔应变仪(简称“钻孔应变仪”)的理论基础,攻关了微位移感知、降噪、控温、性能测试、标定等关键技术,并通过了性能测试,标定结果表明:该应变仪达到了高分辨率(≥5×10−11ε)、宽频带(10~100 Hz可选)、大动态范围(≥1×10−3ε)、24位AD记录、低功耗(<3 W)等技术指标,其性能优于同期美国PBO和日本同类钻孔应变仪,是一款国际领先的地壳运动长期观测仪器,基本能够满足地壳长期应变缓慢积累的蠕变运动和短期应变快速变化的地震火山活动等观测需求。2008年以来,通过20余个地应力台站的应用,该钻孔应变仪记录到大量的地壳形变、断裂活动、同震应变波、应变阶跃、矿压活动等应变信息,并以北长山地应力台站应变监测数据自洽性检验和土耳其地震映震能力分析为例发现:北长山地应力台站电容传感器1#+3#和2#+4#元件应变曲线总体平稳,相关系数R2达到0.95;1#-3#和2#-4#元件的差应变年变化速率为10−8量级,反映出长岛地区以剪切应力为主,且处于地震活动相对高的应力环境;利用该应变仪观测到2023年2月6日土耳其M 7.8级和M 7.5级两次地震明显的同震应变响应,尤其是获取了M 7.8级主震面波周期为50~60 s,呈现出面波异常,理论上可分辨出100 km范围M 0.74级地震产生的应变波,达到了应用示范效果。该钻孔应变仪在地球动力学研究、内动力地质灾害监测等领域具有较好的推广价值和应用前景。

TY系列高精度体应变仪研制及映震能力分析与应用
孙尧, 彭华, 姜景捷, 马秀敏, 郝飞, 张斌
2023, 29(3): 324-338. doi: 10.12090/j.issn.1006-6616.20232903
摘要 (899) HTML (146) PDF (2760KB)(41)
摘要:

文章综述了钻孔体应变仪的发展历程,针对体应变仪目前存在的稳定性和带宽不足、标定精度低等问题,创新与改进液压传感器、控制电路、标定方法等技术,研制出TY-2B型钻孔体积应变仪。改进的液压传感器提高了仪器精度,缩小了仪器体积;改善了控制电路,提高了仪器采样率、带宽及稳定性;创新的压电陶瓷标定技术提高了监测数据可靠性。测试结果表明改进型的TY-2B型体应变仪功耗低,小于3 W;长期稳定性好;灵敏度高,分辨率达到10−11ε;高频特性和低频特性好,采样率10~100 Hz,可采集完整地震应变波波形,固体潮波形清晰稳定;体积小重量轻,外径缩小至Φ89 mm,适用于Φ100 mm钻孔,长度1300 mm,重量45 kg,运输和安装方便。经室内检验、野外台站15年的测试,获取了良好的监测数据,体现了高灵敏的映震能力,龙门山北段体应变台站对2010年玉树地震及2023年土耳其地震的观测响应表明TY系列高精度体应变仪不仅是静态应变仪,还是宽频应变地震仪,具有动−静态标定能力,且相对于摆式地震仪有着极宽响应频带的独特优势,既可以观测地壳长期缓慢变形及其积累的特征,还可观测地壳破裂变形的瞬态细微特征。汶川地震以来青川—汉中地区体应变台站及2021年以来广州台站获取的监测曲线长期变化趋势与地震、构造地质等资料所反映的区域地质特征相符,表明TY-2B型体应变仪可在地球动力学研究、地质灾害预测预警等领域推广使用。

1605年琼山M 7½级地震区现今地应力动态变化特征及对东寨港沉陷的指示意义
贾丽云, 马秀敏, 姜景捷, 雷喆, 魏永仪, 毛佳睿, 郝飞
2023, 29(3): 339-354. doi: 10.12090/j.issn.1006-6616.20232904
摘要 (1134) HTML (95) PDF (4084KB)(81)
摘要:

