北京昌平十三陵钻孔地应力测量与实时监测在断层活动危险性分析中的应用探讨

丰成君, 张 鹏, 孙炜锋, 谭成轩

中国地质科学院地质力学研究所, 国土资源部新构造运动与地质灾害重点实验室, 北京 100081

北京昌平十三陵钻孔地应力测量与实时监测在断层活动危险性分析中的应用探讨

丰成君, 张 鹏, 孙炜锋, 谭成轩*

中国地质科学院地质力学研究所, 国土资源部新构造运动与地质灾害重点实验室, 北京 100081

本文尝试运用北京昌平十三陵钻孔98 m深度原地应力测量和实时监测数据, 依据弹性力学应力张量叠加原理, 计算得到不同时段地应力结果; 根据断层滑动摩擦准则, 探讨南口山前断裂活动性, 对了解该区地震危险性有重要的意义。原地应力测量与实时监测计算结果表明: 在2010年1月初和2013年3月31日, 最大水平主应力平均值分别为5.30 MPa和7.56 MPa, 呈增加趋势; 最大水平主应力方向也由NNW逐渐过渡到NE至近EW向。断层面上剪应力与正应力的比值结果显示: 在2010年1月初和2013年3月底, 平均比值分别为0.12和0.22, 虽均没有达到断层面临界滑动摩擦系数0.6, 但其显示出的增加趋势在一定程度上反映了该地区构造活动有增强的迹象, 该现象值得关注。

首都圈; 地应力测量; 地应力实时监测; 摩擦滑动准则; 地震危险性

地应力是导致地震发生的重要影响因素之一,大地震的孕育和发生是在特定构造部位地应力长期积累、集中、加强和最终导致应变能突然释放的过程, 地壳物质的力学性质与地应力对地壳运动具有决定的意义(李四光, 1973)。在地震地质工作的基础上, 研究地应力状态的变化与地震孕育、发生、发展的关系, 进而实现地震预测, 是李四光教授提出的实现地震预报的一条技术思路(黄相宁等, 1982a,b; 孙叶等, 2012)。

大震发生前后, 震源及附近地区地壳浅层地应力分布特征(主应力大小、方位及应力状态)确实能发生明显的改变(李方全等, 1979, 1988; Liao et al., 2003;郭啟良等, 2009; 丰成君等, 2013a; Lin et al., 2013),该现象对于认识震前应力积累、震时应力降、震后应力调整及余震分布均具有一定的指示作用(安其美等, 2004; 吴满路等, 2010; 陈群策等, 2010; 秦向辉等, 2013)。由于震源点受力, 在上地壳很大范围内形成应力集中区, 虽然难以直接找到应力集中点, 但在大范围内测量和监测地壳浅层应力及其变化, 进而可能寻找和确定当前应力增高区, 并研究其状态和变化趋势, 则有可能判断未来大地震的震中区(赵文津, 2009)。此外, 通过地应力测量与监测, 获取地壳浅层的地应力绝对值及其变化规律, 进而推测其深部特征, 并以此作为初始条件, 结合地壳深部应力场的模拟研究, 使得地震的数值预报的实现成为可能(石耀霖等, 2013)。

首都圈地区(北纬 39°—41°, 东经 114°—119°)是我国政治文化中心, 同时也是我国东部板内地震多发区, 自公元前 231年至 2012年, 京津唐张地区发生5级以上的地震52次, 其中破坏性地震(MS>5.5,震中烈度约Ⅶ度)9次, 如: 1679年三河—平谷8级地震; 1966年邢台隆尧MS6.2级地震, 宁晋MS7.2级地震; 1967年河间MS6.3级地震; 1976年唐山MS7.9级地震和 1998年张北MS6.2级地震等(高文学等,1993; 孙士宏, 1994), 这些破坏性地震都给首都圈地区造成不同程度的损失和破坏, 该地区长期以来也成为我国地震监视的重点区域。根据华北地区地震活动的“时、空、强”分布特征, 该区可能会进入第五个地震活跃期, 直接威胁到首都的安全(马文涛等,2004; 谭成轩等, 2010; 孙叶等, 2012)。

