Chang C，Kang T S

1）Chungnam National University，Daejeon，South Korea

2）Pukyong National University，Busan，South Korea

區(qū)域斷裂對(duì)韓國東南部地區(qū)現(xiàn)今應(yīng)力狀態(tài)的影響＊

Chang C1），Kang T S2）

1）Chungnam National University，Daejeon，South Korea

2）Pukyong National University，Busan，South Korea

利用朝鮮半島東南部地區(qū)淺層地應(yīng)力數(shù)據(jù)，給出區(qū)域現(xiàn)今應(yīng)力狀態(tài)的分布特征及其與斷層分布的關(guān)系。地應(yīng)力數(shù)據(jù)表明，區(qū)域最大主壓應(yīng)力呈ENE－WSW到NESW向，這與地震震源機(jī)制解及歐亞板塊東部構(gòu)造應(yīng)力方向的一階模式一致?；蛟S是受到斷層的影響，現(xiàn)今應(yīng)力張量在大小和方向上表現(xiàn)出不均勻性。區(qū)域水平主應(yīng)力變化較為一致，而垂向則變化較大。應(yīng)力場(chǎng)的大小受區(qū)域斷層多少的影響，斷層越多應(yīng)力越小，這表明斷層應(yīng)力釋放或許是造成低應(yīng)力的主要原因之一。為了驗(yàn)證這種假設(shè)的正確性，我們對(duì)第四紀(jì)活動(dòng)斷層與現(xiàn)今應(yīng)力場(chǎng)的關(guān)系進(jìn)行分析。在現(xiàn)今應(yīng)力狀態(tài)下，斷層剪應(yīng)力與正應(yīng)力比值較高，這與區(qū)域大部分?jǐn)鄬右宰呋瑸橹魇且恢碌?，這意味著斷層的活動(dòng)可以維持當(dāng)前的應(yīng)力場(chǎng)。

引言

區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)受活動(dòng)斷層等構(gòu)造單元的影響[1－2]。本文以韓國東南部地區(qū)為例，利用水壓致裂和套取巖芯方法給出的淺層（100～320 m）地應(yīng)力測(cè)量數(shù)據(jù)，分析了區(qū)域活動(dòng)斷裂對(duì)應(yīng)力狀態(tài)的影響。雖然地應(yīng)力數(shù)據(jù)受淺部區(qū)域局限，但是對(duì)于相對(duì)較為廣泛區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)大小和方向的確定，在數(shù)據(jù)采集點(diǎn)較為廣泛的情況下，地應(yīng)力測(cè)量數(shù)據(jù)還是分析應(yīng)力狀態(tài)較為有效的方法。為了表明地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果的可靠性，我們將其與震源機(jī)制解進(jìn)行比較。

朝鮮半島位于歐亞板塊的東部邊緣，由于遠(yuǎn)離主要的板塊邊界，通常被認(rèn)為區(qū)域構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定。但這并不意味著地震發(fā)震概率較低。朝鮮半島及其毗鄰區(qū)域每年發(fā)生幾十次弱和中強(qiáng)地震，這些地震的發(fā)生大多是由于板內(nèi)活動(dòng)斷裂的應(yīng)力積累超過巖石抗剪強(qiáng)度而引發(fā)的。

韓國東南部區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造為白堊紀(jì)沉積盆地，且區(qū)域內(nèi)斷層廣泛發(fā)育。尤其需要注意的是，東南部區(qū)域NNE走向的密集成組斷裂，主要包括Yangsan活動(dòng)斷層，該斷層長(zhǎng)達(dá)約200 km，且斷裂帶的現(xiàn)今活動(dòng)性被廣泛關(guān)注[3－4]。另外，研究還發(fā)現(xiàn)在第四紀(jì)活動(dòng)期內(nèi)，斷層周圍地區(qū)存在多期地震事件造成的斷層陡坎和階地。

1 地應(yīng)力數(shù)據(jù)

利用從地應(yīng)力相關(guān)文獻(xiàn)中收集到的數(shù)據(jù)[58]。所有這些數(shù)據(jù)主要來源于水壓致裂測(cè)量，部分來源于套取巖芯技術(shù)。水壓致裂實(shí)驗(yàn)主要是利用有線水壓致裂系統(tǒng)，將水泵作用于跨接式封隔器來完成的。整個(gè)測(cè)試設(shè)置和程序參考國際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)提供的方法[9]。套取巖芯技術(shù)主要是采用鉆孔變形計(jì)來測(cè)量垂直于鉆孔軸的平面的應(yīng)變，結(jié)合巖石的彈性參數(shù)，最終給出區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)。

