青海共和盆地地應(yīng)力狀態(tài)與斷層穩(wěn)定性分析1

王 洪 王成虎 高桂云 陳 念 周 昊 安易飛

1）應(yīng)急管理部國(guó)家自然災(zāi)害防治研究院，地殼動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085

2）中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京），北京 100083

引言

共和盆地位于西秦嶺-東昆侖銜接區(qū)，為新生代壓陷型斷陷盆地，是由華北板塊、揚(yáng)子板塊、柴達(dá)木地塊、秦嶺微地塊、青藏板塊復(fù)雜作用形成的，其經(jīng)歷了從柴達(dá)木地塊上的拗拉槽（陸相到陸表海相）到復(fù)理石前陸盆地再到陸內(nèi)碰撞造山作用的演化過程（丁仨平，2008；任海東等，2017）。盆地主要受北側(cè)青海南山南緣斷裂和南側(cè)哇玉香卡-拉干斷裂帶控制。現(xiàn)今共和盆地及周邊地區(qū)斷裂帶仍處于活動(dòng)狀態(tài)，自1990年哇玉香卡-拉干斷裂帶發(fā)生共和西南7 級(jí)地震以來，青海共和地區(qū)地震活動(dòng)頻率和強(qiáng)度加劇，對(duì)該地區(qū)城鎮(zhèn)居民生產(chǎn)生活及經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

地應(yīng)力是影響和控制地震產(chǎn)生的主要因素之一，當(dāng)區(qū)域內(nèi)應(yīng)力不斷積累，達(dá)到或超過斷層滑動(dòng)臨界應(yīng)力值時(shí)，已有斷裂所處地應(yīng)力環(huán)境力學(xué)狀態(tài)由“平衡狀態(tài)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤芭R界狀態(tài)”，斷裂突然失穩(wěn)，沿?cái)鄬用娈a(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)，從而發(fā)生地震（陳群策等，2010）。因此，從應(yīng)力角度分析青海共和盆地及周邊地區(qū)斷層滑動(dòng)機(jī)理和滑動(dòng)趨勢(shì)具有重要意義。在理論研究方面，庫(kù)侖最早提出利用摩擦系數(shù)判斷巖石破壞情況的“摩擦準(zhǔn)則”，巖石破壞形式主要以剪切破壞為主，巖石強(qiáng)度主要由巖石抗滑動(dòng)摩擦的黏聚力和破裂面上產(chǎn)生的摩擦力組成。Byerlee（1978）通過總結(jié)大量各種類型巖石室內(nèi)摩擦試驗(yàn)得到巖石摩擦系數(shù)集中在0.6～1.0。部分國(guó)外學(xué)者（Paterson 等，1978；Jamison 等，1980；Townend 等，2000；Zoback 等，2002）利用工程區(qū)原地應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)證明，通過大量室內(nèi)試驗(yàn)得到的摩擦系數(shù)適用于斷層滑動(dòng)性分析。上述理論研究限定了斷裂滑動(dòng)臨界值，在分析斷層穩(wěn)定性時(shí)，可將Byerlee 準(zhǔn)則摩擦系數(shù)下限值0.6 作為判斷斷層面滑動(dòng)的臨界摩擦系數(shù)（安其美等，2004）。在實(shí)際工程應(yīng)用中，Lee 等（2009）利用韓國(guó)東南部15 個(gè)測(cè)點(diǎn)地應(yīng)力數(shù)據(jù)并結(jié)合斷層產(chǎn)狀，計(jì)算得到斷層面剪應(yīng)力和有效法向應(yīng)力，進(jìn)而得到韓國(guó)東南部23 條第四紀(jì)斷層滑動(dòng)摩擦系數(shù)，從而判斷韓國(guó)東南部活動(dòng)斷層的滑動(dòng)可能性。黃祿淵等（2013）通過文獻(xiàn)調(diào)研得到華北地區(qū)1 017 條實(shí)測(cè)地應(yīng)力數(shù)據(jù)，確定了華北地區(qū)活動(dòng)斷層應(yīng)力環(huán)境，并通過計(jì)算斷層滑動(dòng)面臨界主應(yīng)力差，得到華北地區(qū)活動(dòng)斷層滑動(dòng)趨勢(shì)。王成虎等（2012）和劉卓巖等（2017）利用龍門山斷裂帶附近的4 個(gè)深孔水壓致裂原地應(yīng)力數(shù)據(jù)，確定了研究區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)，基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得到4 個(gè)應(yīng)力量值特征，得到斷裂帶附近應(yīng)力積累水平較低、斷層活動(dòng)性和地震活動(dòng)性較弱的結(jié)論。陳群策等（2010）通過收集整理山西盆地水壓致裂地應(yīng)力數(shù)據(jù)，根據(jù)庫(kù)侖“摩擦準(zhǔn)則”，引入斷層面滑動(dòng)臨界狀態(tài)最大、最小有效應(yīng)力比與摩擦系數(shù)關(guān)系函數(shù)，分析可知山西盆地附近區(qū)域應(yīng)力值并未達(dá)到斷層滑動(dòng)臨界應(yīng)力值。

