廣西靈山斷裂帶構(gòu)造應(yīng)力場地質(zhì)分析及活動(dòng)性預(yù)測(cè)

唐 永 ,劉懷慶,黎清華,沈傳波,陳友智,何 軍

(1.長江大學(xué) 非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心,湖北 武漢 430100;2.浙江大學(xué) 地球科學(xué)系,浙江 杭州310027;3.中國地質(zhì)調(diào)查局 武漢地質(zhì)調(diào)查中心,湖北 武漢 430205;4.中國地質(zhì)大學(xué) 構(gòu)造與油氣資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430074)

構(gòu)造應(yīng)力是斷裂形成以及斷裂多次活動(dòng)的主要因素,也是探討和認(rèn)識(shí)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)根本原因的主要研究內(nèi)容。弄清構(gòu)造應(yīng)力作用方式和演化形式,對(duì)斷裂活動(dòng)性研究有重要的指導(dǎo)意義。利用野外可靠的地質(zhì)形跡,例如褶皺、共軛節(jié)理、斷層擦痕,來判斷主應(yīng)力方向,分析構(gòu)造應(yīng)力場是目前較為合理、實(shí)用的方法之一(萬天豐,1998)。這些地質(zhì)痕跡分析所得到的應(yīng)力場數(shù)據(jù)相互驗(yàn)證、相互補(bǔ)充,能夠較好的反映區(qū)域應(yīng)力場的特征。分析區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場特征及其變化形式,對(duì)深入認(rèn)識(shí)目標(biāo)區(qū)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及其作用形式具有十分重要的意義。廣西靈山縣為區(qū)域性 NE向與 NW 向斷裂交匯部位,其斷裂活動(dòng)具多期性和長期性特點(diǎn),活動(dòng)強(qiáng)度大,影響范圍廣,也是區(qū)內(nèi)有記錄以來,最大級(jí)別地震發(fā)生地(何軍等,2012)。黃河生等(1990)通過分析土壤中汞氣的含量變化指出羅陽山西北麓靈山斷裂是靈山縣內(nèi)最活動(dòng)的斷裂;魏春光等(2008)分析了北部灣及其鄰區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力場;尹克堅(jiān)(1995)利用水系對(duì)廣西地區(qū)新構(gòu)造應(yīng)力場開展研究;蔣維強(qiáng)等(1992)利用多個(gè)震源機(jī)制解對(duì)華南沿海地區(qū)的最新構(gòu)造應(yīng)力場分析。這些研究的落腳點(diǎn)均放在分析新構(gòu)造應(yīng)力場方向上,這對(duì)斷裂活動(dòng)性的調(diào)查和預(yù)測(cè)來說還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。因此細(xì)致研究廣西靈山地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場演化,對(duì)理解研究區(qū)斷裂形成、發(fā)展及其相互作用具有十分重要的科學(xué)價(jià)值,為靈山地區(qū)乃至整個(gè)北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)活動(dòng)斷裂評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)研究提供科學(xué)依據(jù)。本次研究將詳細(xì)記錄地表所呈現(xiàn)的各種構(gòu)造形跡,重點(diǎn)分析這些構(gòu)造變形的性質(zhì)、幾何形態(tài)以及它們之間的分期配套關(guān)系,理清不同構(gòu)造應(yīng)力場的先后次序,明確最新構(gòu)造應(yīng)力場特征,并在此基礎(chǔ)上利用Abaqus重建最新構(gòu)造應(yīng)力分布,積極探討廣西靈山地區(qū)潛在活動(dòng)區(qū)域。

1 地質(zhì)概況

廣西欽防地區(qū)靈山縣位于華南板塊的西南緣,經(jīng)歷了多期構(gòu)造疊加演化(圖1)。早二疊世之前,欽防地區(qū)為大陸邊緣海穩(wěn)定沉積環(huán)境,沉積了一套碎屑巖和碳酸鹽巖。早二疊世末期,東吳運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的構(gòu)造擠壓力,使欽防地區(qū)強(qiáng)烈褶皺回返,沿靈山斷裂帶發(fā)生了北西向的逆沖推覆,同時(shí)也促使了晚二疊世前陸盆地的形成(尤綺妹等,1998)。短暫擠壓造山之后,欽防地區(qū)構(gòu)造體制轉(zhuǎn)變?yōu)樯煺购筒町愄饔?局部形成了沉積相分異和基性火山巖的噴發(fā)(吳繼遠(yuǎn),1980)。中三疊世末期受古太平洋板塊俯沖影響,云開地體向北西推進(jìn),欽防逆沖體再度活動(dòng),山前沖斷帶向北西擴(kuò)展,形成了大量的疊瓦狀逆沖推覆構(gòu)造,并導(dǎo)致大量的中酸性火山巖噴發(fā)與侵入,同時(shí)也促使了中生代前陸盆地的形成(張?jiān)罉?1999)。晚三疊世至白堊紀(jì),由于欽防造山帶的碰撞復(fù)合,西北部十萬山地區(qū)發(fā)生撓曲沉降,接受前陸盆地的沉積。白堊紀(jì)末,由于東部云開地體的推擠,形成SE-NW向擠壓構(gòu)造應(yīng)力的作用,早期形成的推覆構(gòu)造又一次重新活動(dòng)、加劇,靈山及周緣地區(qū)進(jìn)一步抬升,結(jié)束接受沉積的歷史,整個(gè)構(gòu)造格局也基本穩(wěn)定(郭福祥,1998)。

圖1 研究區(qū)大地構(gòu)造位置示意圖(據(jù)馬力,2004)Fig.1 Map showing the location of the Lingshan area

