泉州地應力測量及斷裂穩(wěn)定性分析

王磊

摘要：泉州地處我國東南沿海地震活動頻繁、活動斷裂發(fā)育地區(qū)，通過泉州鉆孔地應力測量，獲得該地區(qū)的現(xiàn)今構造應力場，結合斷層滑動摩擦準則，進行斷層穩(wěn)定性分析，結果表明：清源山斷裂和寺角—晉江斷裂應力積累水平高，τn/σn比值超過了0.60，已經(jīng)達到臨界破壞狀態(tài)，建議加強針對斷裂帶關鍵構造部位的地質監(jiān)測和防災減災。烏石山—紫帽山斷裂應力積累水平也較高，τn/σn比值接近0.60，需關注沿斷裂帶應力場的長期變化規(guī)律。

關鍵詞：泉州地區(qū)；地應力測量；活動斷裂；斷層滑動

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震活動還存在較大的差異，莆田以北地段中、強震活動水平最低，僅發(fā)生過Ms=4.75-5.9級地震3次；泉州一漳州段，活動水平最高，達20余次，有多次6級以上地震發(fā)生，最大震級為7.5級；東山一汕頭地段次之，共發(fā)生中、強地震10余次，最大的為1604年10月29日泉州海外8級地震。此外中、強地震常發(fā)生于多組斷裂交匯部位，總體上地震活動強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；福建沿海地震單元的劃分和統(tǒng)計也反映出這一現(xiàn)象（聞學澤，2003）。根據(jù)地質構造和新構造期的構造特征，福建省的活動斷裂是指新第三紀末期以來有活動的斷裂。福建省內(nèi)的斷裂構造普遍具有規(guī)模大、延伸長、活動時間跨度長、地殼深度深等特點。在陸地上北東（包括北北東）向和北西向兩組活動斷裂最為發(fā)育，且活動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”，進而構成了網(wǎng)絡狀的框架組織。從這個角度講，這些斷裂結構對福建省地貌和第四系的發(fā)育起著控制作用，第四紀以來都有不同程度的活動。據(jù)斷層活動產(chǎn)物年代鑒定、形變測量數(shù)據(jù)和現(xiàn)代地震活動分析，有些斷裂現(xiàn)今仍有活動，成為控震的主要因素。

地震的發(fā)生及其產(chǎn)生的災難給人民帶來了巨大的損失。查明活動斷裂現(xiàn)今構造應力場，了解斷層活動危險性，加強地區(qū)應力場的動態(tài)監(jiān)測，為地質安全提供科學依據(jù)。

1.主要活動斷裂特征

福建沿海地區(qū)盆地依江河形成，盆地新生代多為第四紀較淺沉積，分布于福州、長樂、莆田、泉州、同安、漳州和龍海等地區(qū)，較大的第四紀區(qū)域對應著沉積盆地和平原。第四紀沉積盆地受控于北東向的長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，北西向斷裂是主控斷裂（圖1）

泉州盆地形成于第四紀以來且以花崗巖和火山碎屑巖為主。該區(qū)活動斷裂主要以三條北西向斷裂為主，分別為更新世晚期活動的寺角—晉江斷裂、第四紀早期活動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，斷層性質為正斷，走向北西330°，傾向南西，長度13.5km，傾角75°，由深部探測揭示更新世晚期無活動跡象；寺角一晉江斷裂屬于泉州盆地的北支斷裂，可分為三段，總體上斷層性質為正斷，走向北西310°，傾向北東，長度11km，傾角70°，由深部探測揭示全新世以來無活動跡象；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成。整體上斷層性質為正斷，走向北西310°，傾向北東，長度11km，傾角75°，由深部探測揭示晚更新世以來無活動跡象。

2.地應力測量

采用的地應力測量方法是水壓致裂法，它由國際巖石力學學會試驗方法委員會建議用來確定地殼巖體應力有效方法之一，是國際上直接在深部鉆孔中獲取原地應力的最為先進方法，目前已經(jīng)廣泛應用于水利、鐵路、公路、礦產(chǎn)及能源等工程領域和地震地質、板塊構造、斷裂危險性等地球動力學方面的研究。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)獲取深度達幾千米的可靠原地應力數(shù)據(jù)。

2013年在泉州地區(qū)開展了深孔水壓致裂地應力測量，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段有效的地應力測量數(shù)據(jù)。由主應力隨深度分布規(guī)律可以得到（圖2），在測量范圍內(nèi)主應力關系總體上表現(xiàn)為為逆沖型應力狀態(tài)（SH>Sh>Sv），最大水平主應力和最小水平主應力量值分別為14.56MPa～51.03MPa和8.94MPa～31.23MPa，最大水平主應力方向為NW40°～NW68°，總體上呈NWW向?；貧w分析地應力結果，水平最大、最小主應力隨深度變化梯度分別為0.0653和0.0381。

3.活動斷裂穩(wěn)定性分析

地震的孕育和發(fā)生往往和構造的活動密不可分，是斷裂在應力的長期作用下導致應變能突然釋放的結果。基于地震地質，加強地應力測量監(jiān)測與斷裂活動性之間關系研究，對于科學認識和理解地震機理意義重大。依據(jù)Byerlee斷層滑動準則，當斷層面上的剪應力不小于斷層面上的摩擦阻力時，斷層處于滑動臨界滑動狀態(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失穩(wěn)的臨界摩擦系數(shù)定為0.6。

基于泉州鉆孔地應力測量結果，建立三維坐標系oxyz，其中：x軸正方向最大水平主應力（SH）、y軸正方向為最小水平主應力（Sh），z軸為垂向應力（Sv），l、m、n分別為三個相對應的方向余弦。根據(jù)斷層面上的任意斜截面剪應力（τn）、正應力（σn）及其比值（τn/σn），判別主要活動斷裂穩(wěn)定性狀態(tài)，探討其滑動危險性。

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，存在臨界滑動失穩(wěn)的風險；烏石山—紫帽山斷裂應力積累水平也較高，τn/σn比值整體上基本低于0.6，在深部接近0.6，在應力持續(xù)增加的情況下接近臨界滑動失穩(wěn)狀態(tài)。

晉江斷裂活動主要表現(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，斷裂兩側晚更新世的“標志層”（泥碳層）有錯位。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。

地震監(jiān)測資料顯示，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）。但是清源山斷裂和寺角—晉江斷裂現(xiàn)今具有較高的應力積累水平，但是地震活動現(xiàn)象較少，值得重點關注應力應變變化規(guī)律。一般情況下，地震的發(fā)生多為深部構造強烈活動導致積累的應力突然釋放，因此建議在活動斷裂應力積累水平較高的地方，加強地應力、地形變、地溫等方面的監(jiān)測工作。

4.結論與討論

通過泉州地區(qū)地應力測量與斷裂穩(wěn)定性分析得到幾點認識：

（1）該地區(qū)水平最大、最小主應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，說明應力背景值偏高，地下工程規(guī)劃與施工中注意深部地質體在高地應力條件下的變形破壞現(xiàn)象。

（2）清源山斷裂和寺角—晉江斷裂應力積累水平高，τn/σn比值超過了0.60，已經(jīng)達到臨界破壞狀態(tài)，建議加強針對斷裂帶關鍵構造部位的地質監(jiān)測和防災減災。

（3）烏石山—紫帽山斷裂應力積累水平也較高，τn/σn比值接近0.60，需關注沿斷裂帶應力場的長期變化規(guī)律。

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