王 洪 王成虎 高桂云 陳 念 周 昊 安易飛

1）應急管理部國家自然災害防治研究院，地殼動力學重點實驗室，北京 100085

2）中國地質(zhì)大學（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、揚子板塊、柴達木地塊、秦嶺微地塊、青藏板塊復雜作用形成的，其經(jīng)歷了從柴達木地塊上的拗拉槽（陸相到陸表海相）到復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?，F(xiàn)今共和盆地及周邊地區(qū)斷裂帶仍處于活動狀態(tài)，自1990年哇玉香卡-拉干斷裂帶發(fā)生共和西南7 級地震以來，青海共和地區(qū)地震活動頻率和強度加劇，對該地區(qū)城鎮(zhèn)居民生產(chǎn)生活及經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生嚴重影響。

地應力是影響和控制地震產(chǎn)生的主要因素之一，當區(qū)域內(nèi)應力不斷積累，達到或超過斷層滑動臨界應力值時，已有斷裂所處地應力環(huán)境力學狀態(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)，沿斷層面產(chǎn)生錯動，從而發(fā)生地震（陳群策等，2010）。因此，從應力角度分析青海共和盆地及周邊地區(qū)斷層滑動機理和滑動趨勢具有重要意義。在理論研究方面，庫侖最早提出利用摩擦系數(shù)判斷巖石破壞情況的“摩擦準則”，巖石破壞形式主要以剪切破壞為主，巖石強度主要由巖石抗滑動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)摩擦試驗得到巖石摩擦系數(shù)集中在0.6～1.0。部分國外學者（Paterson 等，1978；Jamison 等，1980；Townend 等，2000；Zoback 等，2002）利用工程區(qū)原地應力實測數(shù)據(jù)證明，通過大量室內(nèi)試驗得到的摩擦系數(shù)適用于斷層滑動性分析。上述理論研究限定了斷裂滑動臨界值，在分析斷層穩(wěn)定性時，可將Byerlee 準則摩擦系數(shù)下限值0.6 作為判斷斷層面滑動的臨界摩擦系數(shù)（安其美等，2004）。在實際工程應用中，Lee 等（2009）利用韓國東南部15 個測點地應力數(shù)據(jù)并結(jié)合斷層產(chǎn)狀，計算得到斷層面剪應力和有效法向應力，進而得到韓國東南部23 條第四紀斷層滑動摩擦系數(shù)，從而判斷韓國東南部活動斷層的滑動可能性。黃祿淵等（2013）通過文獻調(diào)研得到華北地區(qū)1 017 條實測地應力數(shù)據(jù)，確定了華北地區(qū)活動斷層應力環(huán)境，并通過計算斷層滑動面臨界主應力差，得到華北地區(qū)活動斷層滑動趨勢。王成虎等（2012）和劉卓巖等（2017）利用龍門山斷裂帶附近的4 個深孔水壓致裂原地應力數(shù)據(jù)，確定了研究區(qū)域應力狀態(tài)，基于實測數(shù)據(jù)計算得到4 個應力量值特征，得到斷裂帶附近應力積累水平較低、斷層活動性和地震活動性較弱的結(jié)論。陳群策等（2010）通過收集整理山西盆地水壓致裂地應力數(shù)據(jù)，根據(jù)庫侖“摩擦準則”，引入斷層面滑動臨界狀態(tài)最大、最小有效應力比與摩擦系數(shù)關(guān)系函數(shù)，分析可知山西盆地附近區(qū)域應力值并未達到斷層滑動臨界應力值。

以上工程應用表明，基于實測原地應力數(shù)據(jù)對區(qū)域斷層滑動趨勢的判斷具有重要作用，而青海盆地及附近區(qū)域通過原地應力實測數(shù)據(jù)，結(jié)合地應力特征參數(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熱（張盛生等，2019）、太陽能、礦產(chǎn)、水力、鹽湖資源豐富，存在龍羊峽水庫誘發(fā)地震環(huán)境背景，且地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境復雜。因此，研究青海共和盆地附近應力狀態(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力實測數(shù)據(jù)資料，得到區(qū)域內(nèi)現(xiàn)今應力狀態(tài)分布規(guī)律，并結(jié)合Byerlee 準則、莫爾-庫侖強度理論對區(qū)域內(nèi)斷層穩(wěn)定性進行初步分析，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）斷層力學理論、莫爾-庫侖強度理論和Byerlee 準則，引入最大側(cè)壓力系數(shù)Kmax、最小側(cè)壓力系數(shù)Kmin、應力積累指標μm等參數(shù)，用于分析區(qū)域應力場積累水平和地應力量值特征，并判定斷層穩(wěn)定性。側(cè)壓力系數(shù)與地應力測量深度呈線性關(guān)系，可擬合得到不同測點在相同深度的側(cè)壓力系數(shù)。根據(jù)莫爾-庫侖破裂準則，破裂面剪應力主要由研究單元抗滑動摩擦的黏聚力和破裂面上產(chǎn)生的摩擦力組成，計算如下：