研究區(qū)總體構(gòu)造呈NE-SW向展布,個(gè)別地段有一定的差異,如在西北角板露以西則呈近 EW 向展布,同時(shí)有近NW向的小斷裂切割近NE向構(gòu)造,這一現(xiàn)象在壇圩、寨圩和城隍一帶表現(xiàn)的較為明顯。研究區(qū)發(fā)育兩條主要斷裂:①靈山斷裂:斷距最大可達(dá) 2500 m,斷裂走向 NE,斷面傾向 SE,傾角為50°～80°,斷裂平面上呈舒緩波狀,具有多期深大斷裂帶性質(zhì),控制著志留系、上古生界、下三疊統(tǒng)以及侏羅系的發(fā)育,斷裂帶變質(zhì)作用強(qiáng)烈;②寨圩斷裂:沿浦北巖體的邊緣呈“S”形延展,斷裂傾向 SE,傾角為 60°～80°,沿?cái)嗔褞?巖層擠壓倒轉(zhuǎn),發(fā)育劈理。根據(jù)研究區(qū)構(gòu)造特征及巖體的分布將其劃分為:西北南鄉(xiāng)盆地、東南浦北巖體以及靈山斷褶帶。南鄉(xiāng)盆地主要沉積一套砂巖,整體構(gòu)造簡單,為一近東西走向的背斜構(gòu)造,背斜開闊平緩,南翼傾角為20°左右,北翼相對(duì)陡些,傾角可達(dá)40°。南鄉(xiāng)盆地東部,褶皺斷裂構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜,褶皺軸向以NE向?yàn)橹?其間發(fā)育規(guī)模較小的 NW 向斷裂;靈山斷褶帶與南鄉(xiāng)盆地以舊州巖體西北邊緣為界,靈山斷褶帶以靈山和寨圩斷層為主干,發(fā)育次級(jí)NW和NE向斷裂,下奧陶統(tǒng)地層組成地壘核部,強(qiáng)烈褶皺,巖層普遍擠壓破碎;寨圩大斷裂東南區(qū)主要發(fā)育浦北花崗巖,巖體呈 NE向侵入志留系、泥盆系、石炭系、二疊系,形態(tài)極不規(guī)則(圖2)。

2 靈山地區(qū)構(gòu)造形變及應(yīng)力方向分析

構(gòu)造應(yīng)力研究是以地質(zhì)分析為基礎(chǔ),不同的構(gòu)造形跡承載特定的構(gòu)造活動(dòng)信息,因此僅僅利用單一類型構(gòu)造形跡恢復(fù)不同期次的構(gòu)造應(yīng)力有很大的局限性。充分利用豐富的地質(zhì)現(xiàn)象來分析目標(biāo)區(qū)構(gòu)造應(yīng)力是目前最為直接、最為可靠的方法。本次構(gòu)造應(yīng)力地質(zhì)分析充分利用地表的各種形跡,例如褶皺、節(jié)理、擦痕等,綜合分析,聯(lián)動(dòng)考慮,并進(jìn)行細(xì)致的對(duì)比總結(jié),系統(tǒng)構(gòu)建靈山地區(qū)的古構(gòu)造應(yīng)力場,展現(xiàn)其時(shí)空演化,為最新構(gòu)造反演奠定堅(jiān)實(shí)理論基礎(chǔ)。

2.1 利用褶皺恢復(fù)構(gòu)造應(yīng)力

依據(jù)褶皺軸面、樞紐的產(chǎn)狀,利用三端元分類將其分為 7類(Ramsay,1991)。在構(gòu)造應(yīng)力恢復(fù)時(shí),只要簡單的將其劃分為兩種類型:軸面近直立和軸面傾斜褶皺。在擠壓構(gòu)造地區(qū)軸面傾角近直立的縱彎褶皺所受到的剪切作用相對(duì)較小,可以用于區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力分析,本次研究在這一思想的指導(dǎo)下,選擇規(guī)模較大,軸面所受剪切較小的褶皺來進(jìn)行應(yīng)力方向恢復(fù)。

圖2 靈山地區(qū)構(gòu)造格架圖Fig.2 Tectonic framework of the Lingshan area

2.1.1 褶皺特征

靈山地區(qū)的主體構(gòu)造呈 NE向展布,由于受多期構(gòu)造活動(dòng)影響,研究區(qū)內(nèi)大部分地區(qū)所發(fā)育的褶皺變形較為強(qiáng)烈。同時(shí)我們了解到地層變形程度越強(qiáng)烈,褶皺的形態(tài)就越復(fù)雜,所受到的剪切程度也愈高,反映某個(gè)時(shí)期的古構(gòu)造應(yīng)力誤差也就越大。為了更為客觀的分析構(gòu)造應(yīng)力,本次研究盡可能的選擇靠近盆地方向所發(fā)育的縱彎褶皺來進(jìn)行應(yīng)力分析,如南鄉(xiāng)盆地附近區(qū)域等等,這些褶皺受到后期剪切作用影響相對(duì)較小(圖3)。由此在研究區(qū)選擇4個(gè)局部區(qū)域的小型褶皺作為地質(zhì)應(yīng)力分析的解剖對(duì)象,從數(shù)據(jù)分析來看,這些褶皺兩翼優(yōu)勢(shì)方位傾角均小于 38°,褶皺的軸面均大于 78°,說明兩翼較為平緩,呈現(xiàn)對(duì)稱褶皺態(tài)勢(shì),能夠較好的記錄各自形成時(shí)期的構(gòu)造應(yīng)力場特征。

