泉州地應(yīng)力測(cè)量及斷裂穩(wěn)定性分析

王磊

摘要：泉州地處我國東南沿海地震活動(dòng)頻繁、活動(dòng)斷裂發(fā)育地區(qū)，通過泉州鉆孔地應(yīng)力測(cè)量，獲得該地區(qū)的現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，結(jié)合斷層滑動(dòng)摩擦準(zhǔn)則，進(jìn)行斷層穩(wěn)定性分析，結(jié)果表明：清源山斷裂和寺角—晉江斷裂應(yīng)力積累水平高，τn/σn比值超過了0.60，已經(jīng)達(dá)到臨界破壞狀態(tài)，建議加強(qiáng)針對(duì)斷裂帶關(guān)鍵構(gòu)造部位的地質(zhì)監(jiān)測(cè)和防災(zāi)減災(zāi)。烏石山—紫帽山斷裂應(yīng)力積累水平也較高，τn/σn比值接近0.60，需關(guān)注沿?cái)嗔褞?yīng)力場(chǎng)的長(zhǎng)期變化規(guī)律。

關(guān)鍵詞：泉州地區(qū)；地應(yīng)力測(cè)量；活動(dòng)斷裂；斷層滑動(dòng)

福建省位于環(huán)太平洋地震帶上，據(jù)《中國地震烈度區(qū)劃》（1990），福建省VIII度區(qū)位于惠安—石獅沿海及島嶼的少數(shù)地區(qū)，VII度區(qū)分布于閩侯—仙游—華安—平和以東地區(qū)。其余地區(qū)為VI度和小于VI度區(qū)。福建沿海地震帶不同地段強(qiáng)震活動(dòng)還存在較大的差異，莆田以北地段中、強(qiáng)震活動(dòng)水平最低，僅發(fā)生過Ms=4.75-5.9級(jí)地震3次；泉州一漳州段，活動(dòng)水平最高，達(dá)20余次，有多次6級(jí)以上地震發(fā)生，最大震級(jí)為7.5級(jí)；東山一汕頭地段次之，共發(fā)生中、強(qiáng)地震10余次，最大的為1604年10月29日泉州海外8級(jí)地震。此外中、強(qiáng)地震常發(fā)生于多組斷裂交匯部位，總體上地震活動(dòng)強(qiáng)度和頻度在空間上表現(xiàn)出自東南向西北逐漸減弱、減少的趨勢(shì)；福建沿海地震單元的劃分和統(tǒng)計(jì)也反映出這一現(xiàn)象（聞學(xué)澤，2003）。根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造和新構(gòu)造期的構(gòu)造特征，福建省的活動(dòng)斷裂是指新第三紀(jì)末期以來有活動(dòng)的斷裂。福建省內(nèi)的斷裂構(gòu)造普遍具有規(guī)模大、延伸長(zhǎng)、活動(dòng)時(shí)間跨度長(zhǎng)、地殼深度深等特點(diǎn)。在陸地上北東（包括北北東）向和北西向兩組活動(dòng)斷裂最為發(fā)育，且活動(dòng)斷裂在北東向通常呈“縱切成條”，而在北西向通常呈“橫切成塊”，進(jìn)而構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)狀的框架組織。從這個(gè)角度講，這些斷裂結(jié)構(gòu)對(duì)福建省地貌和第四系的發(fā)育起著控制作用，第四紀(jì)以來都有不同程度的活動(dòng)。據(jù)斷層活動(dòng)產(chǎn)物年代鑒定、形變測(cè)量數(shù)據(jù)和現(xiàn)代地震活動(dòng)分析，有些斷裂現(xiàn)今仍有活動(dòng)，成為控震的主要因素。

地震的發(fā)生及其產(chǎn)生的災(zāi)難給人民帶來了巨大的損失。查明活動(dòng)斷裂現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，了解斷層活動(dòng)危險(xiǎn)性，加強(qiáng)地區(qū)應(yīng)力場(chǎng)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，為地質(zhì)安全提供科學(xué)依據(jù)。

