一种考虑构造运动的三维区域地应力场反演方法

本发明涉及岩土工程和数值分析，尤其涉及一种考虑构造运动的三维区域地应力场反演方法。

背景技术：

1、地应力场是地下工程设计建造的基础，应力环境往往是工程各种灾害的控制性因素，清晰的工程区域整体地应力场认识对灾害预防与机理研究有积极意义。

2、现阶段地应力实测只能针对有限局部点开展，对大范围工程应力分布状态揭示有限，单凭现场测试技术无法进一步掌握区域整体地应力场分布。计算技术与数值分析理论的发展为工程区域整体地应力场反演提供有利条件，地应力场反演的本质是获取使得模拟应力场与现场实测应力规律最大程度一致的边界条件，现有地应力场反演方法多以实测地应力数据为基础，利用特定数据拟合分析方法，如多元线性回归、神经网络等，获取能够使得对应实测点处的实测地应力值与反演地应力值最大程度拟合的数值模型边界条件，通过将反演所得边界条件施加到数值模型中，计算获取区域反演地应力场，所得地应力场能够基本满足地质条件简单、构造活动不强烈地区工程应用。

3、但现有地应力场反演方法仅仅以有限局部点的应力拟合度为考量，经过反演得出的模型各边界上的位移大小、方向单一不变，无法体现地体碰撞挤压、断裂旋转走滑等构造运动特征，不能反映区域构造运动对应力场的影响，而且由于过分贴合有限局部点实测应力，单一固定的位移边界条件使得远离测点区域应力场反演结果往往与实际存在较大偏差。因此，对于强烈构造区，传统仅考虑实测应力拟合的地应力场反演方法并不适用，在此基础上，急需一种新的考虑构造运动的三维区域地应力场反演方法。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种考虑构造运动的三维区域地应力场反演方法，同时以实测地应力、地壳运动数据为反演基础，兼顾区域应力与构造运动特征，反演得出综合考虑构造运动与实测应力规律的非均匀位移边界条件，为强烈构造区域地应力场精确反演提供新的可能。

2、为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

3、一种考虑构造运动的三维区域地应力场反演方法，同时以实测地应力、地壳运动数据为反演基础，兼顾区域应力与构造运动特征，以考虑实测地应力所反演位移边界条件量值为基准值，结合地壳运动数据所反演位移边界条件大小、方向相对关系，共同组成综合考虑构造运动与基本应力规律的非均匀位移边界条件。

4、进一步地，所述三维区域地应力场反演方法包括如下步骤：

5、步骤1：依据工程地质资料，量化地体、岩组、缝合带、断裂地质构造与数值模型边界的相对位置关系，确定分布位置，利用建模软件建立反映地质构造信息的大区域数值模型；

6、步骤2：转换应力坐标系，认定地应力场由自重应力场、构造应力场组成，并将地应力场形成过程拆分为自重、挤压及剪切工况的特定组合；以模型区域内实测地应力数据为基础，利用多元线性回归方法获取反映区域实测地应力规律且单一固定的初始位移边界条件a；

7、步骤3：统计建模区域附近测点最新地壳运动数据，量化测点与模型边界之间相对位置关系，以模型区域附近地壳运动数据为基础，通过三次样条插值方法获取能反映区域构造运动特征的位移边界条件b，归一量化同一边界上不同位置处位移边界条件相对大小、方向关系；

8、步骤4：以基于实测应力所反演初始位移边界条件a的大小为基准值，结合基于地壳运动数据所反演位移边界条件b中各边界位移相对大小及方向数据，获取综合考虑构造运动与实测应力规律的非均匀位移边界条件；

9、步骤5：数值模型施加所反演非均匀位移边界条件，获取区域整体地应力场；分析反演位移场、应力场与实际构造运动特征、实测地应力值匹配度，初步检验非均匀位移边界条件合理性。

10、进一步地，所述步骤1的具体方法为：

11、步骤1.1：确定建模区域顶点经纬度坐标信息，获取包含数字高程信息的区域地表网格；

12、步骤1.2：观察分析区域地质构造分布图，总结模型范围内地质构造相对分布位置数据信息，包括工程坐标位置，各种岩层、断裂的相对位置关系，岩层、断裂的走向与倾向；