2011年8月3日至2013年3月31日, 北京昌平十三陵新型压磁地应力监测台站的应力监测曲线显示该区应力值呈缓慢增加的趋势(图 1), 其显示出的应力增量是否会增强其附近断层的活动危险性值得讨论。本文尝试运用十三陵钻孔98 m深度原地应力测量和实时监测数据, 依据库仑摩擦滑动准则, 探讨了钻孔在2010年1月初和2013年3月31日时的应力状态及其对附近断层活动危险性的影响,并结合研究区 2002年至 2013年期间的小震(ML1.0～3.0)分布规律, 初步认识了研究区现今构造活动状况。

1 研究区主要活动断裂及特征概述

本文研究范围为北京城区西北侧昌平十三陵地区, 研究区及附近主要展布NE和NW向两组活动断裂(图 2)。NE向断裂主要有南口山前断裂、八宝山断裂、黄庄—高丽营断裂带和顺义—良乡断裂带; 其中: (1)南口山前断裂主体走向40°～60°, 倾向SE, 倾角 50°～80°, 燕山早期断裂活动为逆冲性质, 之后有过多期活动, 上新世至全新世部分段落则转为张性正断层(冉洪流等, 1996; 黄秀铭等, 1991); (2)八宝山断裂总体走向 N40°～60°E, 倾向 SE, 倾角 25°～35°,该断裂形成于中侏罗世至晚侏罗世, 早白垩世断裂具有拉张活动特性, 末期受到燕山运动 NW—SE向强烈挤压作用, 该断裂则具逆断层性质(王士德等,1982; 黄秀铭等, 1991), 中更新世至全新世仍有活动,但活动性较弱(彭一民等, 1981; 车兆宏等, 1997); (3)黄庄—高丽营断裂总体走向NNE—NE, 倾向SE, 倾角 55°～75°, 形成于早白垩世晚期, 第三纪与八宝山断裂共同构成北京凹陷西边界, 第四纪期间向北扩展, 形成顺义和怀柔等第四纪次级凹陷, 由南向北活动性逐渐加强, 断裂具有正断兼右旋走滑的活动性质(彭一民等, 1981; 王挺梅等, 1983; 王若柏等,1984; 车兆宏等, 1997); (4)顺义—良乡断裂总体走向25°～30°, 倾向 NW, 倾角 60°～80°, 主要活动时期为中生代和新生代早期并持续到第三纪, 其北段第四纪以来仍在活动, 主体为正断层(胡平等, 2000)。研究区内NW向断裂主要为南口—孙河断裂(东三旗以西), 断裂走向 N45°～50°W, 倾向 WS, 倾角约 70°,该断裂作为首都圈中部一条规模最大的北西向活动断层, 对首都圈活动构造和地壳运动具有控制作用,既是华北板块的北边界之一, 又是一条强震活动带,第四纪以来活动方式为张性反扭(彭一民等, 1981;黄秀铭等, 1991)。研究区内, 历史上MS≥4.0地震相对较少, 最大的是1730年9月30日京西6.5级地震, 震中位于西北旺附近; 研究区内历史地震震中大致沿 NW 向南口—孙河断裂带及附近地区展布(图2)(王宋贤, 1982; 马文涛等, 2004)。

2 北京昌平十三陵钻孔水压致裂地应力测量与断层活动危险性讨论(2010年初)

北京昌平十三陵地应力测量与监测钻孔位于北京市昌平区十三陵长陵镇泰陵村国土资源部

图1 北京昌平十三陵钻孔新型压磁地应力监测曲线(2011年8月3日—2013年3月31日)Fig. 1 New piezomagnetic stress monitoring curves at Ming tombs boreholes in Changping District, Beijing(2011.8.3—2013.3.31)

图2 研究区主要活动断裂分布Fig. 2 Distributions of main active fractures in the research region