文章利用1605年琼山7½级地震区不同区块布设的3个地应力监测台站应变观测数据,进行了地应力动态变化分析并对其记录的应力突变信息进行了提取,分析了2016年3月—2018年5月地应力变化与构造活动情况,并探讨了东寨港地貌演化趋势及其沉陷机理。结果显示:研究区总体受北西向挤压应力场作用,使得位于马袅−铺前断裂与铺前−清澜断裂上盘的演丰和大致坡地区以拉张应力场为主,位于断层下盘的锦山地区以挤压应力场为主;马袅−铺前断裂和铺前−清澜断裂在区域应力场作用下,不断进行非震活动来调整局部应力场,其中,马袅−铺前断裂在2016年3—7月、2017年10月和2018年4月有过多次活动,铺前−清澜断裂在2017年10月和2018年4月有过2次活动,马袅−铺前断裂较铺前−清澜断裂活动能量强;应力场变化趋势指示以铺前−清澜断裂(F13-1)为界,东部有逐步抬升趋势,西部的东寨港可能还会持续沉降;断层活动趋势指示以马袅−铺前断裂(F2-2)为界,东寨港北部演丰地区的沉降速率应该大于南部三江地区;此外,体应变监测数据也指示了位于海南岛南北地震带下部的岩浆活动痕迹。综合研究认为,东寨港沉陷主要受深部岩浆上涌导致的马袅−铺前断裂与铺前−清澜断裂的正断活动控制,并受到全新世海平面变化与软土沉积地层性质导致软土流滑、砂土液化以及海水侵蚀等多方面影响。文章创新性的将钻孔应变观测技术应用于探索海岸带地区典型震陷地貌演化规律与趋势研究,在地应力监测与构造地貌研究领域都有着重要的学术价值,同时,该成果对东寨港地区红树林保护、城镇规划建设等方面亦具有重要的应用价值。

煤矿深部开采动力灾害区域应力效应监测与前兆特征研究
吴浩源, 赵延冰, 杨永, 夏磊, 孙源源
2023, 29(3): 355-364. doi: 10.12090/j.issn.1006-6616.20232905
摘要 (938) HTML (145) PDF (1895KB)(46)
摘要:

动力灾害的孕育及诱发与区域应力场的力学行为密切相关,煤矿开采扰动作用下区域局部应力场不断调整变化。为了研究区域应力场变化特征对动力灾害的前兆响应,采用变分模态分解和希尔伯特变换的方法对鲍店煤矿采集数据进行时频分析,识别和提取钻孔应变数据中反映动力异常变化的固有模态分量。研究结果表明,钻孔应变观测数据能够有效记录开采扰动相关区域岩体内部的微小变化,解析原始数据滤去干扰信号后获得表征动力异常的特定频段,分解变换后固有模态分量异常波动特征早于动压事件前2~7天出现,表现出形变稳定变化阶段向快速变化阶段“突跳”、形变快速变化阶段 “震荡”以及失稳阶段“跌落”的显著特征。依据地震形变三阶段理论,判别动力灾害发生前形变异常开始时刻和“突跳”—“震荡”—“跌落”作为煤矿动力灾害发生的前兆判据。基于钻孔应变仪对区域应力场的精确观测,构建了应用于煤矿动力灾害超前预警的判据方法,可为煤矿相似开采环境下工作面的安全高效回采提供借鉴和参考。

