引言

地球深部探测是探测人类居住的地球内部的结构和组成，为地质学家和地球物理学家更好地了解地下的物质、 结构和动力过程提供科学的现实资料． 地球是人类居住的唯一场所，为人类提供了生活必需的粮食、 水、 能源和矿产资源； 同时也给人类带来火山、 地震、 海啸等自然灾难(董树文等，2010)． 通过水压致裂原地应力测量和地应力长期监测，可以获得地应力状态及其随时间的变化，为研究断裂活动与地震提供基础科学数据．

汉中盆地西缘位于龙门山断裂带北段与秦岭南缘断裂带的结合部位，2008年5月12日汶川M_S8.0地震发生后，截止到2010年6月30日，沿NE方向的龙门山断裂带共发生了M≥4.0的余震316次． 余震总体从汶川M_S8.0地震震中区向青川和宁强方向迁移，即余震从龙门山断裂带的中段向东北段方向迁移． 该地区是否还会发生强烈地震成为引起社会关注的重要问题(陈立春等，2008; 杨晓平等，2008)．

地震的孕育与发生是地壳构造应力作用的结果，是现今地壳运动的一种表现形式． 在所有各种地球物理量中，应力(应变)变化与地震有着最直接的联系． 查阅相关文献和资料(谢富仁等，2007)，汉中盆地是实测地应力数据空白区． 并且汉中盆地西缘作为龙门山断裂带东北段末端向汉中盆地的构造转折地区，是研究汉中盆地稳定性的主要窗口，因此我们选择汉中盆地西缘和龙门山断裂带作为地应力实测区域． 本文主要介绍汉中盆地南郑县两个钻孔水压致裂地应力测量结果和区域地质概况，并对测试结果进行分析研究．

1.   区域地质背景

汉中盆地东西长约116 km，南北宽约5—25 km，盆地总面积为2700 km²，为椭圆形山间断陷盆地． 长江最大支流汉江发源于其北部和西部的秦岭山区，区内流经126 km．

汉中盆地在大地构造位置上位于华南块体的西北边缘，西与松潘地块相连，北与秦岭褶皱带毗邻，是夹持于北边的深大断裂与南部盆缘断裂之间的新生代断陷盆地． 汉中盆地北侧以古生代地层为主，并有大规模中生代花岗岩侵入． 在盆地西北角有长条状侏罗系地层出露，不整合在南侧的古生代地层上，与北侧的古生代地层成断层接触． 盆地南侧为元古宙酸性岩体，即汉南杂岩，岩体风化后地貌上以低矮的丘陵为主． 盆地内的新生代地层未见底，靠近上部的地层以河湖相沉积为主，主要为泥质岩、 砂岩和泥质砂岩，部分夹砾石层(樊春等，2008)．

在新构造运动时期，汉中盆地北部受秦岭的快速隆升和南部米仓山的隆升作用，盆缘断裂发生了新构造运动继承性的活动，致使汉中盆地的基岩发生了大小不等的断块状断陷及隆起运动． 区内活动断裂发育，主要有龙门山后山断裂带东北段的青川断裂、 汶川—映秀断裂带东北段的茶店—林庵寺断裂、 秦岭南缘断裂带的勉县—洋县断裂． 青川断裂在汉中盆地西北区域进入汉中盆地消失，勉县—洋县断裂控制着盆地的北缘(图 1)． 从图 1可以看出，整个汉中盆地的断裂活动和地震活动主要受控于盆地西部的几条大断裂，因此在盆地西缘进行地应力测量具有重要的意义．

图  1  汉中盆地及周边地区活动断裂和DEM影像图

Figure  1.  Map of active faults and DEM image of Hanzhong basin and its surrounding area

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汉中盆地及周边地区地震活动频繁，历史上曾发生过几次中强地震(表 1)，其中最近的为南郑县1967年8月20发生的M5.0地震，震中位于南郑县西(33°00′N，106°48′E)，震中烈度Ⅵ度，宏观震中在南郑钢厂、 大河坝一带(32°55′N，106°44′E)陕西省地震队分析组汇编. 1973. 陕西省地震目录(公元前1177年—公元1972年)： 42.． 《中国近代地震目录》(中国地震局震害防御司，1999)中定其震级为M4.8，震中烈度Ⅵ度，震中为陕西南郑县西南(32.7°N，106.8°E)．