表1 十三陵钻孔水压致裂地应力测量结果Table 1 Hydraulic fracturing in-situ stress measuring results at Ming Tombs boreholes

图3 北京昌平十三陵地应力测量与监测钻孔地层剖面(A-A’)简图Fig. 3 Stratigraphic section of in-situ stress measuring and monitoring borehole at Ming Tombs in Changping District, Beijing

十三陵培训中心院内(图 2), 地理坐标为 116°12′49″E,40°19′22″N, 钻孔高程 171 m, 深度 600 m, 于 2009年8月25日开钻, 12月30日终孔。钻孔附近野外地质调查和钻孔岩芯初步表明, 该钻孔位于南口山前断裂附近, 钻孔浅部(约 0～182 m)位于断裂上盘,为太古代片麻岩, 岩体较完整; 而在钻孔深部(约182～600 m)则处于断裂下盘, 为中元古代灰岩, 岩体较破碎(图3)。

2.1 北京昌平十三陵钻孔水压致裂地应力测量及结果分析

水压致裂地应力测量方法是国际岩石力学学会试验方法委员会建议的确定岩体应力方法之一,目前也是国际上能较好地直接进行深孔应力测量的先进方法(Haimson et al., 1989, 2003)。关于水压致裂地应力测量的原理和方法本文不再赘述。北京十三陵钻孔水压致裂地应力测量结果见表1。

十三陵钻孔在103.50～207.50 m深度范围内, 最大水平主应力SH为4.33～6.25 MPa, 最小水平主应力Sh为3.33～4.71 MPa。在165.00 m以上, 三个主应力之间的关系为SH>Sh>Sv(图 4), 为逆断型应力状态,该特征与南口山前断裂燕山早期逆冲活动性质相一致; 而在 180.00 m以下, 三个主应力之间的关系则转为Sv>SH>Sh(图4), 为正断型应力状态, 该特征则与南口山前断裂现今活动特性相吻合。钻孔附近最大水平主应力SH方向为 N18°W—N26°W, 平均为N22°W(图 4), 该方向与附近十三陵抽水蓄能电站厂区内水压致裂地应力测量得到的最大水平主应力方向(N16°W)基本一致(图 2), 而与首都圈及华北区域构造应力场主压应力方向(NE—NEE)有较大的差别(李钦祖, 1980; 李钦祖等, 1982; 魏光兴等, 1982;黄福明等, 1995; 周翠英等, 2001; 马文涛等, 2004;崔效锋等, 2010); 由于该钻孔测量得到的最大水平主应力方向数据多取自200.00 m以上, 而区域构造应力场主压应力方位多由震源机制解确定得到, 其深度均在几km至几十km, 受地形地貌、岩石物理力学性质及局部构造活动不同等因素的影响, 地壳浅表层与深部的地应力特征可能会存在差异(谭成轩等, 2006)。

图4 北京昌平十三陵钻孔主应力值及最大水平主应力方向随深度变化Fig. 4 Magnitude of principal stresses and direction of maximum horizontal principal stress versus depth at Ming Tombs boreholes in Changping District, Beijing

2.2 断层活动危险性讨论

在不考虑断层内聚力的情况下, 当断层面上的剪应力τn大于或等于滑动摩擦阻力μσn, 则断层出现摩擦滑动, 其中,σn为断层面上的正应力,μ为断层面的摩擦系数, 断层滑动失稳的条件为(Byerlee,1978):

建立三维直角坐标系xyz, 其中,x轴正方向和钻孔最大水平主应力平均方向(N22°W)一致,y轴正方向与最小水平主应力方向一致,z轴垂直向上十三陵钻孔附近南口山前断层倾向取 148°, 倾角为70°(图 3), 根据任意斜截面上的正应力与剪应力的计算公式(梁海庆等, 1993; 李同林等, 2006), 计算钻孔附近断层面上的剪应力(τn)、正应力(σn), 及两者之间的比值τn/σn(表 2)。

