渤海海峽地應力場研究及地質條件評價?

鄭紅霞, 張訓華, 趙鐵虎, 齊 君

(1.中國海洋大學海洋地球科學學院，山東 青島 266100； 2.中國石油大學(華東) 地球科學與技術學院，山東 青島 266580；3.青島海洋地質研究所 海洋地質調查技術方法室，山東 青島 266071)

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渤海海峽地應力場研究及地質條件評價?

鄭紅霞1，2，3, 張訓華3??, 趙鐵虎3, 齊 君3

(1.中國海洋大學海洋地球科學學院，山東 青島 266100； 2.中國石油大學(華東) 地球科學與技術學院，山東 青島 266580；3.青島海洋地質研究所 海洋地質調查技術方法室，山東 青島 266071)

查明渤海海峽處現今地應力狀態及斷層活動狀況，可為渤海海峽跨海通道建設提供科學依據。在通道中軸線上布設6個淺鉆鉆孔，進行了7個測點的空芯包體地應力測量工作。對測量數據分析后，認為海峽區最大水平主應力、最小水平主應力與垂直主應力均隨深度的增加而線性增大；最大水平主應力大于垂直應力，區域內構造力處于主導地位；各測點處均有兩個主應力位于近水平方向，其與水平面的夾角平均為7.8°；研究區內地應力各分量值之間相差不大，遠遠小于區內斷層活動應力值的下限，研究區目前處于穩定狀態。區域橫向上看，海峽區南部地殼淺部的應力狀態為σH>σh>σv，有利于逆斷層活動，北部的應力狀態為σH>σv>σh，有利于走滑斷層活動；垂向上看，70m以上的各點應力值受地形影響較大，-70～-130m處的各點處于擠壓應力狀態中。整個區域處于NE-NEE向的擠壓應力場中，在區域應力場的作用下，郯廬斷裂帶運動狀態為右旋壓扭，蓬萊-威海斷裂帶為左旋壓扭，黃河口-廟西北斷裂帶處于拉張走滑運動狀態中。

渤海海峽； 地應力測量； 主應力； 應力狀態； 斷裂帶； 地震

渤海海峽位于黃渤海交界處，是渤海與黃海的天然分界線，北起遼東半島老鐵山西南角，南至膠東半島蓬萊登州角，兩端最短距離約106km(57 n mile)。海峽南側水深為20～30m，北側水深為60～80m，平均水深約為25m，海峽北段的老鐵山水道為水深最大處，達86m。廟島群島散布在海峽中南部，呈線性南北展開[1-2]。

為進一步加快環渤海區經濟的發展，振興東北老工業區，依托渤海海峽的有利地形地理條件，修建渤海海峽跨海通道，構筑起北接俄羅斯，南連長三角、珠三角的沿海交通大動脈，將能為中國沿海、東北亞及環太平洋地區的經濟騰飛創造重要條件[3]。渤海海峽跨海通道的建設將是一項社會經濟效益顯著、規模空前，施工難度巨大的海上重大工程[4]。因此避開地震、斷層活動帶及地質災害多發帶，為工程建設尋找相對穩定區，成為了目前一研究熱點。地殼應力變化是導致地殼變形、斷裂、褶皺乃至地震發生的最直接動力因素，研究工程區的應力狀態，將能為通道工程選線、建設及運營提供科學依據及保障[5-6]。

前人基于斷層活動擦痕數據、現代震源機制解、應力測量數據及地殼形變數據，曾先后開展過華北地區、環渤海地區、山東地區、東部沿海地區等地的地應力狀態研究工作，確定了大區域的統一應力場[7-16]。但由于受構造、斷裂及巖石物理參數的影響，局部地區的應力狀態與大區域統一應力場有所差異[17-18]，因此在分析區域范圍應力場時，需要用現場應力測量數據對其進行定量評價。本文基于渤海海峽跨海通道處6個鉆孔的7個地應力空芯包體測試數據，討論了海峽區主應力的方向、傾角、量值及其相互關系，歸納了地應力隨深度的分布規律，分析了區域地應力場狀態，研究了該區的斷層活動性，探討了該區的動力學環境及地震危險性，為該區的活動斷裂、地震危險性、區域動力學研究提供實際資料，為跨海通道工程的論證、建設及安全運營提供基礎依據。

1 區域地質背景

渤海海峽地處渤海下沉帶東側，膠遼隆褶帶上，北東向延伸，北鄰遼東隆起，南連膠東隆起，西以郯廬斷裂帶為界連接渤海盆地，東至北黃海盆地(見圖1)。膠遼隆褶帶是中朝地塊上的一個次級構造單元。基底由太古代和早元古代變質巖系、混合花崗巖、混合巖組成，結晶基底廣泛出露。自中元古代至早古生代，膠遼隆褶帶上形成隆起和坳陷相間的構造格局。中元古代除凹陷接受沉積外，其余地區均處于隆起狀態。晚古生代地層以復州坳陷發育最好，總厚度達4628～7631m[19]。

