渤海海峽地應(yīng)力場(chǎng)研究及地質(zhì)條件評(píng)價(jià)?

鄭紅霞, 張訓(xùn)華, 趙鐵虎, 齊 君

(1.中國(guó)海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院，山東 青島 266100； 2.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580；3.青島海洋地質(zhì)研究所 海洋地質(zhì)調(diào)查技術(shù)方法室，山東 青島 266071)

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渤海海峽地應(yīng)力場(chǎng)研究及地質(zhì)條件評(píng)價(jià)?

鄭紅霞1，2，3, 張訓(xùn)華3??, 趙鐵虎3, 齊 君3

(1.中國(guó)海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院，山東 青島 266100； 2.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580；3.青島海洋地質(zhì)研究所 海洋地質(zhì)調(diào)查技術(shù)方法室，山東 青島 266071)

查明渤海海峽處現(xiàn)今地應(yīng)力狀態(tài)及斷層活動(dòng)狀況，可為渤海海峽跨海通道建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。在通道中軸線(xiàn)上布設(shè)6個(gè)淺鉆鉆孔，進(jìn)行了7個(gè)測(cè)點(diǎn)的空芯包體地應(yīng)力測(cè)量工作。對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)分析后，認(rèn)為海峽區(qū)最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力與垂直主應(yīng)力均隨深度的增加而線(xiàn)性增大；最大水平主應(yīng)力大于垂直應(yīng)力，區(qū)域內(nèi)構(gòu)造力處于主導(dǎo)地位；各測(cè)點(diǎn)處均有兩個(gè)主應(yīng)力位于近水平方向，其與水平面的夾角平均為7.8°；研究區(qū)內(nèi)地應(yīng)力各分量值之間相差不大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于區(qū)內(nèi)斷層活動(dòng)應(yīng)力值的下限，研究區(qū)目前處于穩(wěn)定狀態(tài)。區(qū)域橫向上看，海峽區(qū)南部地殼淺部的應(yīng)力狀態(tài)為σH>σh>σv，有利于逆斷層活動(dòng)，北部的應(yīng)力狀態(tài)為σH>σv>σh，有利于走滑斷層活動(dòng)；垂向上看，70m以上的各點(diǎn)應(yīng)力值受地形影響較大，-70～-130m處的各點(diǎn)處于擠壓應(yīng)力狀態(tài)中。整個(gè)區(qū)域處于NE-NEE向的擠壓應(yīng)力場(chǎng)中，在區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的作用下，郯廬斷裂帶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)中。

渤海海峽； 地應(yīng)力測(cè)量； 主應(yīng)力； 應(yīng)力狀態(tài)； 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(xiàn)，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(cè)水深為20～30m，北側(cè)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(dá)86m。廟島群島散布在海峽中南部，呈線(xiàn)性南北展開(kāi)[1-2]。

為進(jìn)一步加快環(huán)渤海區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，振興東北老工業(yè)區(qū)，依托渤海海峽的有利地形地理?xiàng)l件，修建渤海海峽跨海通道，構(gòu)筑起北接俄羅斯，南連長(zhǎng)三角、珠三角的沿海交通大動(dòng)脈，將能為中國(guó)沿海、東北亞及環(huán)太平洋地區(qū)的經(jīng)濟(jì)騰飛創(chuàng)造重要條件[3]。渤海海峽跨海通道的建設(shè)將是一項(xiàng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益顯著、規(guī)?？涨?，施工難度巨大的海上重大工程[4]。因此避開(kāi)地震、斷層活動(dòng)帶及地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)帶，為工程建設(shè)尋找相對(duì)穩(wěn)定區(qū)，成為了目前一研究熱點(diǎn)。地殼應(yīng)力變化是導(dǎo)致地殼變形、斷裂、褶皺乃至地震發(fā)生的最直接動(dòng)力因素，研究工程區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)，將能為通道工程選線(xiàn)、建設(shè)及運(yùn)營(yíng)提供科學(xué)依據(jù)及保障[5-6]。

前人基于斷層活動(dòng)擦痕數(shù)據(jù)、現(xiàn)代震源機(jī)制解、應(yīng)力測(cè)量數(shù)據(jù)及地殼形變數(shù)據(jù)，曾先后開(kāi)展過(guò)華北地區(qū)、環(huán)渤海地區(qū)、山東地區(qū)、東部沿海地區(qū)等地的地應(yīng)力狀態(tài)研究工作，確定了大區(qū)域的統(tǒng)一應(yīng)力場(chǎng)[7-16]。但由于受構(gòu)造、斷裂及巖石物理參數(shù)的影響，局部地區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)與大區(qū)域統(tǒng)一應(yīng)力場(chǎng)有所差異[17-18]，因此在分析區(qū)域范圍應(yīng)力場(chǎng)時(shí)，需要用現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。本文基于渤海海峽跨海通道處6個(gè)鉆孔的7個(gè)地應(yīng)力空芯包體測(cè)試數(shù)據(jù)，討論了海峽區(qū)主應(yīng)力的方向、傾角、量值及其相互關(guān)系，歸納了地應(yīng)力隨深度的分布規(guī)律，分析了區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)，研究了該區(qū)的斷層活動(dòng)性，探討了該區(qū)的動(dòng)力學(xué)環(huán)境及地震危險(xiǎn)性，為該區(qū)的活動(dòng)斷裂、地震危險(xiǎn)性、區(qū)域動(dòng)力學(xué)研究提供實(shí)際資料，為跨海通道工程的論證、建設(shè)及安全運(yùn)營(yíng)提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

