一种基于水压致裂地应力测量技术评估活动断层发震能力的方法

摘要

本发明的基于水压致裂地应力测量技术评估活动断层发震能力的方法，首次创新性的提出了基于实测地应力状态评估活动断层发震能力的技术框架；利用地应力测量资料结合环境剪应力公式，评估活动断层发震能力的方法，可以对活动断层发震能力进行定量的评价，通过本方法对基于地应力状态评估地震危险性方法的完善，使得该方法的应用范围可以进一步拓展，为实现由评估危险性向地震预报发展奠定基础。

说明书

技术领域

本发明涉及评估活动断层发震能力技术领域，尤其涉及一种基于水压致裂地应力测量技术评估活动断层发震能力的方法。

背景技术

水压致裂地应力测量方法(简称HF)是国际岩石力学学会推荐的地应力测量方法之一，HF是利用高压水把完整岩石压裂并获得压力-时间曲线，据此可确定破裂压力P

目前，现有技术框架在评估活动断层地震危险性时，只能评估其是否存在危险，而无法较为准确的进行定量估算活动断层的发震能力，对地震预报也无法提供足够有用的信息；并且目前没有基于地应力评估活动断层发震能力的现有技术。

因此，本领域技术人员致力于开发一种基于水压致裂地应力测量技术评估活动断层发震能力的方法，旨在解决现有技术中存在的缺陷问题。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是目前现有技术中，无法对活动断层发震能力进行评价，只能评估其是否存在危险，而无法较为准确的进行定量估算活动断层的发震能力，且无法为地震预报提供足够有用的信息。

为实现上述目的，本发明一种基于水压致裂地应力测量技术评估活动断层发震能力的方法，包括如下步骤：

步骤S1、搜集地震地质资料和地应力测量资料；

步骤S2、对步骤S1搜集的地应力测量资料进行处理；

步骤S3、根据步骤2处理得到的测量资料，执行相应步骤后计算得到临界深度上的最大剪应力；

步骤S4、代入环境剪应力公式估算震级；

步骤S5、结合历史地震以及构造地质资料估算震级；

所述震源机制解的结果表明绝大部分地震都是剪切破裂，也就是说是岩石在剪应力作用下发生的破裂，因此区域剪应力水平对地震孕育起着重要的作用；于是，根据位错理论推导出估计构造剪应力公式的环境剪应力计算公式；

所述环境剪应力公式为：

所述临界深度，即剪应力在超过某一深度后至震源深度为恒定值，而其中的某一深度即为临界深度；

所述步骤S1，搜集地震地质资料和地应力测量资料，包括实测地应力测量资料、已发表的相关地应力测量资料、地震地质资料；

所述步骤S2的处理，是基于步骤S1所搜集的各项资料所进行的，可以分为有强震前地应力测量资料的情况与无强震前地应力测量资料的情况；

所述步骤S2中，若进行相应的资料处理后，无强震前地应力测量资料，随后依次进行步骤S3A1与步骤S3A2；

所述步骤S3A1、对地应力资料进行线性拟合；

所述步骤S3A2、计算临界深度上的最大剪应力；

所述步骤S2中，若进行相应的资料处理后，有强震前地应力测量资料，则随后依次进行步骤S3B1、S3B2、S3B3、S3B4；

步骤S3B1、对强震前地应力测量资料进行线性拟合；

步骤S3B2、代入环境剪应力公式估算临界深度；

步骤S3B3、对研究区资料进行线性拟合；

步骤S3B4、计算临界深度上的最大剪应力；

所述有强震前地应力测量资料包括：测量深度、S

所述步骤S3A1、是在无强震前地应力测量资料的情况下进行的，此时则直接对收集到的地应力资料进行线性拟合；进行线性拟合后可以得到S

所述步骤S3A2的临界深度优选取800m，这一深度是参照Zoback研究San Andreas断层的结果所得到的一个优选；

所述步骤S3A2，计算最大剪应力，是将步骤S3A1得到的三向主应力与深度之间的公式，代入临界深度的数值，即可得到位于该深度下，三向主应力的值，最大主应力与最小主应力之差的平均值即为最大剪应力的量值；