在元古代晚期，海峽處的廟島群島為一整體，與南北陸地連成一片，為膠遼地盾。1.4億年前的燕山構造運動及后期的喜馬拉雅造山運動，使該區先后發生一系列的北北西向、北北東向、北東向和北東東向的斷裂活動[20-21]。新近紀時期，該區局部進一步陷落形成北黃海盆地，殘余狹長部分為膠遼路橋，路橋西側的渤海灣盆地沉積了巨厚的古近紀、新近紀地層，以東的北黃海盆地缺失古近紀地層，只沉積了新近紀地層。路橋-海峽范圍缺失第三紀地層，第四紀地層厚度較薄，以陸相和海陸交替相沉積為主[19，22]。第四紀初期，喜馬拉雅運動期間，NW向斷裂活躍，將路橋切割、斷陷、分離為數段，成諸島的雛型，形成渤海海峽，溝通了黃海和渤海[22]。自晚更新世以來，該區和渤海沿岸一樣，發生過3次大的海侵與海退，直至距今1300年左右，海島岸線才降到比現在海島岸線略高的地方[23-24]。

(①營口-濰坊斷裂帶大致邊界；②張家口-蓬萊斷裂帶大致邊界；③廟西北-黃河口斷裂帶大致邊界。①Approximate boundary of Yingkou-Weifang fault zone；②Approximate boundary of Zhangjiakou-Penglai fault zone；③Approximate boundary of Miaoxibei-Huanghekou fault zone.)

圖1 渤海海峽位置及地震震中分布圖(據文獻[4、19、25]修改)
Fig.1 The Location and epicenter distribution of Bohai Strait Area(according to reference [4、19、25])

海峽區所處的華北地塊新構造運動具有明顯的繼承性與新生性，繼承性表現為新近紀基本繼承了古近紀的構造格局；新生性表現為在古近紀構造格局的基礎上，形成一些新構造，如張家口-渤海北西向一系列坳陷帶[25-27]。膠遼隆褶帶西側的華北平原和下遼河平原以下降運動為主，沉積了巨厚的第四系，而在膠、遼山地和燕山山地表現為以間歇性上升運動為主[28-31]。目前，整個群島至今仍處于“南升北降”的微變之中。廟島群島除基底長期隆起外，主要受營口-濰坊斷裂帶和蓬萊-威海斷裂帶所控制，這兩組斷裂為長期繼承性活動斷裂，新構造運動時期也有明顯活動[21]。

2 渤海海峽地應力測量及結果

目前，地應力測量方法有多種，國內外常用的有水壓致裂法、鉆孔崩落法、Kaiser效應法，空芯包體應力解除法、以及基于巖芯測量的差應變法和非彈性應變恢復法等方法[32]。水壓致裂法廣泛應用于深部測量，但其理論基礎為平面應變理論，假定巖石均質、各向同性、線彈性，地應力張量的一個主方向必須與鉆孔軸向一致，影響了測量結果的可靠性[33]；鉆孔崩落法僅能確定主應力的方向；Kaiser效應法測的是巖體在歷史上所受的最大應力值[34]。同這些方法相比，空芯包體應力解除法可測定二維和三維地應力的主值和方向，測量結果可靠性更高，廣泛應用于各項重大工程中的淺孔應力測量中[35]。

本次測量中使用中國地質科學院地質力學研究所研制的KX-81型空芯包體式三軸地應力計，該設備可在單孔中通過一次套芯解除應變獲得一點的三維應力狀態。地應力測量時，測點應盡量布置在地形平坦處，避開巖石破碎帶、斷裂發育帶[5-6]。鑒于此，根據野外踏勘結果，結合地質圖與地形圖，中國地質科學院地質力學研究所于2012年在陸島區蓬萊姜溝、蓬長碼頭、南長島、砣磯島、北隍城島、老鐵山等地實施6口地質淺鉆，各鉆孔位置如圖2所示，各鉆孔情況如表1所示，取得了深度為65.0～130.0m之間7個點的空芯包體應力解除數據(見表2)。

圖2 研究區鉆孔位置圖及主應力方向Fig.2 The Location of Drilling and the Direction of Principle Stress

ZK-1鉆孔位于蓬萊市姜溝村北，孔口海拔高程為105m，鉆孔深度為135.7m，在孔深80與130m 兩個測點處進行了空芯包體地應力測量。鉆孔巖性以花崗巖為主，巖芯較完整，取芯率為90%。ZK-2位于蓬