以上工程應(yīng)用表明，基于實(shí)測(cè)原地應(yīng)力數(shù)據(jù)對(duì)區(qū)域斷層滑動(dòng)趨勢(shì)的判斷具有重要作用，而青海盆地及附近區(qū)域通過原地應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合地應(yīng)力特征參數(shù)分析斷層穩(wěn)定性的研究較少。此外，青海共和盆地附近既有干熱巖地?zé)幔◤埵⑸龋?019）、太陽(yáng)能、礦產(chǎn)、水力、鹽湖資源豐富，存在龍羊峽水庫(kù)誘發(fā)地震環(huán)境背景，且地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境復(fù)雜。因此，研究青海共和盆地附近應(yīng)力狀態(tài)與區(qū)域內(nèi)斷層穩(wěn)定性至關(guān)重要。本文廣泛收集了青海共和盆地附近原地應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)資料，得到區(qū)域內(nèi)現(xiàn)今應(yīng)力狀態(tài)分布規(guī)律，并結(jié)合Byerlee 準(zhǔn)則、莫爾-庫(kù)侖強(qiáng)度理論對(duì)區(qū)域內(nèi)斷層穩(wěn)定性進(jìn)行初步分析，為后期在該地區(qū)開展自然資源開采工作提供參考。

1 研究理論

本文基于Anderson（1905）斷層力學(xué)理論、莫爾-庫(kù)侖強(qiáng)度理論和Byerlee 準(zhǔn)則，引入最大側(cè)壓力系數(shù)Kmax、最小側(cè)壓力系數(shù)Kmin、應(yīng)力積累指標(biāo)μm等參數(shù)，用于分析區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)積累水平和地應(yīng)力量值特征，并判定斷層穩(wěn)定性。側(cè)壓力系數(shù)與地應(yīng)力測(cè)量深度呈線性關(guān)系，可擬合得到不同測(cè)點(diǎn)在相同深度的側(cè)壓力系數(shù)。根據(jù)莫爾-庫(kù)侖破裂準(zhǔn)則，破裂面剪應(yīng)力主要由研究單元抗滑動(dòng)摩擦的黏聚力和破裂面上產(chǎn)生的摩擦力組成，計(jì)算如下：

分析斷層穩(wěn)定性的過程中，應(yīng)充分考慮巖石內(nèi)孔隙水壓力對(duì)斷裂帶滑動(dòng)的影響，因此，引入臨界滑動(dòng)面有效正應(yīng)力，有效正應(yīng)力和剪應(yīng)力計(jì)算如下：

2 青海共和盆地現(xiàn)今地應(yīng)力狀態(tài)和斷層滑動(dòng)趨勢(shì)分析

2.1 原地應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)收集與整理

本研究采用的主要地應(yīng)力數(shù)據(jù)來源于應(yīng)急管理部國(guó)家自然災(zāi)害防治研究院編制的《中國(guó)大陸地殼應(yīng)力環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)》（謝富仁等，2007）及文獻(xiàn)收集得到的實(shí)測(cè)地應(yīng)力數(shù)據(jù)、震源機(jī)制解數(shù)據(jù)，研究青海共和盆地區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)特征，并分析目前應(yīng)力狀態(tài)下斷層穩(wěn)定性。