2.1.2 褶皺對(duì)應(yīng)力方向的指示

綜合分析野外采集的褶皺數(shù)據(jù),獲得褶皺翼部優(yōu)勢(shì)方位,對(duì)各個(gè)褶皺進(jìn)行了應(yīng)力計(jì)算(黃繼鈞,1992)。計(jì)算結(jié)果表明:①No.21位置小型褶皺形成的主應(yīng)力:σ1方位為 180°∠2°,σ2方位為 89°∠14°,σ3方位為 276°∠76°;②No.28-29-46-47 位置小型褶皺形成的主應(yīng)力:σ1方位為 156°∠8°,σ2方位為 66°∠3°,σ3方位為 318°∠82°;③No.30-31-32位置小型褶皺形成的主應(yīng)力:σ1方位為211°∠1°,σ2方位為 300°∠7°,σ3方位為 292°∠83°;④No.51-52-53-54位置小型褶皺形成的主應(yīng)力σ1方位為 112°∠6°,σ2方位為 24°∠25°,σ3方位為 10°∠64°。結(jié)果數(shù)據(jù)表明,研究區(qū)主要受到四個(gè)方向擠壓應(yīng)力的作用,分別為近SN向、NW向、NE向和EW向,這四個(gè)方向的擠壓應(yīng)力分別來自不同時(shí)期、不同階段的構(gòu)造擠壓應(yīng)力的作用。多期不同方向,不同規(guī)模構(gòu)造應(yīng)力場的作用,致使構(gòu)造體系中的北東、北西和近東西向斷裂和褶皺混合在一起相互穿插、相互交匯、相互干擾,形成錯(cuò)綜復(fù)雜的構(gòu)造形跡特征(圖4、表1)。

圖3 靈山地區(qū)褶皺Fig.3 Photos showing the folds in the Lingshan area

表1 靈山地區(qū)及周緣利用褶皺構(gòu)造應(yīng)力分析Table1 Structural stresses to the folds in the Lingshan district and its vicinity

圖4 褶皺兩翼優(yōu)勢(shì)方位和軸面產(chǎn)狀分析Fig.4 Map showing the dominant azimuth of both limbs and attitudes of axial planes

2.2 利用節(jié)理恢復(fù)構(gòu)造應(yīng)力

節(jié)理是巖層中大量發(fā)育的一種脆性構(gòu)造,是應(yīng)力場變化的敏感標(biāo)志,能夠揭示巖層經(jīng)歷多期構(gòu)造演化和相應(yīng)構(gòu)造應(yīng)力場的分布特征(樂光禹,1985;任收麥等,2009;Raquel et al.,2010)。利用節(jié)理與剪切破裂的發(fā)育來分析區(qū)域上的應(yīng)力場,關(guān)鍵是要在大量的野外露頭區(qū)對(duì)節(jié)理和剪切破裂的方位、幾何樣式、切割或鄰接關(guān)系等特征進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.2.1 節(jié)理特征

對(duì)研究區(qū)及周緣野外實(shí)地測(cè)量與觀測(cè),共獲得了364組節(jié)理的產(chǎn)狀數(shù)據(jù)。這些節(jié)理的觀測(cè)點(diǎn)廣泛分布于不同巖層中,由于多期構(gòu)造作用的影響,節(jié)理方位變化較為復(fù)雜,特別是斷裂帶附近。其中花崗巖體(主要由大容山/浦北巖體和舊州巖體構(gòu)成)節(jié)理較為發(fā)育,以剪切裂縫為主,單條節(jié)理的發(fā)育規(guī)模較大,延伸長度和切層深度均較大。根據(jù)侵入的地層分析靈山地區(qū)主要發(fā)育印支期花崗巖體(吳繼遠(yuǎn),1980),說明巖體中發(fā)育的節(jié)理能夠較好的記錄印支期以后的構(gòu)造應(yīng)力信息。通過地層拉平處理、統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn),整個(gè)研究區(qū)發(fā)育的節(jié)理,主要有以下五組呈優(yōu)勢(shì)發(fā)育(圖5、6):

① NNE 向節(jié)理(20°±10°):根據(jù)統(tǒng)計(jì)的玫瑰花圖來看,該方向節(jié)理主要發(fā)育于花崗巖體中,其他地層也可見,但規(guī)模相對(duì)較小,一般節(jié)理未被充填,切層深度和延伸長度均相對(duì)較大,巖體中顯示幾何形態(tài)較為平直,發(fā)育較為穩(wěn)定。

② NE向節(jié)理(30°～70°):該方向的節(jié)理統(tǒng)計(jì)點(diǎn)基本都有發(fā)育,不同巖性地層均可見,產(chǎn)狀穩(wěn)定,節(jié)理面相對(duì)平直。砂泥巖發(fā)育的層段,節(jié)理在砂巖中發(fā)育的較為明顯,泥巖中趨于消失,這一現(xiàn)象在靈山、三隆地區(qū)可見?；?guī)r中該組節(jié)理較為穩(wěn)定,切層深度和延伸規(guī)模較大,特別是在石陂、寨圩、佛子一帶較為明顯。

③ 近 EW 向節(jié)理(90°±20°):研究區(qū)不同巖性地層均有發(fā)育,分布范圍也較廣,城隍、樂民、檀圩、三隆、南鄉(xiāng),涵蓋研究區(qū)全境,節(jié)理面上偶可見擦痕,該組節(jié)理具有左旋走滑的特點(diǎn),以上特征反映其是區(qū)域性應(yīng)力場作用結(jié)果,同時(shí)可能受到后期構(gòu)造作用的改造。

圖5 靈山地區(qū)共軛節(jié)理Fig.5 Photos showing the conjugate joints of the Lingshan area

圖6 靈山地區(qū)及周緣節(jié)理走向分析Fig.6 Analysis of the strikes of fractures in the Lingshan district and its vicinity

④ NW 向節(jié)理(135°±10°):發(fā)育范圍較廣,所有觀測(cè)地層均發(fā)育,呈現(xiàn)剪切節(jié)理的特征,同時(shí)節(jié)理面可見擦痕,具有走滑的特征。

⑤ NNW 向節(jié)理(340°±10°):所觀測(cè)的地層點(diǎn)該組節(jié)理均可見(南鄉(xiāng)、樂民、佛子、靈山、沙田、三隆等),說明該組節(jié)理發(fā)育時(shí)間相對(duì)較晚,由于其發(fā)育規(guī)模較近 EW 向節(jié)理小,有些區(qū)域可見該組裂縫被其限制,同時(shí)可見該組節(jié)理切割其他方向節(jié)理的現(xiàn)象,該組裂縫沒有被礦物充填。

