山東安丘莒縣斷裂莒縣盆地段地應(yīng)力測試及斷裂活動性研究

王丹彤 李傳生 于翠翠 劉宏偉

摘要： 第四紀(jì)晚期以來，山東安丘 ?莒縣斷裂莒縣盆地段發(fā)生過較為強(qiáng)烈的活動。本次采用水壓致裂法，對該段斷裂進(jìn)行了地應(yīng)力測試，認(rèn)為區(qū)域內(nèi)地應(yīng)力以構(gòu)造應(yīng)力為主，地應(yīng)力結(jié)構(gòu)為最大水平主應(yīng)力（SH）＞最小水平主應(yīng)力（Sh）＞垂直應(yīng)力（Sv），易于使斷裂發(fā)生走滑運(yùn)動，且測區(qū)大部分為高地應(yīng)力區(qū)—極高地應(yīng)力區(qū)。采用庫侖摩擦滑動準(zhǔn)則，分析了斷裂的穩(wěn)定性，認(rèn)為安丘 ?莒縣斷裂莒縣盆地段地應(yīng)力測試值未達(dá)到斷層滑動臨界值。

關(guān)鍵詞： 安丘 ?莒縣斷裂；水壓致裂法；地應(yīng)力；斷裂活動性；莒縣盆地

中圖分類號： ?TE822.01 ?????文獻(xiàn)標(biāo)識碼： ?A ???doi：10.12128/j.issn.1672 ?6979.2023.04.008

引文格式： 王丹彤，李傳生，于翠翠，等.山東安丘 ?莒縣斷裂莒縣盆地段地應(yīng)力測試及斷裂活動性研究［J］.山東國土資源，2023，39（4）：51 ?57. WANG Dantong， LI Chuansheng， YU Cuicui， et al. Ground Stress Test and Study on Fault Activities in Juxian Basin in Anqiu ?Juxian Fault in Shandong Province［J］.Shandong Land and Resources，2023，39（4）：51 ?57.

0 引言

安丘 ?莒縣斷裂處于昌邑 ?大店斷裂與白芬子 ?浮來山斷裂中間，整體走向10°～20°，是沂沭斷裂帶的重要組成部分。該斷裂為白芬子 ?浮來山斷裂在伸展環(huán)境下形成的反向伴生斷層［1］。研究證明，安丘 ?莒縣斷裂，特別是莒縣盆地段晚更新世晚期以來比較活躍，最新活動時代為全新世早期，活動性質(zhì)是以右旋走滑為主兼擠壓逆斷［2］。歷史上1668年郯城8.5級地震與該斷裂有關(guān)［3］。

關(guān)于安丘 ?莒縣斷裂活動性的研究成果頗多［4 ?11］。王志才等［9］認(rèn)為安丘 ?莒縣斷裂是沂沭斷裂帶最主要的活動斷裂，對強(qiáng)震的發(fā)生具有明顯的控制作用。鐘南才等［10］研究表明，安丘 ?莒縣斷裂莒縣盆地段是一條晚第四紀(jì)以來強(qiáng)烈活動的斷層。王薇等［11］研究結(jié)果表明，安丘 ?莒縣斷裂在莒縣盆地錯斷第四系，埋深相對較淺，斷層特征主要表現(xiàn)為 ?擠壓逆沖，局部地段表現(xiàn)為正斷性質(zhì)。這些研究主要通過地表調(diào)查、GPS位移測量和深部震源機(jī)制等方法開展，通過地應(yīng)力測量分析安丘 ?莒縣斷裂莒縣盆地段活動性的較少。而相關(guān)研究認(rèn)為，地殼發(fā)生的一切變形都是地應(yīng)力作用的反映。地應(yīng)力的作用不僅產(chǎn)生或影響地質(zhì)構(gòu)造，還會引起地震和影響地殼內(nèi)巖石等。因此地應(yīng)力是影響斷層活動的直接動力，通過研究地應(yīng)力可以分析斷裂的穩(wěn)定性。

本次通過安丘 ?莒縣斷裂莒縣盆地段地應(yīng)力測量，反映了目前該段斷裂淺層地應(yīng)力狀態(tài)，為分析該段斷裂的活動性及評價山東半島區(qū)域地殼穩(wěn)定性提供基礎(chǔ)資料。