區(qū)域內(nèi)19 個(gè)實(shí)測(cè)地應(yīng)力鉆孔主要分布在青海共和盆地東北部及南部龍羊峽鎮(zhèn)、拉西瓦水電站、西寧至格爾木隧道段、海南州興海縣與同德縣交界處、門源縣，共65 條水壓致裂數(shù)據(jù)和44 條應(yīng)力解除法測(cè)量的地應(yīng)力數(shù)據(jù)，測(cè)量深度一般為50～300 m，最深近500 m，研究區(qū)域地應(yīng)力測(cè)試鉆孔位置如圖1 所示，水壓致裂測(cè)量的地應(yīng)力數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 研究區(qū)域?qū)崪y(cè)地應(yīng)力數(shù)據(jù)Table 1 Measured in-situ stress data in the study area

續(xù)表1

圖1 青海共和盆地地質(zhì)構(gòu)造與地應(yīng)力測(cè)量位置示意圖Fig. 1 Schematic diagram of geological structure and geostress measurement location in Gonghe Basin, Qinghai

2.2 主應(yīng)力隨深度變化

青海共和盆地主應(yīng)力隨深度變化規(guī)律如圖2 所示，圖中SH、Sh、Sv分別表示最大、最小水平主應(yīng)力和垂直應(yīng)力，黑、紅、藍(lán)色斜線分別表示最大、最小水平主應(yīng)力和垂直應(yīng)力線性擬合回歸線，回歸方程如下：

式中，r為線性相關(guān)系數(shù)；z為深度。

根據(jù)Byer-lee-Anderson 斷層力學(xué)理論及圖2 可知，當(dāng)深度＜350 m 時(shí)，SH＞Sh＞Sv，屬于逆沖型應(yīng)力狀態(tài)，有利于逆沖斷層活動(dòng)；當(dāng)深度＞350 m 時(shí)，SH＞Sv＞Sh，屬于走滑型應(yīng)力狀態(tài)，有利于走滑斷層活動(dòng)。

圖2 主應(yīng)力隨深度變化規(guī)律Fig. 2 The principal stress varing with depth

2.3 地應(yīng)力量值特征

為更直觀地反映地應(yīng)力實(shí)測(cè)值隨測(cè)試深度的變化特征，將KH，max（Bieniawski，1984）、Kh，min（Rummel，1986；Herget，1987；Savage 等，1992）、Kav（van Heerden，1976；Brown 等，1978）統(tǒng)稱為側(cè)壓力系數(shù)，表達(dá)式如下：

圖3 側(cè)壓力系數(shù)隨深度變化規(guī)律Fig. 3 The lateral pressure coefficient varing with depth

2.4 方位特征

水壓致裂法實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示青海共和盆地SH優(yōu)勢(shì)方向?yàn)镹E、NWW 向，應(yīng)力解除法實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示SH優(yōu)勢(shì)方向?yàn)镹EE、NNW 向，如圖4 所示。查閱文獻(xiàn)可知，青海共和盆地?cái)嗔咽职l(fā)育，主要分布NE、NWW、NNW 向3 組斷裂，區(qū)域內(nèi)地應(yīng)力優(yōu)勢(shì)方位與斷裂方向近似平行，3 組不同方位斷裂滑動(dòng)可能性較大。部分學(xué)者對(duì)青海地區(qū)斷層穩(wěn)定性和地震活動(dòng)性進(jìn)行了研究，如許忠淮等（1987）根據(jù)小地震P 波初動(dòng)方向數(shù)據(jù)，推斷了青海地區(qū)主壓應(yīng)力軸為NE-SW 向；董治平等（1992）利用青海東部地區(qū)活斷層資料，計(jì)算得到主壓應(yīng)力方向?yàn)镹E 向，NWW 向左旋逆沖斷層、NNW 向右旋高角度逆斷層性質(zhì)最為發(fā)育，NEE 向左旋逆斷層分布較少，復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造背景及力學(xué)性質(zhì)反映了區(qū)域內(nèi)整體受NE 向強(qiáng)大的擠壓力作用；都昌庭（2001）基于青海共和盆地周邊地區(qū)地應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算得到區(qū)域內(nèi)主壓應(yīng)力方向?yàn)镹E 向；徐紀(jì)人等（2006）通過解析青藏高原及周邊地區(qū)震源機(jī)制結(jié)果，發(fā)現(xiàn)共和盆地甚至整個(gè)青藏高原均受到來自印度板塊NNE 或NE 向水平擠壓應(yīng)力作用，因此青海共和盆地主壓應(yīng)力方向表現(xiàn)為近NE-SW 向。綜上所述，青海共和盆地最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹45°～E60°，即近NE 向。