2.2.2 節(jié)理分期與配套

由于應(yīng)力場發(fā)生多次的更迭轉(zhuǎn)換,節(jié)理記錄了不同時(shí)期的構(gòu)造活動(dòng),為了進(jìn)一步厘清研究區(qū)的構(gòu)造變形史和古構(gòu)造應(yīng)力場,常常需要對(duì)節(jié)理進(jìn)行分期與配套(徐開禮和朱志澄,1989)。實(shí)踐證明,在統(tǒng)一構(gòu)造應(yīng)力場作用下,沿著最大剪應(yīng)力方向產(chǎn)生一組共軛剪裂面,這是共軛剪節(jié)理最為原始的特征(萬天豐,1983;Becker and Gross,1996;任收麥等,2009)。本次研究通過野外細(xì)致的觀測(cè)和對(duì)其力學(xué)性質(zhì)的甑別,并根據(jù)剪節(jié)理特有的菱形接環(huán)、折尾,以及相互交切,節(jié)理與節(jié)理之間有規(guī)律的間隔,節(jié)理面上所發(fā)育的擦痕等,判斷研究區(qū)主要發(fā)育三組規(guī)模相對(duì)較大共軛節(jié)理:①NNE向與近EW向節(jié)理共軛;②NNW向與近EW向節(jié)理共軛;③NW向與NE向剪節(jié)理共軛。觀測(cè)發(fā)現(xiàn),無論是巖體、砂巖還是碳酸鹽巖中發(fā)育的裂縫較少有裂縫被充填,發(fā)育在碳酸鹽巖地層中的這三組共軛節(jié)理均被方解石充填,并且 NNE向較為明顯的切過NNW 向節(jié)理,由此可以判斷第二組共軛節(jié)理早于第一組共軛節(jié)理發(fā)育。在NE向構(gòu)造和NW向構(gòu)造帶交匯部位以及斷層彎曲部位,由于應(yīng)力場擾動(dòng)的硬性,節(jié)理走向較為復(fù)雜,如樂民、南鄉(xiāng)坪位置節(jié)理統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)各個(gè)方向的節(jié)理均發(fā)育,不同期次的構(gòu)造疊加,對(duì)節(jié)理發(fā)育和改造有較大的影響。

2.2.3 節(jié)理對(duì)應(yīng)力方向的指示

構(gòu)造應(yīng)力作用致使脆性巖層剪切破裂,形成共軛節(jié)理,由此共軛節(jié)理與構(gòu)造主應(yīng)力方位存在一定的幾何關(guān)系:一對(duì)共軛剪節(jié)理的交線平行于中間主應(yīng)力方向;靈山地區(qū)多見石英砂巖,脆性程度較高。一般在地表脆性巖層中,共軛剪節(jié)理的銳角等分線平行于最大主應(yīng)力方向;共軛節(jié)理的鈍角等分線平行于最小主應(yīng)力方向。經(jīng)過細(xì)致的觀察分析節(jié)理形態(tài)特征、力學(xué)性質(zhì)、相互之間的切割關(guān)系、發(fā)育程度及充填物特征,對(duì)共軛節(jié)理進(jìn)行拉平轉(zhuǎn)化,求取研究區(qū)的共軛節(jié)理、共軛雁列節(jié)理剪切帶的優(yōu)勢(shì)產(chǎn)狀,并對(duì)各自的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析。

從應(yīng)力恢復(fù)結(jié)果來看,研究區(qū)主要受到四個(gè)方向的構(gòu)造應(yīng)力作用(表2,圖7):①NW 向的擠壓應(yīng)力,最大主應(yīng)力σ1優(yōu)勢(shì)方向?yàn)?321°～325°,傾角6°～22°,優(yōu)勢(shì)方位為 324°∠13°;②NE 向的擠壓應(yīng)力,最大主應(yīng)力σ1優(yōu)勢(shì)方向?yàn)?54°～59°,傾角7°～24°,優(yōu)勢(shì)方位為 56°∠16°;③近EW向的擠壓應(yīng)力,最大主應(yīng)力σ1優(yōu)勢(shì)方向?yàn)?84°～108°,傾角7°～24°,優(yōu)勢(shì)方位為 88°∠13°;④近 SN 向的擠壓應(yīng)力,最大主應(yīng)力σ1優(yōu)勢(shì)方向?yàn)?343°～358°或 2°～6°,傾角 6°～26°,優(yōu)勢(shì)方位為 356°∠20°。這些數(shù)據(jù)進(jìn)一步說明研究區(qū)受到多期不同方向構(gòu)造作用力影響,從而形成了現(xiàn)今的構(gòu)造格局。

表2 靈山地區(qū)及周緣利用共軛節(jié)理構(gòu)造應(yīng)力分析Table2 Analysis of the structural stresses of the conjugate shear fractures in the Lingshan district and its vicinity

圖7 構(gòu)造應(yīng)力統(tǒng)計(jì)分析Fig.7 Statistical analysis of the structural stresses

2.3 斷裂面擦痕對(duì)構(gòu)造應(yīng)力場指示

Angelier (1979)、謝富仁等(2009)提出根據(jù)斷層面法線和擦痕確定的平面確定主應(yīng)力方位。本研究區(qū)及周緣斷層較發(fā)育,斷面多表現(xiàn)壓性結(jié)構(gòu)面特征,并在結(jié)構(gòu)面、以及滑抹晶體上留下擦痕,這些擦痕是斷層活動(dòng)的直接證據(jù)。然而早期形成的斷裂極易在后期構(gòu)造重新活動(dòng),留下后期構(gòu)造作用的痕跡,由此通過對(duì)斷裂擦痕的測(cè)量分析,恢復(fù)各個(gè)觀測(cè)點(diǎn)構(gòu)造應(yīng)力方向只能佐證研究區(qū)受到了多期構(gòu)造活動(dòng)的影響。