萊市蓬長碼頭處，孔口海拔高程為9m，鉆孔深度為113.5m，取芯率為88%。此孔僅在70、90.5、110.7三點處進行了水壓致裂測量，而未進行空芯包體測量。ZK-3位于長島縣南長島孫家村西，孔口海拔高程為57m，鉆孔深度為87.35m，取芯率為72%，在孔深81m處進行了空芯包體地應力測量。ZK-4位于長島縣砣磯島鄉磨石咀村北，孔口海拔高程為33m，鉆孔深度為91.45m，取芯率為81%，在深度75.0m處進行了空芯包體地應力測量。ZK-5鉆孔位于長島縣北隍城島山前村西，孔口高程為8m，鉆孔深度為85.8m，取芯率為75%，在孔深58.7m處進行了空芯包體地應力測量。ZK-6位于旅順市鐵山鎮金家村南，孔口海拔高程為42m，鉆孔深度為147.89m，取芯率為85%，在孔深65m、120m兩處進行了空芯包體地應力測量。ZK-2、ZK-3、ZK-4、ZK-5和ZK-6各鉆孔的巖性均以石英砂巖為主，巖芯較完整。

空芯包體應力解除測量結果按主應力的方位角與傾角給出，如要分析最大水平主應力、最小水平主應力、垂直主應力的變化規律，需先按公式(1)計算實測主應力與各坐標軸之間的方向余弦。

表1 研究區地質淺鉆參數

(1)

式中α為方位角，β為傾角。根據每一點主應力數值及方向余弦，由公式(2)將主應力轉換成坐標系下的應力分量，根據公式(3)計算最大水平主應力的方位角，計算結果如表3所示。

(2)

(3)

3 結果分析與討論

3.1 研究區地應力狀態

3.1.1 主應力分布規律 迄今為止，世界各地開展了許多地應力監測工作，有的為幾米至幾十米的淺部測量，有的為幾百米至幾千米的深部測量[5-6]。研究表明，地應力有隨深度的增加而增大的趨勢，其變化規律可以用線性方程式表示[36-38]，但受地質構造、地質單元、巖性、地殼運動等因素的影響，不同地區應力狀態不盡相同，應力隨深度線性增加的幅度也各異[39-41]。

Brown和Hoek收集、匯總了全世界116個地應力測試數據，發現垂直應力觀測值大部分位于平均密度為2700kg/m3的上覆巖石引起的應力梯度直線附近[38]；韓軍通過收集、分析阜新、平頂山、鶴壁和淮南等礦區的13個地應力測試數據，認為在450～850m埋深范圍內，垂直應力隨深度的回歸系數為0.0272，這與Brown的結論一致[39]，而苗勝軍等在三山島金礦地應力場與地質構造關系分析研究中得出的回歸系數為0.0255；平均水平主應力的兩個回歸系數分別為0.041、0.72[40]。

表2 各點地應力測量數據

注：方位角以正北為零方向，順時針旋轉為正；傾角為與水平面的夾角，水平面以上為正；壓應力為正。

Note：The north direction is set to be zero azimuth, the clockwise rotating azimuth is positive; The angle between principle stress and horizontal plane is called dip angle, which is positive above horizontal plane; The compressive stress is positive.

表3 各測點地應力分量表

注：地應力分量取地理坐標系，X軸指向東，Y軸指向北，Z軸向上。σH水平最大主應力，σh水平最小主應力，σv垂直主應力。

Note：Stress components coordinate equals geographic coordinate system, the X axis points to east direction, the Y axis points to north direction, the Z axis points to upper direction. σHis maximum horizontal principal stress, σh is minimum horizontal principal stress,σvis vertical principal stress.

為了研究本域內地應力場隨深度變化的具體規律，將6個鉆孔數據合并在一起，使用線性回歸的分析方法，對實測得到的7個測點的垂直主應力、平均水平主應力、最大水平主應力、最小水平主應力進行回歸擬合，擬合公式為(4)～(7)式，擬合結果如圖3所示。分析時，因120m處的測點偏離趨勢線較遠，故舍棄該測點。

垂直主應力回歸方程：

σv=0.0241H+2.7392 (R=0.647)。

(4)

平均水平主應力回歸方程：

σ平均=(σH+σh)/2=0.0654H+0.6826 (R=0.924)。

(5)

最大水平主應力回歸方程：

σH=0.0684H+1.120 (R=0.922)。

(6)

最小水平主應力回歸方程：

σh=0.0624H+0.2452 (R=0.927)。

(7)

式中：H為測點埋深，單位為m；主應力單位為MPa，以下同。

上述各式回歸結果的相關系數均大于0.6，其中水平主應力擬合公式的相關系數高達0.9以上，說明各觀測值隨深度具有較好的線性關系。圖3為最大水平主應力、最小水平主應力及垂直主應力隨深度變化的回歸曲線，由此圖可以明顯看出，三者均隨深度增加呈線性增大的趨勢，與已有結論相符。

將回歸結果與已有結果對比[37-40]，可以看出垂直主應力的系數項偏小，常數項偏大；平均水平主應力與之相反，同一深度處計算出的水平應力數值較大，究其原因可能與研究區構造運動較為強烈，水平應力值較高，巖石較為軟弱、破碎，加之測點較淺，受地形起伏影響較為顯著所造成。

