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西藏羊八井-康马地区现今地应力测量结果与应力状态分析

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西藏羊八井-康马地区现今地应力测量结果与应力状态分析西藏羊八井-康马地区现今地应力测量结果与应力状态分析 西藏羊八井-康马地区现今地应力测量结果 与应力状态分析 第50卷第2期 2007年3月 地球物理 CHINESEJOURNALOFGEOPHYSICS Vo1.50.No.2 Mar..2007 张春山,吴满路,廖椿庭等.西藏羊八井一康马地区现今地应力测量结果与应力状态分析.地球物理,2007,so(2):517, 522 ZhangCS,wuML,LiaoCT,eta1.Theresultofcurrentstressmeasurement...

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NNWandthevaluesofmaximumprincipalstressisbetween3.3and10.4MPa.whicharehighormiddleas comparedwiththevaluesobtainedelsewhereinChina.ButinQuxusiteoftheplatesuturezone,thevalueof maximumprincipalstressis2.3MPa,whichmayindicatethatthestressispartiallyreleasedandthestressstate isverycomplexintheplatesuturezone. KeywordsQinghai—Tibetplateau,Currentstress,Analysisofstressstate 基金项目国土资源部科技司重点基础项目(2002202)和国家自然科学基金项目 (40672207)资助. 作者简介张春山,男,1964年生,研究员,博士ina.com要从事地应力测量,地质灾害 和环境地质研究工作.E-mail;zhaIlgc:湘l@sina.com 5l8地球物理(ChineseJ.Geophys.)5O卷 1引言 西藏羊八井一康马地区位于青藏高原的南部, 地形地貌,地质构造极其复杂,雄伟的喜马拉雅山, 奔腾的雅鲁藏布江以及西藏的圣湖之一羊卓雍错和 着名的羊八井高热温泉均分布于此.青藏高原是当 前地学界研究的热点,现今构造活动强烈,许多学者 研究了青藏高原的隆升机制"",开展了地质构造 研究和数值模拟研究H,利用大地测量,震源机制 解资料,结合青藏高原地质构造,地球物理等方面研 究,反演青藏高原构造应力场,取得了很多重要成 果q.主要结论认为:青藏高原现今构造形变以 南北向挤压为主,东西向拉伸为辅,印度板块和欧亚 板块的碰撞作用仍控制着青藏高原的现今应力场; 断层大都属于走滑断裂,应力分布明显受断裂控制, 板块缝合带,区域性构造断裂附近是应力集中区,而 缝合带和断裂带上则是应力释放区.但该区至今地 应力实测资料稀少.结合青藏铁路建设项目的实施 以及在国土资源部科技司项目的支持下,我们在不 同的构造单元和重点地区开展了表层地应力现场测 量工作'川,为青藏铁路建设,大陆动力学和构造地 质学的研究提供了基础的地表应力数据. 2地应力测量采用的方法 目前国内外广泛采用的地应力测量方法主要有 压磁应力解除法,空芯包体式三轴应力计解除法,水 压致裂法,钻孔崩落法,超声波法等.本次在羊八井 一 康马的地表地应力测量工作中采用压磁地应力解 除法,取得了平面地应力数据.通过大量的室内和 野外试验表明,该方法可靠性好,灵敏度高,测量值 误差在10%以内,方向误差在3.以内n.目前压磁 应力解除法已被国内外广泛应用,在我国的许多重 大工程和区域构造研究中也广泛采用了压磁应力解 除法,如广东大亚湾核电站?,青海拉西瓦水电 站"引,二滩水电站?,华北及郯庐断裂带研究n, 金川铜镍矿地质研究?刮等. 3地应力测点的位置及工程地质条件 2001年和2003年,我们先后在羊八井,拉萨,曲 水和康马进行了地应力测量工作.其中羊八井地区 共有4个地应力测点,其他地区各有1个地应力测 点.