所述步骤S3B1，是在步骤S2中处理分析后，有强震前地应力资料的前提下所进行的步骤；对处理后的地应力资料进行线性拟合；

所述步骤S3B2、对临界深度进行估算，首先将强震的震级带入环境剪应力公式，此时可根据公式得到与该震级对应的τ

所述步骤S3B3、对研究区资料进行线性拟合，是在步骤S3B2获得临界深度后进行的，获得临界深度后，对新获得的三向主应力分别进行拟合，即可得到拟合公式；

所述步骤S3B4、计算临界深度上的最大剪应力，是在步骤S3B3得到拟合公式后进行的，将步骤S3B2计算得到的临界深度，代入步骤S3B3得到的新的拟合公式，即可计算在临界深度上的应力值，进一步求出剪应力随深度的变化公式，然后即可计算得到在临界深度的最大剪应力；

所述步骤S4、是在步骤S3A2或步骤S3B4完成后，得到的最大剪应力的值后进行的，将在上一步骤得到的最大剪应力的值，将其代入环境剪应力公式进行计算，即可得到矩震级M

所述步骤S5，则是结合步骤S1中所搜集到的历史地震以及构造地质资料，并结合步骤S4计算所得到的相关数据，最终完成震级的估算；

进一步地，所述步骤S3B2计算所得到的临界深度应当不小于800m；

进一步地，所述步骤S3B2，带入的环境剪应力公式的公式中的常数C，取C＝0.16(可根据实际情况调整)；

采用以上方案，本发明公开的基于水压致裂地应力测量技术评估活动断层发震能力的方法，具有以下优点：

(1)本发明的基于水压致裂地应力测量技术评估活动断层发震能力的方法，首次创新性的提出了基于地应力评估活动断层发震能力的技术框架，利用地应力测量资料结合环境剪应力公式，评估活动断层发震能力的方法，对建立具有物理意义的方法具有重要的启示意义；

(2)本发明的基于水压致裂地应力测量技术评估活动断层发震能力的方法，补充完善了基于地应力评估地震危险性的方法，使得可以对活动断层发震能力进行定量的评价，摆脱了传统评估只能评估危险性的缺陷，通过定量的评价，使得可以为地震预报提供更多可以采信的数据；为实现更精准的地震预报奠定基础；

综上所述，本发明公开的基于水压致裂地应力测量技术评估活动断层发震能力的方法，首次创新性的提出了基于地应力评估活动断层发震能力的技术框架，利用地应力测量资料结合环境剪应力公式，评估活动断层发震能力的方法，可以对活动断层发震能力进行定量的评价，摆脱了传统评估只能评估危险性的缺陷，通过定量的评价，使得可以为地震预报提供更多可以采信的数据；为实现更精准的地震预报奠定基础。

以下将结合具体实施方式对本发明的构思、具体技术方案及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明基于水压致裂地应力测量技术评估活动断层发震能力的技术方案路线示意图；

图2是本发明实施例1中的ZK7和ZKl3钻孔的主应力随深度变化图；

图3是本发明实施例3中的GYl和GY2钻孔的主应力随深度变化图。

具体实施方式

以下介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，这些实施例为示例性描述，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

实施例1、采用本发明方法对山东蓬莱近海岸进行活动断层发震能力的评估

首先进行步骤S1、搜集地震地质资料和地应力测量资料；由于山东长岛地震频发，因此我们在距长岛约40km的蓬莱进行了2个钻孔的地应力测量，以进行相关地震地质资料和地应力测量资料的搜集；其中关于两个钻孔的地应力测量结果，如表l所示；

表l钻孔的地应力测量结果

Tallle 1 Results of in-silu stress mleasuremlent in boreholes

注：s

随后执行步骤S2，对步骤S1搜集的地应力测量资料进行处理，经过分析处理后，判断本实施例1属于，无强震前地应力测量资料的情况，则后续依次执行步骤S3A1、S3A2；

随后执行步骤S3A1、对强震前地应力测量资料进行线性拟合，即对实施例1得到的表1内的数据进行线性拟合，进行线性拟合后可以得到S

S

S

其中最大剪应力即为两个水平主应力之差的平均值，即((S

随后执行步骤S4、代入环境剪应力公式估算震级；代入图2中的环境剪应力公式，即可得到对应的矩震级为4.6；

最后再执行步骤S5、结合历史地震以及构造地质资料估算震级；结合最近蓬莱附近发生的地震地质相关历史资料，可以进一步确定，山东蓬莱近海岸本实施例1的研究区的地震震级上限为M

