CN113376684B - 一种研究注水诱发地震断层破裂过程实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种研究注水诱发地震断层破裂过程实验方法，通过使用透明类岩石材料制作断层模型，利用喷砂手段模拟不同断层面物理状态，采用高频多场测量(应力、应变、位移)进行断层破裂过程关键参数的计算，在双轴加载系统下向断层面进行注水实验，可以完全“看”到诱发地震从孕育到失稳破裂的全过程，进一步研究注水诱发地震破裂过程的机理，以及不同注水条件下注水诱发地震的特点。本发明对探究注水诱发地震全过程变化提供了技术支撑，为探明诱发地震破裂演化提供了可能。

Description

一种研究注水诱发地震断层破裂过程实验方法

技术领域

本发明涉及地球物理学构造物理技术领域，特别涉及一种研究注水诱发地震断层破裂过程实验方法。

背景技术

近些年来几乎大多数诱发地震都与能源开采过程中的流体注入有关，注水诱发地震已经成为当研究和讨论的一个焦点(Ellsworth.，2013)，并且可能随着工业、能源相关活动的进一步发展而继续深入(Keranen and Weingarten,2018)。比如科罗拉多州丹佛市1967年发生的Mw 5.5地震(Healy et al.，1968；Davis and Frohlich.，1993)，2011年发生在俄克拉荷马州布拉格的Mw 5.7地震(Keranen et al.，2013；Van der Elst et al.，2013；McGarr.，2014；Sumy et al.，2014)和2017年韩国浦项市发生的Mw 5.5地震(Kim etal.，2018；Grigoli et al.，2018)。

注水诱发地震实验存在不同尺度:1)大规模原位实验(千米尺度)，目的是研究不同的注入实践如何影响诱发地震活动的地震特征；2)中等十米尺度，在真实的自然断层上进行注入实验，并伴随着密集的监测网络；3)小尺度实验室注入实验，包括在实验室中对岩石样品进行的实验(厘米尺度)，以研究如何通过地震活动和地震滑动来研究断层的活化过程。其中，室内小型实验室注水实验是研究注水诱发地震最可控的方法，它主要包括研究不同参数(断层粗糙度、应力状态、注入速率、断层渗透率和孔隙度等)对断层活化过程的影响，为了能够连续观察注水诱发地震过程的特点，目前所采用的实验方法多以三轴注水试验为主，样品采用中间预制斜切面和顶端注水孔的圆柱岩石试样，并在外包裹热缩管后进行三轴加载后向断层面注水，通过声发射探头与轴向应力变化监测诱发地震事件信息。由于三轴岩石实验方法已发展较成熟，所以这种传统的注水诱发地震的实验应用广泛。

通过前面分析可知，根据国内外研究现状调研可以发现目前注水诱发地震实验室研究方法多是基于岩石材料与传统的接触式测量方法，其实验步骤与普通三轴试验类似，通过加载端的位移、应力的监测以及声发射信号分析注水诱发地震的过程，然而注水直接诱发地震事件并不是流体注入唯一的影响结果，它有时也会先诱发一些无震滑移之后再加速为较大的地震事件，目前已经在原位注入实验中到(Guglielmi et al.，2015b；Duboeufet al.，2017)以及实际注入活动中(Bourouis and Bernard,2007；Wei et al，2015)被观察到，但上述传统实验测量方法的限制测量方式仅能够采用接触式测量，无法真正“看”到诱发地震破裂的全过程，也无法监测到流体与断层破裂之间的相互作用，所以很难对包含无震滑移等特殊过程的诱发地震全过程进行监测；另外此方法对加工样品与实验条件比较严格，如岩石材料通常加工成孔困难，同时还需要在三轴围压加载的条件下通过热缩管做好防水措施，防止地震信号监测装置受到破坏。这些实验方法的不足之处对进一步研究注水诱发地震的机理造成了阻碍，目前还没有能够全面解决这些问题的改进实验方法。

类岩石材料聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的剪切模量比岩石低(约20倍)，这在用于在较小的实验室样品中实现动态破裂过程具有重要的实验优势，它可以显著降低所有相关等临界长度(如临界裂纹尺寸和破裂成核尺寸)的尺度，而岩石试样通常需要几米以上，这样在实验室条件下能够在几十厘米的样本中研究地震破裂过程，这种材料已经在实验室地震研究中有广泛的应用(Lu et al.，2006；Xia et al.，2004，2005；Mello et al.，2010；Rubino et al.，2015)。这种类岩石材料配合数字图像散斑技术(DIC)非接触式测量方法实现对地震破裂过程进行完整测量。