圖3 主應力與深度的關系Fig.3 Relationship of the principle stress and depth

3.1.2 主應力量值及關系 吳珍漢研究表明，華北盆地上地殼的最大主應力為4～30MPa，最小主應力為2～21MPa[43-44]。本次研究中，由空芯包體地應力測量結果知，在測量深度范圍內(58～130m)，海峽區最大水平應力取值范圍為5.22～10.07，平均為6.61；最小水平應力取值范圍為3.91～8.26，平均為5.14；垂直應力取值范圍約為3.47～6.18，平均為4.70。本次研究結果與已有研究結論相符。

側壓系數λ指某點兩個水平主應力的平均值和垂直應力的比值，用公式可表示為σH+σh/2σv，用來描述地應力的狀態。韓軍在其研究中認為，550m深度以下的各測點，λ值相對較集中，為0.86～1.25之間，而對于550m以上的測點，λ值在淺部出現了高峰，離散性也較大[39]。本次研究中，在埋深50～130m的范圍內，λ的取值范圍為0.9～1.5(見圖4)，可見研究區中λ數值略大于國內外的水平，究其原因可能為測點埋深較淺受地形影響較大所致。由圖4可以看出，所測量的7個數據中，有4個點符合“平均水平應力與垂直應力的比值隨深度逐漸減小”這一結論[37]，有3個點偏離這一趨勢。

圖4 各應力之間的比值Fig.4 The ratio of each stress

最大、最小水平主應力與垂直應力的比值(σH/σV、σh/σV)分別位于1.08～1.63、0.8～1.3之間；最大水平主應力與最小水平主應力的比值(σH/σh)位于1.2～1.54之間；最大與最小主應力的比值位于1.32～1.65之間。綜合來看，上述各比值均在0.8～1.7之間，說明研究區內地應力各分量值之間相差不大。

通過淺鉆鉆孔巖芯研究發現，各鉆孔的巖性主要為石英巖，根據研究區巖石力學實驗中的毛體積密度測試結果可計算其密度的平均值為2830kg/m3，采用公式σz=0.0283H計算各測點的自重應力。由計算結果知，在測量的深度范圍內，垂直主應力大于上覆巖層因自身重量而產生的應力，其差值在1.4～3.2之間，如圖5所示。其差異可能由測點埋深較淺，水平構造力較強，疊加鉆孔處應力集中、鉆孔擾動及地層傾斜、地形起伏等因素共同影響而形成，也可能為受渤海中部地幔的熱軟流物質上拱造成的地殼內深部垂向擠壓及淺表橫向拉張的附加力源[11]。

圖5 垂直應力與自重應力之差Fig.5 The difference of the vertical stress and geostatic stress

橫向上看，不同鉆孔測出的應力值大小、方向和傾角均有所變化，表明地應力分布與地質構造有密切關系，如ZK-1鉆孔中80m深度與ZK-3鉆孔中81m深度處無論是σ1、σ2、還是σ3數值都相差較大，究其原因大體為ZK-3鉆孔位于長島縣南長島，據推測張渤斷裂帶的東段——蓬萊-威海斷裂帶大體經過此處，巖體內節理裂隙比較發育，應力得以釋放所致。縱向上看，同一鉆孔不同標高處的測點所測主應力的大小、方位、傾角均有所變化，說明測量結果具有一定的離散性。

3.1.3 主應力方向及傾角 丁健民通過鉆孔崩落資料分析后認為，山東渤海沿岸地區最大水平主應力方向為NEE到SEE之間，平均最大水平主應力方向為N85E[13]；周翠英、呂子強通過震源機制解統計表明郯廬斷裂帶中主壓應力軸優勢方位為80°左右，其方向主要為NE、NEE及近EW向，主張應力軸的優勢方位約為340°～360°，其優勢方向為NNW、近SN向[10，12，44]；董旭光認為渤海海峽北部區域及其周邊地區主壓應力軸優勢方位為NEE(50°～70°)和近東西(80°～90°)兩組[11]。本次研究中，計算出的最大水平應力的方位角取值范圍為35.5°～83.1°，平均為51.5°。7個測點中，有3個測點的最大主應力方向為NNE向，分別為35.5°、37.3°、39.9°；1個測點為NE向，數值為45.4°；2個測點為NEE向，分別為61.7°、57.7°；1個測點為近EW向，數值為83.1。以上各測點由于所處塊體上位置的不同，局部構造不同，各測點處的地形起伏也不同，所以測得的最大水平主應力方向不完全一致，但從區域總體上看，最大主應力的優勢方向為NE向，即研究區總體處于NE向擠壓應力場作用下。與上述震源機制解、原地應力測量相比，主應力方向略向北偏轉，說明研究區在大區域應力場的作用下，又具有局部應力場的特點。

