中国大陆浅层地壳实测地应力分布规律研究

第26卷第10期岩石力学与工程学报Vol.26No.102007年10月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringOct.，2007收稿日期：2007–04–28；修回日期：2007–07–12基金项目：国家重点基础研究发展规划(973)项目(2002CB412708)；国家自然科学基金资助项目(50579071)；中国科学院优秀博士论文科研启动基金资助项目作者简介：景锋(1974–)，男，1997年毕业于武汉理工大学资源与环境工程学院，现为博士研究生，主要从事岩石力学及工程安全监测和地应力测试等方面的研究工作。E-mail：[e-mail]中国大陆浅层地壳实测地应力分布规律研究景锋1，2，盛谦1，张勇慧1，罗超文1，刘元坤2(1.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室，湖北武汉430071；2.长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，湖北武汉430010)摘要：通过收集中国大陆地区450多个钻孔的地应力实测资料，筛选出受局部因素影响小的450组数据，建立我国垂直应力、最大和最小水平主应力随埋深的分布变化图，研究其变化趋势，并与全球的回归结果进行对比；建立我国最大水平主应力与最小水平主应力之比随埋深的散点分布图，分析水平应力的差异性以及其沿埋深的变化规律；鉴于最大和最小水平主应力的差异大，尤其是在浅部，用最大水平主应力与垂直应力之比更能反映水平构造应力的作用，改进Hoek和Brown用平均水平应力与垂直应力之比进行统计分析的方法和形式，建立我国最大水平主应力与垂直应力之比、最小水平主应力与垂直应力之比随埋深的散点分布图，并进行相应的回归分析。上述统计分析系统总结我国大陆地区地应力场的分布规律，部分统计形式为新的尝试，可为中国地应力场的宏观分布特征研究及相关行业的工程建设提供参考。关键词：岩石力学；中国大陆；地应力；分布规律；回归分析中图分类号：TU45；P642文献标识码：A文章编号：1000–6915(2007)10–2056–07RESEARCHONDISTRIBUTIONRULEOFSHALLOWCRUSTALGEOSTRESSINCHINAMAINLANDJINGFeng1，2，SHENGQian1，ZHANGYonghui1，LUOChaowen1，LIUYuankun2(1.StateKeyLaboratoryofGeomechanicsandGeotechnicalEngineering，InstituteofRockandSoilMechanics，ChineseAcademyofSciences，Wuhan，Hubei430071，China；2.KeyLaboratoryofGeotechnicalMechanicsandEngineeringofMinistryofWaterResources，YangtzeRiverScientificResearchInstitute，Wuhan，Hubei430010，China)Abstract：Throughcollectingthemeasuredgeostressdatafromabout400drillingsuptonowinChinamainland，450groupsofdatawithlesslocalinfluenceareselected.Thetrendoftheverticalstress，themaximumandtheminimumhorizontalprincipalstresseswithdepthareestablished；andtheresultsarecomparedwiththeworld-widecorrespondingregressionanalysisresults.ThedispersedpointchartsofratiosofthemaximumandtheminimumhorizontalprincipalstressesvaryingwithdepthinChinaareestablished；andthechangerulesoftheratioswiththedeptharestudied.Asthedifferencebetweenthemaximumandtheminimumhorizontalprincipalstressesisgreat，especiallyinshallowpositions，theratiosofthemaximumhorizontalstressestotheverticalstressesreflectthehorizontaltectonicstressbetterthantheaveragehorizontalstress.ThegeostressstatisticanalysismethodofHoekandBrown，whichusestheratiooftheaveragehorizontalstresstotheverticalstresstostudythechangerulesofgeostresswithdepth，isimproved.ThedispersedpointchartsoftheratioofthemaximumhorizontalstresstotheverticalstressandtheratiooftheminimumhorizontalstresstotheverticalstresswithdepthinChinaareestablished；andthecorrespondingregressionanalysisisalsodone.ThedistributionrulesofgeostressinChinamainlandissystematicallysummarized；somestatisticformsareusedfirstly；andtheresearchresultscanprovidereferencestothestudyofmacroscopicdistributioncharacteristicsofgeostressinChina第26卷第10期景锋，等.