岩石力学与构造应力场研究包括地形变场、断层位移场、构造应力场和岩石力学性质,三“场”与岩石力学性质密切相关。因此测量地应力同时必须研究所处部位的岩石力学性质,否则是无法对比,这在过去已经付出过代价和教训。同时由于地应力在位错、形变中最灵敏,表现最突出,所以主抓地应力测量预测预报地震就成为关键。
地震地质预测预报地震,是采用岩石力学与构造应力场的核心技术,通过地形变场、断层位移场、构造应力场和岩石力学性质综合研究,获得较为全面的认识和最佳预报效果。下面将依次对现今地形变场、现今断层位移场、现今构造应力场及岩石力学与构造应力场综合研究进行讨论。
(一)现今地形变场研究
20世纪60年代,随着我国地震研究工作的进展,现今地壳形变研究不断取得进展,首先采用重复大地精密水准测量资料,结合地质构造编绘现今构造地形变图,其次是重复三角测量成果的使用,均取得较好成果。
1.大地重复水准测量与现今地壳形变图
1969年孙叶编制1953～1972年华北区域构造形变图(图4-6),显示现今褶皱轴向与主要活动断裂均呈北北东向展布,现今以新华夏系活动为主[10]。
图4-6 华北地区(1953～1972年)构造形变图
2.重复大地三角测量与水平形变图
过去采用经纬仪进行重复大地三角测量,精度偏低,没有得到推广使用,现在采用激光测距仪,提高了精度,必将获得更好的效果(图4-7)。
图4-7 北京地区底面膨胀分布图[35]
3.全球卫星定位系统(GPS)与地形变图
近年来全球卫星定位系统(GPS)在我国地质工作中已经获得了广泛使用(图4-8)。
图4-8 中国大陆地壳GPS运动速度图
1976年唐山大震(7.8级)前后,地壳水平形变发生反向变化(图4-9)。
(二)现今断层位移场研究
1.现今断层位移的宏观调查
1931年新疆富蕴地震,地处干旱地区,发震断裂带迄今保存完好(图4-10)。
2.现今局部断层位移场
这是采用地应力测量转换成局部断层位移场的实例。沿着北京八宝山断裂带煤岭弧形断裂,布设地应力解除测量孔,配合模拟实验,反演断裂各处的扭动方向及位移量,并配合燕山期岩组分析研究最大主压应力方向,显示其与现今应力方向协调一致(图4-11)。
3.区域现今断层位移场
李四光在预测唐滦大震以后,在京、津、唐区域布设19个断层位移活动监测站,主要监测目标是:①各个方向断裂的现今活动状态;②现今断层位移活动是否显示新华夏系现今活动方式;③东西向断层是否仍在活动。经过6～8年的连续监测,上述三个问题均得到证实,各个方向的断层均在规律性年周期性活动基础上,作趋势性位移活动,特别是东西向断裂也在现今活动,区域性现今断层位移场经模拟实验证实处于新华夏系活动方式,即南北边界为反扭加力状态,这对唐滦大震预测是极大的支持和证实,所以在李四光临终遗言中讲的十分肯定,就可以理解了(图4-12)。
4.大震前后断层位移的反向活动
大震前后断层位移均作反向活动,这是普遍的现象,例如1976年唐山大震,从河北丰润—唐山—曾家湾的大地水准路线复测资料也明显反映了地壳升降的反向活动,反向的位置就是大震的地点(图4-13)。它与大震前后震中断层的弹性回跳现象也都吻合一致。
图4-9 1976年唐山大地震前后地壳水平形变矢量方向变化图[36]
图4-10 新疆富蕴地震(1931年)发震断裂平面图(A)与剖面活动分析图(B)[36]
图4-11 北京八宝山断裂带煤岭弧形地段局部断层位移场分析图
图4-12 京津地区复合断层位移场实测与分析图
图4-13 河北丰润-曾家湾水准路线高程式差剖面图[36]
(三)现今构造应力场研究
1.地应力绝对值测量
(1)地应力解除测量法
地应力绝对值解除测量法是可信度最高的测量方法之一,基本原理是应力计加力以后与岩体中构造应力密切联系在一起,套芯解除的同时使岩体中地应力切断,图4-14为解除工作程序示意图,其中图4-14D为解除过程中的地应力曲线变化情况。同样解除9个以上不同方向的应力计,可用最小二乘法准确地计算地应力的方向、大小等。应力计种类很多,如压磁电感法、应变法等等[16,18,26-28]。
(2)水压致裂法
是利用钻孔中完整岩心段,密封、用水加压使之裂开反演地应力绝对值,开裂方向表示水平最大主应力方向。优点可以进行深孔测量,缺点对岩体原有的微裂隙(隐裂隙)可能带来干扰等(图4-15)。
2.地应力相对值测量
相对地应力测量主要用于连续监测,目的为地震预报服务以及其他工程建筑的地应力变化情况服务,实际情况即图4-14(3)中不再进行解除,而进行连续记录,如图4-16所示的时间变化曲线,过去地震预报者即分析曲线变化特征,进行地震三要素的判断。有时报对了,有时则不成,而且历经20多年预报,成功率较低,在20%～30%之间徘徊,或者没有显著的改进和提高[19,20-22,26-28]。
3.地应力测量工作的回顾与问题的分析讨论
自20世纪60年代至今,世界地应力研究工作不断取得进步与发展。我们地质力学工作者的地应力研究也在不同战线上取得进展,同时也发现了一些重大问题[20,22]。
图4-14 钻孔构造应力解除测量工作程序示意图
图4-15 水压致裂地应力测量原理方法图[28]
图4-16 1975年海城地震的地应力相对值变化曲线图[36]
(四)岩石力学与构造应力场研究
岩石力学与现今构造应力场研究包括现今地形变场、现今断层位移场、现今构造应力场、内动力地质灾害场的研究等,当然它们都离不开介质条件(岩石力学性质)的配合研究。
我们在总结华北区域、京津塘地区的现今地形变场、现今断层位移场、现今构造应力场与地震灾害场的经验基础上,初步制定了岩石力学与构造应力场研究步骤程序,可以分为九个步骤(表4-2):
表4-2 岩石力学与构造应力场研究的基本程序步骤说明表
通过上述岩石力学与构造应力场的实测与研究,已经为捕捉大震预报创造条件,为攻破地震预报难关创造条件,为部署大震监测台站网络提供了基础。