渤海海峽地處渤海下沉帶東側(cè)，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(jiàn)圖1)。膠遼隆褶帶是中朝地塊上的一個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元?；子商糯驮缭糯冑|(zhì)巖系、混合花崗巖、混合巖組成，結(jié)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(gòu)造格局。中元古代除凹陷接受沉積外，其余地區(qū)均處于隆起狀態(tài)。晚古生代地層以復(fù)州坳陷發(fā)育最好，總厚度達(dá)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(gòu)造運(yùn)動(dòng)及后期的喜馬拉雅造山運(yùn)動(dòng)，使該區(qū)先后發(fā)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(dòng)[20-21]。新近紀(jì)時(shí)期，該區(qū)局部進(jìn)一步陷落形成北黃海盆地，殘余狹長(zhǎng)部分為膠遼路橋，路橋西側(cè)的渤海灣盆地沉積了巨厚的古近紀(jì)、新近紀(jì)地層，以東的北黃海盆地缺失古近紀(jì)地層，只沉積了新近紀(jì)地層。路橋-海峽范圍缺失第三紀(jì)地層，第四紀(jì)地層厚度較薄，以陸相和海陸交替相沉積為主[19，22]。第四紀(jì)初期，喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)期間，NW向斷裂活躍，將路橋切割、斷陷、分離為數(shù)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(lái)，該區(qū)和渤海沿岸一樣，發(fā)生過(guò)3次大的海侵與海退，直至距今1300年左右，海島岸線(xiàn)才降到比現(xiàn)在海島岸線(xiàn)略高的地方[23-24]。

(①營(yíng)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(jù)文獻(xiàn)[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(qū)所處的華北地塊新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)具有明顯的繼承性與新生性，繼承性表現(xiàn)為新近紀(jì)基本繼承了古近紀(jì)的構(gòu)造格局；新生性表現(xiàn)為在古近紀(jì)構(gòu)造格局的基礎(chǔ)上，形成一些新構(gòu)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(cè)的華北平原和下遼河平原以下降運(yùn)動(dòng)為主，沉積了巨厚的第四系，而在膠、遼山地和燕山山地表現(xiàn)為以間歇性上升運(yùn)動(dòng)為主[28-31]。目前，整個(gè)群島至今仍處于“南升北降”的微變之中。廟島群島除基底長(zhǎng)期隆起外，主要受營(yíng)口-濰坊斷裂帶和蓬萊-威海斷裂帶所控制，這兩組斷裂為長(zhǎng)期繼承性活動(dòng)斷裂，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)時(shí)期也有明顯活動(dòng)[21]。

2 渤海海峽地應(yīng)力測(cè)量及結(jié)果

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

本次測(cè)量中使用中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所研制的KX-81型空芯包體式三軸地應(yīng)力計(jì)，該設(shè)備可在單孔中通過(guò)一次套芯解除應(yīng)變獲得一點(diǎn)的三維應(yīng)力狀態(tài)。地應(yīng)力測(cè)量時(shí)，測(cè)點(diǎn)應(yīng)盡量布置在地形平坦處，避開(kāi)巖石破碎帶、斷裂發(fā)育帶[5-6]。鑒于此，根據(jù)野外踏勘結(jié)果，結(jié)合地質(zhì)圖與地形圖，中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所于2012年在陸島區(qū)蓬萊姜溝、蓬長(zhǎng)碼頭、南長(zhǎng)島、砣磯島、北隍城島、老鐵山等地實(shí)施6口地質(zhì)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(gè)點(diǎn)的空芯包體應(yīng)力解除數(shù)據(jù)(見(jiàn)表2)。

圖2 研究區(qū)鉆孔位置圖及主應(yīng)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(gè)測(cè)點(diǎn)處進(jìn)行了空芯包體地應(yīng)力測(cè)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(zhǎng)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(diǎn)處進(jìn)行了水壓致裂測(cè)量，而未進(jìn)行空芯包體測(cè)量。ZK-3位于長(zhǎng)島縣南長(zhǎng)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(jìn)行了空芯包體地應(yīng)力測(cè)量。ZK-4位于長(zhǎng)島縣砣磯島鄉(xiāng)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(jìn)行了空芯包體地應(yīng)力測(cè)量。ZK-5鉆孔位于長(zhǎng)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(jìn)行了空芯包體地應(yīng)力測(cè)量。ZK-6位于旅順市鐵山鎮(zhèn)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(jìn)行了空芯包體地應(yīng)力測(cè)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(yīng)力解除測(cè)量結(jié)果按主應(yīng)力的方位角與傾角給出，如要分析最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力、垂直主應(yīng)力的變化規(guī)律，需先按公式(1)計(jì)算實(shí)測(cè)主應(yīng)力與各坐標(biāo)軸之間的方向余弦。

表1 研究區(qū)地質(zhì)淺鉆參數(shù)

(1)

式中α為方位角，β為傾角。根據(jù)每一點(diǎn)主應(yīng)力數(shù)值及方向余弦，由公式(2)將主應(yīng)力轉(zhuǎn)換成坐標(biāo)系下的應(yīng)力分量，根據(jù)公式(3)計(jì)算最大水平主應(yīng)力的方位角，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

(2)

(3)

3 結(jié)果分析與討論

3.1 研究區(qū)地應(yīng)力狀態(tài)

