龙陵-瑞丽断裂北段现今地应力特征及其活动性分析

包林海，王成虎，王显军

（中国地震局地壳应力研究所，北京 10085）

龙陵-瑞丽断裂北段现今地应力特征及其活动性分析

包林海，王成虎，王显军

（中国地震局地壳应力研究所，北京 10085）

为了研究龙陵-瑞丽断裂北段现今地应力状态特征及活动特征，在该断裂带东南侧开展了2个深孔的水压致裂地应力测量工作。测量结果表明，地应力量值随深度的增加而增大，三个主应力之间的关系为SH＞Sv＞Sh，说明该地区现今浅部地壳构造应力占主导作用，该应力状态有利于走滑断层作用发生。现今最大水平主应力方向为NEE，与区域构造应力场方向NNE向主应力方向有一些差异，说明实测结果受到了断层活动的影响，同时也反映了龙陵－瑞丽断裂现今具有左旋走滑的活动特性。利用库伦准则，摩擦系数取0.6～1.0对断裂的稳定性进行了分析，结果表明，现今原地应力大小尚未达到使断层滑动的应力值临界区，表明龙陵-瑞丽断裂目前处于相对较为稳定的状态，但是也不能忽略其他因素对断裂稳定性的影响，下一步的研究重点将是断层内物质的组成成分分析。

龙陵-瑞丽断裂；水压致裂；地应力；摩擦系数；库伦准则

0 前言

滇西南地区位于印度板块与欧亚板块碰撞带的北东侧，地处青藏高原东南部，是青藏高原物质受到挤压向东流出的通道[1]，区内构造运动强烈，褶皱、断裂十分发育，是我国大陆内部地震活动最强烈的地区之一。有地震记载以来，这一地区已发生6级以上强震数十次，而且大多数地震带都与地表的断裂带基本一致，引起了众多学者对该地区的地震活动性、地壳动力学和构造运动等特征的关注。龙陵一瑞丽断裂北段是滇西南地区NE向构造体系中重要的断裂之一，属于密支那-西盟地块内密支那地块与龙陵一镇康地块的分界断裂[2]，是一条具有深部构部背景且全新世仍在活动的区域性活动断裂。1976年的龙陵7.3级地震和7.4级地震就发生在龙陵-瑞丽断裂带北段附近，是一次典型的双震型事件，该断裂的活动性对整个滇西南地区的地震活动性有着重要影响。因此，研究该断裂的现今地应力状态及其稳定性具有十分重要的意义。

迄今为止，关于龙陵-瑞丽断裂的研究主要集中在运动学特征及地震危险性两个方面。一是利用地貌学、年代学以及地震学方法来研究断裂的构造特征和形成历史，二是利用地震复发模型来研究断裂的地震危险性，这些研究主要集中在对过去不同地质历史时期特征的研究和以历史地震为基础对复发周期进行估计，并没有讨论断裂所处的现今构造应力状态。然而研究断层附近的现今应力状态以及在现今应力状态下断层面上的摩擦稳定性同样十分重要，这种分析研究不仅可以帮助我们更好理解断层力学机制，并且能够挖掘出断裂带的孕震信息。

1 龙陵瑞丽断裂现今活动性研究现状

龙陵-瑞丽断裂西南起于瑞丽西南的缅甸境内，向东北经遮放、芒市盆地、龙陵盆地与黄草坝，最后隐伏于镇安盆地附近，境内全长约170 km。该断裂带北端与高黎贡山断裂呈弧形相接，总体走向约为N55°E。由于该断裂途径高山峡谷地带，植被茂盛，使得与该断裂相关的地貌特征很难辨认，因此，对该断裂的研究较少。贺根文等根据遥感解释、构造地貌和地震地质的综合结果，认为龙陵-瑞丽断裂带是一条以左旋走滑作用为主的断裂，在晚第四纪具有一定的活动性[3]，黄学猛依据断错地貌特征和年代学结果，获得了龙陵-瑞丽断裂北段晚更新世晚期以来的平均水平滑动速率为2.2 mm/a，平均垂直滑动速率为 0.6 mm/a；全新世以来的平均水平滑动速率为1.8～3.0 mm/a，平均垂直滑动速率为0.5 mm/a，水平滑动速率与垂直滑动速率之比约为4∶1，是一条古生代以来长期活动的继承性活动断裂，断裂的活动方式以黏滑为主[4]。王晋南等对龙陵-瑞丽断裂不同段落、不同分支所做的断层物质年代鉴定表明，大部分段落显示了断裂为中更新世最新活动，个别为中更新世晚期-晚更新世早期的最新活动[5]。杜义则计算了龙陵-瑞丽断裂地震复发周期，认为该断裂不排除未来发生中等强度的破坏性地震[6]。