实施例2、采用本发明方法对汶川地震进行活动断层发震能力的评估

首先进行步骤S1、搜集地震地质资料和地应力测量资料；资料收集完成后随即进行步骤S2、对搜集的地应力测量资料进行处理；

因为汶川地震前有实测资料，有强震前相关信息，所以步骤S2处理后，属于有强震前地应力测量资料，因此随后依次进行步骤S3B1、S3B2、S3B3、S3B4；

本次实施例2，所采集利用资料为郭啟良等(2009)在震前上盘ZK1测得的剪应力资料；根据所采集的资料，

对地应力资料进行线性拟合，进行线性拟合后可以得到一个，最大剪应力与深度之间的公式，以及拟合相关系数如下：

τ＝-11.015+0.041Z r＝0.905

上述拟合公式中，的相关意义参数为：τ为最大剪应力，r为拟合的相关系数，Z为深度，单位为m，可以从式中看出，两孔地应力随深度变化的相关系数在0.905，拟合相关性较好；得到最大剪应力与深度之间的函数关系后，

进行步骤S3B2、对临界深度进行估算，首先将强震的震级带入环境剪应力公式，此时可根据公式得到与该震级对应的τ0值，然后对地应力测量资料进行线性拟合，即可得到三向应力随深度的变化公式，进一步求出剪应力随深度的变化公式，然后把τ0带入即可计算出临界深度；

随后进行步骤S3B4、计算临界深度上的最大剪应力，将步骤S3B2计算得到的临界深度，代入步骤S3B3得到的新的拟合公式，即可计算在临界深度上的应力值，然后即可计算得到在临界深度的最大剪应力，经过简单计算可以推导出，在临界深度时，剪应力大小为21.79MPa；

随后执行步骤S4、即代入图2中的环境剪应力公式，即可得到矩震级为M

最后再执行步骤S5、结合历史地震，可以看到使用本评估方法与汶川M

实施例3、采用本发明方法对蒙山断裂带进行活动断层发震能力的评估

首先进行步骤S1、搜集地震地质资料和地应力测量资料；其中关于三个钻孔的原地应力测量结果表，如表2所示；

表2原地应力测量结果表

Table 1 Results of in-situ stress measurement in borehole

注：①S

随后执行步骤S2，对步骤S1搜集的地应力测量资料进行处理，经过分析处理后，判断本实施例3属于，无强震前地应力测量资料的情况，则后续依次执行步骤S3A1、S3A2；

执行步骤S3A1、是在无强震前地应力测量资料的情况下进行的，此时则直接对收集到的地应力资料进行线性拟合；进行线性拟合后可以得到S

在实施例3的拟合公式为，

τ＝-0.475+0.009Z r＝0.848

上述拟合公式中，的相关意义参数为：τ为最大剪应力，r为拟合的相关系数，Z为深度，单位为m，两孔地应力随深度变化的相关系数在0.848，拟合相关性较好；

随后执行步骤S3A2，计算最大剪应力，是将步骤S3A1得到的三向主应力与深度之间的公式，代入临界深度的数值，即可得到位于该深度下，三向主应力的值，最大主应力与最小主应力之差的平均值即为最大剪应力的量值，其中最大剪应力即为两个水平主应力之差的平均值，即((S

随后执行步骤S4、代入环境剪应力公式估算震级；在本实施例3的剪应力状态下，所对应的地震震级为M

最后再执行步骤S5、结合历史地震以及构造地质资料估算震级；结合最近蒙山断裂带附近发生的地震地质相关历史资料《中国近代地震目录(公元1912年～1990年，Ms≥4.7)》，可以进一步确定，这和研究区多发生中强地震相吻合。

历史地震表明研究区地震密度很小，蒙山断裂带附近发生多为中强地震，蒙山断裂带附近从1912年至1990年有记载的是发生在苍山附近Ms3.3地震，1995年苍山发生过5.1级地震，以及费县3次5级地震(地震发生时间早于1912年)。

实施例4、采用本发明方法对芦山进行活动断层发震能力的评估

首先进行步骤S1、搜集地震地质资料和地应力测量资料；在距芦山M6.1地震震中约20km的GQX-1孔附近，进行相关地震地质资料和地应力测量资料的搜集；其中关于两个钻孔的深部的剪应力值测量结果，如表3所示；