3.1.1 主應(yīng)力分布規(guī)律 迄今為止，世界各地開(kāi)展了許多地應(yīng)力監(jiān)測(cè)工作，有的為幾米至幾十米的淺部測(cè)量，有的為幾百米至幾千米的深部測(cè)量[5-6]。研究表明，地應(yīng)力有隨深度的增加而增大的趨勢(shì)，其變化規(guī)律可以用線(xiàn)性方程式表示[36-38]，但受地質(zhì)構(gòu)造、地質(zhì)單元、巖性、地殼運(yùn)動(dòng)等因素的影響，不同地區(qū)應(yīng)力狀態(tài)不盡相同，應(yīng)力隨深度線(xiàn)性增加的幅度也各異[39-41]。

Brown和Hoek收集、匯總了全世界116個(gè)地應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)垂直應(yīng)力觀測(cè)值大部分位于平均密度為2700kg/m3的上覆巖石引起的應(yīng)力梯度直線(xiàn)附近[38]；韓軍通過(guò)收集、分析阜新、平頂山、鶴壁和淮南等礦區(qū)的13個(gè)地應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)，認(rèn)為在450～850m埋深范圍內(nèi)，垂直應(yīng)力隨深度的回歸系數(shù)為0.0272，這與Brown的結(jié)論一致[39]，而苗勝軍等在三山島金礦地應(yīng)力場(chǎng)與地質(zhì)構(gòu)造關(guān)系分析研究中得出的回歸系數(shù)為0.0255；平均水平主應(yīng)力的兩個(gè)回歸系數(shù)分別為0.041、0.72[40]。

表2 各點(diǎn)地應(yīng)力測(cè)量數(shù)據(jù)

注：方位角以正北為零方向，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正；傾角為與水平面的夾角，水平面以上為正；壓應(yīng)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(cè)點(diǎn)地應(yīng)力分量表

注：地應(yīng)力分量取地理坐標(biāo)系，X軸指向東，Y軸指向北，Z軸向上。σH水平最大主應(yīng)力，σh水平最小主應(yīng)力，σv垂直主應(yīng)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(nèi)地應(yīng)力場(chǎng)隨深度變化的具體規(guī)律，將6個(gè)鉆孔數(shù)據(jù)合并在一起，使用線(xiàn)性回歸的分析方法，對(duì)實(shí)測(cè)得到的7個(gè)測(cè)點(diǎn)的垂直主應(yīng)力、平均水平主應(yīng)力、最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力進(jìn)行回歸擬合，擬合公式為(4)～(7)式，擬合結(jié)果如圖3所示。分析時(shí)，因120m處的測(cè)點(diǎn)偏離趨勢(shì)線(xiàn)較遠(yuǎn)，故舍棄該測(cè)點(diǎn)。

垂直主應(yīng)力回歸方程：

σv=0.0241H+2.7392 (R=0.647)。

(4)

平均水平主應(yīng)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(yīng)力回歸方程：

σH=0.0684H+1.120 (R=0.922)。

(6)

最小水平主應(yīng)力回歸方程：

σh=0.0624H+0.2452 (R=0.927)。

(7)

式中：H為測(cè)點(diǎn)埋深，單位為m；主應(yīng)力單位為MPa，以下同。

上述各式回歸結(jié)果的相關(guān)系數(shù)均大于0.6，其中水平主應(yīng)力擬合公式的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.9以上，說(shuō)明各觀測(cè)值隨深度具有較好的線(xiàn)性關(guān)系。圖3為最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力及垂直主應(yīng)力隨深度變化的回歸曲線(xiàn)，由此圖可以明顯看出，三者均隨深度增加呈線(xiàn)性增大的趨勢(shì)，與已有結(jié)論相符。

將回歸結(jié)果與已有結(jié)果對(duì)比[37-40]，可以看出垂直主應(yīng)力的系數(shù)項(xiàng)偏小，常數(shù)項(xiàng)偏大；平均水平主應(yīng)力與之相反，同一深度處計(jì)算出的水平應(yīng)力數(shù)值較大，究其原因可能與研究區(qū)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)較為強(qiáng)烈，水平應(yīng)力值較高，巖石較為軟弱、破碎，加之測(cè)點(diǎn)較淺，受地形起伏影響較為顯著所造成。

圖3 主應(yīng)力與深度的關(guān)系Fig.3 Relationship of the principle stress and depth

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

側(cè)壓系數(shù)λ指某點(diǎn)兩個(gè)水平主應(yīng)力的平均值和垂直應(yīng)力的比值，用公式可表示為σH+σh/2σv，用來(lái)描述地應(yīng)力的狀態(tài)。韓軍在其研究中認(rèn)為，550m深度以下的各測(cè)點(diǎn)，λ值相對(duì)較集中，為0.86～1.25之間，而對(duì)于550m以上的測(cè)點(diǎn)，λ值在淺部出現(xiàn)了高峰，離散性也較大[39]。本次研究中，在埋深50～130m的范圍內(nèi)，λ的取值范圍為0.9～1.5(見(jiàn)圖4)，可見(jiàn)研究區(qū)中λ數(shù)值略大于國(guó)內(nèi)外的水平，究其原因可能為測(cè)點(diǎn)埋深較淺受地形影響較大所致。由圖4可以看出，所測(cè)量的7個(gè)數(shù)據(jù)中，有4個(gè)點(diǎn)符合“平均水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值隨深度逐漸減小”這一結(jié)論[37]，有3個(gè)點(diǎn)偏離這一趨勢(shì)。