表  1  汉中盆地及周边地区地震目录

Table  1.  Earthquake catalogue for Hanzhong basin and its surrounding area

序号	发震日期	震 中 位 置		震级	地点
	年-月-日	纬度/°N	经度/°E
1	1635-10-26	33.20	107.50	5.5	陕西洋县
2	1636-00-00	33.10	107.00	5.5	陕西汉中
3	1908-00-00	33.50	106.00	5.5	陕西略阳县西北
4	1927-00-00	33.30	106.20	4.75	陕西略阳县南
5	1967-08-20	32.70	106.80	4.8	陕西南郑县西南

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通过对区域背景的分析，可知研究区及周边新构造活动强烈，活动断裂发育，有中强地震发育的背景． 根据水压致裂测试要求，选取汉中盆地西缘的花岗岩体作为地应力测量和监测的目的区．

2.   汉中盆地水压致裂地应力测量

2.1   水压致裂原地应力测量方法简介

水压致裂法是国际岩石力学测试技术专业委员会推荐的进行岩体应力测量的主要方法之一(Haimson，Cornet，2003)． 目前，该技术方法被广泛应用于水利水电工程、 深埋铁路和公路隧道、 核废料处置及石油战略储备库场址选择等重大工程建设的勘测设计中，并在地球动力学基础研究以及地震预测研究等领域也得到了重视和应用，获得了一系列重要的研究成果(李方全等，1982； Zoback，Healy，1992； 李方全，2010； 陈群策等，2010)．

利用水压致裂方法开展地应力测量，需要将特制的跨接式封隔器置放于待测深度，利用地面高压水泵向封隔器内注水加压使其膨胀并紧贴于孔壁，再用高压水泵向试验段内持续注水加压，直至将岩体压裂，同时利用地面数据采集系统记录整个压裂过程的压力与时间的关系曲线． 图 2是测量系统示意图． 根据压裂曲线可直接得到岩体原地的破裂压力、 裂缝的重张压力、 关闭压力和岩体原地抗拉强度等参数． 在水压致裂参数的解释中，破裂压力和关闭压力值由原地测量获得，误差较小． 根据水压致裂原地应力测量理论，关闭压力即等于测段处最小水平主应力，而最大水平主应力的量值则需要通过以下公式计算得出：

式中，S_h，S_H，S_v分别是最小和最大水平主应力及垂向应力； p_s，p_r分别为关闭压力和重张压力，可由压力与时间的记录曲线上直接判读和计算获得； p₀为测段处的孔隙压力，一般情况下等同于测量段深度静水位的水柱压力； ρ，g，h分别为岩石容重、 重力加速度和测段处上覆岩石埋深．

图  2  水压致裂应力测量系统

Figure  2.  Measuring system for hydrofracturing in-situ stress measurement

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为保证测试和计算结果的可靠性，其关键压力参数p_s的取值按照最新颁布的测试技术规范(Haimson，Cornet，2003)，每个测段的关闭压力取值均采用两种方法，即单切线法和dt/dp方法．

2.2   南郑县水压致裂地应力测量

地应力研究项目组于2010年8月，在龙门山断裂带东北端与汉中盆地西缘过渡带的南郑县武家沟村，元古宙花岗岩体两个钻孔中进行了水压致裂地应力测量与监测工作． 钻孔编号为ZK₁和ZK₂，两个钻孔相距约33 m，深度均为300 m． 之所以在如此近的距离安排两个钻孔，目的是对钻孔应变仪监测的应变进行对比分析，以评估监测仪器的长期稳定性和数据资料的可靠性．

ZK₁孔孔口坐标为32°51′56.1″N、 106°49′32.5″E，深度300 m，静水位12.80 m，测试孔径φ为75 mm． 在ZK₁孔79.00—256.30 m深度内取得11段测量资料． 测量曲线标准、 规范见图 3a所示． 表 2是压裂参数与主应力测量结果． 由表 2可见，最大水平主应力值为5.69—10.29 MPa，最小水平主应力值为4.00—7.63 MPa. 由上覆岩层厚度估算的垂直主应力值约为2.18—7.03 MPa，3个主应力的大小关系大致为σ_H >σ_h >σ_v． 印模试验结果显示最大水平主应力为N53°W—N77°W(图 4)．