发明内容

本发明针对传统注水诱发地震实验方法无法捕捉水力扩散全过程(包括注水压力与扩散速度)，无法进一步研究诱发地震过程中破裂与水压力之相互作用关键机制的问题，提供了一种研究注水诱发地震断层破裂过程实验方法。主要应用于注水诱发地震机理研究，其功能是在实验室条件下，利用多场高频测量方法，记录不同注水条件下断层破裂过程与水压力的相互作用，弥补自然科学中研究注水诱发地震破裂全过程研究方法的不足。

为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：

一种研究注水诱发地震断层破裂过程实验方法，包括以下步骤：

第一步：断层模型初步加工与精细处理，初步加工包括：斜切模型与倒角设计，精细处理包括：注水孔、水压力监测腔、断层面粗糙结构；

采用类岩石材料聚甲基丙烯酸甲酯制作特定结构的二维平面断层45°斜切模型，在初加工好的模型上二次加工特定大小的注水压力孔，并在其两侧平行于断层面方向加工多点腔式水压力监测孔，分别进行断层面注水与准分布式压力监测，利用喷砂机进行模型断层面粗糙度处理，配合0.01μm粗糙度仪对断层面粗糙度均一处理；

第二步：布置应力、位移与水压力监测装置：

在模型一面近断层位置等间距布置屏蔽式应变片，同时在模型另一面近断层位置粘贴非接触式测量的散斑，同时在与压力监测孔相连接的矩形腔内布置薄膜式应变片；

第三步：断层模型预应力加载，将断层模型固定于电液伺服双轴加载平台中心位置，对样品施加固定大小准静态载荷，模拟断层构造应力状态；

第四步：利用高精度高压泵采用速率/压力模式向断层面逐步注水，直至断层面破裂发生地震；

第五步：利用应变片与高速摄像机分别测量断层面破裂过程的应变场与位移场；注水诱发地震破裂过程不同时刻t_i位移场的高速相机非接触测量结果，分析计算得到平均破裂速度：

其中t_i为不同时间点，D_i为破裂扩展前端的位置，V_rup为平均破裂速度；

第六步：利用薄膜式应变片与高速摄像机分别测量注水诱发地震破裂过程中的水压场变化与位移场变化；

第七步：改变注水参数与断层面对断层破裂过程的影响，其中包括注水速率、最大压力、注入方式、注水总体积；

第八步：通过应变片与高速摄像机记录的信号，计算诱发地震破裂过程的主要参数，通过理论研究诱发地震过程中水压作用与断层破裂之间主要参数的关系。

所述第一步中类岩石材料二维断层模型初步加工方法如下：根据加载方式需要，模型尺寸确定为51cm*51cm*3cm的大小并在其对角线位置预制45°斜切面将模型一分为二作为断层面，同时四个边角均采用15mm*15mm*30mm的三角形倒角保证加载过程稳定，利用喷砂处理断层面粗糙度，并采用粗糙度仪测定粗糙度大小。

所述第一步中二维断层模型精细加工方法如下：注水孔布置在断层模型下半部分，为垂直于断层面的“Γ”形结构，将断层面与模型一面相连通，其中与断层面直接连接的通道为出水口，尺寸为Φ2mm*6mm，通道口位于断层面中心整体垂直于断层面；与模型表面连通为进水口，尺寸为Φ3mm*15mm，并注水口处安装注水管接口，利用环氧树脂AB胶进行密封，在断层面上以出水口为中心作10mm*1mm*1mm的导流槽。

所述第二步的应力、位移、水压力监测装置布置方法：以注水孔的出水口为中心，在模型上半部分的距离断层面6mm平行断层面布置两个60mm*19mm*3mm矩形腔，使50mm*8mm的薄膜式应变片恰好能在其中位于断层面中线位置，延腔中线靠近断层中心位置每20mm布置一个Φ1mm*6mm的压力监测孔，利用环氧树脂AB胶将薄膜式应变片固定于腔中并标定；模型一面近断层位置1mm以7cm为间距、注水孔位置为中心对称成布置7个屏蔽式应变片，同时在模型另一面近断层位置粘贴非接触式测量的散斑。

所述第三步、第四步模拟构造应力加载并注水诱发地震流程如下：将断层模型放置于双轴加载系统正中位置，通过恒速度加载模式使加载端头与模型完全接触，再通过应力加载模式将水平向力固定为10kN，逐步增加竖向力直至断层发生第一次滑动且竖向力突然下降，随后将竖向力再次增加略低于上次滑动时的力大小，随后向断层面以固定速率/压力注水，直至断层面再次发生滑动，利用震动信号为触发源，采用数字图像散斑技术DIC在断层一面进行地震破裂全过程位移场测量，在模型另一面利用高速摄像机拍摄断层面注水扩散过程，拍摄频率为50kHZ，同时利用薄膜式应变片记录破裂过程连续的水压力变化。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

