广西灵山断裂带构造应力场地质分析及活动性预测

唐 永 ,刘怀庆,黎清华,沈传波,陈友智,何 军

(1.长江大学 非常规油气湖北省协同创新中心,湖北 武汉 430100;2.浙江大学 地球科学系,浙江 杭州310027;3.中国地质调查局 武汉地质调查中心,湖北 武汉 430205;4.中国地质大学 构造与油气资源教育部重点实验室,湖北 武汉 430074)

构造应力是断裂形成以及断裂多次活动的主要因素,也是探讨和认识构造运动根本原因的主要研究内容。弄清构造应力作用方式和演化形式,对断裂活动性研究有重要的指导意义。利用野外可靠的地质形迹,例如褶皱、共轭节理、断层擦痕,来判断主应力方向,分析构造应力场是目前较为合理、实用的方法之一(万天丰,1998)。这些地质痕迹分析所得到的应力场数据相互验证、相互补充,能够较好的反映区域应力场的特征。分析区域构造应力场特征及其变化形式,对深入认识目标区构造运动及其作用形式具有十分重要的意义。广西灵山县为区域性 NE向与 NW 向断裂交汇部位,其断裂活动具多期性和长期性特点,活动强度大,影响范围广,也是区内有记录以来,最大级别地震发生地(何军等,2012)。黄河生等(1990)通过分析土壤中汞气的含量变化指出罗阳山西北麓灵山断裂是灵山县内最活动的断裂;魏春光等(2008)分析了北部湾及其邻区的构造应力场;尹克坚(1995)利用水系对广西地区新构造应力场开展研究;蒋维强等(1992)利用多个震源机制解对华南沿海地区的最新构造应力场分析。这些研究的落脚点均放在分析新构造应力场方向上,这对断裂活动性的调查和预测来说还远远不够。因此细致研究广西灵山地区构造应力场演化,对理解研究区断裂形成、发展及其相互作用具有十分重要的科学价值,为灵山地区乃至整个北部湾经济区活动断裂评价与预测研究提供科学依据。本次研究将详细记录地表所呈现的各种构造形迹,重点分析这些构造变形的性质、几何形态以及它们之间的分期配套关系,理清不同构造应力场的先后次序,明确最新构造应力场特征,并在此基础上利用Abaqus重建最新构造应力分布,积极探讨广西灵山地区潜在活动区域。

1 地质概况

广西钦防地区灵山县位于华南板块的西南缘,经历了多期构造叠加演化(图1)。早二叠世之前,钦防地区为大陆边缘海稳定沉积环境,沉积了一套碎屑岩和碳酸盐岩。早二叠世末期,东吴运动产生强烈的构造挤压力,使钦防地区强烈褶皱回返,沿灵山断裂带发生了北西向的逆冲推覆,同时也促使了晚二叠世前陆盆地的形成(尤绮妹等,1998)。短暂挤压造山之后,钦防地区构造体制转变为伸展和差异抬升作用,局部形成了沉积相分异和基性火山岩的喷发(吴继远,1980)。中三叠世末期受古太平洋板块俯冲影响,云开地体向北西推进,钦防逆冲体再度活动,山前冲断带向北西扩展,形成了大量的叠瓦状逆冲推覆构造,并导致大量的中酸性火山岩喷发与侵入,同时也促使了中生代前陆盆地的形成(张岳桥,1999)。晚三叠世至白垩纪,由于钦防造山带的碰撞复合,西北部十万山地区发生挠曲沉降,接受前陆盆地的沉积。白垩纪末,由于东部云开地体的推挤,形成SE-NW向挤压构造应力的作用,早期形成的推覆构造又一次重新活动、加剧,灵山及周缘地区进一步抬升,结束接受沉积的历史,整个构造格局也基本稳定(郭福祥,1998)。