靈山地區(qū)擦痕分析顯示最大主應(yīng)力NW向?yàn)閮?yōu)勢(shì)方位,且多具有兩期以上的擦痕(圖8、9)。擦痕應(yīng)力圖表明最大主應(yīng)力方向有四個(gè)方向:①NW 向,研究區(qū)的城隍、插花、六槐、龍屋觀測(cè)點(diǎn)最大主應(yīng)力均顯示為 NW 向,這是形成研究區(qū) NE向構(gòu)造的主要?jiǎng)恿Ψ较?最主要是晚古生代末期欽防海槽閉合及印支期濱太平洋構(gòu)造應(yīng)力不斷由南東向北西推擠,致使其褶皺回返,形成大量 NE向構(gòu)造;②NE向,由于野外條件的局限,僅僅研究區(qū)北部 No.16觀測(cè)點(diǎn)有表現(xiàn),可能是由印支板塊向北俯沖匯聚造成;③近 EW 向,該方向構(gòu)造應(yīng)力所遺留的地質(zhì)痕跡在研究區(qū)較少,僅僅在局部形成近南北向構(gòu)造,如佛子鎮(zhèn)有一定的地質(zhì)形跡證據(jù),分析可知主要是因?yàn)樘窖蟀鍓K向 NWW 俯沖過程,受早期花崗巖體的局部阻擾而形成;④近SN向,研究區(qū)樂民和樟木村有較為明顯的痕跡,由于受印支板塊、菲律賓板塊和太平洋共同挾持,以及南海盆地向北的擴(kuò)張的影響,研究區(qū)形成近EW向構(gòu)造(表3)。

表3 靈山地區(qū)及周緣斷裂面擦痕及構(gòu)造應(yīng)力分析Table3 Analysis of the structural stresses of the slickensides on fault surfaces in the Lingshan district and its vicinity

圖8 靈山地區(qū)及周緣利用斷裂面擦痕構(gòu)造應(yīng)力分析Fig.8 Analysis of the structural stress of the slicken side on fault surfaces in the Lingshan district and its vicinity

圖9 靈山地區(qū)發(fā)育的擦痕Fig.9 Photos showing the slicken siding of the Lingshan area

通過對(duì)靈山地區(qū)構(gòu)造地質(zhì)形跡(褶皺、節(jié)理和擦痕)統(tǒng)計(jì)分析,靈山地區(qū)經(jīng)歷了四期不同方向構(gòu)造應(yīng)力場的作用,四期構(gòu)造應(yīng)力場方向依次為:NW、NE、近EW和近SN向。由于四期不同的構(gòu)造應(yīng)力場對(duì)靈山地區(qū)不斷的改造疊加,造就了靈山地區(qū)的構(gòu)造格局。

3 構(gòu)造應(yīng)力期次分析

3.1 地質(zhì)形跡交切關(guān)系

構(gòu)造疊加及相互改造是構(gòu)造地質(zhì)學(xué)判斷構(gòu)造發(fā)展時(shí)序最為直接和可靠的證據(jù)(萬天豐,1983;徐開禮和朱志澄,1989),基于這一思想,我們根據(jù)各個(gè)階段構(gòu)造活動(dòng)所形成構(gòu)造形跡間的空間交切、復(fù)合關(guān)系等標(biāo)志來判定區(qū)域上不同時(shí)期構(gòu)造活動(dòng)的先后次序。

由于研究區(qū)處于多個(gè)板塊交匯部位,導(dǎo)致多期構(gòu)造對(duì)廣西靈山地區(qū)進(jìn)行改造,致使研究區(qū)呈現(xiàn)不同期次構(gòu)造疊置復(fù)合特征(承金,2009)。靈山北部的鎮(zhèn)圩構(gòu)造地質(zhì)特征顯示,NW向斷裂被SN向延伸的斷裂切割,SN向發(fā)育斷裂的延伸長度以及斷裂數(shù)量明顯小于NW向斷裂(圖10a),說明NE向的擠壓應(yīng)力早于EW向的擠壓應(yīng)力作用于研究區(qū),并且 NE向擠壓應(yīng)力作用強(qiáng)度以及影響廣度要大于EW向擠壓應(yīng)力;同時(shí)馬山顯示 SN向發(fā)育的褶皺由北向南逐漸斜接歸并到NW向褶皺(圖10b),這均說明NW向構(gòu)造的形成早于近SN向構(gòu)造,形成SN向構(gòu)造的構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)度小于形成NW向構(gòu)造應(yīng)力強(qiáng)度;靈山縣檀圩NE向的主體構(gòu)造被NW向斷裂切割,致使NE向構(gòu)造完整性遭到破壞,表明研究區(qū) NE向構(gòu)造形成早于 NW 向構(gòu)造(圖10c)。由于多期活動(dòng)構(gòu)造的影響,近EW向構(gòu)造與NE、NW、SN向構(gòu)造之間的空間關(guān)系在研究區(qū)并沒有直接的體現(xiàn),但魏春光等(2008)對(duì)北部灣及其鄰區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場的分析,尹克堅(jiān)(1995)利用水系對(duì)廣西地區(qū)新構(gòu)造應(yīng)力場分析,以及蔣維強(qiáng)(1992)利用多個(gè)震源機(jī)制解對(duì)華南沿海地區(qū)的最新構(gòu)造應(yīng)力場分析,均充分說明了EW向構(gòu)造晚于其他三組構(gòu)造形成。

圖10 不同期次構(gòu)造疊加關(guān)系圖Fig.10 Multiphase tectonic superposition and reworking of the Lingshan area

3.2 構(gòu)造活動(dòng)期次及新構(gòu)造活動(dòng)的定量證據(jù)

沉積巖中的流體包裹體的形成與構(gòu)造–熱事件作用和熱液活動(dòng)有密切關(guān)系,能夠從側(cè)面反映沉積巖所受到的構(gòu)造活動(dòng)的影響(朱東亞等,2009)。承金(2009)利用流體包裹體分析靈山附近十萬大山古地溫時(shí),發(fā)現(xiàn)下、中三疊統(tǒng)均存在三組均一溫度:75～100 ℃、110～150 ℃、160～220 ℃,這也進(jìn)一步佐證了靈山地區(qū)自侏羅紀(jì)以來至少經(jīng)歷了三期構(gòu)造活動(dòng)的影響。裂變徑跡模擬表明靈山周緣十萬大山自印支期以來有3期降溫的階段,很好的反映了后面三期構(gòu)造活動(dòng)歷史(郭彤樓,2004)。這與我們的地質(zhì)分析較為吻合。

