新集F10断层组断层泥分维及其水文地质特征

刘 瑜， 刘启蒙， 姜 涛

(1.安徽理工大学 地球与环境学院，安徽 淮南 232001;2.淮北矿业股份有限公司 杨庄煤矿，安徽 淮北 235000)

0 引 言

断层泥可以提供断裂新活动非常重要的信息，它蕴含着断裂活动方式、时代和环境等信息。国内外学者对断层泥的研究中发现，断层泥有自相似的特征，把分形理论应用在断层泥分维和断裂活动的关系的研究中，为断裂的定量研究提供一种新途径[1－3]。F10断层组是新集一矿及新集二矿井田内切割煤层最多、落差最大、延伸最长的煤系内断层，东西走向长约13 km，断层走向N70°W，倾向SW，倾角为70°～40°，落差20～400 m，该断层上与推覆体相接，向下切割深达太灰、奥灰。

1 断层泥分形原理

自相似性在自然界中物质的形态、功能、信息以及时空结构等的局部与整体性上都会有所显现，利用基于Hausdorff-Besicovitch 空间的连续变化的分形维数表示空间维数，转变测度的观念，为研究复杂现象提供了一种新的科学方法[4－5]。

统计分形是指细粒沉积物颗粒分布在统计上通常具有一定的自相似性。不同类型和不同性质的颗粒指标的一些特征用分维法描述，可以显示空间维数上的不同分形维数D:

式中:r——物质颗粒的平均粒径。

M(r)为粒径小于r 的颗粒质量，M 为样品总质量，M(r)/M 与r 的关系满足下式，即

如果物质颗粒密度分布均匀，有颗粒粒径的立方与颗粒质量成正比，即

联立式(1)～(3)，可得

式(4)的意义为:若物质的粒度组成有分形特征，可得到确定的D 值(在双对数坐标下)。式(4)中的3－D 为线性比例系数，当根据式(4)对具体样品颗粒成分进行相关分析时，若线性相关系数较高，表示样品颗粒分形特征较为明显。

近年来，一些学者研究发现:不同岩石介质、不同力学环境下形成的断层泥分维的结果不同。分维作为研究断层泥的一个特征参数，与断层泥粒度结构、物质成分，断层带的力学性质;断层运动特征等密切相关。根据新集一矿F10断裂及其伴生的新集一矿F11断层及新集二矿F10 断层破碎带物质的测试，探讨断层泥分维与某些水文地质性质参数的关系。

2 F10断裂带及其伴生断层特征

2.1 断层带粒度成分

实验对5 组断层泥进行测试，对粒径d 大于0.075 mm 与粒径小于或等于0.000 5 mm 的颗粒分别采用筛分法与移液管法。测试结果显示:5 组断层泥样品中粒径跨度较大，粒度范围为黏粒至砾石;砂粒以下较细颗粒为主，所占比例为29.6% ～43.8%;样品中黏粒含量较高，具体情况如表1所示。

表1 断层泥颗粒累计质量分数Table 1 Fault clay particles accumulated mass fraction%

2.2 断层破碎带断层泥分形特征

以F10和F11 两个断层破碎带断层泥颗粒粒径为对象，根据公式(4)在双对数坐标系建立关于M(r)/M 与r 线性拟合关系，如图1 所示。

根据式(4)，拟合出5 条曲线的方程，分别为:①y=1.901+0.181x;②y=1.892+0.175x;③y=1.613+0.305x;④y=1.862+0.171x;⑤y=1.885+0.108x。

求出5 个样品的分维D 分别为2.912、2.863、2.709、2.827 和2.872。

图1 中Pc=M(r)/M。根据拟合结果，样品的分形线性相关系数较高，分别为 0.982、0.984、0.971、0.990 和0.983，说明 F10 断层组的断层带碎屑在颗粒分布上有很高的分形特性。