13、步骤1.3：地表网格导入建模软件中，对区域内地质构造进行分区建模，网格尺寸分区赋值；依次对模型网格进行异面优化、体积划分，获取反映地质构造特征的区域三维数值模型。

14、进一步地，所述步骤2的具体方法为：

15、步骤2.1：实测地应力大小、方向规律分析及其应力分量坐标系转换；

16、步骤2.2：地应力场由自重应力场和构造应力场组成，弹性条件下，将还原区域地应力场所需位移边界条件拆分为x、y向挤压，xy、yx、xz、yz向剪切以及自重七种工况的特定组合；

17、步骤2.3：分别计算重力加速度、单位位移条件下各工况应力模拟结果，提取各工况对应地应力实测点位置处应力分量量值；

18、步骤2.4：针对模型范围内实测地应力点，以实测地应力分量为因变量，以各工况计算应力分量为自变量，进行多元线性回归，得出各工况实际位移对应单位位移的放缩系数，获取各边界上大小、方向单一固定的位移边界条件a；

19、步骤2.5：以相关度、自变量显著性系数检验回归效果，确保剔除多重共线性的影响，初步检验反演位移边界条件合理性。

20、进一步地，所述步骤3的具体方法为：

21、步骤3.1：统计模型区域附近地壳运动测点分布及其最新数据，初步分析地壳运动数据所反映区域地体碰撞挤压、断裂旋转走滑运动特征，并在工程所处的特定板块统一稳定框架下，对地壳运动速度分量数据进行坐标转换；

22、步骤3.2：定义模型左下方边界顶点处为坐标原点，量化地壳运动测点与模型边界的相对位置关系；

23、步骤3.3：利用三次样条插值方法，以地壳运动测点数据为基础，插值拟合出能够反映区域构造运动特征的模型非均匀位移边界条件b。

24、进一步地，所述步骤4的具体方法为：

25、步骤4.1：针对基于地壳运动数据所反演模型位移边界条件b，各边界以其位移绝对值最大值为基准值，归一量化同一边界上不同位置处位移边界条件相对大小、方向关系；

26、步骤4.2：针对基于实测地应力数据所反演模型位移边界条件a，计算各边界单一固定的合位移矢量大小量值，作为后续综合反映构造运动特征与基本应力规律非均匀位移边界条件大小的基准值；

27、步骤4.3：以考虑实测地应力所反演位移边界条件量值为基准值，结合地壳运动数据所反演位移边界条件大小、方向相对关系，共同组成综合考虑构造运动与基本应力规律的非均匀位移边界条件。

28、进一步地，所述步骤5的具体方法为：

29、步骤5.1：针对大区域数值模型，通过试运算确定合理计算步数，提高计算效率的同时保证计算应力场收敛性；

30、步骤5.2：结合计算步数，计算速度参数，模型施加非均匀位移边界条件，获取综合考虑构造运动与实测应力规律的位移场、应力场反演结果；

31、步骤5.3：分析反演位移场中对应典型地质构造区域位移矢量分布与实际地质构造运动特征一致性，其中实际地质构造运动特征包括地体碰撞挤压、断裂旋转走滑运动方式，初步验证区域地质构造运动的还原度；

32、步骤5.4：针对模型区域内现有地应力实测点，进行地应力实测值、反演值误差分析，初步验证反演区域整体地应力场精度；

33、步骤5.5：综合分析反演位移场、应力场与实际构造运动特征、实测地应力值匹配度，初步检验所反演的综合反映构造运动特征与基本应力规律的非均匀位移边界条件合理性。

34、采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的考虑构造运动的三维区域地应力场反演方法，实现了实测地应力、地壳运动数据的优势互补，兼顾区域应力与构造运动特征，有效改进了现有地应力场反演方法中反演位移边界条件单一固定、无法考虑构造运动、远离测点区域地应力场精度低的缺陷，为强烈构造区域地应力场反演提供新的可能。