圖4 各應(yīng)力之間的比值Fig.4 The ratio of each stress

最大、最小水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)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(yīng)力與最小水平主應(yīng)力的比值(σH/σh)位于1.2～1.54之間；最大與最小主應(yīng)力的比值位于1.32～1.65之間。綜合來(lái)看，上述各比值均在0.8～1.7之間，說(shuō)明研究區(qū)內(nèi)地應(yīng)力各分量值之間相差不大。

通過(guò)淺鉆鉆孔巖芯研究發(fā)現(xiàn)，各鉆孔的巖性主要為石英巖，根據(jù)研究區(qū)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)中的毛體積密度測(cè)試結(jié)果可計(jì)算其密度的平均值為2830kg/m3，采用公式σz=0.0283H計(jì)算各測(cè)點(diǎn)的自重應(yīng)力。由計(jì)算結(jié)果知，在測(cè)量的深度范圍內(nèi)，垂直主應(yīng)力大于上覆巖層因自身重量而產(chǎn)生的應(yīng)力，其差值在1.4～3.2之間，如圖5所示。其差異可能由測(cè)點(diǎn)埋深較淺，水平構(gòu)造力較強(qiáng)，疊加鉆孔處應(yīng)力集中、鉆孔擾動(dòng)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(zhì)上拱造成的地殼內(nèi)深部垂向擠壓及淺表橫向拉張的附加力源[11]。

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

橫向上看，不同鉆孔測(cè)出的應(yīng)力值大小、方向和傾角均有所變化，表明地應(yīng)力分布與地質(zhì)構(gòu)造有密切關(guān)系，如ZK-1鉆孔中80m深度與ZK-3鉆孔中81m深度處無(wú)論是σ1、σ2、還是σ3數(shù)值都相差較大，究其原因大體為ZK-3鉆孔位于長(zhǎng)島縣南長(zhǎng)島，據(jù)推測(cè)張渤斷裂帶的東段——蓬萊-威海斷裂帶大體經(jīng)過(guò)此處，巖體內(nèi)節(jié)理裂隙比較發(fā)育，應(yīng)力得以釋放所致?？v向上看，同一鉆孔不同標(biāo)高處的測(cè)點(diǎn)所測(cè)主應(yīng)力的大小、方位、傾角均有所變化，說(shuō)明測(cè)量結(jié)果具有一定的離散性。

3.1.3 主應(yīng)力方向及傾角 丁健民通過(guò)鉆孔崩落資料分析后認(rèn)為，山東渤海沿岸地區(qū)最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹EE到SEE之間，平均最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹85E[13]；周翠英、呂子強(qiáng)通過(guò)震源機(jī)制解統(tǒng)計(jì)表明郯廬斷裂帶中主壓應(yīng)力軸優(yōu)勢(shì)方位為80°左右，其方向主要為NE、NEE及近EW向，主張應(yīng)力軸的優(yōu)勢(shì)方位約為340°～360°，其優(yōu)勢(shì)方向?yàn)镹NW、近SN向[10，12，44]；董旭光認(rèn)為渤海海峽北部區(qū)域及其周邊地區(qū)主壓應(yīng)力軸優(yōu)勢(shì)方位為NEE(50°～70°)和近東西(80°～90°)兩組[11]。本次研究中，計(jì)算出的最大水平應(yīng)力的方位角取值范圍為35.5°～83.1°，平均為51.5°。7個(gè)測(cè)點(diǎn)中，有3個(gè)測(cè)點(diǎn)的最大主應(yīng)力方向?yàn)镹NE向，分別為35.5°、37.3°、39.9°；1個(gè)測(cè)點(diǎn)為NE向，數(shù)值為45.4°；2個(gè)測(cè)點(diǎn)為NEE向，分別為61.7°、57.7°；1個(gè)測(cè)點(diǎn)為近EW向，數(shù)值為83.1。以上各測(cè)點(diǎn)由于所處塊體上位置的不同，局部構(gòu)造不同，各測(cè)點(diǎn)處的地形起伏也不同，所以測(cè)得的最大水平主應(yīng)力方向不完全一致，但從區(qū)域總體上看，最大主應(yīng)力的優(yōu)勢(shì)方向?yàn)镹E向，即研究區(qū)總體處于NE向擠壓應(yīng)力場(chǎng)作用下。與上述震源機(jī)制解、原地應(yīng)力測(cè)量相比，主應(yīng)力方向略向北偏轉(zhuǎn)，說(shuō)明研究區(qū)在大區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的作用下，又具有局部應(yīng)力場(chǎng)的特點(diǎn)。

6個(gè)鉆孔的7個(gè)空芯包體地應(yīng)力測(cè)量數(shù)據(jù)中，每個(gè)測(cè)點(diǎn)均有2個(gè)主應(yīng)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(gè)主應(yīng)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(gè)測(cè)點(diǎn)的最大主應(yīng)力σ1、中間主應(yīng)力σ2接近位于水平面內(nèi)，其與水平面的夾角平均為8.2°，大于全區(qū)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(gè)測(cè)點(diǎn)的最大主應(yīng)力σ1、最小主應(yīng)力σ3接近位于水平面內(nèi)，其與水平面的夾角均為7.2°，小于全區(qū)域平均值7.8°，最大為16.53°，最小為0.87°，這與渤海及周邊區(qū)域震源機(jī)制解中PT軸傾角基本上都在20°以?xún)?nèi)的結(jié)論相一致[10-12，45]。所有測(cè)點(diǎn)中，最大水平主應(yīng)力σH取值最大。由上述可知，渤海海峽跨海通道處中軸線(xiàn)附以近水平方向的壓應(yīng)力為主導(dǎo)，而不是以自重應(yīng)力為主，符合我國(guó)地質(zhì)學(xué)家李四光先生的“地殼運(yùn)動(dòng)是以水平運(yùn)動(dòng)為主，應(yīng)力場(chǎng)是以水平應(yīng)力為主”的論斷。