喜山晚期以來的新構(gòu)造在靈山地區(qū)有非常明顯的響應(yīng):(1)1936年4月1日羅陽山-平山6.7級(jí)地震,1974年11月24日豐塘4.1級(jí)地震,2010年8月17日豐塘 3.5級(jí)地震,以及最近所發(fā)生的地震均很好的說明了這一點(diǎn);(2)通過對(duì)研究區(qū)斷裂帶的石英膠結(jié)ESR測(cè)年顯示,斷裂活動(dòng)的最晚年齡為3.7±0.3 Ma。同時(shí)羅陽山斷階洪積扇石英ERS最新年齡為4.5±0.5萬年。地震活動(dòng)的存在、斷裂帶石英年齡和斷階洪積扇石英年齡均說明新構(gòu)造活動(dòng)的存在。

無論構(gòu)造形跡的交切、疊置關(guān)系還是構(gòu)造熱事件對(duì)流體包裹體、鋯石徑跡長度和斷裂石英所遺留特殊信息均表明靈山地區(qū)整個(gè)沉積地層經(jīng)歷了 4期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的作用。

3.3 構(gòu)造演化和構(gòu)造應(yīng)力場轉(zhuǎn)化

由于華夏板塊與揚(yáng)子古板塊的不完整拼合,早二疊世末期之前廣西靈山地區(qū)處于相對(duì)穩(wěn)定的沉積環(huán)境,地層均是連續(xù)沉積,未受到大規(guī)模構(gòu)造活動(dòng)影響。早二疊世末由于受到特提斯洋強(qiáng)烈收縮、聚斂作用和太平洋板塊向北西推擠的影響,欽防海槽關(guān)閉造山,研究區(qū)處于擠壓或壓扭應(yīng)力的區(qū)域環(huán)境中,欽防海槽一帶形成一系列北東向構(gòu)造,大量發(fā)育次級(jí)斷裂,靈山斷裂帶也于該時(shí)期形成(郭彤樓,2004)。同時(shí)該構(gòu)造活動(dòng)致使上二疊統(tǒng)不整合于石炭系之上,如靈山東北區(qū)域友僚-南樂一帶;中三疊世末期由于印支板塊與華南板塊發(fā)生碰撞,在印支板塊向北俯沖、碰撞過程中,促使越北地塊右旋扭動(dòng),形成一系列北西向逆斷層和褶皺。與此同時(shí),云塊地塊向北西推擠,激發(fā)早期北東向構(gòu)造再次活動(dòng);晚三疊世-白堊紀(jì)研究區(qū)構(gòu)造發(fā)展仍然受控于濱太平洋動(dòng)力體系,靈山地區(qū)依舊受到來自南東方向的作用力,使整個(gè)北東向構(gòu)造變形持續(xù)向北西擴(kuò)展(徐漢林等,2001);到古近紀(jì),印支板塊和太平洋板塊分別從西南方向和東西方向的夾擊,導(dǎo)致該區(qū)處于東西向的應(yīng)力場中,隨著應(yīng)力的不斷加強(qiáng),形成南北向構(gòu)造,并切割早期構(gòu)造;喜山晚期以來,太平洋板塊向西擠壓和印度洋板塊向北和北東方向的推擠,致使研究區(qū)遭受近南北向擠壓作用,形成近東西向構(gòu)造,并最終定型。并且水系研究表明該方向構(gòu)造應(yīng)力對(duì)研究區(qū)的作用一直持續(xù)到現(xiàn)今(尹克堅(jiān),1995)。

靈山地區(qū)自早二疊世末期以來經(jīng)歷了4期不同的構(gòu)造活動(dòng)的影響,并且各種證據(jù)表明喜山晚期近SN向的構(gòu)造應(yīng)力場仍舊影響著研究區(qū),為了弄清新構(gòu)造應(yīng)力場在靈山地區(qū)的分布特征,對(duì)其進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。

4 數(shù)值模擬及活動(dòng)性預(yù)測(cè)

為了明確新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以來靈山區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力分布趨勢(shì)及展布范圍,研究將以構(gòu)造應(yīng)力場地質(zhì)分析成果為基礎(chǔ),針對(duì)靈山地區(qū)多條規(guī)模較大斷裂之間的交接關(guān)系,建立目標(biāo)區(qū)活動(dòng)斷裂數(shù)值模型,探討斷裂對(duì)研究區(qū)應(yīng)力應(yīng)變強(qiáng)度分布的擾動(dòng)特征,并以此為依據(jù)對(duì)靈山地區(qū)地質(zhì)活動(dòng)的可能性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

4.1 靈山地區(qū)新構(gòu)造數(shù)值模擬

(1)斷裂的處理

從宏觀效果出發(fā),相對(duì)斷裂帶來說,地質(zhì)體不同層位、不同構(gòu)造部位的巖石物理屬性參數(shù)可以視為均質(zhì)的,對(duì)于模擬的整個(gè)地質(zhì)體將其作為彈性體處理,而斷裂則視為非連續(xù)介質(zhì)。現(xiàn)階段,符合實(shí)際情況的斷層處理方式:將斷裂帶兩側(cè)適當(dāng)范圍內(nèi)的巖石力學(xué)參數(shù)按一定比例降低,根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),該比例一般定在60%左右(陳波和田崇魯,1998),并可根據(jù)實(shí)際研究區(qū)斷層的規(guī)模予以調(diào)整。

研究區(qū)斷層多而復(fù)雜,但主要以NE、NW向的斷層為主,依據(jù)研究區(qū)斷層發(fā)育規(guī)模以及對(duì)地層影響程度,選擇10條斷層作為主要的模擬對(duì)象,其中NW向斷層3條,NE向斷層5條,SN向斷層1條,近EW向斷層1條,同時(shí)斷層之間的交接關(guān)系將也在模型中進(jìn)行細(xì)致的刻畫。