图1 研究区大地构造位置示意图(据马力,2004)Fig.1 Map showing the location of the Lingshan area

研究区总体构造呈NE-SW向展布,个别地段有一定的差异,如在西北角板露以西则呈近 EW 向展布,同时有近NW向的小断裂切割近NE向构造,这一现象在坛圩、寨圩和城隍一带表现的较为明显。研究区发育两条主要断裂:①灵山断裂:断距最大可达 2500 m,断裂走向 NE,断面倾向 SE,倾角为50°～80°,断裂平面上呈舒缓波状,具有多期深大断裂带性质,控制着志留系、上古生界、下三叠统以及侏罗系的发育,断裂带变质作用强烈;②寨圩断裂:沿浦北岩体的边缘呈“S”形延展,断裂倾向 SE,倾角为 60°～80°,沿断裂带,岩层挤压倒转,发育劈理。根据研究区构造特征及岩体的分布将其划分为:西北南乡盆地、东南浦北岩体以及灵山断褶带。南乡盆地主要沉积一套砂岩,整体构造简单,为一近东西走向的背斜构造,背斜开阔平缓,南翼倾角为20°左右,北翼相对陡些,倾角可达40°。南乡盆地东部,褶皱断裂构造相对复杂,褶皱轴向以NE向为主,其间发育规模较小的 NW 向断裂;灵山断褶带与南乡盆地以旧州岩体西北边缘为界,灵山断褶带以灵山和寨圩断层为主干,发育次级NW和NE向断裂,下奥陶统地层组成地垒核部,强烈褶皱,岩层普遍挤压破碎;寨圩大断裂东南区主要发育浦北花岗岩,岩体呈 NE向侵入志留系、泥盆系、石炭系、二叠系,形态极不规则(图2)。

2 灵山地区构造形变及应力方向分析

构造应力研究是以地质分析为基础,不同的构造形迹承载特定的构造活动信息,因此仅仅利用单一类型构造形迹恢复不同期次的构造应力有很大的局限性。充分利用丰富的地质现象来分析目标区构造应力是目前最为直接、最为可靠的方法。本次构造应力地质分析充分利用地表的各种形迹,例如褶皱、节理、擦痕等,综合分析,联动考虑,并进行细致的对比总结,系统构建灵山地区的古构造应力场,展现其时空演化,为最新构造反演奠定坚实理论基础。

2.1 利用褶皱恢复构造应力

依据褶皱轴面、枢纽的产状,利用三端元分类将其分为 7类(Ramsay,1991)。在构造应力恢复时,只要简单的将其划分为两种类型:轴面近直立和轴面倾斜褶皱。在挤压构造地区轴面倾角近直立的纵弯褶皱所受到的剪切作用相对较小,可以用于区域构造应力分析,本次研究在这一思想的指导下,选择规模较大,轴面所受剪切较小的褶皱来进行应力方向恢复。

图2 灵山地区构造格架图Fig.2 Tectonic framework of the Lingshan area

2.1.1 褶皱特征

灵山地区的主体构造呈 NE向展布,由于受多期构造活动影响,研究区内大部分地区所发育的褶皱变形较为强烈。同时我们了解到地层变形程度越强烈,褶皱的形态就越复杂,所受到的剪切程度也愈高,反映某个时期的古构造应力误差也就越大。为了更为客观的分析构造应力,本次研究尽可能的选择靠近盆地方向所发育的纵弯褶皱来进行应力分析,如南乡盆地附近区域等等,这些褶皱受到后期剪切作用影响相对较小(图3)。由此在研究区选择4个局部区域的小型褶皱作为地质应力分析的解剖对象,从数据分析来看,这些褶皱两翼优势方位倾角均小于 38°,褶皱的轴面均大于 78°,说明两翼较为平缓,呈现对称褶皱态势,能够较好的记录各自形成时期的构造应力场特征。