地应力测量技术与应用
岩石非均质程度对水压致裂地应力测试方法影响的分析与讨论
陈东升, 纪洪广, 袁永忠, 李芹涛
2023, 29(3): 365-374. doi: 10.12090/j.issn.1006-6616.20232906
摘要 (389) HTML (93) PDF (1541KB)(61)
摘要:
准确揭示原位地应力状态,对地下工程开挖支护设计和长期稳定性分析等具有十分重要的意义。利用水压致裂技术开展了纱岭金矿主竖井地应力测试工作,获得了20个测段地应力状态;室内进行了主竖井测试孔岩芯的岩石力学试验,包括巴西劈裂试验、单轴压缩试验及声发射监测试验,获得了岩石空间非均质度和强度分布特征,并分析了岩石非均质度与水压致裂测试结果的关系。结果表明:主应力大小随测量深度近似呈线性增大,测试孔的最大水平主应力值为20.78~45.20 MPa,最小水平主应力值为14.94~35.33 MPa,平均最大水平主应力方向为 NW65°;测试孔岩芯各层位非均质度不同,变辉长岩非均质度系数为0.1~0.3,且岩石不同强度条件下声发射信号数量变化不显著,岩石离散度较小,花岗岩非均质度系数最高,可达1.0,以加载后期强相破裂产生的声发射信号为主;岩石非均质度影响水压致裂裂纹的扩展方向,扩展方向和最大水平主应力方向的夹角$\varphi $影响着最大、最小水平主应力的测量结果,且对最小水平主应力的影响尤为显著。分析水压致裂测量结果与岩石性质之间的关系,对精确探测非均质地层的地应力场分布规律具有一定的指导作用。
太原抽水蓄能电站关键部位地应力状态及其在枢纽工程布设中的应用
白金朋, 董延安, 甘俊, 赵晓阳, 李红利, 柴宝
2023, 29(3): 375-387. doi: 10.12090/j.issn.1006-6616.20232907
摘要 (355) HTML (66) PDF (2430KB)(37)
摘要:

采用水压致裂地应力测试技术,开展了山西太原抽水蓄能电站工程2个孔(孔深500 m和520 m)的地应力测试工作,获得了工程区关键部位地应力状态,分析了工程区的地应力水平、地下建筑布设方式和衬砌形式。结果表明:工程区最大水平主应力为10.98~18.09 MPa,最小水平主应力为6.79~11.32 MPa,垂直主应力9.61~13.57 MPa;与山西省南北两端“南高北低”地应力值相比,此次测值处于两者之间,与沁水盆地地应力场模拟值相比,测试结果基本一致;垂直应力介于最大水平主应力和最小水平主应力之间(SH>Sv>Sh),即测点的最大水平应力即最大主应力,且处于走滑型应力状态,其侧压系数Kav为0.92~1.09,反映出工程区构造作用不强烈;2个钻孔330 ~506 m范围内岩石饱和单轴抗压强度(Rb)为35.00~107.00 MPa,平均为63.79 MPa,岩石饱和单轴抗压强度与最大主应力比值(Rb/σm)为3.54~5.81,属于中—高应力水平;工程区最大水平主应力方向为NE 43°—NE 70.5°,平均为NE 59.5°,与区域震源机制解、GPS位移资料研究结果一致;从地应力方位考虑,地下厂房长轴线方向位于NE 29.5°—NE 89.5°之间,有利于厂房的围岩稳定;地下枢纽工程最大水头PH约为4.62 MPa,小于最小主应力值σ3(6.79~11.32 MPa),基于水力劈裂准则可知,岩体本身具有足够抵抗最大内水压力能力,输水隧洞采用钢筋混凝土衬砌,能够满足输水隧洞的稳定性。该研究成果可在抽水蓄能电站工程勘察、设计中推广使用。

东构造结墨脱关键区域地应力场特征及其构造稳定性分析
张斌, 孙尧, 马秀敏, 彭华, 姜景捷, 毛佳睿, 张文汇, 翟玉栋
2023, 29(3): 388-401. doi: 10.12090/j.issn.1006-6616.20232908
摘要 (524) HTML (134) PDF (7738KB)(121)
摘要:

为获取东构造结关键构造部位地应力特征、分析其构造稳定性,采用水压致裂法开展了墨脱断裂带西让段1个地应力孔、11个测试段的原位地应力测量工作。结果表明:61.43~121.34 m测试段最大、最小水平主应力值(SHSh)分别为3.05~14.50 MPa和2.16~9.87 MPa,垂向主应力值(Sv)为1.63~3.31 MPa,即SH>Sh>Sv;测点处应力场以水平挤压作用为主,均处于逆断层应力状态,且其主应力值随深度增加而逐渐增大,测点的最大水平主应力优势方位为北东东向;在整个地应力测量深度范围内,侧压系数值(Kav)为1.39~4.38,最大水平应力系数值(KHv)均大于1,且比值随深度的增加而增大,该关键部位区域应力场以水平应力为主导,方向性较强,所有测试段水平应力系数值(KHh)为1.23~1.66,与林芝−通麦段地应力特征参数计算结果基本相似;测点位置98 m以浅地层水平构造应力作用程度较小,应力积累水平较低,保持断层稳定所需的摩擦系数值小于实际断层的临界摩擦系数值,构造环境相对稳定,超过98 m深度地层由于水平构造应力起主要作用,保持断层稳定所需的摩擦系数值接近于实际断层的临界摩擦系数值,存在小概率发生断层失稳滑动的风险;区域强震在墨脱断裂带断层面上造成的左旋走滑方向上及逆冲方向上的库仑应力变化值的叠加量均为负值,抑制了断层的滑动,未能增加墨脱关键区域断层活动的危险性。