3 断层泥分形的水文地质特征

3.1 F10断层运动方式

一般认为当分形维数值大于2.8，断层属于蠕滑性断层，通过较细颗粒的断层泥蠕变，断层运动持续并且稳定，不容易发生地震;当分形维数值小于2.7，则断层属于黏滑性断层，断层运动常表现为快速断续运动，较容易发生地震。本次测试结果计算的F10断层破碎带4 个样品中，分形维数值D 均大于2.8;取自F11 断层破碎带的样品，分形维数值D 小于2.8 但大于2.7，揭示了F10 断层以两盘持续、稳定的蠕滑运动为主。可以得出:新集F10断层运动形式属于蠕滑，不会发生剧烈错动或着地震。F11断层运动形式基本也属于蠕滑。对巷道工程设计意味着不必考虑由于断裂引起的稳定性和矿震问题。

图1 断层泥粒度分形参数分布曲线Fig.1 Fault clay grain size distribution curves fractal parameter

3.2 分形与断层的富水性

3.2.1 分维与细颗粒质量分数

由图1 可见，粒径分布右端点与黏粒质量分数wc=100%对应，左端的wc值控制斜率;当细颗粒(黏粒)质量分数较多时，直线较为平缓，3－D 较小，得到D 较大。对表1 的物质细颗粒(黏粒)质量分数和分维进行线性拟合，得到细颗粒(黏粒)质量分数与分维D 的关系，见表2 和图2。除2 号样品外，其他4 个样品其相关系数达到了R=0.932。说明黏粒土质量分数与分维成正比例关系，分维值是表示断层碎屑黏粒质量分数的一个代表性参数。

表2 断层泥分形维值与细颗粒物质的关系Table 2 Fault gouge fractal dimension values and fine particulate matter qualitative relations

图2 断层泥分形维值与细颗粒物质的散点Fig.2 Dimension values of fault gouge branch and scatter fine particulate matter in nature

3.2.2 分维与渗透性关系

多孔介质的渗透率随分维D 增加而减小，当D值趋近于3 时，渗透率趋近于0。由于F10 断层泥分维值D 很大，多孔介质的渗透率较小，渗透性较弱。黏粒含量的多少在控制其导水性方面可起到关键性作用，由于颗粒表面的静电可以吸附极性水分子形成的结合水层，不易传递静水压力，流动性很差，使得黏性土有较好的隔水性。断层泥中较高黏性土含量是F10断层带渗透性很低的关键因素。也可以这样认为:由于颗粒分维值普遍很高，所以F10断层带渗透性很差。

断层泥中小于粉粒粒径的质量分数为25.4%～39.6%，因此，断层泥中的主要物质为较细的物质，对于断层破碎带的含水、透水性都是不利的因素。

4 结 论

对新集F10断层及其伴生断层的断层泥粒度分布进行了分形研究，得出以下结论:

(1)样品分形维数D 较大，仅一个小于2.8，揭示了F10断层组以两盘间的蠕滑运动为主，发生地震的可能性小;

(2)分维与渗透系数成负相关，其相关关系较为明显，分维的增大会使得参透系数随着迅速减小;

(3)分维与样品黏土含量成正相关。断层泥中的主要物质为较细的物质，断裂带渗透性较差，富水性不强。

[1]葛晓光，王 耀，李鹏军，等.矿区大型断层碎屑分维及其水文地质工程地质意义[J].合肥工业大学学报，2010，33(10):1558－1562.

[2]胡 玲，胡道功，何登发，等.准噶尔盆地南缘霍尔果斯和吐谷鲁断裂带断层泥分形特征与断裂活动关系[J].地学前缘，2004，11(4):20－24.

[3]邵顺妹，邹谨敞.断层泥研究进展[M].北京:地震出版社，1999.

[4]易顺民，唐辉民.活动断裂的分形结构特征[J].地球科学，1995，20(1):58－62.

[5]林传勇.断层泥在基岩区断层新活动研究中的意义[J].中国地震，1995，11(1):26－32.