1 地應(yīng)力測試試驗

1.1 測試方法

本次地應(yīng)力測試采用水壓致裂法，該方法為國 ?際巖石力學(xué)學(xué)會推薦的地應(yīng)力測量方法之一［12］。該方法假設(shè)圍巖為均質(zhì)、各向同性、線彈性體、巖體完整，同時巖體中有一個主應(yīng)力分量的方向和孔軸平行，現(xiàn)場根據(jù)鉆探巖心的巖石質(zhì)量指標(biāo)以及巖石的力學(xué)性質(zhì)選取地應(yīng)力測試段進(jìn)行水壓致裂地應(yīng)力測量。現(xiàn)場測量通過泵入流體對封隔段增壓以致在孔壁周圍產(chǎn)生誘發(fā)裂縫，同時記錄壓力時間曲線，并對曲線進(jìn)行分析得到壓裂特征參數(shù)，再根據(jù)理論公式，計算出測試段的最大、最小水平主應(yīng)力及垂直應(yīng)力［13 ?22］。

1.2 測點布設(shè)及地應(yīng)力測試

為分析安丘 ?莒縣斷裂莒縣盆地段的活動特征及潛在發(fā)展趨勢，選擇在山東莒縣劉官莊附近安丘 ?莒縣斷裂內(nèi)布置了4個鉆孔地應(yīng)力測量點（圖1）。

水壓致裂法地應(yīng)力測試在50～120m范圍內(nèi)進(jìn)行，測試段巖性為紫紅色砂巖和粉砂巖。首先根據(jù)鉆孔巖心情況，選擇完整性好的巖心所在深度作為測試深度。在鉆孔選定的測量深度上，利用可膨脹的橡膠封隔器阻隔鉆孔，形成一個相對封閉的加壓段，然后利用加壓設(shè)備注水增壓，隨著壓力的增加致使鉆孔孔壁巖體產(chǎn)生破壞。最后根據(jù)不同時間段壓力的變化過程，計算出測量段最大水平應(yīng)力值、最小水平應(yīng)力值等參數(shù)。同時利用定向印模器，在鉆孔不同深度進(jìn)行定向印模，再根據(jù)印痕、基線與磁北針之間的關(guān)系，計算出最大水平主應(yīng)力的方位。本次測量結(jié)果見表1、圖2（計算垂向應(yīng)力時巖石重度取26.0kN/m3）。在對壓裂測試曲線分析的前提下，利用4個鉆孔中13個不同壓裂深度段的印模定向，確定了安丘 ?莒縣斷裂莒縣盆地段的最大主應(yīng)力方向。

將定向印模器系統(tǒng)置于測量深度上，地面水泵加壓將印模器膨脹，使裂縫重新張開，半硫化橡膠擠入裂縫，印模器表面就保留了裂縫的痕跡，定向儀自動記錄定向器極限的方位。再通過印痕，基線和磁北針之間的關(guān)系，計算出裂縫方位，即最大水平主應(yīng)力的方位。

2 地應(yīng)力統(tǒng)計特征

2.1 最大水平主應(yīng)力及方向

由表1可知，在測試深度范圍內(nèi)，S01鉆孔的最大水平主應(yīng)力值為5.61MPa，S02鉆孔的最大水平主應(yīng)力值為5.10MPa，S03鉆孔的最大水平主應(yīng)力值為11.80MPa，S04鉆孔的最大水平主應(yīng)力值為7.94MPa。在本次實測深度范圍內(nèi)，4個鉆孔的最大水平主應(yīng)力方向平均值約為N 61.7°E，與山東省內(nèi)采用水壓致裂法獲取的地應(yīng)力數(shù)據(jù)基本吻合（表2）。

2.2 最大、最小水平主應(yīng)力與鉆孔深度的關(guān)系

從圖3可以看出，不管是從最大水平應(yīng)力來看，還是從最小水平應(yīng)力來看，應(yīng)力值表現(xiàn)出隨深度增加而增大的趨勢。同時在三種應(yīng)力曲線上可見，同一鉆孔同一深度基本上為最大水平主應(yīng)力大于最小水平主應(yīng)力，最小水平主應(yīng)力大于垂直應(yīng)力。3個主應(yīng)力從大到小的排列順序為最大水平主應(yīng)力（SH）＞最小水平主應(yīng)力（Sh）＞垂直應(yīng)力（Sv），說明安丘 ?莒縣斷裂莒縣盆地段的應(yīng)力場以水平向應(yīng)力作用為主，易于使斷裂發(fā)生走滑運(yùn)動。