6個鉆孔的7個空芯包體地應力測量數據中，每個測點均有2個主應力位于近水平方向，其與水平面的夾角平均為7.8°，最大為16.53°，最小為0.82°，另有一個主應力接近垂直方向，其與垂直方向的夾角平均為12.1°，最大為19.1°，最小為3.61°。其中ZK-1、ZK-3、ZK-4井位處4個測點的最大主應力σ1、中間主應力σ2接近位于水平面內，其與水平面的夾角平均為8.2°，大于全區域平均值7.8°，最大為14.87，最小為0.82。而ZK-5、ZK-6井位處3個測點的最大主應力σ1、最小主應力σ3接近位于水平面內，其與水平面的夾角均為7.2°，小于全區域平均值7.8°，最大為16.53°，最小為0.87°，這與渤海及周邊區域震源機制解中PT軸傾角基本上都在20°以內的結論相一致[10-12，45]。所有測點中，最大水平主應力σH取值最大。由上述可知，渤海海峽跨海通道處中軸線附以近水平方向的壓應力為主導，而不是以自重應力為主，符合我國地質學家李四光先生的“地殼運動是以水平運動為主，應力場是以水平應力為主”的論斷。

3.2 地應力場類型分析

3個主應力的空間關系是表征一個地區地應力場基本特征的主要因素[32，39]。大量研究表明，巖體中的3個主應力一般不相等，即形成不等壓的空間應力場，三個主應力的大小和方向隨空間和時間而變化[46-47]。由于受地形、地質、構造和巖石物理力學性質等方面的影響，使得地應力的分布極為復雜[48]。同一測點不同深度處，不同的測點處，其應力值與方向各不相同，因此，根據測點處的應力值，確定區域應力場的宏觀類型，即可滿足區域工程設計的需要，又利于地球科學方面的研究[5-6]。

彭向峰、于雙忠根據3個主應力的空間關系將原巖應力場劃分成大地靜力場、大地動力場和準凈水壓力場，拉張區的應力場類型為大地靜力場類型，擠壓區的應力場類型為大地動力場類型。研究區內所有測點的3個主應力中，最大主應力近似位于水平方向，因此屬于大地動力場型，為擠壓區[48]。

Anderson根據斷層類型，將地應力劃分為正斷層應力類型、逆斷層應力類型和走滑斷層應力類型。本次研究中，在測量深度范圍內，從橫向上看，ZK-1、ZK-3、ZK-4 3個井孔中4個測點主應力之間的關系均為σH>σh>σv，表明在從蓬萊海域至砣磯島附近，水平應力占主導，垂直應力為最小應力，該地應力狀態有利于逆斷層的活動。ZK-5、ZK-6 2個井孔中3個測點主應力之間的關系均為σH>σv>σh，表明從北城隍島至旅順附近，最大與最小主應力都以水平方向的壓應力為主，地殼淺部的應力狀態應屬潛在走向滑動型；從垂直方向上看，深度為58.7、65、120m處的3個測點主應力之間的關系為σH>σv>σh，深度為75、80、81和130m處4個測點的應力關系為σH>σh>σv，因此可把70m作為區域內的一個分界線，70m以上為走滑應力狀態，70～130間為逆沖應力狀態。

區域內的各個鉆孔，除ZK-2鉆孔位于平坦場地上外，其余各鉆孔選擇在山地或丘陵中相對平坦地區，各測點數據不免受周圍地形影響。一個地區淺層的地應力狀態受地形、地貌的干擾較大，地形地貌產生的力可稱作非構造力，分布在地殼淺表層三維空間一定范圍之內，與下部只受構造力影響的點之間存在一個臨界面，臨界面之上各點受非構造力與構造力的雙重影響，臨界面之下各點僅受后者的影響[47，49-51]。結合上述分析可認為，研究區臨界面的深度約為70m，臨界面以上各點的走滑應力狀態為非構造力與構造力共同產生，有可能前者占據主要地位；臨界面以下至130m深度處，各點的逆沖應力狀態為受區域構造力的影響而產生。

3.3 地應力與斷裂活動性分析

地殼內斷層的活動而引起地震。斷裂的活動性受其所處的應力狀態的控制[46-47]。摩爾-庫倫準則認為，如果斷層面上的剪應力大于或等于滑動摩擦阻力(見式(8))，預先存在的斷層面在剪應力的作用下將會發生滑動。

τ≥μσn。

(8)

其中：τ為斷層面上的剪應力；σn為斷層面上的正應力；μ為斷層的摩擦系數，一般由實驗確定；μσn為斷層面上的滑動摩擦阻力。

研究斷層活動性的首要問題為摩擦系數μ的選取。一般認為μ值在一定正應力界限內比較穩定，不隨正應力數值大小及巖石類型的變化而出現較大的波動。Byerlee綜合不同巖石的實驗資料后認為，大部分巖石的值在0.6～1.0之間[52]；M.D.Zoback等在分析水庫誘發地震和分析斷層穩定性時，摩擦系數分別取了0.6～0.8、0.6～1.0兩個范圍區間[53]；國內李方全、張伯崇對花崗巖、灰巖和砂巖進行巖石力學實驗后認為，μ的下限為0.65，上限為1.1，均值為0.85，同時指出研究中μ取0.6～1.0較為合理[54-55]。

