青海共和盆地地應力狀態與斷層穩定性分析1

王 洪 王成虎 高桂云 陳 念 周 昊 安易飛

1）應急管理部國家自然災害防治研究院，地殼動力學重點實驗室，北京 100085

2）中國地質大學（北京），北京 100083

引言

共和盆地位于西秦嶺-東昆侖銜接區，為新生代壓陷型斷陷盆地，是由華北板塊、揚子板塊、柴達木地塊、秦嶺微地塊、青藏板塊復雜作用形成的，其經歷了從柴達木地塊上的拗拉槽（陸相到陸表海相）到復理石前陸盆地再到陸內碰撞造山作用的演化過程（丁仨平，2008；任海東等，2017）。盆地主要受北側青海南山南緣斷裂和南側哇玉香卡-拉干斷裂帶控制?，F今共和盆地及周邊地區斷裂帶仍處于活動狀態，自1990年哇玉香卡-拉干斷裂帶發生共和西南7 級地震以來，青海共和地區地震活動頻率和強度加劇，對該地區城鎮居民生產生活及經濟發展產生嚴重影響。

地應力是影響和控制地震產生的主要因素之一，當區域內應力不斷積累，達到或超過斷層滑動臨界應力值時，已有斷裂所處地應力環境力學狀態由“平衡狀態”轉變為“臨界狀態”，斷裂突然失穩，沿斷層面產生錯動，從而發生地震（陳群策等，2010）。因此，從應力角度分析青海共和盆地及周邊地區斷層滑動機理和滑動趨勢具有重要意義。在理論研究方面，庫侖最早提出利用摩擦系數判斷巖石破壞情況的“摩擦準則”，巖石破壞形式主要以剪切破壞為主，巖石強度主要由巖石抗滑動摩擦的黏聚力和破裂面上產生的摩擦力組成。Byerlee（1978）通過總結大量各種類型巖石室內摩擦試驗得到巖石摩擦系數集中在0.6～1.0。部分國外學者（Paterson 等，1978；Jamison 等，1980；Townend 等，2000；Zoback 等，2002）利用工程區原地應力實測數據證明，通過大量室內試驗得到的摩擦系數適用于斷層滑動性分析。上述理論研究限定了斷裂滑動臨界值，在分析斷層穩定性時，可將Byerlee 準則摩擦系數下限值0.6 作為判斷斷層面滑動的臨界摩擦系數（安其美等，2004）。在實際工程應用中，Lee 等（2009）利用韓國東南部15 個測點地應力數據并結合斷層產狀，計算得到斷層面剪應力和有效法向應力，進而得到韓國東南部23 條第四紀斷層滑動摩擦系數，從而判斷韓國東南部活動斷層的滑動可能性。黃祿淵等（2013）通過文獻調研得到華北地區1 017 條實測地應力數據，確定了華北地區活動斷層應力環境，并通過計算斷層滑動面臨界主應力差，得到華北地區活動斷層滑動趨勢。王成虎等（2012）和劉卓巖等（2017）利用龍門山斷裂帶附近的4 個深孔水壓致裂原地應力數據，確定了研究區域應力狀態，基于實測數據計算得到4 個應力量值特征，得到斷裂帶附近應力積累水平較低、斷層活動性和地震活動性較弱的結論。陳群策等（2010）通過收集整理山西盆地水壓致裂地應力數據，根據庫侖“摩擦準則”，引入斷層面滑動臨界狀態最大、最小有效應力比與摩擦系數關系函數，分析可知山西盆地附近區域應力值并未達到斷層滑動臨界應力值。

以上工程應用表明，基于實測原地應力數據對區域斷層滑動趨勢的判斷具有重要作用，而青海盆地及附近區域通過原地應力實測數據，結合地應力特征參數分析斷層穩定性的研究較少。此外，青海共和盆地附近既有干熱巖地熱（張盛生等，2019）、太陽能、礦產、水力、鹽湖資源豐富，存在龍羊峽水庫誘發地震環境背景，且地質構造環境復雜。因此，研究青海共和盆地附近應力狀態與區域內斷層穩定性至關重要。本文廣泛收集了青海共和盆地附近原地應力實測數據資料，得到區域內現今應力狀態分布規律，并結合Byerlee 準則、莫爾-庫侖強度理論對區域內斷層穩定性進行初步分析，為后期在該地區開展自然資源開采工作提供參考。

1 研究理論

本文基于Anderson（1905）斷層力學理論、莫爾-庫侖強度理論和Byerlee 準則，引入最大側壓力系數Kmax、最小側壓力系數Kmin、應力積累指標μm等參數，用于分析區域應力場積累水平和地應力量值特征，并判定斷層穩定性。側壓力系數與地應力測量深度呈線性關系，可擬合得到不同測點在相同深度的側壓力系數。根據莫爾-庫侖破裂準則，破裂面剪應力主要由研究單元抗滑動摩擦的黏聚力和破裂面上產生的摩擦力組成，計算如下：