經(jīng)過初步的應(yīng)力數(shù)據(jù)匯編，結(jié)合驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)我們對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選。首先，排除方向性較差的應(yīng)力數(shù)據(jù)，也就是世界應(yīng)力圖（World Stress Map，WSM）計(jì)劃中所謂的D類數(shù)據(jù)。其次，為了降低地形因素的影響[10]，僅僅采用100 m深度以下的數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果

2.1 地應(yīng)力方向

圖1 韓國東南部地區(qū)最大主應(yīng)力方向

圖1為最大水平應(yīng)力方向（SHmax）。結(jié)果顯示，區(qū)域最大水平應(yīng)力SHmax的優(yōu)勢(shì)方向?yàn)镋NE－WSW或NE－SW向。這與斷層滑動(dòng)分析、震源機(jī)制解等方法給出的結(jié)果一致[15]，也與世界應(yīng)力圖計(jì)劃給出的該地區(qū)SHmax的優(yōu)勢(shì)方向是E－W向結(jié)果較為相近[16]。

研究區(qū)東南部的部分?jǐn)?shù)據(jù)顯示SHmax方向?yàn)镹E或NNE，其中包括Yangsan斷層在內(nèi)的近似NNE走向斷層。這些區(qū)域的SHmax方向與區(qū)域斷層的走向平行，且這種趨勢(shì)比較明顯。而在其他區(qū)域，應(yīng)力方向似乎與當(dāng)?shù)財(cái)鄬記]有明顯的相關(guān)性。

對(duì)于影響構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)分布的因素，已經(jīng)開展了大量的研究工作[17－20]。結(jié)果認(rèn)為，諸如斷層存在等結(jié)構(gòu)單元的非連續(xù)性造成區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)擾動(dòng)，使得最大應(yīng)力偏離甚至垂直斷層。Hudson和Cooling[17]則認(rèn)為，造成區(qū)域應(yīng)力變化的原因主要取決于圍巖和斷層破碎帶物質(zhì)力學(xué)參數(shù)的差異。他們指出，如果破碎帶物質(zhì)與圍巖物性基本一致，則斷層附近的應(yīng)力近似平行。因此我們認(rèn)為，造成Yangshan斷層區(qū)域的SHmax方向呈NNE向的原因是由于諸如斷層泥和破碎帶等斷層填充物質(zhì)的厚度造成的。

2.2 地應(yīng)力大小

圖2為不同位置最小水平應(yīng)力（Shmin）和最大水平應(yīng)力（SHmax）與深度的關(guān)系，實(shí)線Sv表示垂向應(yīng)力（假設(shè)單位重力為26.5 k N／m3）。總體來說，Shmin數(shù)據(jù)較為分散，通常認(rèn)為是由淺部工程測(cè)量造成的。另外，在不同的區(qū)域，隨著深度的變化，Shmin變化梯度存在些微的差異。在某些地區(qū)，Shmin與Sv（圖2a）相當(dāng)或者較小，而在另一些地區(qū)，Shmin通常高于Sv（圖2b）。

盡管數(shù)據(jù)較為分散，但總體來說，SHmax還是高于垂向應(yīng)力Sv，這種應(yīng)力場(chǎng)分布特征有利于斷層的逆沖和走滑運(yùn)動(dòng)（Sv≤Shmin＜SHmax）。圖中不同符號(hào)表示的兩組SHmax數(shù)據(jù)分別對(duì)應(yīng)Shmin的低值和高值，可以清楚地看出，兩組數(shù)據(jù)的差異還是非常明顯的。

圖2 S hmin（a，b）和S Hmax（c）在不同地區(qū)的大小。（a）顯示S hmin值接近或者低于S v；（b）顯示S hmin高于S v；圖（c）中，空心圓表示在（a）區(qū)最大最小主應(yīng)力相當(dāng)，閉合圓表示在（b）區(qū)最大最小主應(yīng)力相當(dāng)