地应力作用下鸭绿江断裂带活动对丹东五龙背地热温泉的影响初析
毛佳睿, 马秀敏, 孙尧, 姜景捷, 张文汇
2023, 29(3): 402-416. doi: 10.12090/j.issn.1006-6616.20232909
摘要 (344) HTML (159) PDF (13925KB)(47)
摘要:

鸭绿江断裂带为郯庐断裂系的重要分支,现今构造活动强烈,沿断裂带出露温泉60余处,地热资源丰富。为查明断裂带南段五龙背地区的现今地应力状态和断层的活动性,研究断裂活动对温泉地热水体的控制作用和远期影响,采用水压致裂法对该区开展了12个测段的原位地应力测量。测量结果显示,在测段深度36.80~215.50 m范围内,最大、最小水平主应力及垂直主应力值(SHShSv)分别为6.00~13.52 MPa、3.18~7.26 MPa和0.97~5.7 MPa,总体而言,3个主应力值呈现随深度的增加而逐渐增大的趋势,最大水平主应力方向以北东向为主;断裂带中段(198.60~207.80 m),主应力关系为SH>Sv>Sh,有利于走滑型活动,具有一定潜力的富水导水条件,断裂带上段(36.80~196.63 m)及下段(215.50 m),SH>Sh>Sv,有利于逆断层活动,热流通道纵向连续性欠佳,导水条件较差;根据现今应力场特征与断裂活动的关系推演,五龙背地区温泉水位下降可能是因为断裂在压应力作用下活动,导水系统空间受挤压逐渐缩小,其他方向径流排泄增多,导致温泉水源供给减少;基于库仑摩擦失稳理论,断裂带36.80~113.20 m深度范围内的地应力值达到了其活动需要的应力临界值下限,将来有可能发生错断活动,温泉地热水体的补给通道可能受到断裂活动的影响而发生改变。研究成果在断裂对温泉地热水体控制作用研究方面具有一定的理论意义,并积极探索了断裂带附近地应力测量在地热研究领域中的应用思路。

山东招远水旺庄金矿深部地应力特征及其岩爆倾向性分析
柳禄湧, 李凯舟, 王能伟, 杨志杰, 杨冬铭, 孙尧
2023, 29(3): 417-429. doi: 10.12090/j.issn.1006-6616.20232910
摘要 (342) HTML (89) PDF (1356KB)(53)
摘要:

通过山东省招远市水旺庄金矿1881.08 m深孔水压致裂原地应力测量,获取了矿区深部地应力特征及其随深度的变化规律。结果表明:该矿区最大主应力随深度增加具有呈线性增大趋势,800.00 m以浅原位地应力状态以水平应力为主,随深度增加铅直主应力逐渐过渡为最大主应力;其中,最大水平主应力为11.22~45.69 MPa,最小水平主应力为7.28~36.17 MPa,铅直主应力为8.44~48.27 MPa,最大水平主应力方向为北西西向。根据该矿区应力量值及其最大水平主应力方向,分析了深部矿体地应力特征,水旺庄矿区深部地应力在招远−莱州地区属于一般偏低水平。结合钻孔岩芯岩石力学参数,基于工程岩体分级标准及岩石块体弹性应变能理论,对高围压环境下深部矿体开挖过程中,地下巷道发生岩爆的倾向性进行了分析讨论,水旺庄金矿总体属于无岩爆或弱岩爆的地层,但局部如1102.78 m、1379.40 m深度存在强烈岩爆倾向性,金矿矿体所处的1680.40~1684.90 m深度大体位于无岩爆区域。上述研究成果可为深部矿山建设与开采设计提供重要的科学依据。