分析斷層穩(wěn)定性的過程中，應充分考慮巖石內(nèi)孔隙水壓力對斷裂帶滑動的影響，因此，引入臨界滑動面有效正應力，有效正應力和剪應力計算如下：

2 青海共和盆地現(xiàn)今地應力狀態(tài)和斷層滑動趨勢分析

2.1 原地應力實測數(shù)據(jù)收集與整理

本研究采用的主要地應力數(shù)據(jù)來源于應急管理部國家自然災害防治研究院編制的《中國大陸地殼應力環(huán)境基礎數(shù)據(jù)庫》（謝富仁等，2007）及文獻收集得到的實測地應力數(shù)據(jù)、震源機制解數(shù)據(jù)，研究青海共和盆地區(qū)域構(gòu)造應力場特征，并分析目前應力狀態(tài)下斷層穩(wěn)定性。

區(qū)域內(nèi)19 個實測地應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?？h與同德縣交界處、門源縣，共65 條水壓致裂數(shù)據(jù)和44 條應力解除法測量的地應力數(shù)據(jù)，測量深度一般為50～300 m，最深近500 m，研究區(qū)域地應力測試鉆孔位置如圖1 所示，水壓致裂測量的地應力數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 研究區(qū)域?qū)崪y地應力數(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)造與地應力測量位置示意圖Fig. 1 Schematic diagram of geological structure and geostress measurement location in Gonghe Basin, Qinghai

2.2 主應力隨深度變化

青海共和盆地主應力隨深度變化規(guī)律如圖2 所示，圖中SH、Sh、Sv分別表示最大、最小水平主應力和垂直應力，黑、紅、藍色斜線分別表示最大、最小水平主應力和垂直應力線性擬合回歸線，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 斷層力學理論及圖2 可知，當深度＜350 m 時，SH＞Sh＞Sv，屬于逆沖型應力狀態(tài)，有利于逆沖斷層活動；當深度＞350 m 時，SH＞Sv＞Sh，屬于走滑型應力狀態(tài)，有利于走滑斷層活動。

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

2.3 地應力量值特征

為更直觀地反映地應力實測值隨測試深度的變化特征，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

水壓致裂法實測數(shù)據(jù)顯示青海共和盆地SH優(yōu)勢方向為NE、NWW 向，應力解除法實測數(shù)據(jù)顯示SH優(yōu)勢方向為NEE、NNW 向，如圖4 所示。查閱文獻可知，青海共和盆地斷裂十分發(fā)育，主要分布NE、NWW、NNW 向3 組斷裂，區(qū)域內(nèi)地應力優(yōu)勢方位與斷裂方向近似平行，3 組不同方位斷裂滑動可能性較大。部分學者對青海地區(qū)斷層穩(wěn)定性和地震活動性進行了研究，如許忠淮等（1987）根據(jù)小地震P 波初動方向數(shù)據(jù)，推斷了青海地區(qū)主壓應力軸為NE-SW 向；董治平等（1992）利用青海東部地區(qū)活斷層資料，計算得到主壓應力方向為NE 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，復雜的地質(zhì)構(gòu)造背景及力學性質(zhì)反映了區(qū)域內(nèi)整體受NE 向強大的擠壓力作用；都昌庭（2001）基于青海共和盆地周邊地區(qū)地應力實測數(shù)據(jù)，計算得到區(qū)域內(nèi)主壓應力方向為NE 向；徐紀人等（2006）通過解析青藏高原及周邊地區(qū)震源機制結(jié)果，發(fā)現(xiàn)共和盆地甚至整個青藏高原均受到來自印度板塊NNE 或NE 向水平擠壓應力作用，因此青海共和盆地主壓應力方向表現(xiàn)為近NE-SW 向。綜上所述，青海共和盆地最大水平主應力方向為N45°～E60°，即近NE 向。