為了更加直觀地顯現(xiàn)不同區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)，在圖3中我們給出應(yīng)力比值的等值線圖，其中Kmin＝Shmin／Sv，Kmax＝SHmax／Sv。由于SHmax與Shmin在某種程度上存在關(guān)系，使得Kmin和Kmax兩條曲線輪廓相似。但應(yīng)力大小的空間分布呈現(xiàn)不均勻性，Kmax最小值小于1.4，而對(duì)于南部的邊界區(qū)域高達(dá)～2.2。

圖3 應(yīng)力比值等值線圖。（a）表示K min；（b）表示K max

2.3 與震源機(jī)制解結(jié)果的比較

由于地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果僅代表淺部應(yīng)力狀態(tài)，因此需要將其與諸如震源機(jī)制解等給出的深部應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行比較。本文選取85個(gè)M＞1.6的地震數(shù)據(jù)反演震源機(jī)制解（圖4）[21]。

反演結(jié)果表明，最大壓力σ1為水平ENE向，這與利用淺層地應(yīng)力數(shù)據(jù)給出的結(jié)果較為一致。中間和最小主應(yīng)力（σ2，σ3）則存在與水平和垂直方向的傾斜，甚至有些與地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果完全不同?？赡艿脑蚴莾蓚€(gè)主應(yīng)力沒有明顯地分辨出來，造成主應(yīng)力方向的變化。

[1] Lynne M. Tracy, The United States and the New Silk Road, Washington D.C., October 25, 2013, https://2009-2017.state.gov/p/sca/rls/rmks/2013/215906.htm.

圖4 85個(gè)M＞1.6地震的震源機(jī)制解，結(jié)果顯示：（a）單個(gè)震源機(jī)制解的P軸（實(shí)點(diǎn)）和T軸（圓圈）；（b）應(yīng)力反演結(jié)果顯示最佳主應(yīng)力軸和95%置信區(qū)間

3 討論

3.1 應(yīng)力大小與斷層分布的關(guān)系

造成應(yīng)力場(chǎng)分布不均勻的原因較多：材料物性參數(shù)的差異，不同的孔隙壓條件以及不同的破裂方式。區(qū)域巖性主要由白堊系沉積巖組成，因此就不存在巖性差異造成的區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)的變化。對(duì)于孔隙壓的影響，研究區(qū)40口水井的水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)沒有顯示出高壓區(qū)域，水位基本維持在11.8±7.7 m左右，靜水壓力可能會(huì)對(duì)此產(chǎn)生影響。然而，對(duì)于區(qū)域高低應(yīng)力區(qū)的斷層多少的分布，則存在較大的差異（圖1）。

為了定量評(píng)估不同地區(qū)斷層的分布情況，我們測(cè)得在一個(gè)直徑30 km的圓形區(qū)域中包含的斷層累積長(zhǎng)度。

在圖5中，我們給出每個(gè)地區(qū)Kmin與累積斷層長(zhǎng)度的函數(shù)關(guān)系?？偟内厔?shì)顯示，除3個(gè)特殊地區(qū)之外，應(yīng)力大小與累積斷層長(zhǎng)度呈負(fù)相關(guān)，即應(yīng)力大小隨累積斷層長(zhǎng)度的增加而降低。而對(duì)于特殊區(qū)域，還不能給出詳細(xì)的解釋，因此，我們認(rèn)為，影響地應(yīng)力大小的因素是比較復(fù)雜的，僅僅靠單一的參數(shù)還無法表示區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)。結(jié)果表明，斷層多少雖然不是影響應(yīng)力分布的唯一因素，但其存在確實(shí)影響應(yīng)力分布，且應(yīng)力相對(duì)較低的區(qū)域表現(xiàn)為較多的斷層分布的特點(diǎn)。

圖5 K min與累積斷層長(zhǎng)度之間的關(guān)系

應(yīng)力大小和斷層分布之間的關(guān)系使得我們認(rèn)為，在構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定的區(qū)域，現(xiàn)存應(yīng)力狀態(tài)可能受先前存在的斷層及斷層活動(dòng)造成的應(yīng)力釋放所控制。為了證明推論的合理性，我們對(duì)可能造成應(yīng)力釋放的活動(dòng)斷層的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析。

3.2 斷層滑移造成的應(yīng)力釋放

在研究區(qū)域內(nèi)，大部分?jǐn)鄬友仄屏衙姹憩F(xiàn)出明顯的剪切運(yùn)動(dòng)，斷層主要分布于盆地的東部區(qū)域及K值相對(duì)較低的Ulsan斷層，且沿Yangshan斷層成叢分布。