3.2 地應(yīng)力場(chǎng)類(lèi)型分析

3個(gè)主應(yīng)力的空間關(guān)系是表征一個(gè)地區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)基本特征的主要因素[32，39]。大量研究表明，巖體中的3個(gè)主應(yīng)力一般不相等，即形成不等壓的空間應(yīng)力場(chǎng)，三個(gè)主應(yīng)力的大小和方向隨空間和時(shí)間而變化[46-47]。由于受地形、地質(zhì)、構(gòu)造和巖石物理力學(xué)性質(zhì)等方面的影響，使得地應(yīng)力的分布極為復(fù)雜[48]。同一測(cè)點(diǎn)不同深度處，不同的測(cè)點(diǎn)處，其應(yīng)力值與方向各不相同，因此，根據(jù)測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)力值，確定區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的宏觀類(lèi)型，即可滿(mǎn)足區(qū)域工程設(shè)計(jì)的需要，又利于地球科學(xué)方面的研究[5-6]。

彭向峰、于雙忠根據(jù)3個(gè)主應(yīng)力的空間關(guān)系將原巖應(yīng)力場(chǎng)劃分成大地靜力場(chǎng)、大地動(dòng)力場(chǎng)和準(zhǔn)凈水壓力場(chǎng)，拉張區(qū)的應(yīng)力場(chǎng)類(lèi)型為大地靜力場(chǎng)類(lèi)型，擠壓區(qū)的應(yīng)力場(chǎng)類(lèi)型為大地動(dòng)力場(chǎng)類(lèi)型。研究區(qū)內(nèi)所有測(cè)點(diǎn)的3個(gè)主應(yīng)力中，最大主應(yīng)力近似位于水平方向，因此屬于大地動(dòng)力場(chǎng)型，為擠壓區(qū)[48]。

Anderson根據(jù)斷層類(lèi)型，將地應(yīng)力劃分為正斷層應(yīng)力類(lèi)型、逆斷層應(yīng)力類(lèi)型和走滑斷層應(yīng)力類(lèi)型。本次研究中，在測(cè)量深度范圍內(nèi)，從橫向上看，ZK-1、ZK-3、ZK-4 3個(gè)井孔中4個(gè)測(cè)點(diǎn)主應(yīng)力之間的關(guān)系均為σH>σh>σv，表明在從蓬萊海域至砣磯島附近，水平應(yīng)力占主導(dǎo)，垂直應(yīng)力為最小應(yīng)力，該地應(yīng)力狀態(tài)有利于逆斷層的活動(dòng)。ZK-5、ZK-6 2個(gè)井孔中3個(gè)測(cè)點(diǎn)主應(yīng)力之間的關(guān)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(yīng)力都以水平方向的壓應(yīng)力為主，地殼淺部的應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)屬潛在走向滑動(dòng)型；從垂直方向上看，深度為58.7、65、120m處的3個(gè)測(cè)點(diǎn)主應(yīng)力之間的關(guān)系為σH>σv>σh，深度為75、80、81和130m處4個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力關(guān)系為σH>σh>σv，因此可把70m作為區(qū)域內(nèi)的一個(gè)分界線(xiàn)，70m以上為走滑應(yīng)力狀態(tài)，70～130間為逆沖應(yīng)力狀態(tài)。

區(qū)域內(nèi)的各個(gè)鉆孔，除ZK-2鉆孔位于平坦場(chǎng)地上外，其余各鉆孔選擇在山地或丘陵中相對(duì)平坦地區(qū)，各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)不免受周?chē)匦斡绊?。一個(gè)地區(qū)淺層的地應(yīng)力狀態(tài)受地形、地貌的干擾較大，地形地貌產(chǎn)生的力可稱(chēng)作非構(gòu)造力，分布在地殼淺表層三維空間一定范圍之內(nèi)，與下部只受構(gòu)造力影響的點(diǎn)之間存在一個(gè)臨界面，臨界面之上各點(diǎn)受非構(gòu)造力與構(gòu)造力的雙重影響，臨界面之下各點(diǎn)僅受后者的影響[47，49-51]。結(jié)合上述分析可認(rèn)為，研究區(qū)臨界面的深度約為70m，臨界面以上各點(diǎn)的走滑應(yīng)力狀態(tài)為非構(gòu)造力與構(gòu)造力共同產(chǎn)生，有可能前者占據(jù)主要地位；臨界面以下至130m深度處，各點(diǎn)的逆沖應(yīng)力狀態(tài)為受區(qū)域構(gòu)造力的影響而產(chǎn)生。

3.3 地應(yīng)力與斷裂活動(dòng)性分析

地殼內(nèi)斷層的活動(dòng)而引起地震。斷裂的活動(dòng)性受其所處的應(yīng)力狀態(tài)的控制[46-47]。摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則認(rèn)為，如果斷層面上的剪應(yīng)力大于或等于滑動(dòng)摩擦阻力(見(jiàn)式(8))，預(yù)先存在的斷層面在剪應(yīng)力的作用下將會(huì)發(fā)生滑動(dòng)。

