山西沁水盆地现今地应力特征

房璐 ，王硕 ，徐珂 ，张效恭

（1.中国石油塔里木油田分公司勘探开发研究院，新疆 库尔勒 841000；2.中国石油新疆油田分公司勘探开发研究院，新疆 克拉玛依 834000；3.中国石油大学（华东）地球科学与技术学院，山东 青岛 266580）

0 引言

沁水盆地位于山西省东南部，总体为近南北向的长轴状复式向斜，盆地内地势起伏较平缓，只有边缘局部地方地势较陡。沁水盆地孕育了丰富的煤炭资源，是我国重要的煤炭生产基地和煤层气高潜力地区［1-2］。

相关学者曾经利用地震资料，根据震源机制解释结果，对山西地区现今构造应力场进行了较详细地阐述［3-4］，后又进行基于有限元法的二维平面应力场数值模拟［5-6］。随着煤层气产业的兴起，近年来关于沁水盆地构造演化史［7］、热演化史［8-9］，以及煤层气富集、成藏规律及开发［10-12］等方面的研究取得了一定成果，只是少有研究涉及现今构造应力场的方面。

秦勇等［13］及孟召平等［14］对沁水盆地南部煤层气产区的地应力进行过比较系统分析，但其余区块的应力状态研究相对滞后。康红普等［15-16］结合多个煤矿井下的地应力数据，通过分析、计算，对各个矿区及盆地整体的地应力状态有了一定程度的认识，但是只限于地壳浅层的描述，并且缺乏多种地质因素（断层、褶皱等）对地应力具体影响方式的综合性分析探究。

本文在前人研究基础上，首先利用多处地应力测试资料，建立应力参数随深度变化的回归关系式，对沁水盆地地壳浅层（深度小于700 m）的现今地应力状态进行研究分析；然后，针对15#煤层的现今应力状态进行重点研究，利用三维有限元数值模拟，综合分析了地应力参数在15#煤层平面的分布规律；最后，结合深部应力资料对沁水盆地更深部（2 000～4 000 m）的地应力特征进行描述分析，研究沁水盆地现今地应力特征，探讨地应力分量和应力系数在平面和深度上的规律。

1 井点地应力分布特征

沁水盆地7个煤炭矿区和煤层气开发区块的多处应力测试资料见表1［9-20］。

表1 沁水盆地部分区块和矿区的现今地应力方向

目前，主要利用地应力分量与深度的关系及应力系数（最大和最小水平主应力比值、侧压力系数、最大水平应力系数、最小水平应力系数等）与埋深的关系来展现地应力随深度变化的规律［15-30］，表达式为

式中：σH为最大水平主应力，MPa；σh为最小水平主应力，MPa；σV为垂向主应力，MPa；σxy为最大剪应力，MPa；σ1为水平主应力，MPa；σ3为与 σ1方向垂直的水平主应力，MPa；1为平均水平主应力，MPa；k为侧压力系数；kH/h为最大和最小水平主应力比值；kH为最大水平应力系数；kh为最小水平应力系数。

对采集的井点地应力测试数据，进行回归分析。

最大和最小水平主应力比值的统计结果：小于1.5的比值占整体比值的5.9%，1.5～2.0的比值占整体比值的72.1%，大于等于2.0的比值占整体比值的22.0%。

最大水平应力系数的统计：小于1.0的比值占整体比值的13.2%，1.0～1.5的比值占整体比值的47.0%，1.5～2.0的比值占整体比值的32.4%，大于等于2.0的比值占整体比值的7.4%。

最小水平应力系数的统计：小于0.5的比值占整体比值的9.0%，0.5～1.0的比值占整体比值的73.0%，大于等于1.0的比值占整体比值的18.0%。

侧压力系数的统计：小于1.0的比值占整体比值的36.8%，1.0～1.5的比值占整体比值的50.0%，大于等于1.5的比值占整体比值的13.2%。

地应力σ分量及应力系数与埋深H的关系呈现出一定的规律。最大水平主应力、最小水平主应力与垂向主应力，以及平均水平应力、最大剪应力和平均应力均随埋深的增大而增大，总体呈线性关系（见图1a，1b），随深度的增加，垂向主应力值增加最快。最大水平主应力与最小水平主应力随深度的分布呈现出相似的趋势，拟合的直线近于平行，垂向主应力与深度的线性关系最明显。

图1c—1f反映了各类应力系数随深度变化所呈现出的明显规律性。总体看来，各点的kH/h，k，kH及kh随深度的增加而逐渐集中，除kH/h的边界曲线外，其余曲线类型与中国大陆地壳上部应力状态所得的回归关系式一致［25］。