通过双轴加载系统模拟最高可达300Mpa(～地下15km)的构造应力，可以直观展示出地震破裂过程中断层面上的情况，采用数字图像散斑技术(DIC)在断层一面进行地震破裂全过程位移场测量，在另模型一面利用高速摄像机进行50kHZ的断层面注水扩散过程的观测，同时利用薄膜应变片记录破裂过程连续的水压力变化。

附图说明

图1为本发明实施例断层模型初步加工图；

图2为本发明实施例断层模型精细加工图，

图3为本发明实施例注水诱发地震加载过程示意图，

图4为本发明实施例注水诱发地震破裂过程示意图，

图5为本发明实施例水压监测腔三维透视示意图，

图6为本发明实施例注水诱发地震破裂过程不同时刻(t_i)位移场的高速相机非接触测量结果图；

图7为本发明实施例注水诱发地震过程中不同时刻(t_i)水压力场(P₀)分布图。

附图标记：第一水压监测腔1，第二Γ形注水孔表面端进水口2-1，第三Γ形注水孔断层面出水口2-2，第四准分布式水压监测孔3，第五断层面引流槽4；第一双轴加载系统5，第二高精度注水泵6，第三高压注水管7，第四非接触式测量散斑8，第五屏蔽式应变片测量系统9(位于后面)，第六准分布注水压力监测系统10；第一注水诱发破裂起点11，第二断层面错动方向12，第三水流扩散方向13，断层面错动距离14；第一准分布式压力监测孔15，第二矩形压力监测腔16。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下根据附图并列举实施例，对本发明做进一步详细说明。

一种研究注水诱发地震断层破裂过程实验方法，步骤如下：

第一步：断层模型初步加工与精细处理，如图1所示，初步加工包括斜切模型与倒角设计，如图2所示，精细处理包括多个特殊结构包括注水孔、水压力监测腔、断层面粗糙结构；

采用透明类岩石材料聚甲基丙烯酸甲酯制作特定结构的二维平面断层45°斜切模型，为方便双轴加载将四顶角加工为直角三角形倒角完成样品初加工，在初加工好的模型上二次加工特定大小的注水压力孔，如图5所示在注水孔两侧平行于断层分别加工两个60mm*19mm*3mm矩形腔用来放置薄膜应变片，并沿其中线位置等每20mm加工Φ1mm三个孔与断层面相贯通，作为多点腔式水压力监测孔，注水孔与压力检测孔进行断层面注水与准分布式压力监测，利用喷砂机进行模型断层面粗糙度处理，配合0.01μm粗糙度仪对断层面粗糙度均一处理；

第二步：布置应力、位移与水压力监测装置：

在模型一面近断层位置以7cm为间距、注水孔位置为中心对称成布置7个屏蔽式应变片，同时在模型另一面近断层位置粘贴非接触式测量的散斑，同时在与压力监测孔相连接的矩形腔内布置薄膜式应变测量器；

第三步：断层模型预应力加载，如图3所示将断层模型固定于电液伺服双轴加载平台中心位置，对样品施加固定大小准静态载荷，模拟断层构造应力状态；

第四步：利用高精度高压泵采用速率/压力模式向断层面逐步注水，如图4所示,直至断层面破裂发生地震产生一定的错动位移(14)；

第五步：利用应变片与高速摄像机分别测量断层面破裂过程的应变场与位移场,如图6所示，为注水诱发地震破裂过程不同时刻(t_i)位移场的高速相机非接触测量结果，可以分析计算得到平均破裂速度：

其中t_i为不同时间点，D_i为破裂扩展前端的位置，为位移场图6中深色扩展区域前端，V_rup为破裂速度。

第六步：利用薄膜式应变片与高速相机分别测量注水诱发地震破裂过程中的水压场变化与位移场变化，如图7所示，为注水诱发地震过程中不同时刻(t_i)水压力场(P₀)分布，根据扩散方程可以计算扩散模型拟合结果：

其中c为扩散系数，P₀为断层面上孔隙水压力分布，t为时间，x为沿断层面以注水孔为中心的距离。

第七步：改变注水参数与断层面对断层破裂过程的影响，其中包括注水速率、最大压力、注入方式、注水总体积；

第八步：通过应变片与高速摄像机记录的信号，计算诱发地震破裂过程的主要参数，通过理论研究诱发地震过程中水压作用与断层破裂之间主要参数的关系。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种研究注水诱发地震断层破裂过程实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：断层模型初步加工与精细处理，初步加工包括：斜切模型与倒角设计，精细处理包括：注水孔、水压力监测腔、断层面粗糙结构；

