郯庐断裂带江苏段地应力测量及断层稳定性分析

张士安，杜建军，刘卫东，秦向辉，吴满路，宗开红

(1.中国地质科学院地质力学研究所，北京 100081；2.新构造运动与地质灾害重点实验室，北京 100081；3.金川集团股份有限公司三矿区，甘肃 金昌 737103；4.江苏省地质调查研究院，江苏 南京 210018)

0 引 言

郯城—庐江断裂带(以下简称郯庐断裂带)是纵贯中国东部大陆边缘的一条巨型断裂带，总体呈北北东走向，绵延2400多千米(见图1)。它是我国东部最大的一条地震活动带，对中国大陆东部地区现今的地震活动有很强的控制作用[1]。有历史记载以来，强震活动从未间断过，如1548年和1597年渤海7级地震、1668年郯城8.5级地震、1888年渤海7.5级地震、1969年渤海7.4级地震和1975年海城7.3级地震等地震活动都和它有关，说明它是一条非常活跃的活动断裂带[2,3]。郯庐断裂带自南向北穿越扬子地块东北部、大别山和苏北-胶南造山带、华北地块东部以及东北的吉黑地块，可划分为三段，渤海至新沂之间为中段，其北为北段，其南为南段[1]。郯庐断裂带的构造活动具有明显的分段性，本文的研究区位于郯庐断裂带的南段，该段宽约20～30 km，主要由五条北北东走向近于平行的断裂组成，自东向西分别为F1、F2、F3、F4，构成了两堑夹一垒的构造形式，其中F5夹持于F1、F2之间的东地堑内，贯穿整个江苏段[4,5](见图1)。F5断裂即安丘—莒县断裂，是一条新生断裂，是晚更新世以来郯庐断裂带中活动性最强的断裂。F5断裂也是山东段郯城1668年8.5级大地震的发震断层[6]。因此，对郯庐断裂南段江苏段活动性和断层稳定性的研究，对于江苏的防震减灾工作有重要意义。

相关研究认为，地壳浅表层变形和内部构造活动以及其由此导致的各种地质灾害与地壳应力状态密切相关，地应力是影响和控制地震孕育和发生、断层失稳活动的直接力源[7-9]。以往有关郯庐断裂带地应力测量及动力学研究工作，主要集中在郯庐断裂带北段和中段[10,11]。郯庐断裂带南段的江苏段现今地应力场研究很少，且尚无断裂带内部的实测地应力资料。为此，笔者在郯庐断裂带南段的连云港市东海县和宿迁市泗洪县开展了两孔水压致裂法地应力测量工作，获取了区域内现今应力特征，并进一步分析了江苏段在现今地应力场作用下断裂的稳定性。

1 郯庐断裂带江苏段的活动性

郯庐断裂带起源于印支期华北与华南板块的碰撞造山运动，自形成以来经历了多期的地质构造活动，构造活动性质复杂。第四纪以来郯庐断裂带及邻区受近东西向挤压，以逆冲兼具右行走滑运动为主[1]。第四纪以来，F5断裂带进入新构造活动期，断层活动强烈，控制或影响了第四系的沉积。F5断裂在区域内主要在重岗山地区出露，本文通过在该区开挖探槽(33°33′37.44″N, 118°9′58.21″E)，分析了F5断裂在第四纪以来的活动特征。

在重岗山西侧陈集村附近，选择断裂线性特征明显的陡坎上开挖探槽(如图2所示)，从探槽剖面可知，F5断裂西支主断面东侧上盘为晚白垩世王氏组砖红色砂岩，西侧下盘为晚更新世戚咀组棕黄色粘土，断层走向为北北东，断面倾向85°，倾角55°。由断裂活动性判定：断裂面不平整，具有挤压的特征，沿东侧的主断裂发生了早期向西的逆冲活动，致使宿迁组灰白色砂岩连同紫红色砂岩逆冲于晚更新世地层之上，显示老地层向上挤压，断裂可能断错了全新世地层。剖面西侧发育的晚更新世含钙质结核层又被明显错断，早期具有向西的逆冲，后期可能为倾向250°的正断活动，显示在第四纪地层内部也发生过二次或多次挤压作用；其次在后期张应力的作用下形成了古地震楔。