研究表明, 大部分岩石的摩擦系数位于0.6～1.0之间(Byerlee, 1978; Zoback et al., 2003), 在分析地壳浅部断层活动时, 该摩擦系数可近似代表断层面的滑动摩擦系数, 并将 0.6作为判断断层失稳的临界摩擦系数(安其美等, 2004; 陈群策等, 2010; 秦向辉等, 2013; 丰成君等, 2013b)。由表2可看出, 2010年初, 在0～210 m深度范围内, 十三陵钻孔附近断层面上的剪应力与正应力的比值为0.05～0.18, 远没达到断层面上的临界摩擦系数0.6, 理论上, 南口山前断裂不存在因为应力达到临界状态而发生黏滑失稳的危险。

表2 十三陵钻孔附近断层面外法线与主应力坐标轴夹角余弦值与断层面上剪应力值、正应力值及两者比值计算结果Table 2 Results of l, m, n, σn, τn and τn/σn

3 北京昌平十三陵钻孔地应力监测与变化(2011年8月3日—2013年3月31日)

3.1 北京昌平十三陵钻孔地应力监测与数据分析

十三陵钻孔水压致裂地应力测量结束后, 于2010年1月在该钻孔98 m深度安装了4分量新型压磁地应力监测系统。该系统由中国地质科学院地质力学研究所研制, 目前, 已实现 4分量监测探头自动加(卸)载、监测数据远程无线传输的功能, 且安装深度已超过200 m, 处于国际领先水平(陈群策等,2011; 董树文等, 2012, 2013)。十三陵钻孔4分量应力监测探头安装方位见图5。

从 2011年 8月至今, 该地应力监测仪器已连续、稳定地获得了地应力监测数据(图1)。图1显示的地应力监测数据从2011年8月3日00:00至2013年2013年3月31日00:00, 可以直观看出: 分量1、2、4变化幅度较小, 分量 3变化较大, 但不超过4 MPa, 总体上, 4个分量监测探头显示的正应力变化比较平稳(图 1)。参考应力观测数据的自检条件“(1+2)正应力变化=(3+4)正应力变化”(张培耀等,2008; 黄相宁等, 2009; 池顺良等, 2013), 由图6可以看出, 在该阶段, 分量(1+2)正应力变化曲线与分量(3+4)正应力变化曲线形态较为相近, 两者之间虽然并不相等, 但其差值比较小, 介于 0～1.5 MPa之间, 且多小于1.0 MPa, 故该阶段4分量所显示出的正应力变化是比较可靠的。

图5 十三陵钻孔4分量新型压磁地应力监测探头方位Fig. 5 Positions of four new piezomagnetic probes at Ming Tombs boreholes

图6 十三陵地应力台站应力观测数据自检曲线Fig. 6 Self checking curves of stress monitoring data at Ming Tombs in-situ stress monitoring station

由图1可看出, 与2011.8.3 00:00相比, 在该阶段末(2013.3.31 00:00), 4分量应力监测得到的正应力均有不同程度的增加, 假设 4个分量探头在该阶段内的正应力变化量分别记为: △σ1, △σ2, △σ3,△σ4, 有 : △σ1=0.89 MPa, △σ2=1.73 MPa,△σ3=3.98 MPa, △σ4=0.28 MPa。

3.2 基于 4分量应力监测数据计算其引起平面应力状态下应力分量变化

假设三个方向a、b、c相互夹角为45°, 三个方向上正应力(或变化量)分别为σa、σb、σc(或△σa、△σb、△σc), 而两个主应力(或引起a、b、c三个方向正应力变化量的主应力变化量)分别为σHmax、σhmin(或△σHmax、△σhmin), 其中,σHmax(或△σHmax)与a方向的夹角为θ, 则由公式(2)可计算出主应力(或变化量)(王连捷等, 1991):

表3 二维平面应力分量变化计算结果(2011.8.3—2013.3.31)Table 3 Results of variations of stress tensors under the two-dimensional plane stress state (2011.8.3—2013.3.31)