2.1.2 褶皱对应力方向的指示

综合分析野外采集的褶皱数据,获得褶皱翼部优势方位,对各个褶皱进行了应力计算(黄继钧,1992)。计算结果表明:①No.21位置小型褶皱形成的主应力:σ1方位为 180°∠2°,σ2方位为 89°∠14°,σ3方位为 276°∠76°;②No.28-29-46-47 位置小型褶皱形成的主应力:σ1方位为 156°∠8°,σ2方位为 66°∠3°,σ3方位为 318°∠82°;③No.30-31-32位置小型褶皱形成的主应力:σ1方位为211°∠1°,σ2方位为 300°∠7°,σ3方位为 292°∠83°;④No.51-52-53-54位置小型褶皱形成的主应力σ1方位为 112°∠6°,σ2方位为 24°∠25°,σ3方位为 10°∠64°。结果数据表明,研究区主要受到四个方向挤压应力的作用,分别为近SN向、NW向、NE向和EW向,这四个方向的挤压应力分别来自不同时期、不同阶段的构造挤压应力的作用。多期不同方向,不同规模构造应力场的作用,致使构造体系中的北东、北西和近东西向断裂和褶皱混合在一起相互穿插、相互交汇、相互干扰,形成错综复杂的构造形迹特征(图4、表1)。

图3 灵山地区褶皱Fig.3 Photos showing the folds in the Lingshan area

表1 灵山地区及周缘利用褶皱构造应力分析Table1 Structural stresses to the folds in the Lingshan district and its vicinity

图4 褶皱两翼优势方位和轴面产状分析Fig.4 Map showing the dominant azimuth of both limbs and attitudes of axial planes

2.2 利用节理恢复构造应力

节理是岩层中大量发育的一种脆性构造,是应力场变化的敏感标志,能够揭示岩层经历多期构造演化和相应构造应力场的分布特征(乐光禹,1985;任收麦等,2009;Raquel et al.,2010)。利用节理与剪切破裂的发育来分析区域上的应力场,关键是要在大量的野外露头区对节理和剪切破裂的方位、几何样式、切割或邻接关系等特征进行详细分析。

2.2.1 节理特征

对研究区及周缘野外实地测量与观测,共获得了364组节理的产状数据。这些节理的观测点广泛分布于不同岩层中,由于多期构造作用的影响,节理方位变化较为复杂,特别是断裂带附近。其中花岗岩体(主要由大容山/浦北岩体和旧州岩体构成)节理较为发育,以剪切裂缝为主,单条节理的发育规模较大,延伸长度和切层深度均较大。根据侵入的地层分析灵山地区主要发育印支期花岗岩体(吴继远,1980),说明岩体中发育的节理能够较好的记录印支期以后的构造应力信息。通过地层拉平处理、统计分析发现,整个研究区发育的节理,主要有以下五组呈优势发育(图5、6):

① NNE 向节理(20°±10°):根据统计的玫瑰花图来看,该方向节理主要发育于花岗岩体中,其他地层也可见,但规模相对较小,一般节理未被充填,切层深度和延伸长度均相对较大,岩体中显示几何形态较为平直,发育较为稳定。

② NE向节理(30°～70°):该方向的节理统计点基本都有发育,不同岩性地层均可见,产状稳定,节理面相对平直。砂泥岩发育的层段,节理在砂岩中发育的较为明显,泥岩中趋于消失,这一现象在灵山、三隆地区可见。灰岩中该组节理较为稳定,切层深度和延伸规模较大,特别是在石陂、寨圩、佛子一带较为明显。

③ 近 EW 向节理(90°±20°):研究区不同岩性地层均有发育,分布范围也较广,城隍、乐民、檀圩、三隆、南乡,涵盖研究区全境,节理面上偶可见擦痕,该组节理具有左旋走滑的特点,以上特征反映其是区域性应力场作用结果,同时可能受到后期构造作用的改造。

图5 灵山地区共轭节理Fig.5 Photos showing the conjugate joints of the Lingshan area

图6 灵山地区及周缘节理走向分析Fig.6 Analysis of the strikes of fractures in the Lingshan district and its vicinity

④ NW 向节理(135°±10°):发育范围较广,所有观测地层均发育,呈现剪切节理的特征,同时节理面可见擦痕,具有走滑的特征。

⑤ NNW 向节理(340°±10°):所观测的地层点该组节理均可见(南乡、乐民、佛子、灵山、沙田、三隆等),说明该组节理发育时间相对较晚,由于其发育规模较近 EW 向节理小,有些区域可见该组裂缝被其限制,同时可见该组节理切割其他方向节理的现象,该组裂缝没有被矿物充填。

