Question

现今构造应力场的研究方法

Answer 1

现今构造应力场的研究，对于研究油、气的保存、集聚、运移有着极其重要的意义。因为石油、天然气主要聚集在现今低围压区域。现今构造应力场主要通过仪器及一定手段在现场测量或推算出来。随着这项工作的开展，测量方法也日趋增多。主要有(格佐夫斯基，1957；安欧，1972；陈之光，1986；万天丰，1982)：

(1)应力解除法(套心法)

图2.55 应力解除示意图

(据地质力学研究所等，1981)

上图为俯视图；下图为剖面图

这是一种常用的现场直接测量地应力的方法。在未被扰动的岩体中先钻一测量孔，将3个不同方向的电感测量元件放入孔内测量电感值。然后围绕测孔用套钻钻一较大孔套住原测孔(图2.55)，使原测孔周围岩石与被测岩体脱离而卸载产生弹性恢复，因而元件中的电感值发生变化。根据电感值的改变量即可换算出测点岩石中各主应力值的大小和方位。在测孔中也可放入三轴应变仪。由于应力解除前后测孔变形，利用所测应变量即可换算出测孔周围岩石中各主应力的大小和方位。

由于此法影响因素很多，施工要求很严，套钻钻进深度有限，故只有在较深的矿井或地下巷道中才能测得较深处的地应力值。

(2)水压致裂法(液压致裂法)

此法分两步：在需要测量的深度上，用两个可膨胀的橡胶封隔器封隔钻孔的一段(图2.56)，然后在封隔段泵入液体，施加液压，直至孔壁岩石产生张破裂为止，此过程需有破裂压力（

）和关闭压力(p_s)。前者是为了引起水压破裂；后者是为了使破裂缝保持张开状态。据此即可计算原地应力大小。此后，将一个定向软橡胶套筒放入钻孔，增压使其膨胀，在钻孔壁上取得水压破裂的印模(也可采用井下电视直接观测)。根据印模测定破裂方向，推断主应力方向。此法一般测量深度较大(1000～5000m)，不需测定岩石弹性参数。

图2.56 水压致裂法示意图

p_b—孔隙压力；

—破裂临界压力；p_g—关闭压力；

—破裂重新张开压力；δ_Hmax—最大水平主应力；δ_Hmin—最小水平主应力；Q—切向正应力

迄今所推导的水压破裂的压力与原地应力间的理论表达式仅适用于脆性、线弹性、均质、各向同性及非渗透性岩石，而且岩石中一个主应力作用方向大致平行测试孔轴。因此，可简化为一具有圆孔的无限大平板弹性理论问题。

当孔内无液压时，p=0，只有两个水平应力σ_Hmax、σ_Hmin作用。圆孔上M点(该点与σ_Hmax间夹角Q=0)的切向正应力为

Q=σ_Hmax—3σ_Hmin (2.139)

当孔内有液压为p时，M点切向正应力为

Q=σ_Hmax—3σ_Hmin+p (2.140)

如果孔内液压p增加，则M点应力也随之增大；当达临界值(破坏压力)

时，则Q达岩石抗张强度T，岩石产生张破裂(图2.58)。假设岩石孔隙液压为p₀，则临界破坏压力为

构造应力场控岩控矿

停泵时，使水压破裂保持张开的关闭压力(p_s)等于垂直于破裂面的压应力，即最小水平主应力：

σ_Hmin=p (2.142)

如果岩石的抗张强度已知，便可用式

构造应力场控岩控矿

求得最大水平主应力σ_Hmax：

构造应力场控岩控矿

当重新增大孔中的液压时，由于破裂已经形成，T=0，故使破裂重新张开的液压p¹_b(图2.56)和最大水平主应力σ_Hmax的关系为

构造应力场控岩控矿

显然，根据式(2.142)和式(2.144)即可求得岩石的抗张强度T：

构造应力场控岩控矿

垂直地表的主应力(σ_z)可通过式σ_z=pgz求得。

野外测量、室内试验和理论计算等表明：当使用橡胶封隔没有预破裂孔段时，无论σ_z大小如何，初始水压破裂总是垂直的，并垂直于最小水平压应力(σ_Hmin)。因此，只要水压致裂方向一定，则最大、最小主应力方向就可以确定。

(3)震源机制解

它是利用天然地震P波(纵波)初动方向对构造应力进行间接推测。

图2.57 震源机制的双力偶模型（零静力矩的双偶极）

(据迟特，1978)

P波与S波的辐射图案P₊=压缩；P_—=膨胀

当地震发生时，地面各台站首先接收到的是P波。其初动波方向有上有下。向上者称压缩波，用“+”表示；向下者为膨胀波，用“—”表示。压缩象限和膨胀象限是成对顶角分布的(图2.57)。一次地震的P波初动方向一般在地面上四个象限呈正负相间分布。它们的分界面称为节面，其中一个节面即为地震发震时的剪切滑动面。两个节面正交，视为一对最大剪应力作用面。其中一个为发震断面，另一个是辅助节面。两节面的等分角线分别平行张力轴(T轴)和压力轴(P轴)。两节面的交线为B轴。P、B和T轴分别代表大、中间和最小主应力轴，因而可推断震源附近的主应力方向。利用震源机制解来确定岩石圈内构造应力方向是比较有效的，大量的浅源与中源地震资料可以比较有效的确定地下几十千米以至上百千米深处的构造力。

此法测量的地应力深度较前两种方法更深，而且是配合地震监测工作完成的，可获得大量地震点震源处的地应力值。

(4)重复大地测量及活断层位移测量法

它是通过大地水准测量及三角网测量。前者是测量地形变及活断层在垂向上的位移量；后者测量地形变或活断层在水平方向的位移量。根据所测数据，采用弹性位错理论或流变体模型进行反演，可推断断层模型的参数，估算这一时期的应力变化。