图  3  ZK₁孔(a)和ZK₂孔(b)测量曲线

Figure  3.  Measured water pressure variation in the boreholes ZK₁(a) and ZK₂(b)

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表  2  水压致裂原地应力测试结果

Table  2.  Results of hydrofracturing in-situ stress measurement

孔号	测段深度/m	压 裂 参 数						主 应 力 值			破裂方向
		pb/MPa	pr/MPa	ps/MPa	pH/MPa	p0/MPa	T	σH/MPa	σh/MPa	σv/MPa
ZK1	79.00－79.60	11.32	7.16	4.95	0.77	0.65	4.16	7.05	4.95	2.18	N80°E
	84.04－84.64	8.30	6.18	4.62	0.82	0.70	2.12	6.99	4.62	2.31	N29°W
	95.74－96.34	7.38	4.71	4.12	0.94	0.81	2.67	6.83	4.12	2.63
	105.00－105.60	9.62	7.37	5.02	1.03	0.90	2.25	6.78	5.02	2.88	N19°E
	140.00－140.60	7.84	5.07	4.00	1.37	1.25	2.77	5.69	4.00	3.85
	155.02－155.62	11.84	7.13	5.24	1.52	1.39	4.71	7.19	5.24	4.26	N77°W
	200.70－201.30	12.70	10.75	7.63	1.97	1.84	1.95	10.29	7.63	5.52
	219.35－219.95	6.96	6.36	5.49	2.15	2.02	0.60	8.09	5.49	6.02
	229.13－229.73	14.43	9.71	6.95	2.25	2.12	4.72	9.01	6.95	6.30	N53°W
	241.20－241.80		10.12	7.15	2.36	2.24		9.10	7.15	6.62
	255.70－256.30	11.02	8.21	6.71	2.51	2.38	2.81	9.53	6.71	7.03
ZK2	45.20－45.80	17.62	6.14	4.84	0.44	0.42	11.48	7.96	4.84	1.25
	82.70－83.30	7.74	4.51	3.81	0.81	0.79	3.23	6.13	3.81	2.28
	112.50－113.10	18.70	5.30	4.80	1.10	1.08	13.40	8.02	4.80	3.10	N70°W
	173.70－174.30	18.50	11.50	10.90	1.70	1.68	7.00	19.52	10.90	4.78	N61°W
	214.70－215.30	17.06	9.50	8.35	2.10	2.08	7.56	13.47	8.35	5.91
	220.70－221.30	14.66	7.06	6.86	2.16	2.14	7.60	11.38	6.86	6.08
	230.20－230.80	15.38	7.46	7.26	2.26	2.24	7.92	12.08	7.26	6.33
	235.20－235.80	15.90	7.60	7.30	2.30	2.29	8.30	12.02	7.30	6.47
注： pb为岩石原位破裂压力， pr为破裂重张压力， ps为瞬时关闭压力， pH为试段水柱压力， p0为试段孔隙压力， T为岩石抗拉强度， σH为最大水平主应力， σh为最小水平主应力, σv为估算垂直应力(岩石密度为2.80 g/cm3)．

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图  4  水压致裂地应力测量印模图

Figure  4.  The rubber impressions of hydrofractured borehole walls

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ZK₂孔位于ZK₁孔西约33 m． 孔口坐标为32°51′56.9″N、 106°49′33.3″E，深度293 m，孔径91 mm，静水位2.7 m，测试孔径φ为75 mm． 在45.20—235.80 m深度内取得了8段测量资料，测量曲线如图 3b所示． 测量结果见表 2． 表 2数据表明，该孔最大水平主应力值为6.13—19.52 MPa，最小水平主应力值为3.81—10.90 MPa，由上覆岩层厚度估算的垂直主应力值约为1.25—6.47 MPa． 3个主应力关系大致表现为σ_H >σ_h >σ_v． 印模确定最大水平主应力的方向为N70°W和N61°W(图 4)．