(2)有限元模型

依據(jù)廣西靈山地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場作用方向的分析,建立基于斷裂-基質(zhì)的有限單元模型。整個(gè)模擬區(qū)是以靈山地區(qū)構(gòu)造圖為基礎(chǔ)的矩形體,各邊均為實(shí)際大小,平面短邊長55.24 km,長邊99.68 km,面積5234.6 km2。數(shù)值模擬過程中較為重要的,巖石力學(xué)屬性參數(shù)主要由本身組構(gòu)決定,也與巖石所處的地質(zhì)環(huán)境有極為緊密的關(guān)系,應(yīng)力場數(shù)值模擬所需的巖石力學(xué)參數(shù)均可以通過三軸巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)得(徐政語,2006;唐永等,2012)。由于本次研究重點(diǎn)集中于斷裂對(duì)應(yīng)力場分布的影響,對(duì)巖層中不同的巖性進(jìn)行了均一化處理。

地質(zhì)分析表明,新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以來整個(gè)華南沿海主要受到菲律賓海板塊向西擠壓、南海海盆向北擴(kuò)張以及川青、川滇地塊阻擋的影響(鄒和平,2002),靈山地區(qū)受到近南北向擠壓作用。同時(shí)靈山地區(qū)西部和北部為十萬大山盆地是構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定部位,即模擬過程中將模型的北面和西面x和y方向約束,對(duì)南面施加近 SN方向的水平擠壓作用力。根據(jù)野外實(shí)測(cè)巖層中的共軛節(jié)理,結(jié)合巖石力學(xué)測(cè)試獲得初始抗剪強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度(陳慶宣等,1996),確定研究區(qū)近SN向構(gòu)造作用的平均差應(yīng)力為21.3 MPa。

4.2 應(yīng)力場數(shù)值模擬結(jié)果

經(jīng)過反復(fù)的計(jì)算,獲得了靈山地區(qū)現(xiàn)今最大主應(yīng)力場、最大主應(yīng)變以及最大主應(yīng)力跡線圖(圖11)。結(jié)果顯示:①最大主應(yīng)力值高值區(qū)主要集中在研究區(qū)的東南部,低值區(qū)分布在研究區(qū)的西北,整體呈現(xiàn)由南東至西北,最大主應(yīng)力逐漸變小,與靈山及周緣的地質(zhì)特征較為相符。研究區(qū)東南部以斷裂和巖體為主,構(gòu)造變形復(fù)雜,說明所受的構(gòu)造作用力較大,構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈。而西北角大部分為南鄉(xiāng)盆地,主體為開闊平緩的褶皺,構(gòu)造極為簡單,說明構(gòu)造作用較弱,最大主應(yīng)力大小分布與地質(zhì)特征的吻合程度說明數(shù)值模型的可靠性較好,模擬結(jié)果的可信度較強(qiáng)。由于作用力施加方向與斷裂之間存在一定的角度關(guān)系,在高值區(qū)也有一些低值區(qū)存在,如佛子(FZ)、寨圩(ZX)、平南(PN)等局部區(qū)域。其中最大主應(yīng)力值極大值區(qū)域主要分布在羅陽山、豐塘、浦北、三隆以北的區(qū)域;②最小主應(yīng)變量與最大主應(yīng)力分布狀態(tài)較為相似,也表現(xiàn)為西北低東南高的特征,但整體來看最大主應(yīng)變量相差不大。其中最大主應(yīng)變量最小區(qū)域位于羅陽山、豐塘、鐵嶺等局部區(qū)域,次之為南鄉(xiāng)盆地和陸屋、三隆以北區(qū)域。高值區(qū)則主要分布在浦北縣所在的大容山巖體以及斷裂的交叉部位和尖滅端,例如石陂、平山附近區(qū)域。由于斷裂控制,位于斷裂交叉部位和尖滅端區(qū)域的最小應(yīng)變量高值分布范圍極為有限。由于斷裂的存在,斷裂兩側(cè)應(yīng)變量大小往往不連續(xù),說明斷裂對(duì)應(yīng)力變的傳遞有明顯的阻隔作用(蘇生瑞,2002),體現(xiàn)了早期斷裂對(duì)后期構(gòu)造的控制,同時(shí)也說明將斷裂與目標(biāo)地質(zhì)體處理為非連續(xù)的介質(zhì)體是符合地質(zhì)實(shí)際的;③模擬結(jié)果顯示,最大主應(yīng)力跡線為近SN向,雖然局部由于斷裂走向的變化以及多條斷裂交叉,導(dǎo)致最大主應(yīng)力跡線有所偏轉(zhuǎn),但最大主應(yīng)力跡線近SN向的特征得到很好的體現(xiàn),這與地質(zhì)分析結(jié)論較為吻合,進(jìn)一步佐證了數(shù)值模型的可靠性。

圖11 靈山地區(qū)最大主應(yīng)力分布(a),最大主應(yīng)變量分布(b)和最大主應(yīng)力跡線(c)圖Fig.11 Maps showing the distribution of maximum principal stress (a),maximum principal strain (b)and maximum principal stress trajectory (c)in the Lingshan area

4.3 活動(dòng)可能性分析

應(yīng)力是能量聚集的一種表現(xiàn),應(yīng)變是能量釋放的一種狀態(tài)。應(yīng)力越大說明能量集中的程度越高,應(yīng)變量越小形變量越弱則能量釋放的越少,那么后期活動(dòng)的可能急劇增加,反之亦然,應(yīng)變量越大形變量越強(qiáng)能量釋放的越多,那么后期活動(dòng)的可能性逐漸減少。