應用庫倫準則進行斷層活動性分析時，離不開斷裂面上的正應力與剪應力，兩應力值需根據區域內點的應力狀態及斷裂的走向與傾向計算，這對于基礎地質資料缺乏的渤海海峽區，存在一定的難度。因此，部分研究者從最大、最小主應力的比值出發(σ1/σ3)，推導了其與摩擦系數的函數關系(見式9)[36，46，56]，依此來進行斷層的活動性分析。

(9)

式中σ1、σ3為最大、最小主應力。

如若σ1/σ3小于此值，則斷層穩定；反之，則斷層可能發生滑動。對逆斷層分析時，σ1=σH，σ3=σv；對走滑斷層分析時，σ1=σH，σ3=σh，將μ的下限值0.6和上限值1.0帶入式(9)，得到

μ=0.6時：σH=3.1σv(逆斷層)；σH=3.1σh(走滑斷層)。

(10)

μ=1.0時：σH=5.8σv(逆斷層)；σH=5.8σh(走滑斷層)。

(11)

根據各個實測點的應力狀態，將各點的應力值帶入式(10)、(11)中，可求得σH的下限值和上限值，又稱作臨界值，將臨界值隨深度變化的回歸直線與實測點處的最大水平應力值繪制于同一坐標系中，如圖6所示。由圖6可以看出，無論區域范圍內發育走滑斷層還是逆斷層，實測點處的最大水平主應力值都小于兩者的最小臨界值，即最大水平主應力值未達到斷層活動需要的應力值下限，表明研究區斷裂目前基本處于穩定狀態，發生地震的可能性不大。這一結論也可以從各個測點的σH、σh、σv三值較為接近得出。

圖6 最大水平主應力與臨界區Fig.6 The maximum horizontal principle stress and critical area difference of the vertical stress and geostatic stress

4 研究區地應力地質條件評價

地應力測量是研究地應力場最直接的方法，可直接獲得測點處現今地應力的大小和方向，盡管應力測量主要反映地殼淺部局部應力狀態，但近地表的應力大小和方向有助于確定巖石圈內更大尺度的應力場類型[43-44]。

由區域內的空芯包體測量結果可知，最大水平主應力方向約為NE-SW向，最小水平主應力方向約為NW-SE向，在測量深度范圍內，兩者相差不大，差值在1.0～2.1之間，比值位于1.2～1.54之間。巖石的力學性質表明，最大水平主壓應力方向為板塊內部的擠壓方向，最小水平主壓應力方向為板塊內部的拉張方向，故渤海及周圍地區目前總體處于NE向擠壓，NW向拉張的背景中，這一認識與李三忠的結論一致[57]。同時，大地測量提供的現代地殼運動資料說明，渤海區呈現明顯的NW-SE向的雙向擴張運動，擴張速率為(2.5±1.8)mm，大華北區總體存在SEE向運動[16]，震源機制解中的張應力軸大體也在該范圍之內[10-12，58]，這也與本次的研究結論不謀而合。一般來說，巖石的抗張強度遠遠小于抗壓強度，所以區域內NW-SE向拉張應力起主要作用，渤中、渤東及廟西地區廣泛發育的淺層NEE、近EW向斷裂，為在區域應力作用下產生的張性破裂。渤海海峽及周邊區域的震源機制解數據中P軸傾角大，T軸傾角小，說明區域正斷層機制更多些，也說明該區域受拉張可能強些[59]；華北區震源斷面滑動以走向滑動兼正斷層傾向滑動占優勢，較大地震無顯著沖斷[10-12，59]；高分辨率淺層地震探測結果可知，渤海區及山東半島北部海域淺表層廣泛發育正斷層[60-64]。

一個地區斷裂的運動性質與該區應力狀態密不可分，從區域的應力狀態、應力場類型可以判斷區域斷裂的運動狀態[46-47]。新構造時期，一條斷裂在不同地段往往具有不同的活動性，但是在晚新生代構造應力場的統一作用下，同一斷裂帶具有一致的運動方式[25]。該區內各個測點有的為走滑應力狀態、有的為逆斷應力狀態。目前，普遍認為百米左右的淺層地應力測量點大部分為逆斷應力狀態，但隨著測點深度的增加，逐漸向走滑應力狀態轉變，地區不同，轉換界面的深度不同。海峽區西部的渤海新構造期斷裂十分發育，繼承性運動的營口-濰坊斷裂帶、張渤斷裂帶及新生的黃河口-廟西北斷裂帶為其主干構造，其活動方式受現代應力場的制約[26-27]。