3.   测量结果分析与讨论

3.1   研究区地应力状态

3.1.1   主应力量值及其相互关系

在两个钻孔45.20—256.30 m深度内共得到19段水平主应力测量数据，其最大水平主应力值为5.69—19.52 MPa，最小水平主应力值为3.81—10.90 MPa，垂直主应力值约为1.25—7.03 MPa． ZK₂孔在173.70—174.30 m深度上的应力值比较高，最大水平主应力值为19.52 MPa，最小水平主应力值为10.90 MPa． 在ZK₂孔113—216 m地层内节理裂隙比较发育，只有深度174 m附近为完整坚硬的厚层花岗岩. 分析认为，ZK₂孔节理裂隙发育层段释放的应力，在完整坚硬的厚层花岗岩层段内得以积累，产生了局部应力集中，故173.70—174.30 m深度内测量的应力值比较高．

在测量深度内3个主应力之间的关系为S_H>S_h>S_v，水平主应力占主导地位，垂直应力为最小应力，该应力状态有利于逆冲断层活动． 由图 1可见，测量钻孔附近大量逆断层和挤压褶皱表现出了与其一致的特征．

3.1.2   主应力分布规律

国内外大量的地应力测量结果表明，地应力有随深度的加深而增大的趋势． 由于本次测量的两个钻孔相距较近，且测试载体均为岩性一致的花岗岩体，因此把两个钻孔数据可以合在一起来分析． 图 5是ZK₁和ZK₂两个钻孔水平主应力随深度变化图. 由图 5可以看出，最大水平主应力与最小水平主应力随深度增加均呈增大的趋势． 对图 5中的水平主应力值进行线性回归分析，得到水平主应力随深度变化的线性方程式为

式中，σ_H和σ_h分别为最大和最小水平主应力值； H为测量深度，单位为m； R为线性相关系数．

图  5  ZK₁和ZK₂孔应力值随深度变化

Figure  5.  Variation of the measured stress with depth for the boreholes ZK₁and ZK₂

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3.1.3   主应力方向

前人(邓起东等，1994； 龙思胜，赵珠，2000； 安其美等，2004； 郭啟良等，2009； 张致伟等，2009； 吴满路等，2010)通过不同方法获得龙门山地区现代应力场的主压应力轴方位为WNW—近EW向，但是汉中盆地内部却表现为近NS向的伸展应力环境(樊春等，2008)．

ZK₁钻孔5个主应力方向的测量结果中，有两段位于NNW向，数据相对比较离散，可能在测试段存在原始裂隙或其它原因所致． 其它3个数据为N80°E、 N53°W和N77°W． ZK₂钻孔得到最大水平主应力方向为N61°W和N70°W，与ZK₁钻孔所得方向基本一致． 显示了研究区处于ENE或WNW方向的水平挤压应力场作用．

3.1.4   地应力与断层摩擦滑动

断层的地应力状态与断层活动性之间有着密切的关系. 研究结果表明，当最大、 最小和垂直3个主应力的关系分别为S_H>S_h>S_v、 S_H>S_v>S_h和S_v>S_H>S_h时，分别有利于逆断层、 走滑断层和正断层活动(李方全，1994)． 根据两个钻孔水压致裂测量结果，普遍存在σ_H >σ_h>σ_v，即S_H>S_h>S_v，显示目前地应力状态有利于逆断层活动． 这一结果与彭华等(2009)、 郭啟良等(2009)在龙门山断裂带东北段所取得的原地地应力结果非常一致．

库仑准则指出，如果断层面上的剪应力τ≥滑动摩擦阻力μσ_n，则断层出现滑动. 其中，μ是根据试验确定的断层“摩擦系数”，σ_n是断层面上的正应力． 用主应力改写库仑准则，并引入有效应力的概念，则最大与最小主应力之比可以简单地表示为“摩擦系数”的函数，即

式中，p₀为孔隙压力； σ₁，σ₃为外围最大与最小主应力．

若最大有效主应力与最小有效主应力之比小于此值则断层面稳定，若大于或等于此值则断层沿方位合适的面可能发生活动. 其中，方位合适的面是指断层面的法线方向与最大主应力的夹角φ的面. φ与μ的关系用下式表达(张伯崇，1996)：