從最大主應(yīng)力模擬結(jié)果來看,最大主應(yīng)力高值主要集中斷裂交叉處、尖滅端以及彎曲部位,但最大主應(yīng)變低值區(qū)則主要位于斷裂彎曲、交叉與斷裂尖滅相結(jié)合部位,例如羅陽山(3、4號(hào)斷裂交匯與8號(hào)斷層尖滅結(jié)合處)、豐塘(4、7號(hào)斷裂交匯與 2號(hào)斷裂尖滅結(jié)合處)、鐵嶺(4號(hào)斷裂彎曲部位與1號(hào)斷裂尖滅結(jié)合處)以及陸屋以北區(qū)域(3號(hào)斷裂彎曲部位與7號(hào)斷裂尖滅結(jié)合處)。而僅僅只有斷裂交匯、斷裂彎曲的部位,雖然最大主應(yīng)力為高值,最大主應(yīng)變量卻比較大,如浦北(5號(hào)斷裂)沙坪(9號(hào)斷裂)、寨圩(10號(hào)斷裂),說明能量雖然較為集中,但能量釋放的程度也較高,后期活動(dòng)的可能極為微弱。相反那些斷裂尖滅與斷裂交匯、彎曲結(jié)合部位,最大主應(yīng)力呈現(xiàn)高值,最小應(yīng)變量為低值,表明能量較為集中,同時(shí)能量釋放程度極低,后期活動(dòng)的危險(xiǎn)性極大。1936年4月1日羅陽山-平山(PS東側(cè),圖11a)6.7級(jí)地震,1974年11月24日豐塘4.1級(jí)地震,2010年8月17日豐塘3.5級(jí)地震等最近所發(fā)生的地震均很好的說明了這一點(diǎn)。

根據(jù)以上分析,羅陽山、豐塘、鐵嶺、陸屋以北區(qū)域是應(yīng)力集中程度較高的區(qū)域,能量釋放程度較弱。由此推斷羅陽山、豐塘是發(fā)生活動(dòng)高危區(qū)域,鐵嶺和陸屋以北區(qū)域是發(fā)生活動(dòng)次高危區(qū)域(圖12)。

圖12 靈山可能活動(dòng)區(qū)預(yù)測(cè)Fig.12 The predicted zone of potential activity in the Lingshan area

5 結(jié) 論

(1)構(gòu)造形跡是構(gòu)造活動(dòng)最忠實(shí)的記錄者,分析特征構(gòu)造是理清構(gòu)造應(yīng)力場最重要的、最有效的方法和手段。通過大量的構(gòu)造屬性數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,獲取褶皺、節(jié)理、擦痕的優(yōu)勢(shì)產(chǎn)狀,通過解析幾何的方法,計(jì)算出構(gòu)造主應(yīng)力的方向,這對(duì)理解研究區(qū)構(gòu)造演化奠定可靠的基礎(chǔ)。但是由于不同時(shí)期地質(zhì)形跡易于疊加復(fù)合,因此在利用構(gòu)造痕跡恢復(fù)構(gòu)造應(yīng)力場時(shí),必需將多種構(gòu)造形跡聯(lián)動(dòng)起來作為一個(gè)整體考慮,同時(shí)將不同分析方法獲得結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證、相互補(bǔ)充。只有通過詳細(xì)、完整分析各種構(gòu)造形跡才能夠獲得構(gòu)造應(yīng)力場真實(shí)有效分布狀態(tài),才能真實(shí)有效的為活動(dòng)性預(yù)測(cè)服務(wù)。

(2)通過野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析及對(duì)靈山及周緣地質(zhì)特征研究,認(rèn)為研究區(qū)主要受到四期不同方向、不同大小構(gòu)造應(yīng)力作用,其中近SN向構(gòu)造應(yīng)力是現(xiàn)今影響研究區(qū)活動(dòng)的主要?jiǎng)恿碓础W 向擠壓應(yīng)力最早影響到研究區(qū),并且作用強(qiáng)度較后面三期均要高,形成控制研究區(qū)主體構(gòu)造特征的 NE向構(gòu)造,其次是NE向擠壓應(yīng)力對(duì)研究區(qū)的作用,改造破壞早期發(fā)育的 NE向構(gòu)造,并發(fā)育一系列 NW 向構(gòu)造,隨后構(gòu)造應(yīng)力場發(fā)生大的轉(zhuǎn)換,EW向擠壓應(yīng)力作用于靈山地區(qū),形成近SN向構(gòu)造,最后整個(gè)研究區(qū)的構(gòu)造格局在近SN擠壓應(yīng)力的作用下而定型,并且該方向的擠壓應(yīng)力作用一直持續(xù)到現(xiàn)今。

(3)構(gòu)造應(yīng)力場定量化研究對(duì)靈山地區(qū)活動(dòng)性評(píng)價(jià)及潛在活動(dòng)區(qū)預(yù)測(cè)具有重要的意義。最大主應(yīng)力高值集中區(qū)與最大主應(yīng)變量低值集中區(qū)的疊合部位:斷裂彎曲、交匯與斷裂尖滅相結(jié)合部位,具有能量集中程度較高,變形量較小能量消減量低,后期活動(dòng)的危險(xiǎn)性較周圍區(qū)域高。綜合地質(zhì)分析成果,運(yùn)用構(gòu)造應(yīng)力有限元數(shù)值模擬方法,確定靈山地區(qū)現(xiàn)今最大主應(yīng)力、最大主應(yīng)變展布特征,并且認(rèn)為:羅陽山、豐塘、鐵嶺、陸屋以北區(qū)域是應(yīng)力集中程度較高的區(qū)域,能量釋放程度較弱,可以推斷羅陽山、豐塘是發(fā)生活動(dòng)的高危區(qū)域,鐵嶺和陸屋以北區(qū)域是發(fā)生活動(dòng)的次高危區(qū)域。

致謝:衷心感謝南京大學(xué)賈東教授、謝國愛教授和中國地震局地殼應(yīng)力研究所老師給予的指導(dǎo)和幫助,感謝編輯在論文完善過程中給予的寶貴意見,同時(shí)感謝武漢地質(zhì)調(diào)查中心在野外工作給予的支持！

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