表3 GQX-1地应力测量结果

随后执行步骤S2，对步骤S1搜集的地应力测量资料进行处理，经过分析处理后，判断本实施例3属于，有强震前地应力测量资料的情况，则后续依次执行步骤S3B1、S3B2、S3B3、S3B4；

执行步骤S3B1、对强震前地应力测量资料进行线性拟合，即对实施例4得到的表3内的测量资料数据，进行线性拟合即可以得到剪应力随深度的变化。

在实施例4的拟合公式，

其中最大剪应力即为两个水平主应力之差的平均值，即((S

得到最大剪应力与深度之间的函数关系后，进行步骤S3B2、对临界深度进行估算，首先将强震的震级带入环境剪应力公式，此时可根据公式得到与该震级对应的τ

随后进行步骤S3B4、计算临界深度上的最大剪应力，将步骤S3B2计算得到的临界深度，代入步骤S3B3得到的新的拟合公式，即可计算在临界深度上的应力值，然后即可计算得到在临界深度的最大剪应力，

随后执行步骤S4、代入环境剪应力公式估算震级；在本实施例3的剪应力状态下，所对应的地震震级为M

最后再执行步骤S5、结合历史地震以及构造地质资料估算震级；可以得出评估结果，这与大邑地震空区附近发生的M

实施例5、采用本发明方法对广元地区进行活动断层发震能力的评估

首先进行步骤S1、搜集地震地质资料和地应力测量资料；其中关于两个钻孔的原地应力随深度变化如图3所示；

随后执行步骤S2，对步骤S1搜集的地应力测量资料进行处理，经过分析处理后，判断本实施例5属于，无强震前地应力测量资料的情况，则后续依次执行步骤S3A1、S3A2；

执行步骤S3A1、是在无强震前地应力测量资料的情况下进行的，此时则直接对收集到的地应力资料进行线性拟合；进行线性拟合后可以得到S

在实施例3的拟合公式见图3，

随后执行步骤S3A2，计算最大剪应力，是将步骤S3A1得到的三向主应力与深度之间的公式，代入临界深度的数值，即可得到位于该深度下，三向主应力的值，最大主应力与最小主应力之差的平均值即为最大剪应力的量值，其中最大剪应力即为两个水平主应力之差的平均值，即((S

随后执行步骤S4、代入环境剪应力公式估算震级；在本实施例5的剪应力状态下，所对应的地震震级分别为M

最后再执行步骤S5、结合历史地震以及构造地质资料估算震级；结合最近广元附近发生地震的相关历史资料，可以进一步确定，这和研究区的历史地震相吻合：自2008年以来，该区域最大震级为M

综合分析：在实施例1、3和5中，完成的是本发明的基于无强震前地应力测量资料的技术路线，通过基于水压致裂地应力测量技术评估断层发震能力，在实施例1中，通过本发明方法，得出蓬莱附近虽然时常发生地震，但是地震的震级上限为M

实施例3中，根据《中国近代地震目录(公元1912年～1990年，Ms≥4.7)》，实施例3中，蒙山断裂带附近从1912年至1990年有记载的是发生在苍山附近Ms3.3地震，1995年苍山发生过5.1级地震，更早的地震(早于1912年)则是费县3次5级地震；

在实施例5中，两个钻孔的测量结果表明，发生震级的能力介于M

实施例2、4中，完成的是本发明的基于无强震前地应力测量资料的技术路线，在实施例2中，可以得到，得到汶川矩震级为Mw7.85的结论，与实际情况基本接近，具备很好的地震强度预测能力；在实施例4中，对芦山进行活动断层发震能力的评估中，评估结果与实际结果的相差幅度在6％，也基本与实际地震活动情况吻合；

通过以上实施例可以发现，研究区发生地震震级的能力与剪应力的大小呈正相关，剪应力越大，发震能力越强；

本发明方法基于地应力测量资料估算活动断层的发震能力与实际结果一致性强，这表明该方法具有实用性和合理性。

综上所述，本专利技术方案，基于水压致裂地应力测量技术评估活动断层发震能力的方法，首次创新性的提出了基于地应力评估活动断层发震能力的技术框架，利用地应力测量资料结合环境剪应力公式，评估活动断层发震能力的方法，可以对活动断层发震能力进行定量的评价，摆脱了传统评估只能评估危险性的缺陷，通过定量的评价，使得可以为地震预报提供更多可以采信的数据；为实现更精准的地震预报奠定基础。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员，无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的试验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。