前人对于江苏段的构造特征也做了大量研究，在重岗山地区的西侧对于F5断裂的研究进行了探槽开挖，认为F5断裂晚第四纪以来发生了强烈的逆冲挤压活动，且持续到全新世初期[12]。有学者在重岗山东麓采砂场内发现一断层剖面出露，认为此断层为F5断裂，活动方式以逆冲为主，兼具少量右行平移分量[13]。结合相关学者的研究，笔者认为F5断裂江苏段晚第四纪以来的活动方式是逆冲兼少量右旋走滑，并且全新世活动性较强，在重岗山地区以东西两支平行的方式展布。郯庐断裂带江苏段存在发生7.5～8级强震的可能性[14,15]，为此，很有必要在该区域内开展地应力测量工作，了解研究区地壳浅表层的现今地应力状态。

2 地应力测量和结果

本文在F1断裂东侧和F5断裂附近开展了水压致裂法地应力测量工作(图1)，获得了研究区的两孔地应力数据，其中重岗山钻孔为首次尝试在郯庐断裂带内部开展地应力测试工作。

2.1 地应力测量方法

水压致裂法是2003年国际岩石力学学会试验方法委员会颁布的确定岩石应力建议方法中所推荐的方法之一，是目前能较好地直接进行深孔应力测量的方法[16]。其测量理论建立在弹性力学平面应变理论基础之上，假设岩石为均质、各向同性、线弹性体，岩体是完整非渗透的，并且岩体中的一个主应力方向为垂直方向。现场测试时利用一对可膨胀的封隔器在选定的测量深度封隔一段钻孔，然后通过泵入流体对该试验段(常称压裂段)增压，人工诱发孔壁产生裂缝，同时记录整个过程中的压力变化，进一步对压力随时间变化曲线进行分析，求得瞬时闭合压力PS和重张压力Pr，从而计算压裂处的最大水平主应力SH和最小水平主应力Sh，其计算公式分别为式(1)和式(2)[16,17]：

SH=3Ps-Pr-Po

(1)

Sh=Ps

(2)

Sv=ρgh

(3)

其中P0是孔隙压力，垂向主应力Sv通过式(3)计算，是根据地面至压裂段中心点上覆岩层的重量，h为上覆岩体的厚度，计算时岩石平均密度ρ取2.70g/cm3。

2.2 地应力测量结果

新王庄钻孔(ZK01)孔深190m，位于燕山期侵入的桃林岩体上，岩性为二长花岗岩，重岗山钻孔(ZK02)孔深260m，钻遇地层主要为白垩纪王氏组紫红色砂岩、砾岩和少量薄层泥岩。两个钻孔的测试均是选择岩石完整的测试段，测量过程严格按照《原地应力测量水压致裂法和套芯解除法技术规范》[18]进行，共获得可用于计算主应力大小的有效压裂曲线21段，为确定钻孔主应力大小提供了翔实可靠的基础数据。图3给出了钻孔典型的原始压裂曲线，曲线表明在两个钻孔中获得的压裂曲线都具有比较明显的破裂压力，压力曲线比较标准，裂缝重张、闭合所对应的压力点清晰明确，可用以计算压力参数值，确定钻孔水平主应力值。

2.3 测试数据分析

数据处理按照国际岩石力学测试技术专业委员会于2003年发布的技术标准进行[16]，其中关闭压力Ps取值至关重要，Ps判读的准确性和可靠性直接关系到水压致裂应力测量结果的可靠[19]。对于关闭压力的取值均采用dt/dP法、dP/dt法及切线法三种方法进行，并利用dt/dP法和dP/dt法的平均值参与应力量值的计算[20,21]。在分析时进行了筛选分析，对于每一个测段，均利用第4回次数据进行分析取值。钻孔水压致裂地应力测量压裂参数及主应力值计算结果见表1。

