STUDY ON SHEAR CREEP BEHAVIOR OF MUDSTONE AND ITS CORRECTION MODEL OF GANGU FISSURE IN GANSU
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摘要: 岩石在长期荷载作用下表现出典型的蠕变特性，裂隙泥岩在长期荷载作用下的力学性质不同于完整岩石。对甘肃甘谷赵家窑滑坡钻孔取芯的裂隙泥岩开展剪切蠕变试验，探讨轴向压应力、预制裂隙长度等因素对试样剪切蠕变特征的影响。试验结果表明：轴向荷载和裂隙长度对试样剪切蠕变特征有明显的影响。轴向压应力越大，试样剪切蠕变变形越不明显；裂隙越长，试样剪切蠕变变形越显著。应力较低时，如Cvisc模型等蠕变模型能够较好反映泥岩的蠕变力学特性。而在加速蠕变阶段，大多数模型却不能准确体现泥岩蠕变曲线的非线性变化。改进的西原模型克服了传统模型不能对非线性蠕变特征进行描述的缺点，且模型参数较少，能较好地适用工程软弱岩体。不同载荷作用下泥质软岩试样剪切蠕变过程中，裂隙泥岩剪切破坏带形成表现为渐进与突发相结合。泥岩的剪切蠕变力学模型可解释泥岩滑坡的多种现象，边坡潜在滑移带内泥质软岩发生的剪切蠕变则是泥岩滑坡的内在诱因。Abstract: Rock shows typical creep property under long-term load, and the mechanical property of fractured mudstone are different from that of intact rock under long-term load. The shear creep test was carried out on the fractured mudstone from the drilled core at Gangu Zhaojiayao landslide in Gansu province, with investigation on the influence of axial compressive stress and the length of prefabricated cracks on the shear creep characteristics of samples. The experimental results show that axial load and crack length have obvious influence on the shear creep characteristics of the samples. The larger the axial compressive stress is, the less the shear creep deformation is. The longer the crack is, the more obvious the shear creep deformation is. When the stress is low, the creep model such as Cvisc model can better reflect the creep mechanical properties of the mudstone; however, in the accelerated creep stage, most of the models can not accurately reflect the nonlinear change of creep curves of the mudstone. The improved Nishihara (K-B) model with less model parameters overcomes the shortcoming that the traditional model cannot describe the nonlinear creep curves, and it can be better applied to engineering soft rock. In the process of shear creep of argillaceous soft rock samples under different loads, the formation of shear failure zone of fractured mudstone is characterized by the combination of gradual and sudden failure. The shear creep mechanical model of mudstone can explain many phenomena of mudstone landslide. The shear creep of the argillaceous soft rock in the potential slip zone of the slope is the intrinsic cause of the landslide.
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Key words:
- fractured mudstone /
- shear creep /
- creep model /
- landslide