圖4 最大水平主應(yīng)力方位Fig. 4 The orientation of the maximum horizontal principal stress

2.5 斷層滑動(dòng)趨勢(shì)

斷層滑動(dòng)趨勢(shì)通常由斷層面正應(yīng)力與剪應(yīng)力比值決定，即由斷層走向和應(yīng)力場(chǎng)相對(duì)方位決定（劉卓巖等，2017），據(jù)此可基于已有深部與淺部應(yīng)力數(shù)據(jù)對(duì)斷層活動(dòng)性進(jìn)行分析。測(cè)試深度為200 m 左右時(shí)KH，max、Kh，min逐漸趨于穩(wěn)定，因此，計(jì)算每個(gè)地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)300 m 深度處μ值（見表2），并在應(yīng)力莫爾圓中進(jìn)行分析，利用垂直應(yīng)力對(duì)剪應(yīng)力與正應(yīng)力進(jìn)行無量綱處理，結(jié)果如圖5 所示。

表2 300 m 深度處測(cè)點(diǎn)K、μ 值Table 2 K value and friction coefficient at a depth of 300 m

圖5 滑移趨勢(shì)分析結(jié)果Fig. 5 Slip trend analysis results

考慮研究區(qū)域內(nèi)未發(fā)現(xiàn)自流井或高壓含水層古巖床，因此可假定孔隙水壓力為靜水壓力。研究區(qū)域內(nèi)μ值多為0.20～0.50，有效應(yīng)力莫爾圓代表的μ=0.41，小于Byerlee 準(zhǔn)則給出的下限值，說明研究區(qū)域內(nèi)斷裂帶基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，但部分地區(qū)斷層面μ值較高，為0.6～1.0，接近斷層滑動(dòng)臨界情況，說明局部區(qū)域斷層滑動(dòng)的可能性較高，即存在較大地震風(fēng)險(xiǎn)。

3 討論

3.1 應(yīng)力積累程度

為全面客觀地判斷青海共和盆地?cái)鄬涌赡艿幕瑒?dòng)趨勢(shì)，利用μm對(duì)研究區(qū)域斷層應(yīng)力積累水平進(jìn)行評(píng)價(jià)。基于不同實(shí)測(cè)位置地應(yīng)力數(shù)據(jù)，根據(jù)式（5）計(jì)算得到各測(cè)試段μm值，如表1 所示，μm與μ關(guān)系如下（王成虎等，2014）：

依據(jù)Byerlee 準(zhǔn)則取μ=0.6 作為判斷斷層失穩(wěn)的臨界值，由式（10）可知，可取μm=0.5 作為評(píng)價(jià)應(yīng)力積累水平較高的臨界值，進(jìn)而得到μm隨深度分布規(guī)律，如圖6 所示。

圖6 μm 隨深度分布規(guī)律Fig. 6 μm distribution diagram with depth

由圖6 可知，μm多為0.3～0.5，僅少數(shù)淺部（尤其是100 m 深度處）μm值超過臨界滑動(dòng)值，根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造資料，區(qū)域內(nèi)地表（深度≤100 m）易受剝蝕、風(fēng)化等因素影響，導(dǎo)致淺部應(yīng)力積累量值偏高。將深、淺部數(shù)據(jù)進(jìn)行算數(shù)平均，得到μm平均值為0.43；將深度＞200 m 的數(shù)據(jù)進(jìn)行算數(shù)平均，得到μm平均值為0.39，說明研究區(qū)域內(nèi)除少數(shù)淺部應(yīng)力積累水平較高外，其余均較低，即斷層整體處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，局部區(qū)域應(yīng)力水平較高，仍具有滑動(dòng)的可能性。

3.2 區(qū)域內(nèi)地震統(tǒng)計(jì)