τ≥μσn。

(8)

其中：τ為斷層面上的剪應(yīng)力；σn為斷層面上的正應(yīng)力；μ為斷層的摩擦系數(shù)，一般由實(shí)驗(yàn)確定；μσn為斷層面上的滑動(dòng)摩擦阻力。

研究斷層活動(dòng)性的首要問(wèn)題為摩擦系數(shù)μ的選取。一般認(rèn)為μ值在一定正應(yīng)力界限內(nèi)比較穩(wěn)定，不隨正應(yīng)力數(shù)值大小及巖石類(lèi)型的變化而出現(xiàn)較大的波動(dòng)。Byerlee綜合不同巖石的實(shí)驗(yàn)資料后認(rèn)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(kù)誘發(fā)地震和分析斷層穩(wěn)定性時(shí)，摩擦系數(shù)分別取了0.6～0.8、0.6～1.0兩個(gè)范圍區(qū)間[53]；國(guó)內(nèi)李方全、張伯崇對(duì)花崗巖、灰?guī)r和砂巖進(jìn)行巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)后認(rèn)為，μ的下限為0.65，上限為1.1，均值為0.85，同時(shí)指出研究中μ取0.6～1.0較為合理[54-55]。

應(yīng)用庫(kù)倫準(zhǔn)則進(jìn)行斷層活動(dòng)性分析時(shí)，離不開(kāi)斷裂面上的正應(yīng)力與剪應(yīng)力，兩應(yīng)力值需根據(jù)區(qū)域內(nèi)點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)及斷裂的走向與傾向計(jì)算，這對(duì)于基礎(chǔ)地質(zhì)資料缺乏的渤海海峽區(qū)，存在一定的難度。因此，部分研究者從最大、最小主應(yīng)力的比值出發(fā)(σ1/σ3)，推導(dǎo)了其與摩擦系數(shù)的函數(shù)關(guān)系(見(jiàn)式9)[36，46，56]，依此來(lái)進(jìn)行斷層的活動(dòng)性分析。

(9)

式中σ1、σ3為最大、最小主應(yīng)力。

如若σ1/σ3小于此值，則斷層穩(wěn)定；反之，則斷層可能發(fā)生滑動(dòng)。對(duì)逆斷層分析時(shí)，σ1=σH，σ3=σv；對(duì)走滑斷層分析時(shí)，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(shí)：σH=3.1σv(逆斷層)；σH=3.1σh(走滑斷層)。

(10)

μ=1.0時(shí)：σH=5.8σv(逆斷層)；σH=5.8σh(走滑斷層)。

(11)

根據(jù)各個(gè)實(shí)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)，將各點(diǎn)的應(yīng)力值帶入式(10)、(11)中，可求得σH的下限值和上限值，又稱(chēng)作臨界值，將臨界值隨深度變化的回歸直線(xiàn)與實(shí)測(cè)點(diǎn)處的最大水平應(yīng)力值繪制于同一坐標(biāo)系中，如圖6所示。由圖6可以看出，無(wú)論區(qū)域范圍內(nèi)發(fā)育走滑斷層還是逆斷層，實(shí)測(cè)點(diǎn)處的最大水平主應(yīng)力值都小于兩者的最小臨界值，即最大水平主應(yīng)力值未達(dá)到斷層活動(dòng)需要的應(yīng)力值下限，表明研究區(qū)斷裂目前基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，發(fā)生地震的可能性不大。這一結(jié)論也可以從各個(gè)測(cè)點(diǎn)的σH、σh、σv三值較為接近得出。

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

4 研究區(qū)地應(yīng)力地質(zhì)條件評(píng)價(jià)

地應(yīng)力測(cè)量是研究地應(yīng)力場(chǎng)最直接的方法，可直接獲得測(cè)點(diǎn)處現(xiàn)今地應(yīng)力的大小和方向，盡管應(yīng)力測(cè)量主要反映地殼淺部局部應(yīng)力狀態(tài)，但近地表的應(yīng)力大小和方向有助于確定巖石圈內(nèi)更大尺度的應(yīng)力場(chǎng)類(lèi)型[43-44]。

由區(qū)域內(nèi)的空芯包體測(cè)量結(jié)果可知，最大水平主應(yīng)力方向約為NE-SW向，最小水平主應(yīng)力方向約為NW-SE向，在測(cè)量深度范圍內(nèi)，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(xué)性質(zhì)表明，最大水平主壓應(yīng)力方向?yàn)榘鍓K內(nèi)部的擠壓方向，最小水平主壓應(yīng)力方向?yàn)榘鍓K內(nèi)部的拉張方向，故渤海及周?chē)貐^(qū)目前總體處于NE向擠壓，NW向拉張的背景中，這一認(rèn)識(shí)與李三忠的結(jié)論一致[57]。同時(shí)，大地測(cè)量提供的現(xiàn)代地殼運(yùn)動(dòng)資料說(shuō)明，渤海區(qū)呈現(xiàn)明顯的NW-SE向的雙向擴(kuò)張運(yùn)動(dòng)，擴(kuò)張速率為(2.5±1.8)mm，大華北區(qū)總體存在SEE向運(yùn)動(dòng)[16]，震源機(jī)制解中的張應(yīng)力軸大體也在該范圍之內(nèi)[10-12，58]，這也與本次的研究結(jié)論不謀而合。一般來(lái)說(shuō)，巖石的抗張強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度，所以區(qū)域內(nèi)NW-SE向拉張應(yīng)力起主要作用，渤中、渤東及廟西地區(qū)廣泛發(fā)育的淺層NEE、近EW向斷裂，為在區(qū)域應(yīng)力作用下產(chǎn)生的張性破裂。渤海海峽及周邊區(qū)域的震源機(jī)制解數(shù)據(jù)中P軸傾角大，T軸傾角小，說(shuō)明區(qū)域正斷層機(jī)制更多些，也說(shuō)明該區(qū)域受拉張可能強(qiáng)些[59]；華北區(qū)震源斷面滑動(dòng)以走向滑動(dòng)兼正斷層傾向滑動(dòng)占優(yōu)勢(shì)，較大地震無(wú)顯著沖斷[10-12，59]；高分辨率淺層地震探測(cè)結(jié)果可知，渤海區(qū)及山東半島北部海域淺表層廣泛發(fā)育正斷層[60-64]。