2.3 側(cè)壓系數(shù)λ分析

側(cè)壓系數(shù)λ可以反應(yīng)斷裂帶附近巖石的應(yīng)力狀態(tài)，由SH/Sv計算得來，側(cè)壓系數(shù)一般λ在0.5～5.5之間，其中在較淺地層中，地應(yīng)力的水平向應(yīng)力分量絕大多數(shù)大于鉛垂向分量，即λ大于1，地應(yīng)力以水平的構(gòu)造應(yīng)力為主；隨著深度的增加，側(cè)壓系數(shù)不斷降低，垂直應(yīng)力逐漸大于水平應(yīng)力。

從圖4可以看出，由于安丘 ?莒縣斷裂4個測試孔布置在不同斷層內(nèi)，不同測試孔測壓系數(shù)變化較大，4個地應(yīng)力測試孔的側(cè)壓系數(shù)λ范圍值在1.38～4.78之間，側(cè)壓系數(shù)均大于1，表明測試區(qū)域范圍內(nèi)地應(yīng)力以水平的構(gòu)造應(yīng)力為主。

2.4 各鉆孔地應(yīng)力量值的比較

S01、S02鉆孔地應(yīng)力量值在測點深度相差不大的情況下，其地應(yīng)力量值差別不大，但S01孔地應(yīng)力量值總體比S02孔地應(yīng)力量值大，其原因可能是S02鉆孔布置在斷層的外側(cè)，其斷塊為水平受力斷塊。S03、S04孔地應(yīng)力量值比S01、S02孔的地應(yīng)力量值要大得多，其原因可能是：S03孔附近有其他斷層的切割、擠壓，斷層的錯動造成局部地應(yīng)力集中（圖5），地應(yīng)力值增大。

另外，本區(qū)內(nèi)鉆探揭露的地層均為中生界白堊系，S01鉆孔巖層為田家樓組、S02鉆孔巖層為田家樓組、S03鉆孔巖層為紅土崖組、S04鉆孔巖層為紅土崖組，其巖性基本相同，以粉砂巖及細(xì)砂巖為主，但由于受斷裂活動影響，各部位破碎程度不同，對內(nèi)應(yīng)力釋放和蓄積的程度也不相同，這也可能成為同孔中不同深度巖體中地應(yīng)力變化較大的原因之一。

2.5 地應(yīng)力等級評價

按照《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》（國標(biāo)GB50218—94），根據(jù)巖石強(qiáng)度與初始應(yīng)力之比（Rc/σmax）劃分地應(yīng)力的等級。本次共分為3個等級：Rc/σmax<4為極高應(yīng)力區(qū)；4

安丘 ?莒縣斷裂4個地應(yīng)力測試孔巖石，淺部均為紫紅色粉砂巖、深部為紫紅色砂巖。紫紅色砂巖的飽和抗壓強(qiáng)度15.4～24.8MPa，平均值為20.82MPa，本次對測試孔地應(yīng)力等級劃分時，取巖體飽和抗壓強(qiáng)度Rc=20.82MPa。

本次測試深度范圍內(nèi)，除S02孔淺部為一般地應(yīng)力區(qū)外，S01、S03、S04測試孔淺部為高地應(yīng)力區(qū)—極高地應(yīng)力區(qū)。31段水壓致裂地應(yīng)力測量中，處于一般應(yīng)力區(qū)的占6.5%；處于高應(yīng)力區(qū)占41.9%；處于極高應(yīng)力區(qū)的占51.6%（圖6）。