表1 钻孔水压致裂地应力测量计算结果

根据表1数据，分析了钻孔主应力值随深度变化特征，结果表明，两个钻孔中主应力值均随地层深度增加而增大，符合已有的客观规律和认识。新王庄钻孔由水压致裂参数计算的主应力值，在75～191m 深度段,最大水平主应力(SH)量值为4.02～19.40MPa,最小水平主应力(Sh)量值为3.68～13.15MPa,地应力值属于中等水平；重岗山钻孔在56～245m深度范围内，实测最大水平主应力(SH)值范围为2.68～11.25MPa,最小水平主应力(Sh)值范围为1.83～7.35MPa,表明地应力处于中低水平。

为了直观地反映测点地应力随深度变化的分布规律，对试验数据进行了线性回归形式的拟合分析 (图4)，拟合结果如式(4)～(7)：

SH(ZK01)=0.111H-4.48R2=0.7939

(4)

Sh(ZK01)=0.07H-1.71R2=0.8771

(5)

SH(ZK02)=0.042H-0.07R2=0.8568

(6)

Sh(ZK02)=0.0268H+0.159R2=0.8334

(7)

式中H为测段深度，R2是拟合相关性系数。

钻孔ZK01的SH和Sh随深度增加梯度系数分别为0.111和0.07；钻孔ZK02的SH和Sh随深度增加梯度系数分别为0.042和0.0268。两个钻孔位置分别位于郯庐断裂带的东侧和F5断裂的内部，可以代表断裂带及其附近区域的应力状态。根据线性拟合的结果，分析了两个钻孔的地应力结构，三个主应力关系总体表现为SH>Sh>Sv，表明江苏段的区域应力场以水平向应力作用为主。Anderson断层理论[22,23]揭示了断裂性质与应力状态之间的关系,SH>Sh>Sv,SH>Sv>Sh,Sv>SH>Sh分别有利于逆断层、走滑断层和正断层活动[24]。根据Anderson 断层理论，同时结合断裂的展布与走向分析，研究区的应力结构为逆冲型，在现今地应力状态下，断层有利于发生逆冲活动。

3 断层稳定性分析

除了上述地应力值随深度变化梯度参数外，国内外学者还用Kav、KHV、KHh、μm等参数表征地壳浅表层应力状态，Kav、KHV、KHh、μm的计算公式分别为式(8)～式(11)，这些参数都反映了区域应力积累特征，可以分析断层的稳定性[9,25]。

Kav=(SH+Sh)/2Sv

(8)

KHV=SH/SV

(9)

KHh=SH/Sh

(10)

μm=(SH-Sh)/(SH+Sh)

(11)

式(8)和式(9)中：Kav和KHV为测压力系数，式(10)中KHh对于表征水平面内应力作用形态有重要意义，式(11)中μm值表征水平面内最大剪应力的相对大小。特征参数表明(图5)，Kav、KHV、KHh和μm值均较小，同时，结合SH和Sh地应力值较小的特征,说明地区应力积累水平较低。

现代构造运动的性质与强度，取决于区域地应力状态和岩体力学性质，部分学者研究认为地壳处于破裂极限状态[26-29]，并且通过断裂的失稳活动或地震事件，地壳应力状态能够保持一个均衡的状态。断层的活动性与断层的应力状态密切相关，库仑准则指出，当τ≥τ0+μσn时，则断层滑动，其中τ为断层面上的剪应力；τ0为粘聚力；μ为摩擦系数；σn为断层上的正应力；μσn为断层面上的滑动摩擦阻力。

Zoback和Townend分析大量地应力实测资料后认为地壳浅部应力状态是受断裂控制的[30]，且其强度的极限状态可以用库伦摩擦滑动准则来描述，并指出在使用库伦摩擦滑动准则时，粘聚力可以忽略，并引入有效应力的概念，用主应力改写库仑准则[26,31-33]。