2.2.2 节理分期与配套

由于应力场发生多次的更迭转换,节理记录了不同时期的构造活动,为了进一步厘清研究区的构造变形史和古构造应力场,常常需要对节理进行分期与配套(徐开礼和朱志澄,1989)。实践证明,在统一构造应力场作用下,沿着最大剪应力方向产生一组共轭剪裂面,这是共轭剪节理最为原始的特征(万天丰,1983;Becker and Gross,1996;任收麦等,2009)。本次研究通过野外细致的观测和对其力学性质的甑别,并根据剪节理特有的菱形接环、折尾,以及相互交切,节理与节理之间有规律的间隔,节理面上所发育的擦痕等,判断研究区主要发育三组规模相对较大共轭节理:①NNE向与近EW向节理共轭;②NNW向与近EW向节理共轭;③NW向与NE向剪节理共轭。观测发现,无论是岩体、砂岩还是碳酸盐岩中发育的裂缝较少有裂缝被充填,发育在碳酸盐岩地层中的这三组共轭节理均被方解石充填,并且 NNE向较为明显的切过NNW 向节理,由此可以判断第二组共轭节理早于第一组共轭节理发育。在NE向构造和NW向构造带交汇部位以及断层弯曲部位,由于应力场扰动的硬性,节理走向较为复杂,如乐民、南乡坪位置节理统计发现各个方向的节理均发育,不同期次的构造叠加,对节理发育和改造有较大的影响。

2.2.3 节理对应力方向的指示

构造应力作用致使脆性岩层剪切破裂,形成共轭节理,由此共轭节理与构造主应力方位存在一定的几何关系:一对共轭剪节理的交线平行于中间主应力方向;灵山地区多见石英砂岩,脆性程度较高。一般在地表脆性岩层中,共轭剪节理的锐角等分线平行于最大主应力方向;共轭节理的钝角等分线平行于最小主应力方向。经过细致的观察分析节理形态特征、力学性质、相互之间的切割关系、发育程度及充填物特征,对共轭节理进行拉平转化,求取研究区的共轭节理、共轭雁列节理剪切带的优势产状,并对各自的应力状态进行分析。

从应力恢复结果来看,研究区主要受到四个方向的构造应力作用(表2,图7):①NW 向的挤压应力,最大主应力σ1优势方向为 321°～325°,倾角6°～22°,优势方位为 324°∠13°;②NE 向的挤压应力,最大主应力σ1优势方向为 54°～59°,倾角7°～24°,优势方位为 56°∠16°;③近EW向的挤压应力,最大主应力σ1优势方向为 84°～108°,倾角7°～24°,优势方位为 88°∠13°;④近 SN 向的挤压应力,最大主应力σ1优势方向为 343°～358°或 2°～6°,倾角 6°～26°,优势方位为 356°∠20°。这些数据进一步说明研究区受到多期不同方向构造作用力影响,从而形成了现今的构造格局。

表2 灵山地区及周缘利用共轭节理构造应力分析Table2 Analysis of the structural stresses of the conjugate shear fractures in the Lingshan district and its vicinity

图7 构造应力统计分析Fig.7 Statistical analysis of the structural stresses

2.3 断裂面擦痕对构造应力场指示

Angelier (1979)、谢富仁等(2009)提出根据断层面法线和擦痕确定的平面确定主应力方位。本研究区及周缘断层较发育,断面多表现压性结构面特征,并在结构面、以及滑抹晶体上留下擦痕,这些擦痕是断层活动的直接证据。然而早期形成的断裂极易在后期构造重新活动,留下后期构造作用的痕迹,由此通过对断裂擦痕的测量分析,恢复各个观测点构造应力方向只能佐证研究区受到了多期构造活动的影响。