侧压力系数随埋深增大，呈减小的趋势（见图1d），在小于400 m深度上，k大于1的测点占一半以上，400 m深度以下，k一般不大于1.4，表明在浅层，构造应力所占比重较大，靠近深部，k逐渐向1靠拢，意味着水平和垂直主应力数值逐渐接近，近于相等。

图1 实测地应力数据的分析

世界不同地区地应力量测结果绘出的k与H的内外包络曲线为［23］

中国大陆地壳k与H的内外包络曲线为［24］

沁水盆地k与H的内外包络曲线总体相似，数值略有差异。这是由于不同地域岩性，构造运动等一些地质因素的差异引起的。

kH，kh与深度的变化规律相似（见图1e，1f），kH在深部逐渐集中于1.0左右，kh则向0.6靠近。

2 基于有限元法的应力场数值模拟

实测地应力值表现出的地应力分布规律并不全面，难以反映整个盆地整体的区域应力场全貌。采用约束优化反演的手段，对沁水盆地15#煤层现今应力场进行数值模拟。

2.1 地质模型的建立

模拟研究范围为煤线以内的区域，以沁水盆地15#煤层顶面构造为基础（见图2）。鉴于煤层较为特殊的物性且受顶、底板的影响，地质模型包括煤层及其顶、底板3部分。模型外部建立外包立方体，在地质条件下相当于围岩，以便约束位移及施加边界力，能在一定程度上消除边界条件影响。埋深设定为700～1 300 m［2］。

2.2 力学参数的确定

煤层顶、底板力学参数，由成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室通过单轴压缩变形试验测得［2］。煤层力学参数参考颜志丰等［25］对沁水盆地南部煤层力学试验的结果。断层按断裂带处理，力学参数相对同深度相同岩性地层降低一定的比例［18］，断层弹性模量一般为地层的50%～70%，泊松比一般比正常地层略大 0.02～0.10［27］。表2为本次模型所采用的岩石力学参数。

2.3 网格划分与加载条件

力学参数确定后，进行网格单元划分，选用Solid45单元，将实体模型网格化，断层带的网格稍密，步长为煤层及其顶、底板的1/3～1/2，围岩的网格略稀疏，步长一般为煤层及其顶、底板的2～3倍。

图2 15#煤层顶面构造

表2 岩石力学参数

结合沁水盆地所处的大地构造背景来确定模型的约束及荷载方式。古近纪以来，中国东部受印度、欧亚两板块碰撞的联合作用，对沁水盆地产生了NNE—NE向的局部近水平挤压应力场，这种局部挤压应力场一直持续至今，故在模型之外建立NE34°（NNE—NE取均值）方向的长方体，以便施加相应方向的挤压。

沁水盆地西部吕梁山在10～26 Ma基本定型，至今构造相对稳定，故将模型西面节点采取全约束。自喜山期以来，由于太行造山带的影响，山西地堑受一定程度的右旋剪切应力作用［27］，故在模型东面施加右旋剪切力。模型底面节点则施加铅直方向的约束［2］。

在上述约束条件下，经过多次反演计算，最终确定沁水盆地应力场数值模拟的加载方式（见图3a）。其中北东—南西向的挤压为35 MPa，模型西部边界施加10 MPa的右旋剪切应力。自身重力及上覆岩层重力由ANSYS内置程序按照岩层的密度和重力加速度自动计算。

2.4 数值模拟结果分析

2.4.1 15#煤层

15#煤层最小水平主应力模拟结果显示（见图3b）：全区大部分区域处于挤压状态（负值），应力分布呈圆环状，向斜核部的数值较大，26～31 MPa，向外逐渐减小，盆地边缘应力值较小，不高于10 MPa。极少数处于拉张状态的区域零星分散在边缘较高地势处。应力分布与盆地起伏形态有一定关系，在盆地边缘地势较陡，应力变化快，在盆地内部，特别是盆地中南部地区，地势平坦，落差不大，地应力值的变化也不大。盆地内最小水平主应力方向为NW向。

图3 沁水盆地15#煤层及其顶、底板的模型及应力分布

最大水平主应力与最小水平主应力分布规律一致，同样是呈现圆环状分布，中部向斜核部的应力值大，32.00～40.00 MPa，向外逐渐变小，大部分区域在10.00～35.00 MPa。呈拉张状态的区域几乎没有。最大水平主应力的方向为NNE向。