3 斷裂活動性分析

根據(jù)庫侖摩擦滑動準(zhǔn)則，最大有效主應(yīng)力與最小有效主應(yīng)力之比與摩擦系數(shù)的關(guān)系為：

（σ1- p 0）/（σ3- p 0）=（（1+μ2）1/2+μ）2 ?（1）

式中： σ1—斷層面周圍最大主應(yīng)力，σ3—斷層面周圍最小主應(yīng)力 ；p0—孔隙壓力； μ—巖石的內(nèi)摩擦系數(shù)。如果公式（1）左＜右，說明斷層面穩(wěn)定。反之，斷層面就有沿斷層面法線方向與最大主應(yīng)力夾角為的面產(chǎn)生錯動的可能［22］。根據(jù)相關(guān)學(xué)者研究除少數(shù)巖石外，地殼巖石的內(nèi)摩擦系數(shù)為0.6～1.0［22 ?23］。

取σ1=SH、σ3=Sh，同時μ分別將取值0.6和1.0代入公式（1），分別計算出公式（1）兩側(cè)的數(shù)值見圖7。從圖中可以看出本次4個鉆孔的地應(yīng)力測試值未達(dá)到斷層滑動臨界值，斷裂相對較穩(wěn)定。

張鵬等［22］研究表明郯廬斷裂山東段地應(yīng)力值尚未達(dá)到斷層活動的應(yīng)力值臨界區(qū)，表明該鉆孔附近斷裂帶處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。本次地應(yīng)力測試結(jié)果及其特征顯示應(yīng)力測試值未達(dá)到斷層滑動臨界值，斷裂相對較穩(wěn)定，這與前人在區(qū)內(nèi)的研究結(jié)論一致。

4 結(jié)論

通過對安丘 ?莒縣斷裂莒縣盆地段上4個鉆孔的水壓致裂地應(yīng)力試驗結(jié)果進(jìn)行分析研究，可以得到如下結(jié)論：

（1）本次實測深度范圍內(nèi)，4個鉆孔的最大水平主應(yīng)力值在2.29～11.80MPa之間，平均值為5.85MPa。通過13個不同壓裂深度段的印模定向得出最大水平主應(yīng)力方向在N 59°E—N 65.7°E，平均值約為N 61.7°E，與以往區(qū)域水壓致裂法地應(yīng)力測試結(jié)果吻合。

（2）在鉆孔試驗深度范圍內(nèi)，4個鉆孔的側(cè)壓系數(shù)大于1，這表明該段斷裂地應(yīng)力主導(dǎo)是構(gòu)造應(yīng)力。同時該段斷裂地應(yīng)力結(jié)構(gòu)為最大水平主應(yīng)力（SH）＞最小水平主應(yīng)力（Sh）＞垂直應(yīng)力（Sv），易于使斷裂發(fā)生走滑運(yùn)動。

（3）根據(jù)庫侖準(zhǔn)則，本次安丘 ?莒縣斷裂莒縣盆地段附近地應(yīng)力測試值未達(dá)到斷層滑動臨界值。但根據(jù)測試結(jié)果表明測試區(qū)域內(nèi)大部分為高地應(yīng)力區(qū)—極高地應(yīng)力區(qū)，應(yīng)對該地區(qū)安全評估做更進(jìn)一步的研究工作。

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Ground Stress Test and Study on Fault Activities in Juxian ???Basin in Anqiu ?Juxian Fault in Shandong Province

WANG Dantong1， LI Chuansheng1， YU Cuicui1， LIU Hongwei2

（1.Shandong Institute of Geological Surveying and Mapping， Shandong Ji'nan 250002， China；2. Tianjin Center of China Geological Surveying，Tianjin 300170， China）

Abstract： ??There are strong activities since late Quaternary in Juxian basin in Anqiu ?Juxian fault ?By using hydraulic fracture method， ground stress test of this fault has been carried out. According to the analysis of ground sress test results， it is regarded that ground sress in the area is dominated by tectonic stress， and the ground stress structure is maximum horizontal principal stress（SH）> least horizontal principal stress （Sh ）> Vertical stress （Sv）. It is easy to cause the strike ?slip movement of the fault， and most of the test area is high ground stress area——extremely high ground stress area. At the same time， the Coulomb friction sliding criterion is used to analyze the stability of the fault. It is considered that the ground stress test value of Juxian basin in Anqiu ?Juxian fault does not reach the critical value of fault sliding.

Key words： ??Anqiu ?Juxian fault；hydraulic fracture method；crustal stress；fault activities; Juxian basin