1.主要活動(dòng)斷裂特征

福建沿海地區(qū)盆地依江河形成，盆地新生代多為第四紀(jì)較淺沉積，分布于福州、長(zhǎng)樂、莆田、泉州、同安、漳州和龍海等地區(qū)，較大的第四紀(jì)區(qū)域?qū)?yīng)著沉積盆地和平原。第四紀(jì)沉積盆地受控于北東向的長(zhǎng)一詔斷裂帶和北西向斷裂控制，是位于兩組斷裂的交匯處的斷陷盆地。福州、泉州和漳州盆地呈北西向，北西向斷裂是主控?cái)嗔眩▓D1）

泉州盆地形成于第四紀(jì)以來且以花崗巖和火山碎屑巖為主。該區(qū)活動(dòng)斷裂主要以三條北西向斷裂為主，分別為更新世晚期活動(dòng)的寺角—晉江斷裂、第四紀(jì)早期活動(dòng)的清源山斷裂和烏石山一紫帽山斷裂。清源山斷裂屬于泉州盆地的山前斷裂，斷層性質(zhì)為正斷，走向北西330°，傾向南西，長(zhǎng)度13.5km，傾角75°，由深部探測(cè)揭示更新世晚期無活動(dòng)跡象；寺角一晉江斷裂屬于泉州盆地的北支斷裂，可分為三段，總體上斷層性質(zhì)為正斷，走向北西310°，傾向北東，長(zhǎng)度11km，傾角70°，由深部探測(cè)揭示全新世以來無活動(dòng)跡象；烏石山一紫帽山斷裂屬于泉州盆地的邊緣斷裂，由烏石山和紫帽山兩條斷裂構(gòu)成。整體上斷層性質(zhì)為正斷，走向北西310°，傾向北東，長(zhǎng)度11km，傾角75°，由深部探測(cè)揭示晚更新世以來無活動(dòng)跡象。

2.地應(yīng)力測(cè)量

采用的地應(yīng)力測(cè)量方法是水壓致裂法，它由國際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)試驗(yàn)方法委員會(huì)建議用來確定地殼巖體應(yīng)力有效方法之一，是國際上直接在深部鉆孔中獲取原地應(yīng)力的最為先進(jìn)方法，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于水利、鐵路、公路、礦產(chǎn)及能源等工程領(lǐng)域和地震地質(zhì)、板塊構(gòu)造、斷裂危險(xiǎn)性等地球動(dòng)力學(xué)方面的研究。該方法的原理、過程和處理分析等已經(jīng)非常成熟，根據(jù)公開資料表明目前水壓致裂發(fā)已經(jīng)獲取深度達(dá)幾千米的可靠原地應(yīng)力數(shù)據(jù)。

2013年在泉州地區(qū)開展了深孔水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量，鉆孔位于泉州北部，孔深600m，靜止水位6m，巖芯以花崗巖為主，整體較完整，原生節(jié)理裂隙發(fā)育較少，該孔共獲取20段有效的地應(yīng)力測(cè)量數(shù)據(jù)。由主應(yīng)力隨深度分布規(guī)律可以得到（圖2），在測(cè)量范圍內(nèi)主應(yīng)力關(guān)系總體上表現(xiàn)為為逆沖型應(yīng)力狀態(tài)（SH>Sh>Sv），最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力量值分別為14.56MPa～51.03MPa和8.94MPa～31.23MPa，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹W40°～NW68°，總體上呈NWW向。回歸分析地應(yīng)力結(jié)果，水平最大、最小主應(yīng)力隨深度變化梯度分別為0.0653和0.0381。

3.活動(dòng)斷裂穩(wěn)定性分析

地震的孕育和發(fā)生往往和構(gòu)造的活動(dòng)密不可分，是斷裂在應(yīng)力的長(zhǎng)期作用下導(dǎo)致應(yīng)變能突然釋放的結(jié)果?；诘卣鸬刭|(zhì)，加強(qiáng)地應(yīng)力測(cè)量監(jiān)測(cè)與斷裂活動(dòng)性之間關(guān)系研究，對(duì)于科學(xué)認(rèn)識(shí)和理解地震機(jī)理意義重大。依據(jù)Byerlee斷層滑動(dòng)準(zhǔn)則，當(dāng)斷層面上的剪應(yīng)力不小于斷層面上的摩擦阻力時(shí)，斷層處于滑動(dòng)臨界滑動(dòng)狀態(tài)。大量研究表明，多數(shù)巖石在剪切失穩(wěn)破壞是的摩擦系數(shù)在0.60～0.85，通常將地殼表層斷裂滑動(dòng)失穩(wěn)的臨界摩擦系數(shù)定為0.6。