灵山地区擦痕分析显示最大主应力NW向为优势方位,且多具有两期以上的擦痕(图8、9)。擦痕应力图表明最大主应力方向有四个方向:①NW 向,研究区的城隍、插花、六槐、龙屋观测点最大主应力均显示为 NW 向,这是形成研究区 NE向构造的主要动力方向,最主要是晚古生代末期钦防海槽闭合及印支期滨太平洋构造应力不断由南东向北西推挤,致使其褶皱回返,形成大量 NE向构造;②NE向,由于野外条件的局限,仅仅研究区北部 No.16观测点有表现,可能是由印支板块向北俯冲汇聚造成;③近 EW 向,该方向构造应力所遗留的地质痕迹在研究区较少,仅仅在局部形成近南北向构造,如佛子镇有一定的地质形迹证据,分析可知主要是因为太平洋板块向 NWW 俯冲过程,受早期花岗岩体的局部阻扰而形成;④近SN向,研究区乐民和樟木村有较为明显的痕迹,由于受印支板块、菲律宾板块和太平洋共同挟持,以及南海盆地向北的扩张的影响,研究区形成近EW向构造(表3)。

表3 灵山地区及周缘断裂面擦痕及构造应力分析Table3 Analysis of the structural stresses of the slickensides on fault surfaces in the Lingshan district and its vicinity

图8 灵山地区及周缘利用断裂面擦痕构造应力分析Fig.8 Analysis of the structural stress of the slicken side on fault surfaces in the Lingshan district and its vicinity

图9 灵山地区发育的擦痕Fig.9 Photos showing the slicken siding of the Lingshan area

通过对灵山地区构造地质形迹(褶皱、节理和擦痕)统计分析,灵山地区经历了四期不同方向构造应力场的作用,四期构造应力场方向依次为:NW、NE、近EW和近SN向。由于四期不同的构造应力场对灵山地区不断的改造叠加,造就了灵山地区的构造格局。

3 构造应力期次分析

3.1 地质形迹交切关系

构造叠加及相互改造是构造地质学判断构造发展时序最为直接和可靠的证据(万天丰,1983;徐开礼和朱志澄,1989),基于这一思想,我们根据各个阶段构造活动所形成构造形迹间的空间交切、复合关系等标志来判定区域上不同时期构造活动的先后次序。

由于研究区处于多个板块交汇部位,导致多期构造对广西灵山地区进行改造,致使研究区呈现不同期次构造叠置复合特征(承金,2009)。灵山北部的镇圩构造地质特征显示,NW向断裂被SN向延伸的断裂切割,SN向发育断裂的延伸长度以及断裂数量明显小于NW向断裂(图10a),说明NE向的挤压应力早于EW向的挤压应力作用于研究区,并且 NE向挤压应力作用强度以及影响广度要大于EW向挤压应力;同时马山显示 SN向发育的褶皱由北向南逐渐斜接归并到NW向褶皱(图10b),这均说明NW向构造的形成早于近SN向构造,形成SN向构造的构造活动强度小于形成NW向构造应力强度;灵山县檀圩NE向的主体构造被NW向断裂切割,致使NE向构造完整性遭到破坏,表明研究区 NE向构造形成早于 NW 向构造(图10c)。由于多期活动构造的影响,近EW向构造与NE、NW、SN向构造之间的空间关系在研究区并没有直接的体现,但魏春光等(2008)对北部湾及其邻区构造应力场的分析,尹克坚(1995)利用水系对广西地区新构造应力场分析,以及蒋维强(1992)利用多个震源机制解对华南沿海地区的最新构造应力场分析,均充分说明了EW向构造晚于其他三组构造形成。

图10 不同期次构造叠加关系图Fig.10 Multiphase tectonic superposition and reworking of the Lingshan area

3.2 构造活动期次及新构造活动的定量证据

沉积岩中的流体包裹体的形成与构造–热事件作用和热液活动有密切关系,能够从侧面反映沉积岩所受到的构造活动的影响(朱东亚等,2009)。承金(2009)利用流体包裹体分析灵山附近十万大山古地温时,发现下、中三叠统均存在三组均一温度:75～100 ℃、110～150 ℃、160～220 ℃,这也进一步佐证了灵山地区自侏罗纪以来至少经历了三期构造活动的影响。裂变径迹模拟表明灵山周缘十万大山自印支期以来有3期降温的阶段,很好的反映了后面三期构造活动历史(郭彤楼,2004)。这与我们的地质分析较为吻合。