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人工地震勘探是探测深部构造的常用方法, 但这种方法只能探测到两盘具有不同阻抗值的断层。而通过监测断层活动产生的微地震, 不但可以了解断层的空间位置, 还能够查明断层的活动规律。近年来在油田开发中广泛应用的微地震监测技术, 就是借助天然地震学方法和思路来监测微地震的空间和时间分布规律, 找出微地震与深部构造活动的关系, 并据此推断构造的活动情况。
当应力增大或屈服强度降低时, 构造薄弱面上一些局部部位会首先因材料失稳而产生裂缝及其微弱活动。水的注入等因素可以导致断层本身屈服强度降低。在裂缝活动过程中, 部分能量通过地震弹性波的方式释放, 并在之后达到新的平衡。当失稳范围和规模从小到大, 就可能发生地质灾害或较大的地震。利用观测到的裂缝微地震活动发出的高频波动信号可以获得发生破裂的位置和特征[1]。长期地震观测显示, 很多地震是由断裂活动引发的[2]。所以通过对微地震活动的监测, 可以得到断裂活动的有关信息。本文就是通过对微地震活动的分析来获得断裂活动信息的。
与人工地震勘探方法相比, 天然地震监测中的震源位置、发震时刻和震源强度都是未知的。与油田常用的微地震监测技术相比, 本文讨论的微地震主要是由布设在地表的地震台网来记录的, 而非像油田常用微震监测那样将探头置于井下[3~4]。
1. 技术方法
微地震监测研究主要包括两部分:①通过层析成像反演得到地下深部的波速结构; ②探知微地震发生的位置及性质。两者是相辅相成的。因为只有在可靠的深部波速结构的基础之上, 才能得到可靠的地震发生位置及性质。反之亦然。
地震层析成像是一种利用地震波对地球内部三维结构进行成像以发现地下波速异常的方法。自从30多年前Aki等[5]首次把天然地震层析成像技术应用于研究三维地球结构之后, 该技术在大尺度的地球深部结构研究中得到了广泛的应用。天然地震层析成像技术在矿产资源勘探领域的应用是近些年才兴起的。
按照地震波射线传播理论, 地震波沿着波的传播路径到达地震台站所需要的时间可以表示为对波的传播路径上的走时积分。为了计算上的简便, 通常需要把研究区划分为离散的网格, 并假设每个网格内的波速是均匀的。这样台站到震源的走时积分就可以简化为走时叠加。对于很多的震源和台站, 可以建立很多路径的走时叠加方程。而地震层析成像的目的正是要通过这些方程组中已知的其中两个量求第三个量。比如已知地震波走时和地震震源位置求速度分布, 或已知地震波走时和速度分布求地震震源位置。所以反演震源位置和波速结构这两个过程是相辅相成的, 实际上就是一个迭代反演解大型方程组的问题。
微地震层析成像[6~7]是利用密集地震台阵来监测岩层中微地震活动所产生的地震波, 然后运用地震学方法来反演微地震的活动特征和研究区三维横波、纵波波速分布的一种勘探方法。它主要利用被动震源, 也可以利用人工地震, 并适用于各种复杂的地区和环境。
本文所用的地震检波器的主要监测频率介于5~100Hz之间, 而油田监测的地震信号频率通常高达200~2000Hz。
2. 地震观测数据
本文研究区(见图 1)是柴达木盆地西部狮子沟油田100km2的范围, 在该区布设的16个台站自2004年10月开始记录了大量连续的高质量的地震资料。地震波形实例见图 2, 地震台站位置见图 3。本文分析处理了2004年10月到2005年12月间共14个月的数据, 最终得到了研究区内952个微地震数据。
图 2 狮子沟8个台站(IG01-IG08)记录到同一微地震的地震波及其震相提取示意图Figure 2. Seismograms for one micro-earthquake recorded by 8 seismic stations (IG01-IG08) at Shizigou and illustration of seismic phase picking.
图 3 研究区内微地震分布灰色影像表示高程(单位:m)。圆圈表示震中; 三角表示地震台站; 标注为在数据处理过程中, 首先从连续地震记录中挑出研究区内信噪比高的地震事件波形, 然后对挑出的事件进行P波和S波震相到时拾取。图 2显示了8个地震台站记录到的同一个微地震的地震波, 数据信噪比高且震相到时清楚。图中标识为虚竖线的位置为首先到达的纵波P波震相, 标识为点竖线的位置为后到达的横波S波震相。
3. 结果及解释
研究区西南部分为地势平坦的盆地, 东北部地区海拔较高, 中部地形变化较大(图 3)。西南部存在一个走向近北西的明显的盆山边界, 被认为是花土沟断裂的地表出露位置(图 3中虚线标识其大概位置)。
图 3显示了14个月时间内记录到的大于-2级地震的二维分布。震中分布的一个明显特点是, 地震主要集中在研究区中部海拔变化较大(由海拔3100m迅速增加到3300m或更高)、地形复杂的部位。另外, 研究区西北角的地震也较多, 这里正是花土沟断裂和一条北东东走向大沟的交会区。由于盆山交界区域附近没有地震台站, 在该区域观测到的地震数量较少。多数地震呈带状集中在花土沟断裂带北东侧, 并且主体走向与花土沟断裂平行(图 3)。由于微地震通常沿着断层分布, 因此推断花土沟断裂为北东倾向。
根据对较大地震(震级大于1级)的统计, 一般地, 一个地区一段时间内地震发生频次(N)的对数与地震震级(M)成近似线性关系(即log (N) =a-bM, 其中a和b为常数, b在地震学中称为b值)[8], 反映了该地区在一定时间段内的应力场特征。某个时期斜率常数b值发生的变化, 意味着区域应力场等性质发生变化, 因此, b值常常被用于地震预报中[9]。
图 4为观测到的微地震发生频次与地震震级关系分布图。本文-0.25到2级的微地震也表现出地震频次对数随震级增大而减小的线性关系, 但小于-0.25级的地震表现为频次随地震震级减小而减小的关系(图 4)。这说明, 现有设备可以记录所有震级大于-0.25的地震。但是, 可能由于设备及其部署等原因, 记录到的更小地震事件有所遗漏, 并随震级减小而遗漏增多。
