地质力学学报  2020, Vol. 26 Issue (4): 583-594
引用本文
张浩, 施刚, 巫虹, 邵磊, 王乾. 上海地区浅部地应力测量及其构造地质意义分析[J]. 地质力学学报, 2020, 26(4): 583-594.
ZHANG Hao, SHI Gang, WU Hong, SHAO Lei, WANG Qian. In-situ stress measurement in the shallow basement of the Shanghai area and its structural geological significance[J]. Journal of Geomechanics, 2020, 26(4): 583-594.
上海地区浅部地应力测量及其构造地质意义分析
张浩1,2, 施刚2, 巫虹2, 邵磊1, 王乾2    
1. 同济大学海洋地质国家重点实验室, 上海 200092;
2. 上海市地矿工程勘察院, 上海 200072
摘要:通过水压致裂法与超声波成像测井法相结合的方法,对上海地区浅部(180 m深度范围)原位地应力进行了测量。测量结果表明:最大水平主应力值在9.54~12.91 MPa之间,最小水平主应力值在5.41~6.96 MPa之间,最大水平主应力方向为北西42°-62°,优势方位为北西,地应力结构为SH > Sh > Sv,可以反映区域构造应力场特征。依据区域内断裂空间分布特征和现今实测地应力结果综合分析认为,北东向断裂易于发生压性或压扭性逆断活动,断裂相对稳定;而北西向断裂易于发生张性或张扭性正断活动,在现今相对较高的应力水平状态下仍值得关注。测量结果可能对于揭示区域构造界线(江山-绍兴断裂)的走向有一定启示。
关键词原位地应力    水压致裂法    超声波成像测井法    断裂活动性    区域构造动力背景    
DOI10.12090/j.issn.1006-6616.2020.26.04.051     文章编号:1006-6616(2020)04-0583-12
In-situ stress measurement in the shallow basement of the Shanghai area and its structural geological significance
ZHANG Hao1,2, SHI Gang2, WU Hong2, SHAO Lei1, WANG Qian2    
1. State Key Laboratory of Marine Geology, Tongji University, Shanghai 200092, China;
2. Shanghai Institute of Geological Engineering Exploration, Shanghai 200072, China
Abstract: By the hydraulic fracturing method and the ultrasonic imaging logging method, in-situ stress measurement was carried out in the shallow basement (180 m depth range) of the Shanghai area. The measurement results show that the maximum horizontal principal stress is between 9.54~12.91 MPa, and the minimum principal stress is between 5.41~6.96 MPa. The maximum horizontal principal stress direction is NW42°-62°, the dominant orientation is NW, and the stress structure is SH > Sh > Sv, which reflects the characteristics of the regional structural stress field. Based on the spatial distribution of the internal fractures in the area and the in-situ stress measurement results, the NE faults are prone to compressive or compression-torsional reverse faulting and the faults are relatively stable, while the NW faults are prone to tensile or tension-torsional positive faulting, which is still worthy of attention under the current relatively high stress level. At the same time, the in-situ stress measurement results may have guiding significance for the study of the structural boundary trend (the Jiangshan-Shaoxing fault) in this area.
Key words: in-situ stress    hydraulic fracturing    ultrasonic imaging logging    fault activity    regional tectonic dynamic background    
0 引言

地应力分析是了解全球动力学过程(全球板块构造和地震活动)的必要条件,地壳浅部和深部发生的构造作用及其伴生的内动力地质灾害(如地震、火山、构造裂缝等)都与地应力密切相关。现今地应力是在多期构造作用和新构造活动的影响下形成的,它影响或者控制着地壳运动和地质过程。揭示区域地应力环境,尤其是关键构造部位(特别是活动断裂)附近的地应力状态,对于深入分析探讨断裂运动学特征和活动强度、区域地壳稳定性评价、地震等内动力地质灾害发生的机理及板块运动的动力学背景等都具有重要的科学意义(Amadei and Stephansson, 1997谢富仁等,2004谭成轩等, 2006, 2019陈群策等,2012秦向辉等,2014丰成君等,2017包林海等,2017Heidbach et al., 2018)。