(σ1-P0)/(σ3-P0)=((1+μ2)1/2+μ)2

(12)

式(12)中：σ1，σ3分别为岩层外围最大与最小主应力。若最大与最小有效主应力值之比小于右侧值，则断层稳定。若大于等于右侧值，则在方位合适的层面上断层可能发生滑动。所谓方位合适的层面指层面的法线方向与最大水平主应力SH的夹角为φ的面，μ与φ满足的关系为式(13)[32-34]：

φ=0.5(π/2+tg-1μ)

(13)

Byerlee基于大量室内实验而提出的除少数岩石外,地壳岩石的内摩擦系数为0.6～1.0(Byerlee定律)[35]。影响断层活动的摩擦系数μ与岩性无一定相关性，当围岩压力小于200MPa时，大部分岩石的μ值取0.85左右，当围岩压力值大于200MPa时，μ值取0.6左右。世界范围内大量实测地应力数据表明，地壳的摩擦强度受地壳内部的断裂强度和孔隙压力的控制，脆性的上地壳条件下，应力状态服从库伦摩擦失稳理论。

本文在分析时μ值分别取0.2,0.4,0.6,0.85,1.0得到的σ曲线，将实测地应力值带入式(13)中(σ1=SH,σ3=Sh)，得到图6。基于库伦摩擦失稳理论和拜尔利定律的地壳应力状态分析表明：ZK01孔的多数测段的地应力值未达到断层滑动临界值的上限，应力水平相当于摩擦系数取0.6～0.85，甚至0.4时理论量值。ZK02钻孔的地应力水平低于拜尔利定律给出的应力强度范围(摩擦系数μ取0.6～1.0计算获得的范围)，只有摩擦系数弱化到0.4时，部分地应力数据才满足断层滑动的要求。两个测点反映的地应力状态未达到断层失稳的临界状态，也在一定程度上反映出该段地壳浅表部赋存应变能的能力较弱。

4 结论

本文在郯庐断裂带江苏段开展两个测点的地应力测试，揭示了关键构造部位现今地壳应力状态，分析研究区断裂的活动性和稳定性，得到了以下结论：

(1)通过水压致裂地应力测量，得到了断裂带所控制区域的地应力状态。新王庄钻孔在75～191m 深度范围内,实测最大水平主应力量值为4.02～19.40MPa,最小水平主应力量值为3.68～13.15MPa，重岗山钻孔在56～245m深度段，最大水平主应力值范围为2.68～11.25MPa,最小水平主应力值范围为1.83～7.35MPa,表明研究区地应力处于中低水平。

(3)研究区现今地应力状态，最大与最小水平主应力值随深度的增加而增大，且成较好的线性关系增加。根据Anderson断层理论分析了钻孔的地应力结构，三个主应力总体表现为SH>Sh>Sv的关系，断裂的现今活动性表现为有利于逆冲的活动方式。

(4)虽然地应力测量结果的直接反应，研究区应力结构有利于逆冲断层孕育和活动。但是，最大、最小水平主应力值较小，结合特征参数Kav、KHV、KHh和μm值较小的特征，表明该断层浅部强度较弱，不具备应力积累的条件。同时，结合库伦准则和拜尔利定律进一步分析，地壳浅表层的应力状态未达到断层滑动的临界值，笔者认为不存在断层失稳滑动的可能性。

值得讨论的是，新王庄钻孔实测最大水平主应力方向为NE向，与研究区区域应力场较为一致。以往的地应力钻孔均选择远离断裂带的位置，为了获得断裂带内部的地应力数据，重岗山钻孔尝试在F5断裂东西两支之间测试，且东西两支仅几百米距离。该钻孔各测段的最大水平主应力方向均为NNW向，与区域应力场有差别，很可能是受此影响或是受到局部构造的影响，仍需相关学者进一步讨论和开展相关工作。本文对于分析研究区断裂的构造活动导致的各种地质灾害,以及解决本区域内的工程地质问题有重要的意义。