本文選題：首都圈地區(qū)　切入點：水壓致裂應力測量　出處：《中國地質科學院》2014年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：首都圈地區(qū)(北緯39°～41°,東經114°～119°)是我國政治、文化和經濟中心,區(qū)域經濟發(fā)達、人口稠密,然而,該區(qū)位于張家口-渤海構造帶、華北平原和汾渭盆地交匯部位,地震活動強烈而頻繁,其中1679年9月2日的三河-平谷Ms8級地震,1976年7月28日唐山Ms7.8級地震等,均給國家和人民造成了巨大的損失,地震災害的破壞性和突發(fā)性嚴重威脅著首都圈地區(qū)社會穩(wěn)定,制約了經濟快速、平穩(wěn)發(fā)展。 地震等內動力地質災害的發(fā)生與地殼應力有著密切的關系,大地震的孕育和發(fā)生是區(qū)域內應力長期積累、集中、加強的過程并在應力集中區(qū)最終導致巖體破壞應變能突然釋放的結果,地殼物質的力學性質與地應力對地殼運動具有決定的意義。在充分認識首都圈及鄰區(qū)地震地質、活動構造、深部地球物理等基礎上,深入研究首都圈地區(qū)現(xiàn)今地應力環(huán)境及其演化規(guī)律,對于斷裂活動性、地殼運動、構造活動的動力學機制及地震發(fā)生機理等研究具有重要的意義。 本文在系統(tǒng)收集和分析區(qū)域地質、地殼巖石圈動力學特征、活動斷裂與構造分區(qū)、區(qū)域構造應力場及地震活動等研究成果的基礎上,首先重點分析了北京地區(qū)內平谷、西峰寺、密云和李四光紀念館內4個深孔(600-1000m)水壓致裂地應力測量結果,獲得了北京地區(qū)地殼淺層現(xiàn)今地應力隨深度變化規(guī)律。其次依據(jù)研究區(qū)地殼結構特征、構造分區(qū)及活動斷裂分布特征,建立了首都圈地區(qū)三維地質模型,基于線彈性有限元模擬方法,運用ANSYS模擬軟件,以實測地應力數(shù)據(jù)及震源機制解等資料作為應力目標約束條件,開展了首都圈地區(qū)現(xiàn)今三維構造應力場數(shù)值模擬研究。最后選取1年、20年、40年、60年、80年和100年時間尺度,模擬分析了首都圈地區(qū)在現(xiàn)今地殼水平運動作用下研究區(qū)內水平主應力大小變化、方位以及彈性應變能密度大小變化的演化規(guī)律；重點分析了北京地區(qū)在100年時間范圍內水平主應力大小演化特征,擬合得到水平主應力大小隨時間的變化梯度；通過應力疊加計算得到了北京地區(qū)近地表分別在2032年、2052年、2072年、2092年以及2112年水平主應力大小和最大水平剪應力及其隨時間演化規(guī)律,進而探討了首都圈地區(qū)現(xiàn)今水平運動作用方式對其構造應力環(huán)境的影響。 通過本文的研究和分析,取得以下主要結論和認識： 1、首都圈地區(qū)地殼淺層水平主應力隨深度的增加基本呈線性增大的趨勢,最大水平主應力隨深度增加的梯度為0.031MPa/m,最小水平主應力隨深度增加的梯度為0.0216MPa/m。3個主應力的關系關系表現(xiàn)為：在0-530m深度內為σHσhσv,為逆斷型應力狀態(tài)；在530m-1000m深度內為σHσvσh,為走滑型應力狀態(tài)。相關應力特征參數(shù)隨深度變化關系表現(xiàn)為：最大水平側壓系數(shù)σH/σv=55.7/H+1.37、最小水平側壓系數(shù)σh/σv=57.8/H+0.89、平均水平側壓系數(shù)(σh+σh)/2σv=61.2/H+1.12、最大和最小水平主應力的比值σH/σh=1.47-4.37/H、水平剪應力相對大小μm=0.19-2.33/H。首都圈地區(qū)現(xiàn)今最大水平主壓應力優(yōu)勢方位為NE-NEE向,該結果與首都圈地殼深部震源機制解資料得到的P軸主壓應力方位基本一致,與華北區(qū)域構造應力場主壓應力方位以相符。 2、在0-40km地殼深度內,首都圈地區(qū)最大水平主應力大小為10.59～1027.66MPa,最小水平主應力大小為6.37～1000.71MPa,垂向應力大小為5.04～1037.56MPa。