以上各种方法研究结果表明，龙陵-瑞丽断裂为一条现今活动断裂，活动特征为左旋走滑运动，然而众多研究成果中缺少了对现今应力状态 （地应力大小和方向）的定量评估。本文通过对断裂带附近2个深孔的地应力测量，揭示了龙陵瑞丽断裂北段地壳浅部的现今应力状态，为龙陵瑞丽断裂现今活动性分析提供了新资料，补充了龙陵瑞丽断裂由浅部到深部的研究工作，对于分析和评价滇西南区域地壳稳定性具有十分重要的意义。

2 地应力测量结果及分析

为了阐明龙陵-瑞丽断裂北段现今应力状态和潜在的发展趋势，在断裂带的东南侧确定了2个深孔的地应力测量点，钻孔位置及最大水平主应力优势方向见图1。

其中SH为最大水平主应力；Sh为最小水平主应力；Pr为重张压力；Ps为瞬时闭合压力；P0为孔隙压力。垂直主应力Sv则由测量深度上覆岩层的重力进行估算。由上式可以看出，瞬时闭合压力Ps直接等于最小水平主应力，最大水平主应力是由Ps和Pr求出，因此，Ps值的准确直接决定着地应力测量结果的可靠性。关于瞬时闭合压力的确定方法，丰成君等认为对于岩石完整、原生裂隙不发育，以及压裂曲线标准，各压裂过程中压裂特征参数明显时，应选取单切法、dp/dt法、dT/ dP方法和马斯卡特方法中的2种或2种以上方法进行判读瞬时闭合压力值[11]。

图1 钻孔位置及区域活动构造Fig.1 Distribution map of boreholes location and active tectonics

2个钻孔的实测地应力数据显示，该区最大水平主应力方向为N47°～68°E，优势方向为N56°E，总体反映区域构造应力场以NEE向挤压为主。关于该区域的主压应力场方向，谢富仁等利用断层滑动资料反演滇西南构造应力张量，得出镇源-营盘山断裂以西至龙陵断裂带以南地区，最大主压应力方向为北北东，应力结构以走滑型为主[12]；崔效峰等利用震源机制解，结合水压致裂数据，反演了滇西南构造应力场，分析结果表明，在滇西南应力区，震源机制反演的计算结果与水压致裂结果所反映的最大主应力优势分布方式完全一致，均为北北东-南南西向[13]；钱晓东等同样利用震源机制解对云南构造应力场进行研究，认为龙陵、保山、泸水一带主要受NE-NNE向应力场控制[14]。

唐后期统治者已经意识到三卫的假荫现象，采取多种措施，但还是难以抑制。究其原因主要是：在开元时规定“凡诸卫及率府三卫，贯京兆、河南、蒲、同、华、岐、陕、怀、汝、郑等州，皆令番上，余州皆纳资。 ”〔8〕(p1833)就是除了京兆、河南等地，需要在三卫番上服役外，其余地方则可以通过纳资代替。这就导致诸卫公开纳资，不严格审查选人资格，选拔不分士庶出身，假荫盛行。

ZK1孔坐标为N24°37′，E98°47′，设计孔深为757 m，稳定静水位为4 m。该孔所取得岩芯主要为花岗岩，测量主要在400 m以下进行，共取得了9段应力大小和3个测段的应力方向数据。ZK2坐标为N24°35′，E98°44′，设计孔深为716 m，静水位19 m。该孔所取得的岩芯主要为砂岩，根据岩芯完整程度共成功取得了13个点的应力大小数据和3个测段的应力方向数据。测量结果见表1。