喜山晚期以来的新构造在灵山地区有非常明显的响应:(1)1936年4月1日罗阳山-平山6.7级地震,1974年11月24日丰塘4.1级地震,2010年8月17日丰塘 3.5级地震,以及最近所发生的地震均很好的说明了这一点;(2)通过对研究区断裂带的石英胶结ESR测年显示,断裂活动的最晚年龄为3.7±0.3 Ma。同时罗阳山断阶洪积扇石英ERS最新年龄为4.5±0.5万年。地震活动的存在、断裂带石英年龄和断阶洪积扇石英年龄均说明新构造活动的存在。

无论构造形迹的交切、叠置关系还是构造热事件对流体包裹体、锆石径迹长度和断裂石英所遗留特殊信息均表明灵山地区整个沉积地层经历了 4期构造运动的作用。

3.3 构造演化和构造应力场转化

由于华夏板块与扬子古板块的不完整拼合,早二叠世末期之前广西灵山地区处于相对稳定的沉积环境,地层均是连续沉积,未受到大规模构造活动影响。早二叠世末由于受到特提斯洋强烈收缩、聚敛作用和太平洋板块向北西推挤的影响,钦防海槽关闭造山,研究区处于挤压或压扭应力的区域环境中,钦防海槽一带形成一系列北东向构造,大量发育次级断裂,灵山断裂带也于该时期形成(郭彤楼,2004)。同时该构造活动致使上二叠统不整合于石炭系之上,如灵山东北区域友僚-南乐一带;中三叠世末期由于印支板块与华南板块发生碰撞,在印支板块向北俯冲、碰撞过程中,促使越北地块右旋扭动,形成一系列北西向逆断层和褶皱。与此同时,云块地块向北西推挤,激发早期北东向构造再次活动;晚三叠世-白垩纪研究区构造发展仍然受控于滨太平洋动力体系,灵山地区依旧受到来自南东方向的作用力,使整个北东向构造变形持续向北西扩展(徐汉林等,2001);到古近纪,印支板块和太平洋板块分别从西南方向和东西方向的夹击,导致该区处于东西向的应力场中,随着应力的不断加强,形成南北向构造,并切割早期构造;喜山晚期以来,太平洋板块向西挤压和印度洋板块向北和北东方向的推挤,致使研究区遭受近南北向挤压作用,形成近东西向构造,并最终定型。并且水系研究表明该方向构造应力对研究区的作用一直持续到现今(尹克坚,1995)。

灵山地区自早二叠世末期以来经历了4期不同的构造活动的影响,并且各种证据表明喜山晚期近SN向的构造应力场仍旧影响着研究区,为了弄清新构造应力场在灵山地区的分布特征,对其进行了数值模拟分析。

4 数值模拟及活动性预测

为了明确新构造运动以来灵山区的构造应力分布趋势及展布范围,研究将以构造应力场地质分析成果为基础,针对灵山地区多条规模较大断裂之间的交接关系,建立目标区活动断裂数值模型,探讨断裂对研究区应力应变强度分布的扰动特征,并以此为依据对灵山地区地质活动的可能性进行了评价。

4.1 灵山地区新构造数值模拟

(1)断裂的处理

从宏观效果出发,相对断裂带来说,地质体不同层位、不同构造部位的岩石物理属性参数可以视为均质的,对于模拟的整个地质体将其作为弹性体处理,而断裂则视为非连续介质。现阶段,符合实际情况的断层处理方式:将断裂带两侧适当范围内的岩石力学参数按一定比例降低,根据实践经验,该比例一般定在60%左右(陈波和田崇鲁,1998),并可根据实际研究区断层的规模予以调整。

研究区断层多而复杂,但主要以NE、NW向的断层为主,依据研究区断层发育规模以及对地层影响程度,选择10条断层作为主要的模拟对象,其中NW向断层3条,NE向断层5条,SN向断层1条,近EW向断层1条,同时断层之间的交接关系将也在模型中进行细致的刻画。