各测点的位置和工程地质条件见图1. 3.1羊八井地应力测点 羊八井共有4个地应力测点,主要布置在羊八 井隧道群附近,其西部为羊八井地热田,岩性主要为 花岗岩.各测点的具体位置和工程地质条件如下. Ybjl号测点位于堆龙曲右岸.点位坐标为北纬 30oo503.7",东经9O.3245.5",高程为4269m.岩性 为中粗粒斜长花岗岩,地表主要发育三组节理裂隙, 产状为243.68.,238.71.,347.76.,133.58.. 局部地表岩石风化较强烈,但在地应力实测深度部 位岩石相对完整. . Ybi2号测点位于堆龙曲右岸,距河道30余米点位坐标为北纬30.0408.1",东经90.3429.6",高程 为4237m.岩性为粗粒斜长花岗岩,地表节理裂隙 发育,沿节理发育有五六处裂隙泉水.主要节理产 状为340~72.,244.69.,83.23.,地应力实测深 度部位岩石相对完整. Ybj3号测点位于堆龙曲左岸,109国道的左侧. 点位坐标为北纬30~0230.3",东经90.3602.7",高程 4146m.岩性为中粗粒斜长花岗岩,风化面为褐色, 新鲜面为灰白色,岩石较完整,发育节理裂隙,主要 节理产状为332.67.,60o69.,154~17.,265~ 75.,地应力实测深度部位岩石完整. Ybj4号测点位于堆龙曲左岸,109国道的左侧. 点位坐标为北纬30.O2l5.7",东经90.3636.5",高程 为4133m.岩性为糜棱岩化花岗岩,其中发育有石 英岩脉,呈条纹状,有个别石英脉相交成"x"型.地 表发育节理裂隙,主要产状为133.62.,地应力实 测深度部位岩石完整. 3.2拉萨地应力测点 IJs测点位于拉萨市娘热乡巴青才让居委会巴 尔库组采石场.点位坐标为北纬29~41'02.3",东经 9l.0631.4",海拔高程约3651m.测点岩性为中粗粒 二长花岗岩,岩体比较完整,但地表风化强烈,岩石 比较松散,节理裂隙发育.钻孔直接座落于新鲜岩 石上,地应力实测深度部位岩石完整. 3.3曲水地应力测点 Qs测点位于曲水县城北lkm处.点位坐标为 北纬29.2l50.1",东经90.4424.3",海拔高程约 3602m.测点岩性为中粗粒黑云母斜长花岗岩,岩体 比较完整,二组节理裂隙发育,其产状分别为225~ 82.,185.60~,地应力实测深度部位岩石完整. 3.4康马地应力测点 Km测点位于康马县昌果水电站西500m处.点 2期张春山等:西藏羊八井一康马地区现今地应力测量结果与应力状态分析5l9 1深大断裂Deepandlargefault;2一般断裂Fault;3板块缝合线Platesuturezone; 4地应力测点及方向Measurementsiteanddirectionofstress;5断层走滑方向 Slipdirectionoffault. 图l羊八井一康马地区地应力测点及断裂分布图 Fig.1DistributionofstressmeasurementsitesandfaultsintheregionofYangbajain— Kangmar 位坐标为北纬28~4109.4,东经89.3802.5",海拔高 程约4167m.测点岩性为中细粒糜棱岩化黑云母花 岗岩,岩体比较完整.岩石地表风化强烈,三组节理 裂隙发育,其产状分别为280.42.,25.76.,80. 65.,地应力实测深度部位岩石完整. 4地应力测量结果 本次地应力测量采用压磁应力解除法,于2001 和2003年对各测点进行现场地应力测量,得到了各 测点的平面地应力状态(表1,图1)和平面应力椭圆 (图2). 现场地应力测量结果表明,本区最大水平地应 力的方向主要为NW—NNW.本区最大水平主应力 数值为2.3,10.4MPa,最高值约为最低值的4倍. 其中羊八井Ybjl测点(距地热田最近)最大水平主 应力值最高,为10.4MPa,曲水Qs测点最大水平主 应力值最低,为2.3MPa.最大水平主应力方向在拉 萨,曲水和康马三个测点均为NNW—NW,而在羊八 井地区为NE—NEE.本区最小水平主应力数值为 表1 Table1 羊八井一康马地区地应力测量结果一览表 Resultsofstressmeasurementintheregionof Yangbajam-Ksngll~r 2.0,8.4MPa,最高值亦约为最低值的4倍.