分析斷層穩定性的過程中，應充分考慮巖石內孔隙水壓力對斷裂帶滑動的影響，因此，引入臨界滑動面有效正應力，有效正應力和剪應力計算如下：

2 青海共和盆地現今地應力狀態和斷層滑動趨勢分析

2.1 原地應力實測數據收集與整理

本研究采用的主要地應力數據來源于應急管理部國家自然災害防治研究院編制的《中國大陸地殼應力環境基礎數據庫》（謝富仁等，2007）及文獻收集得到的實測地應力數據、震源機制解數據，研究青海共和盆地區域構造應力場特征，并分析目前應力狀態下斷層穩定性。

區域內19 個實測地應力鉆孔主要分布在青海共和盆地東北部及南部龍羊峽鎮、拉西瓦水電站、西寧至格爾木隧道段、海南州興?？h與同德縣交界處、門源縣，共65 條水壓致裂數據和44 條應力解除法測量的地應力數據，測量深度一般為50～300 m，最深近500 m，研究區域地應力測試鉆孔位置如圖1 所示，水壓致裂測量的地應力數據如表1 所示。

表1 研究區域實測地應力數據Table 1 Measured in-situ stress data in the study area

續表1

圖1 青海共和盆地地質構造與地應力測量位置示意圖Fig. 1 Schematic diagram of geological structure and geostress measurement location in Gonghe Basin, Qinghai

2.2 主應力隨深度變化

青海共和盆地主應力隨深度變化規律如圖2 所示，圖中SH、Sh、Sv分別表示最大、最小水平主應力和垂直應力，黑、紅、藍色斜線分別表示最大、最小水平主應力和垂直應力線性擬合回歸線，回歸方程如下：

式中，r為線性相關系數；z為深度。

根據Byer-lee-Anderson 斷層力學理論及圖2 可知，當深度＜350 m 時，SH＞Sh＞Sv，屬于逆沖型應力狀態，有利于逆沖斷層活動；當深度＞350 m 時，SH＞Sv＞Sh，屬于走滑型應力狀態，有利于走滑斷層活動。

圖2 主應力隨深度變化規律Fig. 2 The principal stress varing with depth

2.3 地應力量值特征

為更直觀地反映地應力實測值隨測試深度的變化特征，將KH，max（Bieniawski，1984）、Kh，min（Rummel，1986；Herget，1987；Savage 等，1992）、Kav（van Heerden，1976；Brown 等，1978）統稱為側壓力系數，表達式如下：

圖3 側壓力系數隨深度變化規律Fig. 3 The lateral pressure coefficient varing with depth

2.4 方位特征

水壓致裂法實測數據顯示青海共和盆地SH優勢方向為NE、NWW 向，應力解除法實測數據顯示SH優勢方向為NEE、NNW 向，如圖4 所示。查閱文獻可知，青海共和盆地斷裂十分發育，主要分布NE、NWW、NNW 向3 組斷裂，區域內地應力優勢方位與斷裂方向近似平行，3 組不同方位斷裂滑動可能性較大。部分學者對青海地區斷層穩定性和地震活動性進行了研究，如許忠淮等（1987）根據小地震P 波初動方向數據，推斷了青海地區主壓應力軸為NE-SW 向；董治平等（1992）利用青海東部地區活斷層資料，計算得到主壓應力方向為NE 向，NWW 向左旋逆沖斷層、NNW 向右旋高角度逆斷層性質最為發育，NEE 向左旋逆斷層分布較少，復雜的地質構造背景及力學性質反映了區域內整體受NE 向強大的擠壓力作用；都昌庭（2001）基于青海共和盆地周邊地區地應力實測數據，計算得到區域內主壓應力方向為NE 向；徐紀人等（2006）通過解析青藏高原及周邊地區震源機制結果，發現共和盆地甚至整個青藏高原均受到來自印度板塊NNE 或NE 向水平擠壓應力作用，因此青海共和盆地主壓應力方向表現為近NE-SW 向。綜上所述，青海共和盆地最大水平主應力方向為N45°～E60°，即近NE 向。

圖4 最大水平主應力方位Fig. 4 The orientation of the maximum horizontal principal stress

2.5 斷層滑動趨勢

斷層滑動趨勢通常由斷層面正應力與剪應力比值決定，即由斷層走向和應力場相對方位決定（劉卓巖等，2017），據此可基于已有深部與淺部應力數據對斷層活動性進行分析。測試深度為200 m 左右時KH，max、Kh，min逐漸趨于穩定，因此，計算每個地應力測點300 m 深度處μ值（見表2），并在應力莫爾圓中進行分析，利用垂直應力對剪應力與正應力進行無量綱處理，結果如圖5 所示。

