地质地球所世界范围内地应力研究取得新进展

2010-9-21 16:01 来源: 中国科学院
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  一些异常高的地应力值往往与工程地质问题有关(尽管不是必然的),如塌方、岩爆、软岩大变形等。近几年,为满足日益增长的大型地下洞室的稳定性分析,中国和世界上其他国家应用了不同的方法对地应力进行估算,包括定性和定量分析方法,形成了相应的地应力数据库。世界范围内的21750组数据和中国的5335组数据中,来源于震源机制解方法的数据所占比例最大。

  中科院地质与地球物理研究所工程地质与水资源研究室尚彦军研究员等人重点研究了世界范围内地应力各分量异常值之间的关系。从报告和文献中收集到的比较详细的1142组地应力实测值中,分选出火成岩、沉积岩和变质岩,分别计算出相应的平均水平应力系数k和侧压系数λ(后者在中国地质工程中较多采用)。此外,为更好地理解和估算地应力,他们还把地应力数据和一些异常值的典型实例进行了对比分析。

  研究发现:

(1)由于后期重力卸载和风化剥蚀作用,岩浆岩和变质岩地区浅表地应力表现为相对较高的水平应力和侧压系数,但这种情况却未在沉积岩地区发现;

(2)从世界范围内的地应力值看,超过50MPa的异常值出现在硬岩中,如岩浆岩和变质岩,深度不超过2000m。在一些实例中,最大水平主应力SH值异常的大,在地下洞室中导致岩爆和软岩大变形。在浅表层,稍大的水平应力对洞室顶部的稳定性是有利的。但在埋深大的洞室中,水平应力的影响很复杂,常产生工程地质问题。最典型的例子是二滩隧洞、二郎山和乌鞘岭的隧道,其值分别是29、28和25MPa。这些隧道位于青藏高原的东和东北边缘,处在大峡谷两岸的浅表层或者埋深超过300m;

(3)岩浆岩和变质岩形成于深部,后期风化剥蚀与重力卸载作用下其内形成相对较大的剩余水平应力,导致岩浆岩和变质岩地区的侧压系数λ一般大于沉积岩;(4)垂向应力σv和上覆盖层重力Sv的并不完全相等,应该更加注重在300-1000m范围内两者关系的变化。深度超过1000m,二者呈现出非常明显的差异。如果岩石中的单位深度重力0.027MPa/m,或者一些第四纪沉积盆地中的结果取0.021MPa/m,这会在很大程度上影响侧压系数λ和重力的值。

  该研究成果近期发表在Geosciences Journal(《地球科学杂志》)(Shang et al. Some large values of in-situ stress and related engineering geological problems in China. Geosciences Journal, 2010, 14: 135-153)。