其中羊 八井Ybj1测点最小水平主应力值较高,为8.4MPa, 曲水Qs测点最小水平主应力值较低,为2.OMPa.由 此可见,羊八井测点最大水平主应力值最高,曲水测 点的最大水平主应力值最低. 根据应力测量结果和应力椭圆图可知,曲水测 点的主应力方向性不明显,接近于应力圆,其他测点 的方向性相对较明显. 520地球物理学~(ChineseJ.Geophys.)50卷 Ybj2Ybj4Qs 5地应力状态分析 5.1浅部地应力测量结果的代表性 一 般地,如果浅部地应力是由上覆岩体的重量 引起的,则垂直地应力和水平地应力可由下式计算: d=7H, 口H=口h=,uTHI(1一), 式中,y为岩石的容重,日为上覆岩体的厚度,I1为 岩石的泊松比,为垂直应力,为最大水平主应 力,a为最小水平主应力. 一 般地,花岗岩的容重为2.7g/cm3,/1=0.25,若 取y=3.0g/cm3,根据上式,可以计算出地表埋深 20m处由上覆岩体的重量而引起的垂直应力()为 0.6MPa,水平主应力(或口)为0.2MPa.可见,现 场实测最大水平主应力的数值远远大于由上式计算 得出的水平主应力,这说明现场实测的浅部最大水 平主应力主要由构造应力引起,重力作用不大. 目前,国内外原地应力测量的深度一般都不大, 浅部测量一般在几十米以内,深部测量一般为几百 米至千米.这些地应力测量的深度相对于地壳厚度 来说都比较小.浅部地应力测量受地质构造,地壳 运动和地形地貌等多方面的影响,虽然地应力数值 大小在不同构造部位,不同深度和不同地点有所不 同,但在一定区域内最大主应力的方向比较稳定,与 深部测量结果基本一致,可见,浅部地应力主要由构 造应力引起.此外,我们在测量时尽量把测点布置 在地形相对比较平缓的地带,大大削除了地形的影 响,浅部地应力测量结果基本上代表区域构造应力 场的特征. 5.2地应力状态分析 许多学者对本区的构造应力场进行过研究.按 板块理论的划分,羊八井地应力测点和拉萨地应力 测点均位于拉萨地块内,康马地应力测点位于喜马 拉雅地块内,而曲水地应力测点则位于两板块的缝 合线附近(图1),本区的活动构造主要以近EW向 和NWW向的断裂为主,其次为NNE向的断裂.区 域构造应力场主要为近SN向.根据震源机制解 进行的构造应力场分析可知,本区的区域构造主 压应力方向主要为近SN向. 本区实测的地应力状态之所以在不同测点出现 大小和方向的变化,主要与测点所处的地质构造有 关,基本上反映了不同构造部位的地应力状态. 根据现今活动断裂分布与运动特征,本区现今 近EW向和NWW向的断裂大都为压性逆断层,具 有右旋走滑的性质.而NNE向的断裂大都为张性 断裂,并具有左旋走滑的性质.拉萨地块表现为由 西北向东南挤出,地表向ES运动的趋势'.这 与现今地应力测量结果相吻合. 羊八井的4个应力测点均位于NNE向的羊八 井一当雄断陷盆地的东南部(青藏铁路羊八井隧道 的周围).在盆地东南部发育有一条NNE向的以张 性为主并兼具左旋滑动的断裂,测点均位于该断裂 东2—6km处,该地块向东运动.从构造运动方向分 析来看,羊八井地区的地应力应以近EW向为主,而 我们现场所测的最大主应力方向为NEE向或NE 向,与此基本吻合,且地应力值相对较高.应力值较 高可能与在测点西部分布的羊八井地热田有关,地 热向四周发散,在构造应力的基础上增加了地热的 附加应力,这也使得本区的地应力状态相对比较 复杂. 拉萨地应力测点位于拉萨市北郊,其北侧发育 近东西向的拉萨断裂,该断裂表现为右旋走滑.该 测点在雅鲁藏布江板块缝合带北侧,垂直距离约 40km,据构造分析最大主应力方向也应为NW,这与 现场实测的最大主应力方向正好吻合,拉萨测点测 得的地应力值较羊八井地区的低. 曲水地应力测点位于雅鲁藏布江板块缝合带 上,这里岩石相对比较破碎,且测点位于曲水盆地的 边缘,其应力值较低.由于缝合带上的边缘断裂具 有右旋滑动的性质,因而该点的最大主应力方向应 .我们所测得的最大主应力方向亦与此 为NWW向 吻合,且应力值是所有测点中的最小值. 康马地应力测点位于雅鲁藏布江板块缝合带南 侧的喜马拉雅板块上,垂直距缝合带约40kin,该测 点由于发育有NNE向的断裂且表现为左旋走滑,因 而该测点最大主应力方向为NW—NWW,这与实测 2期张春山等:西藏羊八井,康马地区现今地应力测量结果与应力状态分析521 结果基本吻合,且该点的应力值比曲水测点高,界于 拉萨与羊八井测点之间. 