(2)有限元模型

依据广西灵山地区构造应力场作用方向的分析,建立基于断裂-基质的有限单元模型。整个模拟区是以灵山地区构造图为基础的矩形体,各边均为实际大小,平面短边长55.24 km,长边99.68 km,面积5234.6 km2。数值模拟过程中较为重要的,岩石力学属性参数主要由本身组构决定,也与岩石所处的地质环境有极为紧密的关系,应力场数值模拟所需的岩石力学参数均可以通过三轴岩石力学实验测得(徐政语,2006;唐永等,2012)。由于本次研究重点集中于断裂对应力场分布的影响,对岩层中不同的岩性进行了均一化处理。

地质分析表明,新构造运动以来整个华南沿海主要受到菲律宾海板块向西挤压、南海海盆向北扩张以及川青、川滇地块阻挡的影响(邹和平,2002),灵山地区受到近南北向挤压作用。同时灵山地区西部和北部为十万大山盆地是构造相对稳定部位,即模拟过程中将模型的北面和西面x和y方向约束,对南面施加近 SN方向的水平挤压作用力。根据野外实测岩层中的共轭节理,结合岩石力学测试获得初始抗剪强度和抗压强度(陈庆宣等,1996),确定研究区近SN向构造作用的平均差应力为21.3 MPa。

4.2 应力场数值模拟结果

经过反复的计算,获得了灵山地区现今最大主应力场、最大主应变以及最大主应力迹线图(图11)。结果显示:①最大主应力值高值区主要集中在研究区的东南部,低值区分布在研究区的西北,整体呈现由南东至西北,最大主应力逐渐变小,与灵山及周缘的地质特征较为相符。研究区东南部以断裂和岩体为主,构造变形复杂,说明所受的构造作用力较大,构造活动强烈。而西北角大部分为南乡盆地,主体为开阔平缓的褶皱,构造极为简单,说明构造作用较弱,最大主应力大小分布与地质特征的吻合程度说明数值模型的可靠性较好,模拟结果的可信度较强。由于作用力施加方向与断裂之间存在一定的角度关系,在高值区也有一些低值区存在,如佛子(FZ)、寨圩(ZX)、平南(PN)等局部区域。其中最大主应力值极大值区域主要分布在罗阳山、丰塘、浦北、三隆以北的区域;②最小主应变量与最大主应力分布状态较为相似,也表现为西北低东南高的特征,但整体来看最大主应变量相差不大。其中最大主应变量最小区域位于罗阳山、丰塘、铁岭等局部区域,次之为南乡盆地和陆屋、三隆以北区域。高值区则主要分布在浦北县所在的大容山岩体以及断裂的交叉部位和尖灭端,例如石陂、平山附近区域。由于断裂控制,位于断裂交叉部位和尖灭端区域的最小应变量高值分布范围极为有限。由于断裂的存在,断裂两侧应变量大小往往不连续,说明断裂对应力变的传递有明显的阻隔作用(苏生瑞,2002),体现了早期断裂对后期构造的控制,同时也说明将断裂与目标地质体处理为非连续的介质体是符合地质实际的;③模拟结果显示,最大主应力迹线为近SN向,虽然局部由于断裂走向的变化以及多条断裂交叉,导致最大主应力迹线有所偏转,但最大主应力迹线近SN向的特征得到很好的体现,这与地质分析结论较为吻合,进一步佐证了数值模型的可靠性。

图11 灵山地区最大主应力分布(a),最大主应变量分布(b)和最大主应力迹线(c)图Fig.11 Maps showing the distribution of maximum principal stress (a),maximum principal strain (b)and maximum principal stress trajectory (c)in the Lingshan area

4.3 活动可能性分析

应力是能量聚集的一种表现,应变是能量释放的一种状态。应力越大说明能量集中的程度越高,应变量越小形变量越弱则能量释放的越少,那么后期活动的可能急剧增加,反之亦然,应变量越大形变量越强能量释放的越多,那么后期活动的可能性逐渐减少。