图 4 地震频次与震级关系图图中直线是对大于-0.25级地震进行的地震频次的对数与震级M关系的线性拟合Figure 4. Relation between occurrence frequency and magnitude of micro-earthquakes均匀应力场下统计的b值通常小于1, 但构造应力场非常不均匀时可以产生很多地震群, 这时b值可以高达2.5[8]。研究显示[10~11], 钻孔注入流体或其他原因导致的孔隙压力变化同样可以触发局部微震。图 4数据显示的b值约为1.35, 略大于均匀应力场下的b值(< 1.0)。因此总体看来, 研究区应力场分布可能是均匀的。但是, 油田开采或钻孔注水等改变了孔隙压力, 从而触发了一些微震, 最终可能导致b值偏高。
油田生产或注水可以导致孔隙压力变化, 从而可能触发微震。如图 3左上角钻孔密度较大的地区(即钻孔SZ10, S11和S1等附近)的地震比周围偏多; 中部的S29和S28等钻孔较多的地区地震事件相对也较多。但是, 其他一些钻孔密集区域的地震事件并未明显增加。
图 5为穿过研究区的一条北东向垂直剖面(剖面位置见图 3中黑实线)。由于盆山交界(花土沟断裂出露位置)附近没有布设地震台站, 所以该区基本没有检测到地震。另外, 图 5中的地震分布相对离散。虽然利用相对定位方法(如近年常用的双差分方法[12])可以使定位后的地震分布相对集中, 但由于没有证据表明微地震事件之间具有关联性, 因此这里没有采用。
图 5显示, 地震多集中在2km深度左右, 而且总体(图 5中虚线标出的范围)具有北东倾向。按照图中地震总体分布向左上方延伸, 就可以与花土沟断裂出露位置基本重合。考虑到图 3中地震带主体走向与花土沟断裂平行, 因此可以认为剖面显示的地震主要与以花土沟断裂为主的断裂带有关。
4. 结论
本文通过对柴达木盆地西部狮子沟地区密集高频地震台网一年多的微地震观测数据的分析, 检测到大量微地震, 可能与花土沟断裂的深部地震活动有关。该微地震活动带为北西走向, 北东倾向, 与前期地震观测结果[13]相吻合。
地震事件发生频次和震级之间关系的分析显示, 现有设备在现有布置格局下可以监测到研究区内所有震级大于-0.25的地震事件。因此, 虽然地震震级与频次对数的线性关系是在研究较大震级地震的过程中得到的, 但本文证实它同样适用于震级大于-0.25的微震。本区微震分布的b值约为1.35, 略大于均匀应力场下b值的范围。这可能与油田开采和钻孔注水等改变了孔隙压力而触发了一些微震有关。
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图 5 不同正应力下无裂隙试样剪切蠕变位移-时间分阶段曲线
Figure 5. Displacement-time curves of shear creep under different normal stresses of non-crack samples
图 6 预制10 mm裂隙试样在不同正应力下剪切蠕变位移-时间曲线
Figure 6. Displacement-time curves of shear creep under different normal stresses of prefabricated 10 mm crack samples
图 7 预制15 mm裂隙试样在不同正应力下剪切蠕变位移-时间曲线
Figure 7. Displacement-time curves of shear creep under different normal stresses of prefabricated 15 mm crack samples
图 8 预制裂隙10 mm在不同正应力作用下剪切蠕变速率—时间曲线
Figure 8. Rate-time curves of shear creep under different normal stresses of prefabricated 10 mm crack samples
图 9 预制裂隙15 mm在不同正应力作用下剪切蠕变速率—时间曲线
Figure 9. Rate-time curves of shear creep under different normal stresses of prefabricated 15 mm crack samples
图 10 蠕变体的示意图及应变-时间曲线
Figure 10. Schematic diagram and axial strain-time curve of a creep mass
图 12 改进西原模型计算值与试验结果值的对比
Figure 12. Comparison between the modified Nishihara model and the experiment
表 1 泥质软岩试样
Table 1. Parameters of pelitic soft rock sample
编号 裂隙长度a/mm 水平初始荷载τ/MPa 每级水平荷载增加τ/MPa 轴向荷载N/kN 轴向正应力σ/MPa W1-3 0 0.56 0.56 1 0.28 W4-6 0 0.56 0.56 2 0.56 W7-9 0 0.56 0.56 3 0.83 L1-3 10 0.56 0.56 1 0.28 L4-6 10 0.56 0.56 2 0.56 L7-9 10 0.56 0.56 3 0.83 L10-12 15 0.56 0.56 1 0.28 L13-15 15 0.56 0.56 2 0.56 L16-18 15 0.56 0.56 3 0.83 
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