一個(gè)地區(qū)斷裂的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)與該區(qū)應(yīng)力狀態(tài)密不可分，從區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)力場(chǎng)類(lèi)型可以判斷區(qū)域斷裂的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[46-47]。新構(gòu)造時(shí)期，一條斷裂在不同地段往往具有不同的活動(dòng)性，但是在晚新生代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的統(tǒng)一作用下，同一斷裂帶具有一致的運(yùn)動(dòng)方式[25]。該區(qū)內(nèi)各個(gè)測(cè)點(diǎn)有的為走滑應(yīng)力狀態(tài)、有的為逆斷應(yīng)力狀態(tài)。目前，普遍認(rèn)為百米左右的淺層地應(yīng)力測(cè)量點(diǎn)大部分為逆斷應(yīng)力狀態(tài)，但隨著測(cè)點(diǎn)深度的增加，逐漸向走滑應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變，地區(qū)不同，轉(zhuǎn)換界面的深度不同。海峽區(qū)西部的渤海新構(gòu)造期斷裂十分發(fā)育，繼承性運(yùn)動(dòng)的營(yíng)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(gòu)造，其活動(dòng)方式受現(xiàn)代應(yīng)力場(chǎng)的制約[26-27]。

營(yíng)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(qū)平均主壓應(yīng)力軸的走向(NE51.5°)夾角小于45°，與區(qū)域最大水平主張應(yīng)力軸的夾角較大，在兩個(gè)主應(yīng)力的共同作用下，處于右旋擠壓走滑運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，基本上繼承了新近紀(jì)以來(lái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。營(yíng)口-濰坊斷裂帶渤中段走向較萊州灣段偏東，前者與區(qū)域主壓應(yīng)力軸的夾角較后者小，因此其活動(dòng)性大于后者，地質(zhì)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(dòng)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(yíng)口濰坊斷裂帶，延伸至長(zhǎng)興島，是一條地殼脆性破裂帶，單條規(guī)模小、長(zhǎng)度短、連續(xù)性差，數(shù)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(jì)盆地構(gòu)造控制，受新近紀(jì)以來(lái)應(yīng)力場(chǎng)的初始應(yīng)力作用而產(chǎn)生的新生走滑構(gòu)造帶[25-27]。目前，因該斷裂帶與海峽區(qū)區(qū)域主壓應(yīng)力軸方向小角度相交或大體一致，與主張應(yīng)力軸方向大體垂直，推測(cè)其主體處于拉張右旋走滑狀態(tài)之中。徐杰認(rèn)為廟西北-黃河口斷裂帶為1969年渤海7.4級(jí)地震的發(fā)震構(gòu)造，有可能向兩端進(jìn)一步延伸[27]。

營(yíng)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(xiàn)較遠(yuǎn)，其活動(dòng)性對(duì)通道的影響較小，海峽區(qū)內(nèi)分布的斷裂對(duì)通道的影響巨大。渤海海峽區(qū)因探測(cè)資料較少，對(duì)該區(qū)斷裂的認(rèn)識(shí)不足，但目前統(tǒng)一認(rèn)為張渤斷裂帶穿越渤海及渤海海峽區(qū)，向東南端延伸擴(kuò)展，大體經(jīng)過(guò)山東半島北側(cè)海域，威海北部，到達(dá)黃海海域，這一斷裂帶又稱(chēng)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(kuò)展的產(chǎn)物，為張家口-渤海斷裂帶的東南端，構(gòu)成北黃海盆地與山東半島隆起的分界線(xiàn)[62，65]，據(jù)探測(cè)該斷裂帶的大體走向?yàn)镹WW60°～70°。渤海海峽處實(shí)測(cè)主壓應(yīng)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(yīng)力場(chǎng)下，發(fā)生左旋擠壓走滑運(yùn)動(dòng)，但其擠壓分力增強(qiáng)了NNW、NW向斷層的應(yīng)變積累，致使地震活動(dòng)水平減弱。近年來(lái)的GPS資料說(shuō)明，路域上張渤斷裂帶的左旋走滑速率2～4mm/a[66-67]。在新構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)中，渤海區(qū)內(nèi)右旋拉張走滑運(yùn)動(dòng)的黃河口-廟西北斷裂帶與左旋擠壓走滑運(yùn)動(dòng)的張渤斷裂帶為一對(duì)共軛活動(dòng)構(gòu)造帶[25]，前者活動(dòng)性強(qiáng)于后者，因此NW向先存斷裂的活動(dòng)性被壓制[27]。蓬萊-威海斷裂帶歷史上曾發(fā)生1548年渤海海峽7級(jí)地震、1948年威海西北6級(jí)地震、2005年5月9日及10日的4.5和4.0級(jí)地震。