采用类岩石材料聚甲基丙烯酸甲酯制作特定结构的二维平面断层45°斜切模型，在初加工好的模型上二次加工特定大小的注水压力孔，并在其两侧平行于断层面方向加工多点腔式水压力监测孔，分别进行断层面注水与准分布式压力监测，利用喷砂机进行模型断层面粗糙度处理，配合0.01μm粗糙度仪对断层面粗糙度均一处理；

第二步：布置应力、位移与水压力监测装置：

在模型一面近断层位置等间距布置屏蔽式应变片，同时在模型另一面近断层位置粘贴非接触式测量的散斑，同时在与压力监测孔相连接的矩形腔内布置薄膜式应变片；

第三步：断层模型预应力加载，将断层模型固定于电液伺服双轴加载平台中心位置，对样品施加固定大小准静态载荷，模拟断层构造应力状态；

第四步：利用高精度高压泵采用速率/压力模式向断层面逐步注水，直至断层面破裂发生地震；

第五步：利用应变片与高速摄像机分别测量断层面破裂过程的应变场与位移场；注水诱发地震破裂过程不同时刻t_i位移场的高速相机非接触测量结果，分析计算得到平均破裂速度：

其中t_i为不同时间点，D_i为破裂扩展前端的位置，V_rup为平均破裂速度；

第六步：利用薄膜式应变片与高速摄像机分别测量注水诱发地震破裂过程中的水压场变化与位移场变化；

第七步：改变注水参数与断层面对断层破裂过程的影响，其中包括注水速率、最大压力、注入方式、注水总体积；

第八步：通过应变片与高速摄像机记录的信号，计算诱发地震破裂过程的主要参数，通过理论研究诱发地震过程中水压作用与断层破裂之间主要参数的关系。

2.根据权利要求1中所述研究注水诱发地震断层破裂过程实验方法，其特征在于：

所述第一步中类岩石材料二维断层模型初步加工方法如下：根据加载方式需要，模型尺寸确定为51cm*51cm*3cm的大小并在其对角线位置预制45°斜切面将模型一分为二作为断层面，同时四个边角均采用15mm*15mm*30mm的三角形倒角保证加载过程稳定，利用喷砂处理断层面粗糙度，并采用粗糙度仪测定粗糙度大小。

3.根据权利要求1或2中所述研究注水诱发地震断层破裂过程实验方法，其特征在于：

所述第一步中二维断层模型精细加工方法如下：注水孔布置在断层模型下半部分，为垂直于断层面的“Γ”形结构，将断层面与模型一面相连通，其中与断层面直接连接的通道为出水口，尺寸为Φ2mm*6mm，通道口位于断层面中心整体垂直于断层面；与模型表面连通为进水口，尺寸为Φ3mm*15mm，并注水口处安装注水管接口，利用环氧树脂AB胶进行密封，在断层面上以出水口为中心作10mm*1mm*1mm的导流槽。

4.根据权利要求1中所述研究注水诱发地震断层破裂过程实验方法，其特征在于：

所述第二步的应力、位移、水压力监测装置布置方法：以注水孔的出水口为中心，在模型上半部分的距离断层面6mm平行断层面布置两个60mm*19mm*3mm矩形腔，使50mm*8mm的薄膜式应变片恰好能在其中位于断层面中线位置，延腔中线靠近断层中心位置每20mm布置一个Φ1mm*6mm的压力监测孔，利用环氧树脂AB胶将薄膜式应变片固定于腔中并标定；模型一面近断层位置1mm以7cm为间距、注水孔位置为中心对称成布置7个屏蔽式应变片，同时在模型另一面近断层位置粘贴非接触式测量的散斑。

5.根据权利要求1中所述研究注水诱发地震断层破裂过程实验方法，其特征在于：

所述第三步、第四步模拟构造应力加载并注水诱发地震流程如下：将断层模型放置于双轴加载系统正中位置，通过恒速度加载模式使加载端头与模型完全接触，再通过应力加载模式将水平向力固定为10kN，逐步增加竖向力直至断层发生第一次滑动且竖向力突然下降，随后将竖向力再次增加略低于上次滑动时的力大小，随后向断层面以固定速率/压力注水，直至断层面再次发生滑动，利用震动信号为触发源，采用数字图像散斑技术DIC在断层一面进行地震破裂全过程位移场测量，在模型另一面利用高速摄像机拍摄断层面注水扩散过程，拍摄频率为50kHZ，同时利用薄膜式应变片记录破裂过程连续的水压力变化。

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