營口-濰坊斷裂帶是郯廬斷裂帶的組成部分,為渤海灣盆地的東部邊界，主體走向約為NNE20°～30°。目前，其與海峽區平均主壓應力軸的走向(NE51.5°)夾角小于45°，與區域最大水平主張應力軸的夾角較大，在兩個主應力的共同作用下，處于右旋擠壓走滑運動狀態，基本上繼承了新近紀以來的運動狀態。營口-濰坊斷裂帶渤中段走向較萊州灣段偏東，前者與區域主壓應力軸的夾角較后者小，因此其活動性大于后者，地質資料證明，北北東走向的萊州灣被一些近東西向走向的斷裂分割成若干小段，失去了活動的整體性[25-26]。

黃河口-廟西北斷裂帶與渤海東南部分布的黃河口-廟西北地震帶相一致，從黃河口起，沿NE-NEE走向，斜穿營口濰坊斷裂帶，延伸至長興島，是一條地殼脆性破裂帶，單條規模小、長度短、連續性差，數量多，密集分布成一條具有約60km寬的破裂帶[27]。該斷裂帶不受古近紀盆地構造控制，受新近紀以來應力場的初始應力作用而產生的新生走滑構造帶[25-27]。目前，因該斷裂帶與海峽區區域主壓應力軸方向小角度相交或大體一致，與主張應力軸方向大體垂直，推測其主體處于拉張右旋走滑狀態之中。徐杰認為廟西北-黃河口斷裂帶為1969年渤海7.4級地震的發震構造，有可能向兩端進一步延伸[27]。

營口-濰坊裂帶、黃河口-廟西北斷裂帶因距離渤海海峽跨海通道中軸線較遠，其活動性對通道的影響較小，海峽區內分布的斷裂對通道的影響巨大。渤海海峽區因探測資料較少，對該區斷裂的認識不足，但目前統一認為張渤斷裂帶穿越渤海及渤海海峽區，向東南端延伸擴展，大體經過山東半島北側海域，威海北部，到達黃海海域，這一斷裂帶又稱之為蓬萊-威海斷裂帶，即蓬萊-威海斷裂帶是張家口-渤海北西向斷裂帶向東南擴展的產物，為張家口-渤海斷裂帶的東南端，構成北黃海盆地與山東半島隆起的分界線[62，65]，據探測該斷裂帶的大體走向為NWW60°～70°。渤海海峽處實測主壓應力軸走向平均約為51°，與蓬萊—威海斷裂帶大角度相交，在這種應力場下，發生左旋擠壓走滑運動，但其擠壓分力增強了NNW、NW向斷層的應變積累，致使地震活動水平減弱。近年來的GPS資料說明，路域上張渤斷裂帶的左旋走滑速率2～4mm/a[66-67]。在新構造應力場中，渤海區內右旋拉張走滑運動的黃河口-廟西北斷裂帶與左旋擠壓走滑運動的張渤斷裂帶為一對共軛活動構造帶[25]，前者活動性強于后者，因此NW向先存斷裂的活動性被壓制[27]。蓬萊-威海斷裂帶歷史上曾發生1548年渤海海峽7級地震、1948年威海西北6級地震、2005年5月9日及10日的4.5和4.0級地震。

上述斷裂位于海域，其運動方式與狀態為從區域應力場方面進行的推斷。而在渤海海峽處，南長山島上發育有信號山北側斷裂和葉家斷裂，走向分別為N30W、N50W，斷層面為壓性，這與該島上ZK-3鉆孔處的應力狀態一致。南、北城隍島、大黑山島和砣磯島等海岸處，北東、北西向斷層有活動跡象，在海蝕地貌形成陡峭的海蝕帶，節理發育，石英巖呈碎裂狀態，說明其處于壓性應力場中[20-21]。

從1969年渤海地震發生后到目前為止，渤海海峽區小震頻發，釋放地震帶內部分積聚能量，但地震活動水平最大為5級左右，近年來地震活動水平保持在4級左右，最大時間間隔約為3年，說明地震帶內能量積聚不大[71]。蓬萊-威海斷裂帶可能與山東半島北部陸地上NE向的蓬萊-招遠和桃村-東陡山斷裂呈T字形相交斷裂交匯區為現代小震活動密集區，需密切關注[65]。

5 結論

以往渤海海峽區實測地應力資料缺乏，本次研究首次依據實測資料，取得了對渤海海峽區現今地應力狀態與構造活動性的新認識：

(1)渤海海峽處各點應力分量隨深度變化的線性關系為：σH=0.0684H+1.120，σh=0.0624H+0.2452，σv=0.0241H+2.7392。

(2)渤海海峽處最大水平主應力取值范圍為5.22～10.07，最小水平主應力取值范圍為3.91～8.26，垂直應力取值范圍約為3.47～6.18。平均水平主應力與垂直應力的比值λ相對較集中為0.86～1.25之間，最大水平主應力與垂直應力的比值在1.08～1.63之間，最大主應力與最小主應力的比值在1.32～1.64之間，最大水平主應力與最小水平主應力的比值在1.2～1.54之間，區域內各個點的3個應力分量相差不大。