构造应力场数值模拟
基于水压致裂法的三山岛深竖井工程区地应力测量与反演分析
朱明德, 王照亚, 张月征, 李文光, 侯奎奎, 纪洪广, 尹延天, 付桢, 郝英杰
2023, 29(3): 430-441. doi: 10.12090/j.issn.1006-6616.20232911
摘要 (393) HTML (80) PDF (1700KB)(60)
摘要:

山东省三山岛西岭矿区拟建2000 m深副井,属于超深井建设工程。揭示建井工程区地应力场特征是开展竖井设计、建设施工的必要先决条件之一,研究中采用水压致裂法开展了深部竖井地应力现场测量工作,测量深度达到1899.00 m,通过数值仿真模拟方法反演了竖井工程区2017.56 m深的地应力场。结果表明:在水压致裂测试的钻孔357.76~1899.00 m深度范围内,最大水平主应力(SH)为23.16~70.86 MPa,最小水平主应力(Sh)为15.24~47.06 MPa;主应力随深度近于线性增加,地应力测量孔实测最大水平主应力方向分别为NW55.5°、NW60.4°、NW58.4°,为近北西方向;竖井工程区应力场主要以水平应力为主导,1200.00 m以下铅直主应力(Sv)为中间应力,SHSv之比平均值为1.53;通过FLAC 3D软件的反演分析获得了建井工程区内地应力场随深度、地层变化的分布规律,测试点的反演结果与实测值基本一致。近2000 m超深地层地应力状态及其分布规律,为竖井工程的井筒井壁设计和工程风险评估提供了基础科学依据。

藏东南某大型水电站工程区地应力状态及反演分析
李征征, 杨文超, 张鹏, 李常虎, 范玉璐
2023, 29(3): 442-452. doi: 10.12090/j.issn.1006-6616.20232912
摘要 (363) HTML (95) PDF (5215KB)(62)
摘要:

某水电站作为西藏易贡藏布流域的控制性调节工程,对满足西藏电网的用电需求发挥重要作用。为查明该水电站现今地应力环境,掌握地下厂房、引水隧洞等关键位置地应力分布特征,保障其工程安全,文章综合考虑工程区构造地质背景、岩体条件等,通过布设钻孔开展水压致裂法地应力测量工作,获得4个测点(8个孔)的地应力数据;依据现有地质条件,建立有限元三维地质模型;通过测得的应力状态,获得加载条件,进行工程区应力场反演分析。结果表明:二维地应力测试结果显示最大水平主应力为4.17~16.93 MPa,三维地应力测试结果显示最大主应力为14.20~16.23 MPa,最大水平主应力方位为NE 38°~NE 47°,现今构造应力场以北东向为主导;电站地下厂房区域2995 m高程水平面最大主应力σ1应力值为11.70~12.12 MPa,中间主应力σ2应力值为9.81~10.74 MPa,最小主应力σ3应力值为5.22~6.85 MPa;引水隧洞沿线最大主应力值σ1为11.8~14.05 MPa,中间主应力值σ2为10.13~12.83 MPa,最小主应力值σ3为4.56~8.49 MPa;该水电站地下厂房轴线方向和引水隧洞轴线方向与实测最大主应力方向呈小角度相交,地应力场对工程洞室的稳定性有利。后期施工过程中应综合考虑实际地质情况,采用适宜的隧洞施工技术并加强施工监测,从而确保工程安全建设。

封二
自然资源部北京地壳应力应变野外科学观测研究站
2023, 29(3): 453-453.
摘要 (175) PDF (1315KB)(29)
摘要:
封三
地质力学研究所北京十三陵地球观象台
2023, 29(3): 454-454.
摘要 (147) PDF (1219KB)(30)
摘要:
主编致辞
2023, 29(3): 1-2.
摘要 (149) HTML (100) PDF (380KB)(30)
摘要: