基于多源应力数据的川南地区地应力特征分析_高桂云.pdf

第 19 卷第 2 期地 下 空 间 与 工 程 学 报Vol192023 年 4 月Chinese Journal of Underground Space and EngineeringApr2023基于多源应力数据的川南地区地应力特征分析高桂云，王成虎，周昊，谷佳诚(应急管理部 国家自然灾害防治研究院 北京 100085)摘要:本文通过结合区域构造形迹分析、原地应力实测资料、震源机制数据以及钻孔破坏现象，采用基于震源机制解的应力反演及基于应力多边形与钻孔破坏指标的应力量值估算方法，对四川盆地南部地区地应力特征进行了综合分析。结果显示:四川盆地南部区域应力状态稳定，有利于逆断和走滑断层的活动，区域浅部最大水平主应力的方向有 NE 和 NW 向 2 个优势方位，深部最大水平主应力优势方位为 NWW 向;区域应力场分区特征不明显，震源机制解一致性较好，应力结构类型均为逆断型;浅部应力估算结果显示不同钻孔的侧压力系数值相对较为稳定，平均值分别为 kHmax=172 和 khmin=099，应力积累指标 m值范围为01505;而在埋深 3 2073 716 m 时，最大和最小水平主应力范围分别为10451223 MPa 和811965 MPa，应力积累指标 m值在 037043，区域深部应力积累水平较低，断层易滑性较低。关键词:地应力;应力积累;钻孔崩落;四川盆地南部中图分类号:P31572文献标识码:A文章编号:1673-0836(2023)02-0550-10Analysis of InSitu Stress Characteristics in Southern Sichuan BasinBased on MultiSource DataGao Guiyun，Wang Chenghu，Zhou Hao，Gu Jiacheng(National Institute of Natural Hazards，Ministry of Emergency Management of China，Beijing 100085，P China)Abstract:In situ stress states are the key to tackle the problem involving geomechanical stability Based on theanalysis of regional tectonic trace，in-situ stress measurement data，focal mechanism data and borehole failurephenomena，this study comprehensively analyzed the in-situ stress characteristics in the southern Sichuan basinUsing a stress inversion method based on focal mechanism solutions，the stress orientations were estimated，while thestress magnitudes were constrained based on the stress polygon method and borehole failure indexes The resultsshow that the regional stress state in the southern Sichuan Basin is stable，which straddles the boundary betweenreverse faulting and strike-slip faulting regimes The orientation of the maximum horizontal principal stress atshallower depth has two preferred directions，NE and NW，while it turns to NWW in deep depth The zonalcharacteristics of regional stress fields are not obvious，where the focal mechanism solutions are in consistent and thestress fields are relatively uniform The estimation of the stress magnitude in the shallow region show that the lateralstress coefficients of different drilling holes are relatively stable，with an average value of kHmax=172 and khmin=099，respectively The stress accumulation index value mranges from 015 to 05 When the buried depth is 3 207 3716 m，the magnitudes of the maximum and minimum horizontal principal stresses in Weiyuan area are in ranges of10451223 MPa and 811965 MPa，respectively，while the vertical stresses range from 833 MPa to 965 MPaThe values of stress accumulation index mare in range of 037043，indicating that the regional stress accumulationlevel is low This stress estimation and analysis method based on multi-source stress data could lead to acomprehensive understanding of regional stress in southern Sichuan Basin and provide a possible method for stress收稿日期:2022-12-16(修改稿)作者简介:高桂云(1984)，女，河北魏县人，博士，副研究员，主要从事岩石力学、地应力与地质力学相关研究工作。E-mail:gygaopku 163com基金项目:中央级公益性科研院所基本科研业务专项(ZDJ202007);国家自然科学基金(42174118，41574088)analysis especially for that lack of in-situ measurement dataKeywords:in situ stress;stress accumulation;borehole breakout;southern Sichuan Basin0引言地应力是赋存于岩体中的天然应力，因其未受到工程扰动也称原岩应力。随着我国页岩气的勘探开发，尤其是四川盆地页岩气示范区的建设，地层所处的自然的平衡状态可能会被打破，这就为地壳应力的释放提供了条件，从而导致诱发地震等地质力学稳定性问题的出现。自 2005 年开始，我国在四川盆地西南地区开始了规模性的页岩气地质评价与勘探试验1，并于 2008 年开始页岩气开采试验，2014 年以后，规模化页岩气开采启动，该地区地震发生频度大幅度上升2-7，并发生了多次较大震级地震。例如，四川盆地上罗、威远页岩气田发生了 13 次大地震(Mw 35)6。与此同时，还发生了几次 Mw40 级与水力压裂有关的地震。2018 年 12 月 16 日在与四川省长宁页岩气开采区相邻的宜宾市兴文县发生了 ML57 级地震4，2019年 1 月 3 日又在兴文县附近的珙县发生了 ML53级地震4。地应力状态(应力方向和大小)是解决断层滑动和地震机制、地热和页岩气储层特征以及地下开挖等地质力学稳定性问题所必需的基本参数8-9。因此，在开始上述地质力学研究之前，对地应力特征的研究至关重要。地应力状态可以通过各种技术与方法获得，如水压致裂法10、套芯应力解除法11 以及基于钻芯的方法12-13。由于个别技术的不确定性和测试资料的匮乏，一般建议综合多种类型的应力指标与数据，以提高地应力估计的可靠性14。本文利用多源应力数据，包括地质力学构造形迹、原地应力实测资料、震源机制解数据以及钻孔破坏等信息，综合分析四川盆地南部应力场特征;然后结合区域地震震源机制信息，分区讨论各区应力状态;最后利用钻孔崩落、钻孔诱发张裂缝等应力指标，对威远附近应力量值进行估算，分析区域应力特征，为区域页岩气开采诱发地震研究提供了基础资料。1区域构造背景四川盆地位于我国西南部，构造上位于稳定的扬子地块的西北部分(图 1)。盆地西部边缘与青藏高原接壤，属于复杂的新生代构造，地壳运动强烈，地震活动性较强。龙泉山脉和华蓥山脉将四川盆地切割为 3 个主要构造单元:西北侧的山前冲积地陷盆地、东北向延伸的中央隆升带和东南侧的褶皱带。其中盆地东南侧的褶皱带主要由一系列NE-SW 延伸的山脉构成，狭窄背斜和宽缓向斜交互，铲状逆冲断层发育于褶皱翼部下方15。盆地内有几条规模很大的隐伏基底断裂，尤其是沿华蓥山系 NE 向延伸的基底逆断层，对沉积层的构造变形有一定作用16。川南地区位于四川盆地南部，西邻川中隆起，东邻川鄂湘黔坳褶带，北与川东隔挡式褶皱直接相连，是一个边界清楚、构造特征显著、规律统一的三角形构造区。川南的构造以褶皱为主，除少数规模较大、发育时间较长的边界断裂外，其余断裂大都伴随褶皱作用发生。主要活动断裂有走向 NE-SW的华蓥断层、龙泉山断层、莲峰断层和昭通鲁甸断层，以及区域西边界的近 SN 向的大凉山断裂带等(图 1)。图 1四川盆地南部构造背景Fig1Tectonic setting of southern Sichuan Basin四川盆地南部构造复杂多样，有盆缘的山前构造、盆内的隔档式褶皱和华蓥山以西的宽缓褶皱等，是井盐和天然气开采的重要场所。川南地区目前已逐渐形成了包括长宁威远页岩气示范区、威远荣县页岩气示范区(也称威远页岩气示范区)、荣昌永川等页岩气开采区，深井注水采盐也已开展了 70 多年。1552023 年第 2 期高桂云，等:基于多源应力数据的川南地区地应力特征分析川南地区经历了加里东、海西、印支、燕山以及喜马拉雅等多期构造演化运动的改造，构造应力场极其复杂，控制其发育的主要构造应力场为晚三叠以前的伸展与其后的 NE-SW 向挤压17。地质构造以华蓥山为界可分为 3 个区:长宁地区、荣昌地区和威远荣县地区。长宁地区位于川东南低缓褶皱带与大凉山大娄山断褶带过渡区，受到不同时期构造变形叠加的影响，区域应力环境复杂。长宁地区主要的褶皱构造为长宁背斜，主体构造的轴部为 NWW-SEE 向，总体上呈现出东宽西窄的形态18，区内断裂较为发育，走向大多为 NE 向、NWNNW 向，多以逆断层为主。荣昌地区的主要断裂为华蓥山基底断裂，该断裂总体走向 N40 45E，倾向 SE，以逆冲兼右旋走滑性质断层为主19。威远荣县地区位于四川盆地南部低缓隆起区，主要构造有 NE NEE 向威远背斜、NEE 白马镇向斜和 NEEEWNW 向自流井背斜，与褶皱伴生系列规模不等、产状不同的断层，走向大多为NE 向、NNE 向和 NW 向，以压性逆断层或压扭性断层为主20。可见，川南地区地质构造复杂，区域应力场也极其复杂。研究川南地区区域地应力场特征，对于区域资源与能源开采诱发地震及其他地质力学问题的