表2 300 m 深度處測點K、μ 值Table 2 K value and friction coefficient at a depth of 300 m

圖5 滑移趨勢分析結果Fig. 5 Slip trend analysis results

考慮研究區域內未發現自流井或高壓含水層古巖床，因此可假定孔隙水壓力為靜水壓力。研究區域內μ值多為0.20～0.50，有效應力莫爾圓代表的μ=0.41，小于Byerlee 準則給出的下限值，說明研究區域內斷裂帶基本處于穩定狀態，但部分地區斷層面μ值較高，為0.6～1.0，接近斷層滑動臨界情況，說明局部區域斷層滑動的可能性較高，即存在較大地震風險。

3 討論

3.1 應力積累程度

為全面客觀地判斷青海共和盆地斷層可能的滑動趨勢，利用μm對研究區域斷層應力積累水平進行評價?；诓煌瑢崪y位置地應力數據，根據式（5）計算得到各測試段μm值，如表1 所示，μm與μ關系如下（王成虎等，2014）：

依據Byerlee 準則取μ=0.6 作為判斷斷層失穩的臨界值，由式（10）可知，可取μm=0.5 作為評價應力積累水平較高的臨界值，進而得到μm隨深度分布規律，如圖6 所示。

圖6 μm 隨深度分布規律Fig. 6 μm distribution diagram with depth

由圖6 可知，μm多為0.3～0.5，僅少數淺部（尤其是100 m 深度處）μm值超過臨界滑動值，根據地質構造資料，區域內地表（深度≤100 m）易受剝蝕、風化等因素影響，導致淺部應力積累量值偏高。將深、淺部數據進行算數平均，得到μm平均值為0.43；將深度＞200 m 的數據進行算數平均，得到μm平均值為0.39，說明研究區域內除少數淺部應力積累水平較高外，其余均較低，即斷層整體處于相對穩定狀態，局部區域應力水平較高，仍具有滑動的可能性。

3.2 區域內地震統計

青海共和盆地及附近地區整體應力積累水平較高，局部區域應力水平較高，發震風險較大。為直觀了解斷層活動強度，根據《中國近代強震目錄（公元1912 年-1990 年）》和中國地震局臺網中心匯編的《中國地震詳目》，研究區域內5 564 條ML2.0 級以上地震活動記錄如圖7 所示。由圖7 可知，研究區域地震活動強度較大，頻度較高，且分布極不均勻，主要以中小地震分布為主，強震主要分布在盆地西南部和中部，東南及北部地區地震活動較弱；中小地震分布具有集群性及繼承性，形成4 個顯著的地震活動團簇，均沿NWW 向展布，如圖7 中藍色線條所示，與斷層走向一致。

圖7 研究區域地震活動分布圖（ML≥2.0）Fig. 7 Distribution map of seismic activity in the study area (ML≥2.0)

根據青海共和盆地主震級3.0 級以上中強地震震源機制解基本參數，繪制發震“沙灘球”，如圖8 所示。由圖8 可知，共和盆地主壓應力軸（P 軸）平均方位角為15°，近似垂直，為NNE 向；主張應力軸（T 軸）平均方位角為310°，近似水平，為NWW 向。根據Vavry?uk（2014）給出的震源機制應力和斷層方向迭代聯合反演程序對震源機制解參數進行計算，并繪制震源機制綜合解，如圖9 所示，通過地震參數反演研究區域應力場，得到最大主應力 σ1方向為NE 向，最小主應力 σ3方向為NW 向。通過震源機制解參數反演得到的應力場方向與鉆孔數據展示的主應力方向具有較好的一致性，并與都昌庭（2001）分析得到的共和盆地東部地區地應力方向接近NE 向結論一致，表明研究區域主要受NE 向應力場控制。

圖8 研究區域附近歷史地震震源機制解分布圖Fig. 8 Distribution of focal mechanism solutions of historical earthquakes near the study area

圖9 共和盆地及周邊地區強余震震源機制綜合解Fig. 9 Comprehensive solution of the focal mechanism of strong aftershocks in the Gonghe Basin and surrounding areas

4 結論

（1）在青海共和盆地內地層淺部，最大、最小水平主應力隨地層深度的增加而增大。研究區域內深度350 m 左右應力狀態發生改變，即由逆沖型轉變為走滑型。

（2）根據研究區域地應力數據，統計分析淺部區域應力場方向特征，區域內最大水平主應力優勢方位為N45°～E60°，即近NE 向。在收集共和盆地及周邊地區震源機制解參數的基礎上進行統計分析，得到研究區域內最大主壓應力軸（P 軸）、最小主應力軸（T 軸）方向分別為NNE、NWW 向，震源機制解以逆沖型為主，地應力場初步結果反演表明研究區域應力場以逆沖型為主，局部地區兼走滑特征，最大水平主應力為NE 向。

（3）在收集多源地應力數據的基礎上，Byerlee-Anderson 方法分析結果表明，研究區域內斷層μ多小于0.6，可知斷層多處于穩定狀態，易滑性較低。 μm多為0.35～0.45，可知研究區域深、淺部應力積累值相對較低，整體滑動性不高。