上海地区极其缺少地应力实测数据,学者们在地应力研究方面的工作也较为有限(刘昌森,1989朱履熹,1990),相关工作亟待进一步深入。原位地应力测量是能够直接获得地应力量值和方向的唯一方法,其结果也是区域地壳稳定性、地球动力学等研究的重要基础数据。此次研究采用水压致裂法与超声波成像测井法相结合的方法,对上海地区浅部原位地应力进行测量,并通过测量结果分析,对区域构造特征及断裂活动性进行探讨,以期为该区域地球动力学研究及地壳稳定性研究提供借鉴。

1 区域地质背景

上海地区位于扬子地块与华夏地块之间的钦杭结合带北东向延伸处。从全球构造的角度,该区域位于太平洋板块与欧亚板块相互作用的影响范围,是受到板块构造运动及板内构造变形影响的地区之一。已有研究表明,上海及其邻近地区属于中强地震活动区,区内南黄海、长江口以东、江苏溧阳、苏浙皖交界等地区由于地震活动频发值得重点关注(林命周,2000)。

上海地区地质构造较为复杂、均为隐伏状态,第四系覆盖层厚度大,使得上海地区基岩地质与构造地质研究难度较大(顾澎涛和王尧舜,1988顾澎涛,2006)。已认定的隐伏断裂多由区域重磁资料推断而来,断裂构造主要有北东、北北东、北西—北北西和近东西(北东东)四组(图 1),以北东向断裂最为发育,但北西向断裂的活动性要强于其他方向(章振铨等,2004)。

图 1 上海地区基岩区域构造地质图及测量钻孔位置示意图 Fig. 1 Tectonic geological background of the bedrock in Shanghai and the location of the borehole

上海境内基岩零星出露,埋深普遍在300 m以下。基岩地层共划分22个“组”以上的岩石地层单位,由下至上有:古元古界、中元古界;震旦系;古生界寒武系、奥陶系、志留系;中生界侏罗系、白垩系以及新生界古近系、新近系。分布面积最广当属上侏罗统火山岩系,包括劳村组、黄尖组和寿昌组,展布面积约占总面积的70%以上(上海市地质矿产局,1988张宏良,1999)。基岩分布特征及此次地应力测量孔位置见图 1

2 地应力钻孔与地应力测量 2.1 地应力钻孔

地应力钻孔有别于其他地质工程钻孔,有自身独特的施工技术要求,地应力钻孔的施工质量对地应力测量结果成功与否至关重要(Ljunggren et al., 2003Haimson and Cornet, 2003秦俊生等, 2016, 2017)。为了获取有效的地应力测量数据,测试深度及地形地貌特征也是需要着重考虑的因素(谭成轩等, 2004, 2007)。文中SDJ-1地应力钻孔位于上海市西南部,地貌类型为湖沼平原,地势平坦;钻孔深度180.17 m,上部为第四系松散沉积物,孔深118.30 m以下为安山岩基底。钻孔采用ϕ150 mm钻具开孔,第四系松散沉积层段下保护管,基岩段钻孔变径为ϕ130 mm,钻过风化及破碎基岩层段后,基岩完整段变径ϕ91 mm钻进至终孔(图 2)。

图 2 地应力钻孔结构图 Fig. 2 Structure diagram of the in-situ stress drilling
2.2 地应力测量方法与原理

采用水压致裂法与超声波成像测井法相结合的方式,对钻孔原位地应力的大小与方位进行测量。水压致裂地应力测量方法是国际岩石力学学会(ISRM)试验方法委员会建议的确定岩体应力的方法之一(Haimson and Cornet, 2003),该方法具有操作简便、无需测量岩体物理性质参数即可确定水平主应力状态的优势,是目前在大陆和海洋科学深钻、活动断裂带地球动力学研究以及重大岩体工程建设中广泛应用的成熟方法(张重远等,2012; 陈群策等,2019)。