可以看到，同一节假日对不同客源市场旅游需求的影响不同，这可能与各客源市场距离旅游地的远近、自身人口数量的多少、经济发展水平等因素有关。

表1 地应力测量结果Table 1 Result of stress measurement

2.1 地应力大小

在740 m的测量深度范围内，共成功获得了22段地应力大小数据和6个深度上的方向数据。图3显示了不同深度上最大和最小水平主应力与深度关系，垂直主应力则由上覆岩层的重量求得。从图中可以看出，Sh大小总体分布具有明显的离散性，特别是500 m以下。相对于Sh，SH的离散性也较大，其主要原因是由于SH在估算中，受到了重张压力确定误差和三倍Sh的影响，在某一程度上加大了其分布的离散性。造成这种离散性的主要因素为钻孔下部岩芯完整程度较差，加上钻孔过程中岩芯粉以及钻井液的沉淀致使一部分压裂曲线形态不是十分典型，给最后的取值带来较大的不确定性。尽管应力分布较为离散，但是水平主应力总体上随深度的增加而增大，而且可以用与深度有关的应力梯度进行合理限定，线性相关系数均在0.6左右，其线性回归公式为

其中H为深度，R为线性相关系数。

为始终保持样品的完整性和代表性，必须在采样后做好管理工作。水样在4 ℃左右保存，可置于暗处或冰箱中，以抑制微生物的活动，减缓物理和化学作用的速度。也可按监测项目的要求加入固定剂。填写好容器上的标签，标签内容包括样品编号、采样时间、采样点位、加入固定剂种类及数量、检测项目、采样者等。标签要与采样记录核对一致，并填写样品登记表。

据南宁市旅游发展委员会网站的数据显示：截至2017年12月，全市拥有星级饭店49家，其中五星级2家，四星级14家，三星级27家，二星级6家星级饭店。其中，2017年度新评定四星级酒店2家，三星级酒店1家。全市上报数据通过审核的44家星级饭店全年营业收入854404.918千元人民币，其中客房收入391377.093千元，餐饮收入297114.034千元，其他收入165913.791千元。三项收入分别占营业收入的45.81%、34.77%和19.42%。这为每年东博会的举办奠定了良好的基础。

在分析断层稳定性的过程中，我们主要考虑了两个主要参数。一个是有效应力张量 （包括应力的大小和方向以及孔隙压力）；一个是断层的剪切强度。Brace等人根据具有孔隙压力的岩石力学实验指出，对于岩石摩擦等问题，有效应力的形式为σ′=σ-P0， 为作用在断层面上的有效正应力，σ为正应力，P0孔隙压力，即孔隙压力的变化对正应力有影响，而对剪应力没有影响[16]。关于孔隙压力，许多学者认为地壳中不同深度上的孔隙压力等于静水压力，而且在测量过程中也未发现存在明显的承压水层，因此，在计算过程中我们认为孔隙压力等于静水压力。

继发性癫痫是一种由多病因所致的慢性脑部疾病，导致继发性癫痫发作的因素有多种，如心理精神因素、饮食习惯、睡眠质量、内分泌因素等，为降低患者癫痫发作的次数，就可以从这些病因入手进行预防性护理，如加强患者内分泌监测，维持其电解质、代谢平衡，促进患者睡眠质量良好，便能有效控制病情的发作[3]。另外，还需预防患者癫痫发作时发生呕吐物堵塞呼吸道、舌咬伤等事件，才能保证患者机体的安全，从而使其获得良好的预后效果[4]。

1.2.1 不同在制品解吸湿特性试验 试验环境温湿度的选择要综合考虑在制品的特性和卷烟生产环境温湿度的要求，各种在制品环境温湿度的试验方案如下，温度设定：25℃，湿度设定：40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%。 选择一种在制品，按照其温湿度设定要求，首先选择温度，湿度设定从最高到最低，然后从最低到最高，测量并记录其在不同湿度条件下的平衡含水率，平衡时间72 h。

2.2 应力方向

从图2中可以看出，测试所得的压力曲线形态大部分较为规则，各个特征值较为明显。因此我们采用单切法和dT/dP法来确定瞬时闭合压力，选这两种方法的原因主要是单切法较为简单可行，而dT/dP法则有着比较深入的力学分析基础。整个取值过程都采用计算机程序自动取值，以便最大程度上减少人工取值所带来的误差。两种取值方法所取得的值较为近似，相差不大，可靠性较高。压裂结束后，将定向的印模器置于测量深度上，加压使印模器膨胀，将表面的半硫化橡胶挤入裂缝形成印痕，最后通过印痕、基线和磁北针三者之间的关系来确定裂缝方位，即最大水平主应力方位。