从最大主应力模拟结果来看,最大主应力高值主要集中断裂交叉处、尖灭端以及弯曲部位,但最大主应变低值区则主要位于断裂弯曲、交叉与断裂尖灭相结合部位,例如罗阳山(3、4号断裂交汇与8号断层尖灭结合处)、丰塘(4、7号断裂交汇与 2号断裂尖灭结合处)、铁岭(4号断裂弯曲部位与1号断裂尖灭结合处)以及陆屋以北区域(3号断裂弯曲部位与7号断裂尖灭结合处)。而仅仅只有断裂交汇、断裂弯曲的部位,虽然最大主应力为高值,最大主应变量却比较大,如浦北(5号断裂)沙坪(9号断裂)、寨圩(10号断裂),说明能量虽然较为集中,但能量释放的程度也较高,后期活动的可能极为微弱。相反那些断裂尖灭与断裂交汇、弯曲结合部位,最大主应力呈现高值,最小应变量为低值,表明能量较为集中,同时能量释放程度极低,后期活动的危险性极大。1936年4月1日罗阳山-平山(PS东侧,图11a)6.7级地震,1974年11月24日丰塘4.1级地震,2010年8月17日丰塘3.5级地震等最近所发生的地震均很好的说明了这一点。

根据以上分析,罗阳山、丰塘、铁岭、陆屋以北区域是应力集中程度较高的区域,能量释放程度较弱。由此推断罗阳山、丰塘是发生活动高危区域,铁岭和陆屋以北区域是发生活动次高危区域(图12)。

图12 灵山可能活动区预测Fig.12 The predicted zone of potential activity in the Lingshan area

5 结 论

(1)构造形迹是构造活动最忠实的记录者,分析特征构造是理清构造应力场最重要的、最有效的方法和手段。通过大量的构造属性数据统计分析,获取褶皱、节理、擦痕的优势产状,通过解析几何的方法,计算出构造主应力的方向,这对理解研究区构造演化奠定可靠的基础。但是由于不同时期地质形迹易于叠加复合,因此在利用构造痕迹恢复构造应力场时,必需将多种构造形迹联动起来作为一个整体考虑,同时将不同分析方法获得结果对比验证、相互补充。只有通过详细、完整分析各种构造形迹才能够获得构造应力场真实有效分布状态,才能真实有效的为活动性预测服务。

(2)通过野外实测数据统计分析及对灵山及周缘地质特征研究,认为研究区主要受到四期不同方向、不同大小构造应力作用,其中近SN向构造应力是现今影响研究区活动的主要动力来源。NW 向挤压应力最早影响到研究区,并且作用强度较后面三期均要高,形成控制研究区主体构造特征的 NE向构造,其次是NE向挤压应力对研究区的作用,改造破坏早期发育的 NE向构造,并发育一系列 NW 向构造,随后构造应力场发生大的转换,EW向挤压应力作用于灵山地区,形成近SN向构造,最后整个研究区的构造格局在近SN挤压应力的作用下而定型,并且该方向的挤压应力作用一直持续到现今。

(3)构造应力场定量化研究对灵山地区活动性评价及潜在活动区预测具有重要的意义。最大主应力高值集中区与最大主应变量低值集中区的叠合部位:断裂弯曲、交汇与断裂尖灭相结合部位,具有能量集中程度较高,变形量较小能量消减量低,后期活动的危险性较周围区域高。综合地质分析成果,运用构造应力有限元数值模拟方法,确定灵山地区现今最大主应力、最大主应变展布特征,并且认为:罗阳山、丰塘、铁岭、陆屋以北区域是应力集中程度较高的区域,能量释放程度较弱,可以推断罗阳山、丰塘是发生活动的高危区域,铁岭和陆屋以北区域是发生活动的次高危区域。

致谢:衷心感谢南京大学贾东教授、谢国爱教授和中国地震局地壳应力研究所老师给予的指导和帮助,感谢编辑在论文完善过程中给予的宝贵意见,同时感谢武汉地质调查中心在野外工作给予的支持！

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