基于泉州鉆孔地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果，建立三維坐標(biāo)系oxyz，其中：x軸正方向最大水平主應(yīng)力（SH）、y軸正方向?yàn)樽钚∷街鲬?yīng)力（Sh），z軸為垂向應(yīng)力（Sv），l、m、n分別為三個(gè)相對(duì)應(yīng)的方向余弦。根據(jù)斷層面上的任意斜截面剪應(yīng)力（τn）、正應(yīng)力（σn）及其比值（τn/σn），判別主要活動(dòng)斷裂穩(wěn)定性狀態(tài)，探討其滑動(dòng)危險(xiǎn)性。

在600m深度范圍內(nèi)，清源山斷裂τn/σn比值主要為0.51～0.69，最大值為0.69，平均0.59；寺角—晉江斷裂τn/σn比值主要為0.51～0.66，最大值為0.66，平均0.57；烏石山—紫帽山斷裂τn/σn比值主要為0.44～0.60，最大值為0.60，平均0.51。比較可見，泉州地區(qū)內(nèi)清源山斷裂和寺角—晉江斷裂應(yīng)力積累值較高，τn/σn比值的最大值為0.66～0.69，已經(jīng)超過0.60，存在臨界滑動(dòng)失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)；烏石山—紫帽山斷裂應(yīng)力積累水平也較高，τn/σn比值整體上基本低于0.6，在深部接近0.6，在應(yīng)力持續(xù)增加的情況下接近臨界滑動(dòng)失穩(wěn)狀態(tài)。

晉江斷裂活動(dòng)主要表現(xiàn)在南安的珠淵以西，西溪河谷循斷裂發(fā)育形成深切河谷，下游泉州平原兩側(cè)的清源山和烏石浦，有面向平原循斷裂發(fā)育的斷層崖，斷裂兩側(cè)晚更新世的“標(biāo)志層”（泥碳層）有錯(cuò)位。斷裂帶向東南延伸入海，控制了泉州灣斷陷的發(fā)育，且晚更新世以來仍有活動(dòng)。

地震監(jiān)測(cè)資料顯示，泉州地區(qū)及鄰區(qū)地震偶有發(fā)生，但多為中小地震（小于5級(jí)）。但是清源山斷裂和寺角—晉江斷裂現(xiàn)今具有較高的應(yīng)力積累水平，但是地震活動(dòng)現(xiàn)象較少，值得重點(diǎn)關(guān)注應(yīng)力應(yīng)變變化規(guī)律。一般情況下，地震的發(fā)生多為深部構(gòu)造強(qiáng)烈活動(dòng)導(dǎo)致積累的應(yīng)力突然釋放，因此建議在活動(dòng)斷裂應(yīng)力積累水平較高的地方，加強(qiáng)地應(yīng)力、地形變、地溫等方面的監(jiān)測(cè)工作。

4.結(jié)論與討論

通過泉州地區(qū)地應(yīng)力測(cè)量與斷裂穩(wěn)定性分析得到幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

（1）該地區(qū)水平最大、最小主應(yīng)力隨深度變化梯度分別為0.0653和0.0381，明顯高于全國平均水平，說明應(yīng)力背景值偏高，地下工程規(guī)劃與施工中注意深部地質(zhì)體在高地應(yīng)力條件下的變形破壞現(xiàn)象。

（2）清源山斷裂和寺角—晉江斷裂應(yīng)力積累水平高，τn/σn比值超過了0.60，已經(jīng)達(dá)到臨界破壞狀態(tài)，建議加強(qiáng)針對(duì)斷裂帶關(guān)鍵構(gòu)造部位的地質(zhì)監(jiān)測(cè)和防災(zāi)減災(zāi)。

（3）烏石山—紫帽山斷裂應(yīng)力積累水平也較高，τn/σn比值接近0.60，需關(guān)注沿?cái)嗔褞?yīng)力場(chǎng)的長(zhǎng)期變化規(guī)律。

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