表4 初始水平主应力及应力分量计算结果Table 4 Results of initial horizontal principal stresses and components of stress tensors

建立直角坐标系xoy,x正方向与正东方向一致,y正方向与正北方向一致(图5), 根据二维平面应力张量转换公式(李同林等, 2006), 将由公式(2)计算得到的主应力变化量计算得到其引起在坐标系xoy下的平面应力分量变化。计算过程中基于4分量监测探头中任意 3个方向上的正应力变化量, 共有 4组方案, 分别为: ①(分量 2, 4, 1)、②(分量 4, 1, 3)、③(分量1, 3, 2)和④(分量3, 2, 4)。二维平面应力张量变化量计算结果见表3。

4 北京昌平十三陵钻孔地应力计算结果与断层活动危险性讨论(2013年3月底)

4.1 初始地应力场(2011年8月初)

参考表1中十三陵钻孔2010年1月初的地应力测量结果, 在2011年8月初, 压磁探头安装深度(98 m)处的最大水平主应力σiHmax=5.30 MPa,σihmin=3.91 MPa,σiv=2.60 MPa, 最大水平主应力方向仍然为 N22°W, 并将该应力结果作为初始应力值。根据二维平面应力张量转换公式可以计算出其在直角坐标系xoy下的应力分量σixx、σiyy、τixy(表 4)。

4.2 现今地应力场(2013年3月底)

设在2013年3月底钻孔98 m处的最大水平主应力为σPHmax, 最小水平主应力为σPhmin, 垂向应力为σPv, 在直角坐标系xoy下的应力分量为σPxx、σPyy,τPxy, 将初始应力分量(表 4)和该阶段(2011.8.3—2013.3.31)应力分量变化(表3)进行叠加(公式3), 即可得到在2013年3月底的二维应力分量(表5), 再由二维平面应力状态下主应力计算公式(李同林等,2006)分别计算出现今最大水平主应力σPHmax、最小水平主应力σPhmin和最大水平主应力方向(表5)。

由表5可以看出, 在2013年3月底, 钻孔98 m处的最大水平主应力值为 6.06～8.73 MPa, 最小水平主应力值为 2.17～6.91 MPa, 最大水平主应力优势方向为NE—近EW向, 逐渐趋于华北区域构造应力场NEE—近EW向的主压应力方位。2010年1月初, 地应力绝对测量得到钻孔内的最大水平主应力方向平均为N22°W, 由此看来, 从2010年1月初至2013年3月底, 十三陵钻孔附近的最大主应力方向有调整,并呈现出与区域构造应力场方位一致的趋势。

4.3 断层活动危险性讨论

计算出十三陵钻孔98 m位置在初始应力条件下(2011年 8月初)和现今应力条件下(2013年 3月底)附近断层面上的剪应力、正应力和两者的比值(表6)。

由表6可以看出, 在2011年8月初, 十三陵钻孔附近断层面上的剪应力与正应力的比值为 0.18;在2013年3月底, 两者之间的比值为0.16～0.24, 平均为 0.22; 两个阶段剪应力与正应力的比值均没有达到断层面上的临界摩擦系数 0.6, 理论上, 钻孔附近的南口山前断裂不存在黏滑失稳的危险。比较可以看出, 在 2013年 3月底, 断层面上剪应力与正应力的比值大于2011年8月初的值, 表明, 从2011年8月初至2013年3月底约3年的时间内, 十三陵钻孔附近应力水平在逐渐增加, 断层面上的剪应力与正应力的比值在也逐渐增大, 该变化趋势值得关注。