3個主應力在0-30km深度內基本上隨深度的增加而線性增大,而在30-40km深度內,主應力大小增加緩慢,有趨于穩(wěn)定值的趨勢,且曲線形態(tài)呈非線性。3個主應力之間的關系表現(xiàn)為：0～15km深度內為σH6v≥σh,屬于走滑型應力狀態(tài)；15～35km深度內表現(xiàn)為σH6vσh,也為走滑型應力狀態(tài)；35-40km深度,則轉為σv6Hσh,為正斷型應力狀態(tài)。相關應力特征參數(shù)隨深度變化關系為：最小水平側壓系σh/σv=57.41/H+0.91,最大水平側壓系σH/σv=178.57H+1.16;最大、最小水平側壓系數(shù)在地殼淺層時最大,隨深度的增加呈減小的趨勢,最大水平側壓系數(shù)在25km深度左右趨于1.16,最小水平側壓系數(shù)在約10km深度左右趨于0.91,兩個水平側壓系數(shù)平均為1.04,充分說明了在深部地殼應力環(huán)境處于靜水壓力狀態(tài)。首都圈地殼深度內最大主壓應力方位在地殼淺部和深部差異不大,除魯東-渤海塊體內大連及附近地區(qū)主壓應力方位為NW～NWW向以外,其他構造單元內大部區(qū)域地殼現(xiàn)今主壓應力優(yōu)勢方位為NE～NEE向。 3、受各次級塊體內地殼介質參數(shù)差異性以及邊界斷層弱化作用的影響,首都圈地區(qū)各次級構造單元主應力大小分布在縱向和橫向上均表現(xiàn)出不連續(xù)性,且在邊界斷層位置多出現(xiàn)主應力集中現(xiàn)象；在較穩(wěn)定的次級塊體內部主應力大小分布也具有一定的相似性,表現(xiàn)為主應力大小在相同的深度范圍內多位于一個穩(wěn)定的應力范圍；從地殼近表層至深部地殼首都圈地區(qū)各次級構造單元內彈性應變能密度總體呈增加的趨勢,其中在華北地區(qū)各次級塊體內,彈性應變能密度分布均勻,且數(shù)值較低,而在各活動塊體或構造帶邊界斷層內,彈性應變能密度從淺層到深部均最大,彈性應變能密度較高區(qū)域則更易于應力、應變積累和集中。 4、在100年時間尺度內,首都圈地區(qū)在不同時間尺度累計位移載荷作用下,水平主應力大小變化均呈增加的趨勢；受研究區(qū)內不同次級構造單元介質差異性以及斷層的影響,水平主應力大小變化分布特征具有差異性和不均勻性,不同次級構造單元之間乃至同一構造單元內部也不同；各次級構造單元內水平主應力方位分布一致性較好,水平主壓應力方位主要為N700-80°E,與華北地區(qū)現(xiàn)今構造應力場中最大主壓應力方位基本一致,而水平主張應力方位主要表現(xiàn)為N10°-20°W,與華北地區(qū)最小主壓應力優(yōu)勢方位基本一致；彈性應變能密度年變化量隨著位移載荷的不斷增大而增加,在次級塊體邊界或主要活動構造帶邊界斷層內,彈性應變能密度變化值最大,而在次級活動塊體和主要活動構造帶內部,彈性應變能密度變化值分布較均勻。 5、在100年時間尺度內,北京地區(qū)在不同時間尺度累計位移載荷作用下,水平主應力大小隨著位移載荷的不斷增加而逐漸增大,且具有線性增加的趨勢,但是在不同深度內水平主應力大小隨時間增加的梯度有所差別；在各個時間尺度內,水平主張應力大小變化量大于主壓應力大小變化量,前者一般為后者的1.21-1.25倍；受地殼現(xiàn)今運動方式的影響,在不考慮地震等地質事件的影響下,隨著時間的不斷演化,北京地區(qū)最小水平主壓應力作用方式在將來的某個時刻轉為主張應力作用,而最大水平主壓應力則不斷增加,結果會導致最大水平剪應力的不斷增大,進而可能會誘發(fā)研究區(qū)內大型走滑斷層發(fā)失穩(wěn)的危險性增強。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：中國地質科學院
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：P315.727

【參考文獻】

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本文編號：1567327