(3)海峽區最大水平主應力的方位角取值范圍為35.5°～83.1°，平均為51.5°，最大水平主應力的方向為NE-NEE向；各測點處均有兩個主應力位于近水平方向，其與水平面的夾角平均為7.8°；所有測點中，σH取值最大，且位于近水平面內，說明區域內以近水平方向的壓應力為主導。

(4)從橫向上看，從蓬萊海域至砣磯島之間區域，淺層各測點三個分量之間的關系為σH>σh>σv，北城隍島至旅順附近，其關系為σH>σv>σh，表明前一地區地殼淺部應力狀態為逆沖型，有利于逆斷層活動，后者為走滑型，有利于走滑斷層活動；從垂向上看，70m以上各點應力狀態為σH>σv>σh，受地形影響較大；70～130m各點的應力狀態為σH>σh>σv，為擠壓區。

(5)因為各個點的σH、σh、σv三值較為接近，各個鉆孔點的最大水平應力值未達到斷層活動需要的應力值下限，表明研究區斷裂基本處于穩定狀態；郯廬斷裂帶與區內NE-NEE向的最大主應力方向交角較小，此斷裂帶目前處于右旋壓扭運動中，蓬萊—威海斷裂帶與區域主應力方向交角較大，此斷裂帶目前處于左旋兼擠壓狀態中，有利于能量積累；黃河口-廟西北斷裂帶為新構造期新生斷裂帶，因與區域應力場大體一致，推測目前處于拉張走滑運動狀態中。

(6)海峽區由于受上述三大斷裂帶長期活動的影響，尤其是1948、1969年地震后造成的地應力和能量釋放，部分地區節理、裂隙發育，有可能導致區域內地應力測量值偏小，不排除斷裂帶上一些巖體結構完整的部位產生局部應力積累，當累積應力值超越斷層活動臨界值時，會存在斷層滑動的危險性。

本次研究中，由于研究區域內空芯包體地應力測量點較少，加之測點較淺，要對區域內活動斷裂的地震危險性作出科學的評價，尚需進行長期的應力監測，同時開展區域深部探測工作，加強區域深部地球物理特征研究，綜合研究斷裂帶的分段活動性及地震危險性。

致謝：感謝中國地質科學院地質力學研究所提供的地應力測量數據；感謝所有參與項目野外鉆測工作的專家及工程師們；感謝審稿專家提出的寶貴意見。

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責任編輯 龐 旻

In-Situ Stress Field and Geological Analysis of Bohai Trait

ZHENG Hong-Xia1,2,3, ZHANG Xun-Hua3, ZHAO Tie-Hu3, QI Jun3

(1. College of Marine Geo-Science, Ocean University of China, Qingdao 266100, China； 2.China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China； 3.Qingdao Institute of Marine Geology, Qingdao 266071, China)

To identify the current state of stress and the active status of fault in Bohai Strait can serve the Bohai strait tunnel construction. Six shallow drilling holes were layouted in the channel axis, and the hollow inclusion stress measurement of seven points was carried in the holes. Based on the analysis of the measurement data, we find that the maximum horizontal principle stress, the minimum horizontal principle stress and vertical principle stress both linearly increases with depth; the maximum horizontal principle stress is higher than the vertical principle stress, and the tectonic stress is outstanding in the region; two principal stress of each measuring point is located near the horizontal plane, the average horizontal angle is 7. 8 degrees; the difference of stress component values is moderate, and far less than the critical value that can cause fault slip activity, so research area is stable. On horizontal perspective, the stress state of south region in Bohai strait isσH>σh>σv, can conductive thrust fault; the north region isσH>σv>σh, can cause strike slip fault. On vertical perspective, the stress of points above -70m can affected by topography, the points between -70m and -130m is in the extrusion stress state. The whole region is in the NE-NEE compressive stress field, the motion state of the Tanlu fault zone is in dextral compressor shear state, Penglai -Weihai fault zone is in sinistral compressor shear state, and Yellow River-MiaoXibei fault zone is in extensional strike slip motion state.

Bohai Trait； ground stress measurement； principle stress； state of stress； active fault； earthquake

國家專項項目“大陸架科學鉆探(CSDP)項目”(GZH201100202)；“渤海海峽跨海通道地殼穩定性調查評價”項目(GZH201200504)資助

2015-03-13；

2015-06-18

鄭紅霞(1980-)，女，講師。E-mail：zhenghongxia@upc.edu.cn

??通訊作者： E-mail：xunhuazh@vip.sina.com

P551

A

1672-5174(2015)11-081-11

10.16441/j.cnki.hdxb.20150079