4.4 北京昌平及其附近地区现今地震活动性

上述分析表明北京昌平十三陵及其附近地区的应力水平自 2010年初以来是增加的, 由地应力资料计算得到的浅层南口山前断裂面上的剪应力与正应力的比值虽没有达到断层发生黏滑失稳时的临界值0.6, 却呈现出增大的趋势。为直观了解该区构造活动的强度, 我们根据中国地震台网中心首都圈地区地震数据库搜集到研究区内 347条ML1.0～3.0级小震活动记录(2002年1月8日至2013年4月24日) (http://www.csndmc.ac.cn/newweb/data.htm)(注:该区没有ML＞3.0级地震记录); 为深入地了解这些小震分布特征, 将本文研究区根据经纬度分为 9个区, 分别记为 A、B、C、D、E、F、G、H 和 I(图7); 将 347条小震分布区域进行分区统计, 并给出其 M-T(震级-时间) 图(图 8), 并描绘出各个小区块内小震发生时间和震级图(图9)。

研究区小震活动分布特征分析如下:

(1)从空间尺度上可看出, 研究区内ML1.0～3.0小震活动主要分布在区域 B、D、G、H和 I, 即昌平区、海淀区北部和顺义区南部(图 8a)。其中, 以昌平为中心, 15 km为半径的范围内, 小震活动分布(区域 A+区域 B+区域 D+区域 E)则占到了总数的40%(图 8a), 该区域内, NW 向孙河—南口断裂和NE向南口山前断裂在南口附近交汇, 小震活动分布又相对密集, 一定程度上可能反映出南口山前断裂现今活动性有所增强。

(2)从时间尺度上可以看出, 在整个研究区内,大致从 2007年以来, 小震活动发生较频繁, 其中,在2009年至2013年时间段内, 其分布更加密集(图8b)。在十三陵钻孔附近 4个区域(A、B、D和 E)中, 区域A和B在2010年4月以后, 小震活动明显多于该时间点之前; 区域D和E在2008年4月以后, 小震活动也显著增加; 在其他区域中, 小震活动分布相对较均匀; 总体上, 研究区 9个小区域内小震发生频次在近 5年间大体呈现出增加的趋势,其中, 昌平区的A、B、D和E四个区域中这种变化趋势更明显(图9)。

综上所述, 研究区近12年小震活动表明, 受控于区域内断裂活动, 十三陵钻孔所在的昌平及附近地区现今构造活动有增强的趋势, 该现象与十三陵钻孔地应力测量和监测结果所反映出断层活动危险性增加的趋势基本一致。

图7 研究区小震活动分布区域(ML1.0～3.0; 图例同图2)Fig. 7 Distribution of small earthquakes in the study area(ML1.0～3.0; legends as for Fig. 2)

表5 十三陵钻孔98 m位置现今主应力计算结果(2013年3月底)Table 5 Results of current principal stress at the depth of 98 m at Ming Tombs borehole

表6 北京十三陵钻孔附近断层面外法线与主应力坐标轴夹角余弦值与断层面上剪应力值、正应力值及两者比值计算结果Table 6 Results of l, m, n, σn, τn and τn/σn

5 结论与讨论

5.1 十三陵钻孔原地应力测量结果及变化

(1)2010年1月初, 在钻孔103.50～207.50 m深度范围内, 最大水平主应力SH为4.33～6.25 MPa; 最小水平主应力Sh为3.33～4.71 MPa; 最大水平主应力SH方向为 N18°W～N26°W, 平均为 N22°W; 其中, 在钻孔98 m深度,SH约为5.30 MPa,Sh约为3.91 MPa。

(2)2013年3月底, 在钻孔98 m深度, 最大水平主应力SH值为6.06～8.73 MPa, 平均为7.56 MPa;最小水平主应力Sh值为 2.17～6.91 MPa; 最大水平主应力优势方位为NE—近EW向。

比较该钻孔不同时段应力测量结果可得, 从2010年1月初至 2013年3月底, 最大水平主应力平均值由 5.30 MPa增加到 7.56 MPa, 增加了近42.6%; 最大水平主应力方向由 NNW 逐渐过渡到NE—近EW向。

