大陆科学钻探与深井地球物理长期观测研究最新进展

随着地球系统科学研究的深入开展以及解决人类所面临的环境、资源、防灾等科学问题的需要,20世纪90年代以来,世界大陆、大洋科学钻探工程研究以及在钻孔深井内进行的地震、地球物理长期观测得到飞速发展,并取得了初步的观测研究成果。本文介绍了日本、德国、美国在深井长期观测方面的最新进展和科研成果,结合中国现实情况,展示了中国大陆科学钻探工程江苏东海现场开展深井地球物理综合观测的初步方案及其观测研究前景。该深井观测站将成为中国第一个无地面干扰的综合性深井地球物理和流体长期实验观测站,预期可以获取客观真实的深井综合地球物理资料,开创中国零干扰条件下地球科学观测研究的崭新局面。     

深井地震、地球物理长期观测与研究--现代地球科学的新进展

地球科学是以观测为基础的综合科学。随着地球科学研究的深入发展以及解决人类所面临着的环境、资源、防灾等科学问题的需要,20世纪90年代以来,世界大陆、大洋科学钻探工程研究以及在钻孔深井内进行的地震、地球物理长期观测得到迅速发展,取得了令人瞩目的研究成果,成为21世纪地球科学发展中的新热点。     

深井地壳活动综合观测技术略谈

岩石圈在地球内动力作用下,塑造出不同类型的地球表面形态,而通过钻孔地壳活动综合观测技术捕捉地壳应力状态及其动态变化规律,是人类认识地球内动力过程、研究内动力地质灾害机理的重要途径。文章总结了日本、美国等发达国家以及IODP国际合作研究计划在发展钻孔地壳活动综合观测技术方面的贡献,并对中国钻孔应变观测技术及其观测仪器发展历程、研发现状进行了系统性的总结,尤其是“十三五”以来,在深地深海探测国家战略的大背景下,中国地质调查局、中国地震局等单位相继完成井中综合地球物理观测系统研发工作,并在陆域综合观测站中完成野外验证。其中,中国地质科学院地质力学研究所利用系统集成关键技术成功研制的地壳活动综合地球物理观测系统,拥有应变、倾斜、地震、地磁、地温、孔隙压等多种传感器和15个分量,具备观测地壳变形、应力、应变、倾斜、地震及其诱导的地温、水文、地电、地磁等岩石圈地球动力相对变化的能力,已在甘肃山丹（安装深度253 m）、四川平武（WFSD-4,1600 m）观测站投入使用,取得了一定的成效,对中国未来突破3000 m深井地壳活动综合观测技术具有指导意义,可为地球动力学研究、深部矿产和地热资源安全开采...     

基于光纤传感的多参量地震综合观测技术研究

面向地震综合观测需要,自主研制了窄线宽光纤光栅谐振腔,并将其作为核心传感元件,发展了一种基于有效腔长的光纤应变、地震波和温度多参量同步测量新方法。采用边带扫频激光技术实现了高精度多参量光纤信号同步解调,研制出了光纤地壳形变、地震与温度多参量探头,并开展了多参量地震综合观测实验。实验结果表明,所研制的光纤多参量传感系统应变与温度测量分辨率分别达到4.7×10^-10和6×10^-5℃,能够同时记录到清晰的固体潮汐信号、地震波信号以及环境温度扰动,有望为多参量地震同步观测提供先进的技术手段。     

放射虫现代生态学的研究进展及其应用前景--利用放射虫化石揭示古海洋、古环境的基础研究

放射虫以其不易溶解的硅质壳体在古海洋、古环境研究中起着不可替代的作用,其种类组合与海洋物理、水文环境有着很好的对应关系。随着放射虫在古海洋环境研究中的广泛应用以及研究手段的改进,放射虫现代生态学研究在世界各大洋得到了广泛开展。中国加入综合大洋钻探计划,势必会加快[JP2]我国古海洋学的研究步伐,放射虫作为海洋微体古生物中的一个重要类群,其生态学知识是重建古海洋、古环境的基础。因此,有必要向我国学术界提供放射虫现代生态学的研究成果及最新发展趋势,促使我国放射虫的研究与国际接轨,以提供更多的古海洋、古环境替代性指标。     

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

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。     

探索首都圈地区深孔地应力测量与实时监测及其在地震地质研究中应用

为提高首都北京的地质安全,在探索首都圈地区深孔地应力测量与实时监测在地震地质研究中应用思路方法的基础上,制定首都圈地区深孔地应力测量与实时监测总体规划,通过不同关键构造部位深孔地应力测量、实时监测以及测量监测结果的对比分析,揭示首都圈地区地壳浅表层现今地应力环境,捕捉中强地震发生的地应力前兆异常。平谷地应力实时监测台站全程记录了2011年3月11日日本9.0级大地震及其前后地应力大小和地下水位相对变化,尤其是大地震发生的前兆应力变化,为地震地质研究积累了宝贵的数据。通过首都圈地区不同关键构造部位地应力测量与实时监测数据的对比分析及2012年和2013年唐山及其周围地区地震发震背景的综合研究,发现唐山—滦县—昌黎一带,尤其是昌黎地区,现今构造活动异常,需要重点关注其未来发展趋势。     