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

2.5 斷層滑動趨勢

斷層滑動趨勢通常由斷層面正應力與剪應力比值決定，即由斷層走向和應力場相對方位決定（劉卓巖等，2017），據(jù)此可基于已有深部與淺部應力數(shù)據(jù)對斷層活動性進行分析。測試深度為200 m 左右時KH，max、Kh，min逐漸趨于穩(wěn)定，因此，計算每個地應力測點300 m 深度處μ值（見表2），并在應力莫爾圓中進行分析，利用垂直應力對剪應力與正應力進行無量綱處理，結(jié)果如圖5 所示。

表2 300 m 深度處測點K、μ 值Table 2 K value and friction coefficient at a depth of 300 m

圖5 滑移趨勢分析結(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，有效應力莫爾圓代表的μ=0.41，小于Byerlee 準則給出的下限值，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，接近斷層滑動臨界情況，說明局部區(qū)域斷層滑動的可能性較高，即存在較大地震風險。

3 討論

3.1 應力積累程度

為全面客觀地判斷青海共和盆地斷層可能的滑動趨勢，利用μm對研究區(qū)域斷層應力積累水平進行評價?；诓煌瑢崪y位置地應力數(shù)據(jù)，根據(jù)式（5）計算得到各測試段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 作為評價應力積累水平較高的臨界值，進而得到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、風化等因素影響，導致淺部應力積累量值偏高。將深、淺部數(shù)據(jù)進行算數(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)淺部應力積累水平較高外，其余均較低，即斷層整體處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，局部區(qū)域應力水平較高，仍具有滑動的可能性。

3.2 區(qū)域內(nèi)地震統(tǒng)計

青海共和盆地及附近地區(qū)整體應力積累水平較高，局部區(qū)域應力水平較高，發(fā)震風險較大。為直觀了解斷層活動強度，根據(jù)《中國近代強震目錄（公元1912 年-1990 年）》和中國地震局臺網(wǎng)中心匯編的《中國地震詳目》，研究區(qū)域內(nèi)5 564 條ML2.0 級以上地震活動記錄如圖7 所示。由圖7 可知，研究區(qū)域地震活動強度較大，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)地震活動較弱；中小地震分布具有集群性及繼承性，形成4 個顯著的地震活動團簇，均沿NWW 向展布，如圖7 中藍色線條所示，與斷層走向一致。

圖7 研究區(qū)域地震活動分布圖（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3.0 級以上中強地震震源機制解基本參數(shù)，繪制發(fā)震“沙灘球”，如圖8 所示。由圖8 可知，共和盆地主壓應力軸（P 軸）平均方位角為15°，近似垂直，為NNE 向；主張應力軸（T 軸）平均方位角為310°，近似水平，為NWW 向。根據(jù)Vavry?uk（2014）給出的震源機制應力和斷層方向迭代聯(lián)合反演程序?qū)φ鹪礄C制解參數(shù)進行計算，并繪制震源機制綜合解，如圖9 所示，通過地震參數(shù)反演研究區(qū)域應力場，得到最大主應力 σ1方向為NE 向，最小主應力 σ3方向為NW 向。通過震源機制解參數(shù)反演得到的應力場方向與鉆孔數(shù)據(jù)展示的主應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 向應力場控制。

圖8 研究區(qū)域附近歷史地震震源機制解分布圖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)強余震震源機制綜合解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)域地應力數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析淺部區(qū)域應力場方向特征，區(qū)域內(nèi)最大水平主應力優(yōu)勢方位為N45°～E60°，即近NE 向。在收集共和盆地及周邊地區(qū)震源機制解參數(shù)的基礎上進行統(tǒng)計分析，得到研究區(qū)域內(nèi)最大主壓應力軸（P 軸）、最小主應力軸（T 軸）方向分別為NNE、NWW 向，震源機制解以逆沖型為主，地應力場初步結(jié)果反演表明研究區(qū)域應力場以逆沖型為主，局部地區(qū)兼走滑特征，最大水平主應力為NE 向。

（3）在收集多源地應力數(shù)據(jù)的基礎上，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、淺部應力積累值相對較低，整體滑動性不高。