上述斷裂位于海域，其運(yùn)動(dòng)方式與狀態(tài)為從區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)方面進(jìn)行的推斷。而在渤海海峽處，南長(zhǎng)山島上發(fā)育有信號(hào)山北側(cè)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(yīng)力狀態(tài)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(dòng)跡象，在海蝕地貌形成陡峭的海蝕帶，節(jié)理發(fā)育，石英巖呈碎裂狀態(tài)，說(shuō)明其處于壓性應(yīng)力場(chǎng)中[20-21]。

從1969年渤海地震發(fā)生后到目前為止，渤海海峽區(qū)小震頻發(fā)，釋放地震帶內(nèi)部分積聚能量，但地震活動(dòng)水平最大為5級(jí)左右，近年來(lái)地震活動(dòng)水平保持在4級(jí)左右，最大時(shí)間間隔約為3年，說(shuō)明地震帶內(nèi)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(yuǎn)和桃村-東陡山斷裂呈T字形相交斷裂交匯區(qū)為現(xiàn)代小震活動(dòng)密集區(qū)，需密切關(guān)注[65]。

5 結(jié)論

以往渤海海峽區(qū)實(shí)測(cè)地應(yīng)力資料缺乏，本次研究首次依據(jù)實(shí)測(cè)資料，取得了對(duì)渤海海峽區(qū)現(xiàn)今地應(yīng)力狀態(tài)與構(gòu)造活動(dòng)性的新認(rèn)識(shí)：

(1)渤海海峽處各點(diǎn)應(yīng)力分量隨深度變化的線(xiàn)性關(guān)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(yīng)力取值范圍為5.22～10.07，最小水平主應(yīng)力取值范圍為3.91～8.26，垂直應(yīng)力取值范圍約為3.47～6.18。平均水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值λ相對(duì)較集中為0.86～1.25之間，最大水平主應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值在1.08～1.63之間，最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力的比值在1.32～1.64之間，最大水平主應(yīng)力與最小水平主應(yīng)力的比值在1.2～1.54之間，區(qū)域內(nèi)各個(gè)點(diǎn)的3個(gè)應(yīng)力分量相差不大。

(3)海峽區(qū)最大水平主應(yīng)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(yīng)力的方向?yàn)镹E-NEE向；各測(cè)點(diǎn)處均有兩個(gè)主應(yīng)力位于近水平方向，其與水平面的夾角平均為7.8°；所有測(cè)點(diǎn)中，σH取值最大，且位于近水平面內(nèi)，說(shuō)明區(qū)域內(nèi)以近水平方向的壓應(yīng)力為主導(dǎo)。

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

(5)因?yàn)楦鱾€(gè)點(diǎn)的σH、σh、σv三值較為接近，各個(gè)鉆孔點(diǎn)的最大水平應(yīng)力值未達(dá)到斷層活動(dòng)需要的應(yīng)力值下限，表明研究區(qū)斷裂基本處于穩(wěn)定狀態(tài)；郯廬斷裂帶與區(qū)內(nèi)NE-NEE向的最大主應(yīng)力方向交角較小，此斷裂帶目前處于右旋壓扭運(yùn)動(dòng)中，蓬萊—威海斷裂帶與區(qū)域主應(yīng)力方向交角較大，此斷裂帶目前處于左旋兼擠壓狀態(tài)中，有利于能量積累；黃河口-廟西北斷裂帶為新構(gòu)造期新生斷裂帶，因與區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)大體一致，推測(cè)目前處于拉張走滑運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中。

(6)海峽區(qū)由于受上述三大斷裂帶長(zhǎng)期活動(dòng)的影響，尤其是1948、1969年地震后造成的地應(yīng)力和能量釋放，部分地區(qū)節(jié)理、裂隙發(fā)育，有可能導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)地應(yīng)力測(cè)量值偏小，不排除斷裂帶上一些巖體結(jié)構(gòu)完整的部位產(chǎn)生局部應(yīng)力積累，當(dāng)累積應(yīng)力值超越斷層活動(dòng)臨界值時(shí)，會(huì)存在斷層滑動(dòng)的危險(xiǎn)性。

本次研究中，由于研究區(qū)域內(nèi)空芯包體地應(yīng)力測(cè)量點(diǎn)較少，加之測(cè)點(diǎn)較淺，要對(duì)區(qū)域內(nèi)活動(dòng)斷裂的地震危險(xiǎn)性作出科學(xué)的評(píng)價(jià)，尚需進(jìn)行長(zhǎng)期的應(yīng)力監(jiān)測(cè)，同時(shí)開(kāi)展區(qū)域深部探測(cè)工作，加強(qiáng)區(qū)域深部地球物理特征研究，綜合研究斷裂帶的分段活動(dòng)性及地震危險(xiǎn)性。

致謝：感謝中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所提供的地應(yīng)力測(cè)量數(shù)據(jù)；感謝所有參與項(xiàng)目野外鉆測(cè)工作的專(zhuān)家及工程師們；感謝審稿專(zhuān)家提出的寶貴意見(jiàn)。

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責(zé)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(guó)家專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目“大陸架科學(xué)鉆探(CSDP)項(xiàng)目”(GZH201100202)；“渤海海峽跨海通道地殼穩(wěn)定性調(diào)查評(píng)價(jià)”項(xiàng)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