水压致裂地应力测量以弹性力学为基本原理,测试基于以下3个假设(Lee and Haimson, 1989Hayashi and Haimson, 1991):①岩石为弹性、完整和各向同性介质;②对岩体而言压裂液体为非渗透(或低渗透);③有一个主应力和钻孔轴向平行。为了保证地应力测量结果真实反映测点的区域应力场状态,实际测量中应当选择原生节理、裂隙不发育的相对完整段实施测量。该方法具体测量步骤可概括为:利用一对可膨胀的封隔器在选定的测量深度封隔一段钻孔即测试段;通过高压泵压入流体对封隔段增压至孔壁周围产生诱发裂缝(图 3a),同时利用计算机数据采集系统记录测试段内流体压力-时间变化曲线(图 3b)。标准水压致裂曲线形态一般表现为:以开始出现明显岩石脆性破裂行为,即破裂压力点Pb清晰的曲线作为第一循环曲线;后续第二至第五循环曲线中,水压裂隙重张和闭合拐点清晰,且重张压力Pr、闭合压力Ps在区组曲线中保持较好一致性(图 3b)。

图 3 水压致裂测量系统及标准曲线形态(Haimson and Cornet, 2003张重远等,2012 Fig. 3 Hydraulic fracturing measurement system and the form of the standard curve (after Haimson and Cornet, 2003; Zhang, et al., 2012)

基于压力-时间曲线获得各压裂特征参数(破裂压力Pb、重张压力Pr和闭合压力Ps),利用公式(1)、(2)、(3)可计算得到最大水平主应力值SH、最小水平主应力值Sh和垂向主应力SV(Haimson,1980Lee and Haimson, 1989Hayashi and Haimson, 1991Ljunggren et al., 2003):

$ {S_{\rm{H}}} = 3{P_{\rm{ }s}} - {P_{\rm{ }r}} - {P_0} $ (1)
$ {S_{\rm{h}}} = {P_{\rm{ }s}} $ (2)
$ {S_{\rm{v}}} = rH $ (3)

公式中:Pr为重张压力,MPa;Ps为闭合压力,MPa;P0为孔隙水压力,MPa;r为岩石容重,kN/m3H为测量深度,m;SH为最大水平主应力,MPa;Sh为最小水平主应力,MPa;SV为根据上覆岩石埋深计算的垂向主应力,MPa。

为了确定最大水平主应力的方位,采用超声波成像测井的方法代替传统印模法进行测量。钻孔超声波成像具有高解像度、高精度、在浑浊井液中也能得到清晰图像的特点。工作基本原理为:通过浸在油液中的压电共振器产生超声波脉冲(0.5~1.5 MHz),超声波脉冲传过油液、声室室壁、钻孔液,由孔壁反射回来,反射能量被传感器接收,并记录下返回脉冲的幅值和传输经过的时间。返回脉冲的幅值是孔壁声学反射能力的函数,能够反映孔壁岩石的完整程度,对岩层裂隙显示明显。通过对测试段水压致裂实施前后2次超声波成像测井的图像对比,能够直观地观察到诱发纵裂隙的空间展布,获得诱发裂隙的方位用以确定水平主应力的方向。

3 地应力测量结果分析 3.1 地应力测量值

此次研究共在钻孔中完成了7个测段的水压致裂原位地应力测量,测试参数记录曲线见图 4,压力-时间曲线形态较为标准,裂缝重张、闭合所对应的压力点清晰明确。

图 4 SDJ-1钻孔测试参数记录曲线 Fig. 4 Curves of the test parameter records in the borehole SDJ-1

对钻孔地应力测试段深度范围内主应力值随深度变化的关系进行了线性拟合,结果见图 5

图 5 SDJ-1钻孔主应力随深度变化曲线 Fig. 5 Variation curves of principal stress with depth in the borehole SDJ-1

最大主应力与深度的线性相关系数为0.85,最小主应力与深度的线性相关系数为0.83,主应力随深度变化趋势明显,总体呈随深度线性增加的趋势。线性回归方程如下:

$ {S_{\rm{H}}} = 0.086H - 2.52, {\kern 1pt} \;R = 0.85 $ (4)
$ {S_{\rm{h}}} = 0.038H - 0.04, {\kern 1pt} \;R = 0.83 $ (5)

公式中:H为深度,m。

3.2 主应力方位特征

研究采用超声波成像测井确定主应力的方位特征。在水压致裂实验实施前,先采用超声波成像测井手段对钻孔原生断裂进行统计,原生结构面倾向与走向统计结果见图 6

图 6 SDJ-1钻孔原生结构面玫瑰图 Fig. 6 Rose diagram of the original structural surface in the borehole SDJ-1

SDJ-1钻孔超声波成像测井所揭露的原生结构面中,缓倾角(0°—20°)所占比例为0,较缓倾角(20°—45°)所占比例为13.64%,陡倾角(45°—70°)所占比例为43.18%,极陡倾角(70°—90°)所占比例为43.18(表 1)。测量段深度范围内,主要以陡倾角和极陡倾角均匀分布为主。陡倾角的形成显然是地质历史时期构造应力挤压和剪切作用引起的,这也反映了浅部基岩区存在明显的构造应力作用。

表 1 SDJ-1钻孔结构面倾角类型统计 Table 1 Types of structure surface dip angles in the borehole SDJ-1

压裂实验完成后进行第二次超声波成像测井,对比前后两次的测井结果,获得了5段有效的诱发裂隙方向,诱发裂隙测井成像对比结果示意见图 7。统计结果表明,最大水平主应力方向主要为北西42°—北西62°,优势方位为北西方向。

图 7 SDJ-1钻孔诱发裂隙成像对比图 Fig. 7 Comparison chart of induced fracture imaging in the borehole SDJ-1
3.3 测量结果

SDJ-1钻孔地应力测量压裂参数和主应力值计算结果见表 2。测试结果显示,在SDJ-1钻孔测试深度范围内,最大水平主应力值(SH)在9.54~12.91 MPa之间,最小水平主应力值(Sh)在5.41~6.96 MPa之间。应力状态以水平应力为主导,最大与最小水平主应力之比为1.76~1.85,且一致性较高,表明钻孔附近应力状态主要受构造应力场作用控制,测量结果能够较好地反应区域浅部现今地应力状态。钻孔基岩段上覆第四系沉积物取平均密度1.84 g/cm3,钻探揭露安山岩平均密度2.65 g/cm3,估算垂向主应力(SV)为2.85~3.72 MPa,应力结构表现为SHShSV,表明上海地区浅部现今处于水平构造作用为主的应力环境。另外,根据安德森理论模型(Anderson, 1951)揭示的断裂性质与地应力状态之间的关系,该应力结构有利于逆断层活动。

表 2 SDJ-1钻孔地应力测量结果 Table 2 In-situ stress measurement results of the borehole SDJ-1
4 地应力在区域断裂活动性与区域构造动力背景分析中的作用和启示 4.1 区域断裂活动性分析

SDJ-1钻孔测得最大水平主应力(SH)值在9.54~12.91 MPa之间,最小水平主应力(Sh)值在5.41~6.96 MPa之间。与中国的平均应力环境相比,应力水平较高。Yan等(2014)通过对中国浅部地壳原位应力测量数据的定量分析,提出中国大陆水平构造应力的估算值可以通过以下等式估算:

$ 4.738{\rm{ < }}{S_{\rm{H}}}{\rm{ < }}0.0139H{\rm{ \times }}{10^{ - 3}} + 4.738 $ (6)
$ 1.829{\rm{ < }}{S_{\rm{h}}}{\rm{ < }}0.0162H{\rm{ \times }}{10^{ - 3}} + 1.829 $ (7)