山东招远水旺庄金矿深部地应力特征及其岩爆倾向性分析

通过山东省招远市水旺庄金矿1881.08 m深孔水压致裂原地应力测量,获取了矿区深部地应力特征及其随深度的变化规律。结果表明：该矿区最大主应力随深度增加具有呈线性增大趋势,800.00 m以浅原位地应力状态以水平应力为主,随深度增加铅直主应力逐渐过渡为最大主应力;其中,最大水平主应力为11.22～45.69 MPa,最小水平主应力为7.28～36.17 MPa,铅直主应力为8.44～48.27 MPa,最大水平主应力方向为北西西向。根据该矿区应力量值及其最大水平主应力方向,分析了深部矿体地应力特征,水旺庄矿区深部地应力在招远−莱州地区属于一般偏低水平。结合钻孔岩芯岩石力学参数,基于工程岩体分级标准及岩石块体弹性应变能理论,对高围压环境下深部矿体开挖过程中,地下巷道发生岩爆的倾向性进行了分析讨论,水旺庄金矿总体属于无岩爆或弱岩爆的地层,但局部如1102.78 m、1379.40 m深度存在强烈岩爆倾向性,金矿矿体所处的1680.40~1684.90 m深度大体位于无岩爆区域。上述研究成果可为深部矿山建设与开采设计提供重要的科学依据。     

煤田钻探深水位钻孔施工体会

通过管外注水、调整泥浆添加剂及其它措施,解决煤田钻探深水位钻孔钻杆润滑和冷却以及烧钻等问题,取得成功的经验。解读钻探施工常规方法的适用性和遇到特殊情况的应变和突破思维以及由此带来的体会和启示。     

淮南矿区深部地应力场特征研究

利用水压致裂法和套孔应力解除法对淮南矿区-500～-1 000 m深度范围内的12个矿井进行了地应力测量,取得了19个有效测点的数据。数据分析表明：（1）淮南矿区深部地应力场以水平应力为主,构造应力占绝对优势,属于典型的构造应力场类型;（2）地应力量级属高应力水平;（3）垂直主应力、最大及最小水平主应力随深度的增加均呈增大趋势;（4）侧压系数 随深度增大而减小,地应力场有从大地动应力场型向准静水压力场型过渡的趋势;（5）侧压比 的回归曲线分布于Hoek-Brown内外包线带内,且变化趋势与Hoek-Brown曲线相似,但与Hoek-Brown曲线相比,回归曲线 值偏小;（6）最大水平主应力与最小水平主应力的比值范围为1.12～2.02,其中68.42%的测点分布在1.67～2.02之间;（7）最大水平主应力方位为NEE－EW向。最后探讨了淮南矿区地应力与地质构造的关系,分析认为,矿区最大主应力方向与构造运动密切相关,矿区现今构造应力场最大主应力方位与实测最大水平主应力方位大致吻合。     

钻探物探一体化方法在矿井水害精细探测中的应用

针对物探技术在矿井水害探测中利用钻孔效率不高的问题,提出钻探物探一体化方法,即在钻探成孔时采用钻柱振动录井技术,在成孔后再利用孔中物探技术对井孔地质情况进行判定。钻探时的振动录井技术可以直观、可靠的定位钻孔中岩性变化和构造变化的位置,成孔后的孔中电磁法技术和地震超前探测技术可以定位孔中岩性变化和异常反射位置,进而准确的定位孔中的地质异常。实例表明:该方法可以准确查明孔中及钻孔周围存在的富水区和导水通道,有效的达到对矿井水害的精细探测。     

川西郭达山隧道水平孔地应力测量与工程意义

新建川藏铁路穿越鲜水河活动构造带,沿线构造应力场极其复杂,隧道围岩工程破坏问题突出。为了揭示该区构造应力场特征,为深埋隧道设计、施工提供基础参数,采用新型水压致裂地应力测量系统在川西郭达山隧道水平孔获得10段有效地应力测量数据,最大测量深度达508.10 m,创造了水平孔地应力测量最深记录。测量结果表明,在148.4~508.1 m测量深度范围,郭达山隧道水平孔截面上最大主应力值为3.59~13.72 MPa,最小主应力值为3.28~8.36 MPa。根据印模实验结果,除浅部钻孔截面上最大主应力倾角较大外,深部钻孔截面上最大主应力倾角近水平。根据地应力状态将0~280 m段划分为应力释放区,280~330 m段为应力集中区,大于330 m段为原地应力区。基于地应力测量结果对郭达山隧道水平孔围岩稳定性进行了预判分析,在孔深292.9 m、508.10 m处隧道围岩有轻微至中等程度岩爆可能,其余段无岩爆可能性。     

深部三维地应力实测与巷道稳定性研究

原始地应力是地下工程围岩稳定与支护结构设计的一个基本参数。在唐口煤矿井下回风石门、西翼辅助运输石门等不同构造部位的3个测点采用空心包体应力解除法进行了现场地应力的实测工作,测点的埋深达1 024～1 030 m。详细介绍了三维地应力及其主应力的计算原理,并根据矿区实测地应力资料,分析了矿井地应力大小、方向变化和分布特征,进而获得了该矿区地应力的定性及定量资料,初步分析了地应力对巷道稳定性的影响,为巷道的合理支护结构设计提供了可靠依据。