整个盆地均为挤压状态，向斜核部的应力在60.00 MPa以上，向外递减，大部分区域的应力值在30.00～55.00 MPa，盆地边缘处的应力值在15.00 MPa左右。

2.4.2 顶板和底板

煤层顶板是以正常层序覆盖在煤层上面的岩层，以细碎屑岩和石灰岩为主。煤层底板是下伏于煤层的岩层，一般为黏土岩、泥质岩和粉砂岩等。煤层顶、底板的应力场分布特征与煤层和围岩的有所不同。

顶板的最小水平主应力总体呈环状分布，在向斜核部为1～7 MPa，主要呈挤压状态，在盆地南部及周缘区域呈2～10 MPa的拉张状态。最大水平主应力数值从向斜核部到盆地周缘逐渐减小，核部应力值为28～35 MPa，向外逐渐减至20 MPa，周缘为10 MPa左右，均为挤压状态。垂向主应力在核部为50 MPa以上，向外递减至约30 MPa。煤层底板的各应力分量分布规律与顶板相似，各应力值较顶板低5～10 MPa。

应力系数在平面上的也具有典型的展布特征（见图3e），kH/h，kH，kh呈环状分布。由于沁水盆地现今呈NE向的挤压状态，σH为NNE—NE向，受力时，在浅层水平构造应力比较强烈，尤其在NNE—NE向，故kH在沁水盆地向斜的边缘比较高。向斜核部埋深较大，由于重力逐渐起到了主导作用，kH逐渐变小。

kh分布与kH相反，核部具高值，向边缘降低。kH/h在向斜核部较小，核部地区岩体也表现较为稳定，鲜有断裂发育。在盆地边缘，kH/h较高，特别是东南缘，广泛发育断裂构造。

另外，在沁水盆地西缘断裂带及东南部的寺头断层处，kH和kh的分布出现异常。k在整个沁水盆地的分布表现为以盆地中央呈中心对称，中部向斜核部的系数较低，向盆地北东和南西部位逐渐增大，东西边缘部位表现出更低值。

3 深部与浅层的对比

为更充分展现沁水盆地的现今应力状态，必须对更深部（大于2 000 m）的地应力特征进行分析。借助中国地震局地壳应力研究所录入整理并公开的 《中国大陆地壳应力环境基础数据库》［25，30］和《世界地应力图数据库（WSM）》［23］数据来源，得到了华北现代构造应力场及部分2 000～4 000 m地应力数据。

华北现代构造应力场数据表明，包含沁水盆地在内的山西及周缘地区，现今地应力的方向主要呈NNE—NE向，与数值模拟结果趋势有相同之处。在太原偏西附近的区域构造应力有些杂乱，呈现规律性不强的特性，可能是其周边存在广泛分布的断裂，引起了水平主应力方向发生一些扭转和变化。

将深层地应力数据与浅部实测应力数据绘制在同一张散点图上（见图4）。

由图4可以看出，浅部实测数据能与深部数据呈现很好的拟合关系，但煤层模型的节点地应力数据总体略微偏小，不论与浅部实测数据还是和深部地应力数据都不能很好地拟合。这是由于煤层岩石力学参数和地壳岩石有所差别造成的。

图4 浅层实测、煤层模型及深层地应力数据与埋深的关系

4 结论

1）通过沁水盆地多处地应力实测数据的统计、煤层应力场数值模拟及深部地应力资料的分析，较全面的描述了沁水盆地现今地应力在大尺度上的平面分布特征及浅、中、深部的纵向分布特征。

2）沁水盆地的最大水平主应力方向以NNE—NE向为主。地壳浅层应力分量及应力系数与深度相关性强，地应力方向主要呈NNE—NE及NW向。

3）15#煤层的现今应力场在平面上呈环状分布，向斜轴部分布比较均匀，翼部及断裂发育处的分布比较复杂并出现异常。应力数值在构造轴部（背斜轴部和向斜轴部）较高，翼部较低，最小水平主应力为12.00～31.00 MPa，最大水平主应力为 26.00～42.50 MPa，垂向主应力为 17.00～55.00 MPa。

4）地壳深层地应力的方向和大小与浅层具有一致性和延续性。现今地应力的分布特征受构造形态、断层、埋深的影响十分显著。受构造形态因素的影响，应力值呈环状分布。在向斜核部，应力值较高。断裂处的应力值出现异常低值，方向发生偏转。埋深越大，各主应力值越大，应力系数随着埋深增大，系数值也向某一数值逐渐靠拢。