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.pdf
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1、引用格式:张斌,孙尧,马秀敏,等,2023.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 J.地质力学学报,29(3):388401.DOI:10.12090/j.issn.1006-6616.20232908Citation:ZHANGB,SUNY,MAXM,etal.,2023.Analysisofin-situstressfieldcharacteristicsandtectonicstabilityintheMotuokeyareaoftheeasternHimalayansyntaxisJ.JournalofGeomechanics,29(3):388401.DOI:10.12
2、090/j.issn.1006-6616.20232908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1,2,3,孙尧1,2,3,马秀敏1,2,3,4,彭华1,2,3,姜景捷1,2,3,毛佳睿1,2,3,张文汇1,5,翟玉栋1ZHANGBin1,2,3,SUNYao1,2,3,MAXiumin1,2,3,4,PENGHua1,2,3,JIANGJingjie1,2,3,MAOJiarui1,2,3,ZHANGWenhui1,5,ZHAIYudong11.中国地质科学院地质力学研究所,北京100081;2.自然资源部北京地壳应力应变野外科学观测研究站,北京100081;3.自然资源部活
3、动构造与地质安全重点实验室,北京100081;4.北京科技大学土木与资源工程学院,北京100083;5.中国地质大学(武汉)工程学院,湖北武汉4300741.Institute of Geomechanics,Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing 100081,China;2.Observation and Research Station of Crustal Stress and Strain in Beijing,Ministry of Natural Resources,Beijing 100081,China;3.Key Lab
4、oratory of Active Tectonics and Geological Safety,Ministry of Natural Resources,Beijing 100081,China;4.School of Civil and Resources Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China;5.School of Engineering,China University of Geosciences(Wuhan),Wuhan 430074,Hubei,ChinaAn
5、alysis of in-situ stress field characteristics and tectonic stability in the Motuo key area of theeastern Himalayan syntaxisAbstract:Inordertoobtainthein-situstressfieldcharacteristicsandanalyzetectonicstabilityintheMotuokeyareaoftheeasternHimalayansyntaxis,thein-situstressmeasurementofonein-situstr
6、essholeand11testsectionsoftheXirangsectionoftheMotuofaultzonewerecarriedoutbythehydraulicfracturingmethod.Theresultsshowthatthemaximumandminimumhorizontalprincipalstressvalues(SH,Sh)inthetestsectionof61.43121.34mare3.0514.50MPaand2.169.87MPa,respectively,andtheverticalprincipalstressvalues(Sv)are1.6
7、33.31MPa,namely,SHShSv.Thein-situstressfieldatthemeasuringpointisdominatedbyhorizontalcompression,andallofthembelongtothein-situstressstateofreversefault.Theprincipalstressvaluesgraduallyincreasewiththeincreaseofdepth,andthedominantdirectionofthemaximumprincipalstressisNEE.Inthewholerangeofin-situst
8、ressdepth,thelateralpressurecoefficients(Kav)are1.394.38,themaximumhorizontalstresscoefficients(KHv)aregreaterthan1,andtheratioincreaseswiththeincreaseofdepth.Theregionalstressfieldofthiskeyareaisdominatedbyhorizontalstressanditishighlydirectional.Thehorizontalstresscoefficients(KHh)ofalltestsection
9、sare1.231.66,whicharesimilartothecalculationresultsofin-situstresscharacteristicparametersinLinzhiTongmaisection.Thehorizontaltectonicstressoftheshallowlevelat98misrelativelysmall,andthestressaccumulationlevelislow.Thefrictioncoefficientrequiredtomaintainfaultstabilityissmallerthan基金项目:中 国 地 质 调 查 局
10、 项 目(DD20230249,DD20221644,DD20230014);中 国 地 质 科 学 院 地 质 力 学 研 究 所 基 本 科 研 业 务 项 目(DZLXJK202106)ThisresearchisfinanciallysupportedbytheChinaGeologicalSurveyProject(GrantsDD20230249,DD20221644andDD20230014)andtheBasicResearchFundoftheInstituteofGeomechanics,ChineseAcademyofGeologicalSciences(GrantDZL
11、XS202106).第一作者:张斌(1989),男,博士,副研究员,从事工程地震学、地应力测量和监测等方面研究。E-mail:vincent_通讯作者:孙尧(1983),男,博士,助理研究员,从事地震学、地应力测量和监测等方面研究。E-mail:收稿日期:20230228;修回日期:20230418;责任编辑:王婧第29卷第3期地质力学学报Vol.29No.32023年6月JOURNALOFGEOMECHANICSJun.2023thecriticalfrictioncoefficientofactualfault,andthetectonicenvironmentisrelativelyst
12、able.Whenthedepthexceeds98m,thefrictioncoefficientrequiredtomaintainfaultstabilityisclosetothecriticalfrictioncoefficientvalueoftheactualfault due to the dominant role of horizontal tectonic stress,and there is a small risk of fault instability slip.ThesuperpositionoftheCoulombstresschangeinthesinis
13、tralstrike-slipdirectionandthethrustdirectioncausedbythestrongregionalearthquakesonthefaultplaneoftheMotuofaultzoneinthestudyareaareallnegativenumbers,whichinhibitsfaultslipanddoesnotincreasetheriskoffaultactivityinthestudyarea.Keywords:eastern Himalayan syntaxis;hydraulic fracturing;in-situ stress
14、measurements;in-situ stress fieldcharacteristics;tectonicstability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:61.43121.34m 测试段最大、最小水平主应力值(SH、Sh)分别为 3.0514.50MPa 和 2.169.87MPa,垂向主应力值(Sv)为 1.633.31MPa,即 SHShSv;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
15、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 1.394.38,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 1.231.66,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 98m 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 98m 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
16、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。关键词:喜马拉雅东构造结;水压致裂;地应力测量;构造应力场特征;构造稳定性中图分类号:P315.72+7文献标识码:A文章编号:10066616(2023)03038814DOI:10.12090/j.issn.1006-6616.202329080引言喜马拉雅东构造结位于喜马拉雅造山带的东端,其构造格架、地貌与水系均有一个近铅直的转折。该地区是喜马拉雅造山带地壳大规模缩短和构造运动方向发生转变的轴心地区,是喜马拉雅造山带岩石圈变形最为强烈的地区之一
17、,区内地形变化剧烈、地质构造复杂、地震活动频繁、地质灾害频发,是开展陆陆碰撞过程中岩石圈变形模式和构造演化规律等地球动力学研究的天然实验场所(黄臣宇等,2021;王凯悦等,2021)。该地区分布着诸多构造复杂的断裂带,且多为地震构造,主要以北北东北东向和北西西北西向 2 组断裂为主,如北西西北西向的班公错怒江断裂、仲沙断裂、嘉黎断裂、迫龙旁辛断裂、阿帕龙断裂等;北北东北东向的东久米林断裂、雅鲁藏布江断裂、拉孜扎日拿格断裂、墨脱断裂带、喜马拉雅南麓主边界断裂等。中国历史和现代地震目录表明,喜马拉雅东构造结地区发生过大量大震和强震。地震活动具有空间分布不均匀性,大震和强震主要发生在隆起区差异运动强
18、烈地带或地段。历史上发生 MS4.7 地震 100 余次,其中破坏性地震27 次(MS6.0),最大地震为 1950 年察隅 8.6 级地震。构造应力变化和聚集是诱发地震的重要因素之一,构造应力场在一定程度上能反映板块构造运动特征。为了获取东构造结地区构造应力场特征,许多学者开展了构造应力场理论和实测数据研究。许忠淮(2001)根据震源机制解计算了东亚地区的现今构造应力场,认为在喜马拉雅东构造结区域主压应力场以北北东向或北东向为主。徐纪人和赵志新(2006)通过震源机制解分析出东构造结区域地应力优势方位为北东 20北东 40,大多垂直于喜马拉雅山弧。Wan(2010)基于中国地壳应力数据库和哈
19、佛大学矩心矩张量目录,反演了中国现代构造应力场,结果显示东构造结地区最大主应力为水平应力,从西到东主应力方向从北北东向到北东东向转变。Changetal.(2015)以喜马拉雅东构造结及周边地区 GPS 和第四纪断裂滑动速率数据为基础,第3期张斌,等: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389利用曲线网格模型联合模拟出研究区地表连续应变率场,结果显示该区域挤压应力场主要为北北东北东方向。黄艺丹等(2020)从造山机制出发,结合GIS 技术和相关地学理论,对喜马拉雅 3 个地块进行了对比分析,认为喜马拉雅东构造结地区水平应力相对较大,最大主应力方向近北东南西方向。丰成君等(2022
20、)基于震源机制解数据,采用应力张量反演方法,揭示南迦巴瓦地区现今构造应力场最大主应力方向为北东北北东向。综上所述,东构造结地区构造应力场以水平应力为主,最大主应力方向为北东北北东向。近年来,依托西部某铁路建设和重大水电工程规划,部分学者在喜马拉雅东构造结北部区域开展实测地应力相关研究工作。王成虎等(2019)在波密西至林芝段实测地应力数据表明,林芝附近水平最大主应力优势方向为北北东北北西向,东构造结区域水平最大主应力方向由北北西向北西西向转化,并从构造形迹分析波密西林芝段水平最大主应力优势方向为南北北东向。严健等(2019)对拉(萨)林(芝)铁路的桑珠岭隧道和巴玉隧道进行了现场地应力试验及应力
21、场三维反演,结果表明最大水平主应力方向为 NW20NW30,2 个隧道轴线 最 大 水 平 主 应 力 和 垂 向 主 应 力 分 别 为 32.98MPa、35.80MPa 和 22.97MPa、45.77MPa。郭长宝等(2021)获取林芝地区 500m 深孔地应力实测数据,揭示了以水平构造应力为主导的逆断型应力场特征,且最大水平主应力方向近南北北北东向。黄艺丹等(2021)对拉林铁路 13 个地应力测量数据分析表明,地应力结构以逆断型和走滑型为主,最大主应力方向分布于 NW19NE30之间。张重远等(2022)采用水压致裂法在东构造结西侧某铁路林芝通麦段进行了 20 个钻孔原位地应力测量
22、,结果表明实测主应力随埋深的增大而增加,但整体应力积累水平相对偏低,500m 以深发育走滑型应力,水平主应力占主导,实测最大水平主应力(SH)平均方位角为 NE61NE72,构造应力方向受区域构造运动方式控制。综上,东构造结北缘地应力测量与应力场反演结果表明,以水平应力为主,多数处于逆断或走滑应力状态,其最大水平主应力方位由西向东具有一定的转换,即北西向北东东转向。尽管已有研究在喜马拉雅东构造地区获得了一些地应力实测数据,但主要集中于某铁路波密林芝段和拉林铁路工程区,对于新构造活动最为强烈的雅鲁藏布江下游墨脱断裂带地应力实测及其应力场精细化研究几乎为空白。随着国家“十四五”在该地区规划部署重要
23、交通廊道以及清洁能源基地建设,亟需开展该地区地应力测量工作,获取研究区关键部位实测地应力状态,补充完善研究区构造应力场特征,为重大工程规划设计、建设施工提供地应力参数。1研究区概况墨脱地区位于雅鲁藏布江中下游,属东喜马拉雅构造结的一部分。雅鲁藏布江板块结合带从中部弯曲而过,沿着这条构造带,在悠久的地质演化过程中发生过新特提斯洋(雅鲁藏布江洋)的生成、俯冲、闭合和印度板块欧亚板块的陆陆碰撞以及碰撞后陆内汇聚阶段的逆冲、伸展、隆升、走滑、变质、熔融等地质作用,是喜马拉雅山造山带中最引人瞩目的地区之一,也是目前青藏高原上隆升和剥蚀速率最快的地区。因此,以雅鲁藏布江结合带(大致沿雅鲁藏布江及支流桑曲一
24、线)为界,区域内的地壳分为东、西两部分,东部属冈底斯陆块,西部为喜马拉雅陆块。而区域最南部以主边界断裂为界,以南属印度陆块。研究区活动断裂分布众多,全新世活动断裂如墨脱断裂、巴登则断裂、月尔东断裂仍在强烈活动,地震活动频繁。研究区地震活动频繁、活动断裂分布众多,尤其是全新世活动断裂如墨脱断裂、巴登则断裂、月尔东断裂仍在强烈活动。为了获取墨脱地区关键构造部位地应力分布特征,补充完善研究区应力场资料,根据资料收集、遥感解译、地表断裂调查、地球物理探测等技术手段,确定墨脱地区关键构造部位为巴登则断裂和月尔东断裂的交汇地带(图 1),并在该构造部位完成 150m 深的墨脱地应力孔。根据 地 应 力 孔
25、 钻 探 编 录 情 况,地 层 分 为 4 层。016.00m 为河流沉积,主要为砂砾石、卵石、砾、粗砂等;16.0024.00m 为冰碛物;24.0032.00m 为漂砾;32.00150.00m 均为片麻岩,主要由石英、斜长石和黑云母等组成,条带较多,裂隙较发育,倾角为1035。2地应力测量情况目前,地应力测量方法有很多,水压致裂法由于测量设备操作简单、数据处理方便,被认为是获取深部地应力信息最可靠的原位测量方法之一,也390地质力学学报https:/2023是 国 际 岩 石 力 学 学 会 建 议 的 地 应 力 测 量 方 法(HaimsonandCornet,2003;王成虎等,
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