5.2 十三陵钻孔附近断层活动危险性分析

在2010年1月初, 在0～210 m深度范围内, 十三陵钻孔附近南口山前断层面上的剪应力与正应力的比值为0.05～0.18, 平均为0.12; 在2013年3月底,在98 m深度, 该比值为0.16～0.24, 平均为0.22; 2个阶段断层面上的剪应力与正应力的比值均小于断层面滑动临界摩擦系数0.6, 理论上, 在现今应力水平下该断层不存在发生黏滑活动的危险, 但其增加的趋势一定程度上表明了该区构造活动有所增强,该现象值得关注。

5.3 讨论

图8 小区域内小震活动分布统计及研究区“M-T”图Fig. 8 Statistic distribution of small earthquakes in each sub-region and “M-T” chart in the study area

图9 小区域内小震活动“M-T”图Fig. 9 “M-T” chart of small earthquakes in each sub-region

本文论述过程中, 主要基于钻孔 98 m深度原地应力测量与实时监测资料, 故地应力监测数据的可靠性直接决定了钻孔在不同时段地应力计算结果的正确性, 进而影响到对该区地震活动危险性的判断。分析认为, 从2011年 8月 3日00:00至 2013年3月31日00:00的地应力实时监测数据基本满足自检条件, 监测数据较客观、可靠, 该台站测量和监测数据所显示出的地应力变化规律一定程度上直观反映出研究区现今构造活动的强度, 因此, 继续加强野外地质调查, 充分利用现有地震地质资料,并深入分析地应力实时监测数据, 对于认识区域内断裂活动、地震危险性及地壳稳定性是有必要的。致谢:衷心地感谢中国地质科学院地质力学研究所王连捷研究员、廖椿庭研究员、陈群策研究员、吴满路研究员、孙东生博士、周能娟博士和秦向辉助理研究员对本文提出宝贵的建议。

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The Application of in Situ Stress Measuring and Real-time Monitoring Results to Analyzing the Fault Activity Hazard at Ming Tombs Borehole in Changping District, Beijing

FENG Cheng-jun, ZHANG Peng, SUN Wei-feng, TAN Cheng-xuan*
Key Laboratory of Neotectonic Movement and Geohazard,Ministry of Land and Resources,Institute of Geomechanics,Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing100081

According to the elasticity of the stress tensors superposition principle, the authors calculated the stress state in different periods at the borehole drilled at Ming Tombs, Changping District, Beijing, attempting to apply the data obtained by in-situ stress measuring and monitoring. Based on the frictional sliding criteria, this paper deals with the sliding of piedmont Nankou fault near the borehole, which serves as an important implication for understanding the seismic hazard in this region. The in-situ stress results show that, at the stages of early January,2010 and March 31, 2013, the average maximum horizontal principal stress was respectively 5.30 Mpa and 7.56 MPa, showing an increasing trend; the direction of maximum horizontal principal stress was gradually converted from NNW to NE–nearly EW. The ratio between shear stress and normal stress on the fault plane revealed that, at the stages of early January, 2010 and the end of March, 2013, the average ratio was respectively 0.12 and 0.22 at the depth of 98 m, which didn’t achieve the threshold sliding friction coefficient 0.6 of the fault.However, the increasing trend of the average ratio indicates that the tectonic activity in the region may increase to some extent. The phenomenon deserves further attention.

Beijing region; in-situ stress measurement; in-situ stress real-time monitoring; frictional sliding criteria; seismic hazard

P315.727; P553

A

10.3975/cagsb.2014.03.10

本文由中国地质调查局地质矿产调查评价专项“首都圈地区关键构造部位深孔地应力测量监测与地质安全评价”(编号: 12120113012100)与国土资源部公益性行业科研专项“我国东部沿海核电站区域地壳稳定性与地质灾害研究”(编号: 201211096)联合资助。

2013-09-25; 改回日期: 2014-01-07。责任编辑: 魏乐军。

丰成君, 男, 1985年生。博士研究生。主要从事构造应力场方向研究。E-mail: fcj19850718@163.com。

*通讯作者: 谭成轩, 男, 1964年生。研究员, 博士生导师。主要从事构造应力场方向研究。E-mail: tanchengxuan@tom.com。