如果斷層活動(dòng)能造成應(yīng)力釋放，那么區(qū)域內(nèi)第四紀(jì)活動(dòng)斷層肯定會(huì)對(duì)區(qū)域應(yīng)力釋放產(chǎn)生影響。為此，我們分析了當(dāng)前應(yīng)力狀態(tài)下活動(dòng)斷層的滑動(dòng)趨勢(shì)。將斷層的滑動(dòng)趨勢(shì)定義為，斷層面上剪應(yīng)力（τ）與有效正應(yīng)力（σ′）的比值，并取決于斷層方位與區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的偏離情況。另外，在計(jì)算有效正應(yīng)力時(shí)，我們假設(shè)有一特定的靜水孔隙壓力。

由于第四紀(jì)斷層的存在對(duì)區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)影響較大，因此，我們采用這一區(qū)域的主應(yīng)力平均大小和方向（Kmax＝1.5，Kmin＝1.0，SHmax方向?yàn)镹E向）開展工作。在給定的應(yīng)力狀態(tài)下，第四紀(jì)斷層上的點(diǎn)的投影位于τ／σ′的相對(duì)高值區(qū)（圖6）。這表明區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)有利于斷層的滑動(dòng)。

圖6 第四紀(jì)斷層的立體投影，等值線表示τ／σ′

第四紀(jì)斷層上τ／σ′的比值小于斷層的摩擦系數(shù)，與實(shí)驗(yàn)給出的不同類型巖石靜態(tài)摩擦系數(shù)（0.6～1.0）相比[22]，斷層面上的應(yīng)力狀態(tài)還不足以引起斷層的滑動(dòng)。然而，先前有關(guān)靜態(tài)摩擦系數(shù)的研究表明，靜態(tài)摩擦系數(shù)一般較低（低至～0.2），且系數(shù)大小主要取決于破碎帶物質(zhì)的粘性程度和顆粒大小[2324]。因此，還不能清楚地確定斷層的穩(wěn)定性。但通過這些結(jié)果，還是可以得出一些有意義的認(rèn)識(shí)。不管當(dāng)前應(yīng)力狀態(tài)下斷層潛在的危險(xiǎn)程度如何，在特定的應(yīng)力方向上，τ／σ′最大時(shí)，斷層肯定最危險(xiǎn)。這表明斷層可以維持當(dāng)前的應(yīng)力狀態(tài)或者通過滑移減少（釋放）應(yīng)力，且整個(gè)第四紀(jì)時(shí)期應(yīng)力大小比現(xiàn)今更有利于斷層的滑移，上述結(jié)果意味著，第四紀(jì)斷層引起的應(yīng)力釋放造成較低的應(yīng)力大小。

4 結(jié)論

研究結(jié)果表明，應(yīng)力的大小和方向存在空間的變化。首先，最大水平應(yīng)力方向總體與斷層走向存在一定程度的偏移，且應(yīng)力大小、水平與垂直應(yīng)力之比（K）與斷層規(guī)模呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，斷層規(guī)模越大，應(yīng)力越小。這種關(guān)系表明存在應(yīng)力釋放的可能性，斷層活動(dòng)造成相對(duì)較低的應(yīng)力狀態(tài)。

第四紀(jì)活動(dòng)斷層廣泛分布于低K區(qū)，且在特定的應(yīng)力狀態(tài)下，活動(dòng)斷裂面上剪應(yīng)力與有效正應(yīng)力的比值相對(duì)較高，這表明斷層處于臨界破裂狀態(tài)，任何應(yīng)力擾動(dòng)都可能造成斷層的滑動(dòng)，造成區(qū)域應(yīng)力的釋放。

譯自：Proceedings of the 5thInternational Symposium on In－Situ Rock Stress“Rock Stress and Earthquake”，Edited by Furen Xie，CRC Press／Balkema，Leiden，The Netherlands：701－706，2010

原題：Present－day stress state in southeast Korea with an emphasis on effects of regional－scale faults

（中國地震局地殼應(yīng)力研究所研究生 李 妍譯；李玉江 校）

（譯者電子郵箱，李妍：l＿iyan2005＠126.com）

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