公式中:H是深度,m;SHSh在地表分别取4.7 MPa和1.8 MPa。

测量深度为143.6~176.3 m,通过公式(6)、(7)分别计算得出,SH应当在4.738 MPa和4.740 MPa之间,Sh应该在1.829 MPa和1.831 MPa之间,实测结果(表 2)远大于估计值。已有研究表明现今地应力状态受到区域地形地貌、构造特征、地壳结构等因素的影响(Liu and Zoback, 1992)。此次原位实测应力数据偏高可能是由于区域构造等因素引起的。测量井位靠近张堰-金山卫断裂,该断裂被认为是上海地区最活跃的断裂之一,裂缝的持续活动可能是此次测量结果显示高应力状态的原因。

根据库仑准则,如果断层表面的剪切应力大于或等于滑动摩擦阻力,则断层会滑动。许多学者研究了滑动摩擦与主应力差之间的相互关系(Sibson,1974Byerlee,1978Yin and Ranalli, 1992)。臧绍先等(2002)根据拜尔里定律得出在安德森断层系统下三种断裂的滑动摩擦临界主应力差估算公式,由于上海地区断裂基本为正断层形式,因此可采用正断层滑动摩擦临界主应力差估算公式对断裂活动性进行判定:

$ \left({{\sigma _1} - {\sigma _3}} \right) = \left\{ {\begin{array}{*{20}{c}} {21.2H{\rm{ \times }}{{10}^{ - 3}},{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} \left({H{\rm{ \times }}{{10}^{ - 3}}{\rm{ < }}21.1} \right)}\\ {18.3H{\rm{ \times }}{{10}^{ - 3}} + 56.6, {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} \left({18.6{\rm{ < }}H{\rm{ \times }}{{10}^{ - 3}}{\rm{ < }}156.0} \right)} \end{array}} \right. $ (8)

公式中:H为深度,m;σ1为最大主应力,MPa;σ3为最小水平主应力,MPa。

区域内正断层滑动摩擦的临界主应力差为3.376 MPa,当水平主应力差值大于该临界值则断裂可能处于不稳定的状态。实测应力结构为SHSh>Sv,根据安德森理论断层模型(Anderson,1951),可以通过以下公式计算主应力差:

$ \left({{\sigma _1} - {\sigma _3}} \right) = {S_{\rm{H}}} - {S_{\rm{V}}} $ (9)

上式中SH为最大水平主应力(9.54~12.91 MPa),Sv为垂向主应力(2.85~3.72 MPa),主应力差为6.69~9.19 MPa,超过了滑动摩擦的临界主应力差(3.165 MPa)。虽然目前实测主应力差值远大于断裂活动所需的滑动摩擦临界主应力差,但仍旧不能对断裂活动性作出确切的结论,这是由于单一测点应力状态可能存在着局限性,此外考虑到应力估算的误差、断裂活动的复杂性及经验公式的通用性等,仅可认定目前区域内存在应力状态较高的事实。

依据区域内断裂空间分布特征和现今实测地应力结果综合分析认为,北东向断裂易于发生压性或压扭性逆断活动,断裂相对稳定;而北西向断裂易于发生张性或张扭性正断活动,在现今相对较高的应力水平状态下仍值得关注。

4.2 区域构造动力背景分析

大尺度的应力场变化与板块运动直接相关,且板块内部的最大主压应力方向多数与由全球板块运动模型推断的板块绝对运动速度方向一致(Zoback,1992)。但是通过对中国南部和东南亚地区的应力场研究,许忠淮(2001)认为东亚地区地应力场与区域本身所处的欧亚板块的整体运动关系不大,而是主要受到了周边特定板块边界的作用。中国及邻近区域地应力状态,可以归结为印度洋板块、太平洋板块、菲律宾海板块与欧亚板块之间相对运动,以及大陆板内区域块体之间相互作用的结果(徐纪人等,2008)。在周围构造作用的控制下,中国及其邻近地区的应力场具有明显的分区特征,表现为不同区域的不同应力方向、应力状态和应力强度(谢富仁,2015)。中国东部及邻近地区,现代构造应力场的主体特征表现为近东西向挤压(谢富仁,2003),动力来源主要是太平洋板块向欧亚大陆俯冲挤压作用;与此同时,菲律宾海板块北西向俯冲欧亚大陆产生的侧向挤压作用对中国东部沿海地区应力场也产生一定的影响;另外印度-欧亚板块碰撞的远端效益也对中国东部的地应力场产生一定的影响,以致中国东部大陆现代构造应力场的主体特征表现为北东东向的挤压,与相邻板块俯冲的方向大体一致,因此太平洋板块俯冲以及东部菲律宾海板块的推动,可以看作是中国东部区域地应力场驱动与控制因素(汪素云和许忠淮,1985许忠淮等, 1989, 1999谢富仁等,2004徐纪人等,2008徐杰等,2012曹海波和范桃园,2016Hu et al., 2017李三忠等,2019)。