Byerlee(1978)综合各种类型的岩石试验资料得出，在应力值小于100 MPa 时，大部分岩石的μ值为0.85． 张伯崇(1996)对三峡地区花岗岩、 灰岩和砂岩进行三轴摩擦试验结果得出，在正应力小于150—250 MPa 范围内，岩石摩擦强度的下限大体为τ=0.65σ_n，上限为τ=1.10σ_n，平均τ=0.85σ_n，认为μ取0.6—1.0是合理的. 其结果大体与Byerlee(1978)的结论一致．

对逆断层进行分析时，σ₁=σ_H，σ₃=σ_v． 将μ=0.6和1.0代入式(3)计算得： σ_μ=0.6=3.12σ_v，σ_μ=1.0=5.83σ_v． σ_μ=0.6，σ_μ=1.0为逆断层活动时最大水平主应力临界值的下限和上限，将σ_μ=0.6，σ_μ=1.0与地应力3个特征分量绘制于同一坐标系中，即可进行断层活动性分析(Zoback，Healy，1992； 安其美等，2004； 陈群策等，2010)．

从图 5可以看出，除少数个别点外，两个钻孔的地应力值尚未达到断层活动需要的应力值下限，表明该段断裂基本处于相对稳定状态．

3.2   研究区构造动力学环境与地震活动分析

汉中盆地位于华南块体的西北边缘，其北为变形复杂的近东西向秦岭造山带，西南为走向近NE--ENE的龙门山断裂带． 秦岭山脉在新生代快速隆升，使汉中盆地发展成为新生代的山间断陷盆地． 龙门山断裂带由于受青藏高原的侧向挤压，新构造活动强烈，成为我国南北构造带(地震活动带)的一部分，2008年汶川M_S8.0大震就发生在其上． 汶川地震发生后，其破裂带有向汉中盆地迁移的趋势，这就加大了对汉中盆地地震危险性的注意．

根据对临近区域微震活动统计，汉中盆地及周边区域在2010年7月—2011年7月发生300多次微震，这也符合张春生等(2004)给出的汉中盆地地震活动的特性． 汉中盆地基本上未发生过M6.0以上的破坏性强震，大多数M5.0左右的地震都是伴随着周边地区强震的发生而发生，反映了汉中盆地历史地震的发生一般都是受周边强震后构造或地应力调整的影响． 本次测量出现了局部应力集中现象，导致个别深度段上的地应力值比较高，但总体上应力水平偏低． 本次的测量结果与汶川地震后在映秀、 广元等地的测量结果(郭啟良等，2009； 吴满路等，2010)相比较，在相同和相近深度上的应力值相差不大．

前已述及，汉中盆地和龙门山断裂带东北段具有特殊的构造关系． 汶川M_S8.0大震后，在龙门山断裂带东北段的平武、 青川等地区仍发生多次M3.0地震，甚至M5.4地震(2011年11月1日，四川青川县与甘肃文县交界(32.7°N，105.3°E))． 本次的地应力测量结果似乎反映出汶川地震后，在区域应力场控制下，汉中盆地西缘应变能仍在调整过程之中． 因此认为，近期本区发生较大地震的可能性不大． 由于本次测试钻孔较少，要对汉中盆地的地震危险性作出科学评价，需要进行长期的应力监测，并结合其它地球物理特征进行综合分析研究．

4.   结论

本次地应力测量填补了汉中盆地原地地应力资料的空白，为认识汉中盆地现今地应力状态，以及防震减灾工作提供了地应力数据资料．

1)在汉中盆地西缘300 m深度内最大水平主应力值为5.69—19.52 MPa，最小水平主应力值为3.81—10.90 MPa，垂直主应力值约为1.25—7.03 MPa． 水平主应力占主导地位，垂直应力为最小应力，主应力之间的关系为S_H>S_h>S_v. 该应力状态有利于逆断层的活动．

2)汉中盆地西部现今应力方向为WNW或近EW向．

3)汉中盆地及其西部地区在汶川震后仍处于构造应力调整阶段，总体相对稳定．