青海共和盆地及附近地區(qū)整體應(yīng)力積累水平較高，局部區(qū)域應(yīng)力水平較高，發(fā)震風(fēng)險(xiǎn)較大。為直觀了解斷層活動(dòng)強(qiáng)度，根據(jù)《中國(guó)近代強(qiáng)震目錄（公元1912 年-1990 年）》和中國(guó)地震局臺(tái)網(wǎng)中心匯編的《中國(guó)地震詳目》，研究區(qū)域內(nèi)5 564 條ML2.0 級(jí)以上地震活動(dòng)記錄如圖7 所示。由圖7 可知，研究區(qū)域地震活動(dòng)強(qiáng)度較大，頻度較高，且分布極不均勻，主要以中小地震分布為主，強(qiáng)震主要分布在盆地西南部和中部，東南及北部地區(qū)地震活動(dòng)較弱；中小地震分布具有集群性及繼承性，形成4 個(gè)顯著的地震活動(dòng)團(tuán)簇，均沿NWW 向展布，如圖7 中藍(lán)色線條所示，與斷層走向一致。

圖7 研究區(qū)域地震活動(dòng)分布圖（ML≥2.0）Fig. 7 Distribution map of seismic activity in the study area (ML≥2.0)

根據(jù)青海共和盆地主震級(jí)3.0 級(jí)以上中強(qiáng)地震震源機(jī)制解基本參數(shù)，繪制發(fā)震“沙灘球”，如圖8 所示。由圖8 可知，共和盆地主壓應(yīng)力軸（P 軸）平均方位角為15°，近似垂直，為NNE 向；主張應(yīng)力軸（T 軸）平均方位角為310°，近似水平，為NWW 向。根據(jù)Vavry?uk（2014）給出的震源機(jī)制應(yīng)力和斷層方向迭代聯(lián)合反演程序?qū)φ鹪礄C(jī)制解參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并繪制震源機(jī)制綜合解，如圖9 所示，通過地震參數(shù)反演研究區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)，得到最大主應(yīng)力 σ1方向?yàn)镹E 向，最小主應(yīng)力 σ3方向?yàn)镹W 向。通過震源機(jī)制解參數(shù)反演得到的應(yīng)力場(chǎng)方向與鉆孔數(shù)據(jù)展示的主應(yīng)力方向具有較好的一致性，并與都昌庭（2001）分析得到的共和盆地東部地區(qū)地應(yīng)力方向接近NE 向結(jié)論一致，表明研究區(qū)域主要受NE 向應(yīng)力場(chǎng)控制。

圖8 研究區(qū)域附近歷史地震震源機(jī)制解分布圖Fig. 8 Distribution of focal mechanism solutions of historical earthquakes near the study area

圖9 共和盆地及周邊地區(qū)強(qiáng)余震震源機(jī)制綜合解Fig. 9 Comprehensive solution of the focal mechanism of strong aftershocks in the Gonghe Basin and surrounding areas

4 結(jié)論

（1）在青海共和盆地內(nèi)地層淺部，最大、最小水平主應(yīng)力隨地層深度的增加而增大。研究區(qū)域內(nèi)深度350 m 左右應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，即由逆沖型轉(zhuǎn)變?yōu)樽呋汀?/p>

（2）根據(jù)研究區(qū)域地應(yīng)力數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析淺部區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)方向特征，區(qū)域內(nèi)最大水平主應(yīng)力優(yōu)勢(shì)方位為N45°～E60°，即近NE 向。在收集共和盆地及周邊地區(qū)震源機(jī)制解參數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到研究區(qū)域內(nèi)最大主壓應(yīng)力軸（P 軸）、最小主應(yīng)力軸（T 軸）方向分別為NNE、NWW 向，震源機(jī)制解以逆沖型為主，地應(yīng)力場(chǎng)初步結(jié)果反演表明研究區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)以逆沖型為主，局部地區(qū)兼走滑特征，最大水平主應(yīng)力為NE 向。

（3）在收集多源地應(yīng)力數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，Byerlee-Anderson 方法分析結(jié)果表明，研究區(qū)域內(nèi)斷層μ多小于0.6，可知斷層多處于穩(wěn)定狀態(tài)，易滑性較低。 μm多為0.35～0.45，可知研究區(qū)域深、淺部應(yīng)力積累值相對(duì)較低，整體滑動(dòng)性不高。