此次测量结果揭示的区域最大主应力优势方向为北西42°—北西62°,与太平洋板块和菲律宾海板块向北西西、北西向俯冲推挤方向一致,特别是菲律宾海板块对欧亚板块的俯冲推挤,应当是该次所测得地应力特征的区域动力学来源。在分析区域地应力场环境时,由于上海及其邻近地区实测地应力数据较为有限,已有地应力数据多为依据地震监测数据进行的震源机制解计算得出,故认定该区最大水平主应力方向为近东西向或北东东向(图 8),与此次测量结果显示的北西向存在差异。其原因可能是由于上海地区所处的特殊大地构造位置造成的。上海市所在区域的大地构造属性一直存在争议,主要原因在于不明确江绍断裂进入杭州湾之后的位置。此次测点位于上海市的西南区域,靠近区域构造界线(江绍断裂)北东向延伸区域,测量结果出现与东南沿海-台湾应力区更为相似的北西向最大水平主应力方向,而与该区目前被划分隶属的豫皖-苏北应力区最大水平主应力近东西向不同(图 9)。根据《中国及邻区现代构造应力场图》(谢富仁,2015),在东部沿海区域存在明显的最大水平主应力迹线转向现象,转折带以西表现为近东西、北东东—南西西向,转折带以东表现为北西—南东、北西西—南东东向,转折带可能代表着板块界线或板块相互作用带,可能就是该区域发育的钦杭结合带(江绍断裂)的位置。虽然单一测点应力结果不能够全面代表区域地应力状态,但此次地应力原位实测结果可能证实了这一现代主压应力方向的“转折与过渡”,对研究区所处大地构造背景具有重要的启发和意义。

图 8 华南现代构造应力场图(中国地震局, 2018 Fig. 8 Compressive stress map in Southeast China (China Earthquake Administration, 2018)

图 9 区域构造应力场环境分析图(据谢富仁,2015修改) Fig. 9 Environmental analysis diagram of the regional tectonic stress field (modified after Xie, 2015)
5 结论

通过水压致裂法与超声波成像测井法,获取了上海地区浅部原位地应力的大小与方向,依据实测数据对断裂活动性及区域构造地质特征进行了分析,主要结论如下:

(1) 最大水平主应力值在9.54~12.91 MPa之间,最小水平主应力值在5.41~6.96 MPa之间,最大水平主应力方向为N42°E—N62°E,优势方位为北西向。

(2) 区域浅部原地应力结构为SHShSV,应力具有随深度线性增加的趋势,水平主应力比随深度变化具有良好的一致性,所测结果可以反映区域构造应力场特征。

(3) 依据区域内断裂空间分布特征和现今实测地应力结果,综合分析认为北东向断裂易于发生压性或压扭性逆断活动,断裂相对稳定,而北西向断裂易于发生张性或张扭性正断活动,在现今相对较高的应力水平状态下仍值得关注。

(4) 板块相对运动是区域构造应力场的动力源与主要控制因素,同时区域地质构造对地应力状态也有一定的影响,其浅部地应力状态的主控因素可能主要为菲律宾海板块与欧亚板块的相对运动,由于测点所在特殊地质构造位置,测量结果可能对于揭示区域构造界线(江绍断裂)的走向有一定的启示。

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