中国大陆浅层地壳实测地应力分布规律研究•2057•mainlandandforengineeringconstructionsofrelatedindustries.Keywords：rockmechanics；Chinamainland；geostress；distributionrule；regressionanalysis1引言早期由于实测地应力资料少，对地应力的认识不全面，许多学者曾提出一些与一般情况不符的假设，如瑞典地质学家Heim(1905～1912)的静水压力假设和金尼克(1926)的侧压系数假设。自1958年瑞典Hast实测发现水平应力显著大于垂直主应力后，随后几十年全球大量地应力实测结果证实了该情况[1]。W.R.McCutchen等[2，3]也通过理论分析证明了地壳浅层水平应力大于垂直应力。此后人们越来越认识到地应力是地壳稳定性评价、工程合理设计和建设的基本依据，尤其是对于深埋的大型岩石工程。目前，地壳浅层的地应力分布特征已成许多学者和工程界所关注的主要问题之一[4]。地壳浅层受板块运动、地形地貌、地质构造和岩体蠕变等影响，地应力场分布规律复杂，又因其是一个年轻的地球物理学分支，建立一种可反映上述全部因素的模型相当困难。但由于地应力场是一个相对稳定的非稳定场，一定区域内地应力分布规律大体一致。因此，利用统计手段来研究地应力场的分布特性是可行的，许多学者已做了大量的工作。Hast最早发现了Fennoscandian板块水平应力随埋深呈线性关系变化的特点，并进行了回归。Haimson根据水压致裂法测试资料建立了美国的平均水平应力和垂直应力分别随埋深的线性回归关系。G.Worotniki和D.Denham[5]也建立了澳大利亚的平均水平应力和垂直应力随埋深的线性回归关系。E.T.Brown和E.Hoek[6]统计了全球实测垂直应力、水平平均主应力与垂直应力之比随埋深的分布规律，该成果目前仍被在被广泛引用，其回归关系式为3.0100+H≤vhH2σσσ+≤5.05001+H(H027.0v=σ)(1)式中：vσ为垂直应力；Hσ，hσ分别为最大和最小水平主应力；H为埋深。朱焕春和陶振宇[7]根据全球实测地应力资料，研究了全球的Hσ，hσ与vσ与埋深的分布规律，并分析了不同岩性间的差别。T.R.Stacey和J.Wesseloo[8]统计了南非埋深3000m内的vH/σσ，vh/σσ随埋深的分布规律，并发现hH/σσ高达4倍。K.Fuchs和B.Müller[9]研究了世界地应力分布规律。目前我国已积累了大量的实测地应力资料，地壳应力所也已建立了相应的数据库，许多学者也做了大量研究。白世伟等[10～13]研究了我国局部地区的地应力分布规律及岩性对地应力的影响。谢富仁等[14]研究了我国现代构造应力场基本特性与分区。但关于我国实测地应力随埋深的分布规律，除赵德安等[15，16]做过较系统统计外，其他公开的研究成果还不多，因此还需更进一步的研究。虽然Hoek和Brown的统计结果和形式具有一定指导意义，但由于地应力分布具有一定区域性，且最大和最小水平主应力差异性明显，其用水平平均应力与垂直应力之比来研究地应力分布规律在应用上有一定局限性，若能用最大水平主应力与垂直应力之比则更能反映水平构造应力。因此，正值我国岩石工程建设的高峰时期，研究我国的地应力分布规律，并建立相应的数学描述，对深化对地应力的认识，以及对地质、水利水电、采矿和建筑等行业的规划布局、设计建设和发展都具有重要的意义。本文收集了国内大量的已有地应力实测资料，主要研究了我国垂直应力、最大和最小水平主应力随埋深的变化规律；分析了最大和最小水平主应力差异性随埋深的变化规律；建立了我国最大和最小水平主应力分别与垂直应力之比随埋深分布的散点图，并做了相应的回归分析，与已有的研究成果进行了对比，得出了一些有益的结论。2地应力实测资料的收集2.1地应力测量方法自全球首次于1932年在胡佛水坝的隧道里进行了地应力测量，尤其是1950年Hast发现水平应力几倍于垂直应力以来，地应力的测量方法和技术得到了迅速发展，目前世界上已有上百种的测量技术。现常用的有应力解除法、应力恢复法、水压致裂法、钻孔崩落法、震源机制分析法、地质资料分析法、岩石强度估计法，以及其他如AE法、原子磁性共振法、放射性同位素法等[17，18]。从目前的测量技术和水平看，水压致裂法、钻•2058•岩石力学与工程学报2007年孔应力解除法和AE法等可测岩石的三维地应力。水压致裂法三孔交汇或原生裂隙重张试验进行三维地应力测量在工程中已得到了大量应用，但测量深度都不易过大，其中三孔交汇一般需在平洞中进行，且具有一定的误差[19～21]。套芯解除法目前最大的国内测深是长江科学院在广东创下的510m记录。现葛修润院士正在研制深钻孔局部壁面应力全解除法三维地应力测量技术[22]。AE法虽可获得深部岩体的三维地应力，但仅能测得岩石历史上的最大应力，且深钻孔岩芯定位也是一难题。对于深部地应力测量，钻孔崩落法可准确测定岩体的主应力方位，但应力计算具有一定误差。震源机制分析法目前仅能获得深部岩体的相对应力大小以及主应力方位[23]。而水压致裂法是一种最有效的手段，可同时获得最大和最小水平主应力以及方位。大量研究表明多数情况下两个水平主应力便是两个的主应力。目前德国大陆科学深钻研究现已取得了9000m深的测试记录[24]。2.2地应力资料的收集和筛选本文地应力资料主要来公开发行的书籍，如陈彭年等[16]的《世界地应力实测资料汇编》，以及各种文章，由于参考量大，仅列了部分研究成果[25～35]。本次共收集了400多个钻孔的实测数据，测区具有广泛的代表性，