地应力测量的结果具有在板块缝合带上地应力 数值较低,而在缝合带两侧地应力值较高的特征. 这是由于,一方面板块缝合带上早期遭受较为强烈 的挤压,使岩石变得极为破碎,应力已被释放,使得 现今应力相对降低.另一方面,在板块缝合带附近 的构造现今活动性较弱,地形变较小.青藏高原的 现今地壳运动与应变的GPS测量结果表明,青藏 高原现今地壳运动以南北向挤压,东西向拉张,垂直 方向隆升为主(表2).由不同地点的GPS监测站运 动速率监测结果可以看出:在雅鲁藏布江板块缝合 带以北的地区(拉萨地块),地表东西向运动速率大 于南北向运动速率,而在雅鲁藏布江板块缝合带以 南地区(喜马拉雅地块),地表东西向运动速率小于 南北向运动速率;垂直方向的运动速率则表现为拉 萨地块小于喜马拉雅地块的,且拉萨附近的垂直形 变表现为隆升,运动速率较小,为2.5mm/a左右.由 此可知,拉萨一曲水一带为地壳运动速率发生变化 的转换带,因此,其现今地应力数值相对较小.这与 地表现场地应力测量的结果相吻合.实测现今地应 力数值的大小与现今地壳运动的速率比较吻合,地应力值高的地区现今地壳运动的速率较大,地应力 值低的地区现今地壳运动的速率较小. 表2青藏高原GPS站地壳运动速率监测结果表 Table2Monitoringresultsofblockmovementvelocity~roughGPSintheQin~hai-Tibetplat eau 注:该数据引自刘经南等.表中NNRA为NNR—NUVELIA模型 6结语 根据地应力测量结果和分析可知,本区最大水 平主应力方向以NW—NNW为主,最大水平主应力 值一般为3.3,10.4MPa,但在板块缝合带附近的曲 水测点最大水平主应力值为2.3MPa.与其他地区 相比较,本区属中高应力区.羊八井地区地应力测 量结果直接为隧道的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 ,施工提供了基础依据. 在雅鲁藏布江板块缝合带上现今地应力数值较低, 而在缝合带两侧地应力值较高,可能反映了板块缝 合带现今处于应力释放状态,板块缝合带附近应力 具有复杂性.实测的地应力数值大小与现今地壳运 动的速率相对比较吻合,地应力值高的地区现今地 壳运动速率较大,反之亦然.由此可见,地表地应力 测量的结果对青藏铁路的建设,大陆动力学和构造 地质学的研究具有重要的意义. 参考文献(References) [1]刘代志'.青藏高原隆升的动力学模型研究.地质论评,1992, 3s(1):60—67 LiuDZ.ThedynamicmechanismoftheQinai—Tibetplateau "plm.‰?}Rev/ew(inChinese),1992,3s(1):60,67 [2]马宗晋,张家声,汪一鹏.青藏高原三维变形动力学的时段划 分和新构造分区.地质,1998,72(3):211—227 MaZJ,ZhangJS,WangYP.The3-Ddeformationalmovement episodesandneoteetoniedomainsintheQjnghai-Tibetplateau.Aeta C,eotog~atSinica(inChinese),1998,72(3):211,227 【3]吕庆田,姜枚,马开义等.由震源机制和地震波各向异性探 讨青藏高原岩石圈变形.地质论评,1997.43(4):337346 LuQT,JiangM,MaKY,eta1.Thedeformationcharactersof QinXizarIglithosphere:implicationfromearthquakemechanism andseismicanisotropy.C,eo/ogwalRev/ew(inChinese),1997,43 (4):337—346 【4]武红岭,王薇,王连捷等.青藏高原的隆升缩短及其牯弹性 形变分析.地质力学,1996.2(1):1724 WuHL,WangW,WangL】,eta1.Upliftingandshorteningof 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