本次地应力测量采用水压致裂法，该方法为国际岩石力学学会推荐的估算岩石应力的方法之一[7]。水压致裂技术最早被用来石油和天然气开采的增产，经过几十年来理论与技术的创新，目前该技术已经成为测量深部应力的有效方法。该方法的优势在于其不仅能够确定地应力的量值和方向，而且测量深度大且无需利用岩石力学参数参与计算，因此在各个领域得到了广泛应用，并取得了非常好的研究成果[8-10]。该方法是利用两个可膨胀的橡胶封隔器封隔一段完整的孔段，以恒定的流速向封隔孔段内注入液体，产生垂直于最小主应力方向上的水力破裂。地应力量值可以通过整个测试过程中的压力-时间曲线上特征点计算出，关系式如下：

图2 水压致裂地应力实测曲线Fig.2 Measured curve of in-situ stress by hydraulic fracture

本文中所得到的主压应力优势方向为NEE向，与前人研究成果中NNE的应力场方向存在一定偏差。初步研究认为造成这种偏差主要有两个原因：一是深度不同，本文中所测量的深度在几百米范围内，而震源机制解给出深度在几公里到十几公里的震源深度，这种深度上的巨大差异造成了应力场方向结果上存在一定偏差；二是大的不连续面对应力方向有一定程度的影响，Hudson和Cooling认为当大的断裂内存在相对较软的物质时，最大主应力方向很有可能会平行或者垂直于该断裂[15]。本次测量的2个钻孔距离龙陵瑞丽断裂较近，受此断裂影响，所测量的最大主应力方向为NEE向，与该断裂走向基本平行。这一应力场特征也从另一方面说明了龙陵瑞丽断裂内可能存在大量较软的物质。

2.3 实测地应力结果与区域应力场关系讨论

研究区所在区域属青藏高原断块区，新构造运动十分强烈，表现为强烈的垂直差异运动和块体的侧向滑移及以近南北向断裂、北西向断裂右旋位移和北东向断裂左旋位移为代表的断裂活动。青藏高原由于印度板块不断向北推挤，导致向南东挤出和侧向滑移，作为块体的北东向边界断裂具明显的左旋走滑特征。区域动力学背景造成了龙陵－瑞丽断裂现今具有左旋走滑的活动特性。

本文测量结果表明，测孔附近的地壳浅部表层现今最大主应力方向为NEE向，考虑到龙陵瑞丽断裂几何空间展布、现今活动特征以及区域动力学背景，地应力测量结果具有较好的区域代表性，能够代表龙陵瑞丽断裂带北段现今构造应力状态。

图3 地应力大小随深度变化趋势Fig.3 Curve of the stress vs depth

3 断层稳定性分析

从图3中可以看出，SH总体上要高于垂直主应力，Sh总体要低于垂直主应力，三者的关系为SH＞Sv＞Sh，说明该地区现今浅部地壳构造应力占主导作用，该应力状态有利于走滑断层的形成。这与前人关于龙陵瑞丽断裂北段为走滑断层的研究成果一致。

断层剪切强度我们利用库伦准则进行判定，τcr=μσ′，其中τcr为断层活动的临界剪应力，μ为摩擦系数。从上式可以看出，对于给定的应力状态，断层的摩擦系数决定着断层的剪切强度。根据前人岩石摩擦的室内实验结果，μ取0.6～1.0是合理的，世界范围内的实测地应力结果显示，板块内的断层处于摩擦平衡状态，而摩擦平衡状态的摩擦系数同样介于0.6和1.0之间[17]。将实测的最大和最小水平主应力按有效应力的摩尔圆绘于图4中可以发现，实测出的原地应力大小尚未达到使断层滑动的应力值临界区，表明龙陵断裂目前处于相对较为稳定的状态。

从盈利能力来看，山东产权交易中心披露的信息显示，2018上半年，山东高速篮球俱乐部实现营业收入3.69亿元，净利润1.4亿元，1-8月份实现营收3.69亿元，净利润1.33亿元。

4 讨论

图4 有效主应力莫尔圆及其断层活动性分析Fig.4 Mohr circle of the effective principal stress and fault activity analysis

本次研究中，我们对断层所处的应力状态和稳定性进行了研究，但是，还有许多其他因素影响着对断层稳定性的判断，其主要原因是代表断层强度的摩擦系数还存在很大的不确定性。Byerlee室内摩擦实验结果认为，摩擦与岩石的种类及滑动面的粗糙程度无关，即使滑动面之间存在很厚的断层泥，岩石的摩擦就好像断层泥根本不存在，其滑动情况与两块岩石彼此接触在一起的情况一致。但是，如果断层泥中填充有蒙脱石、蛭石和伊利石等矿物的存在，摩擦滑动都将会非常容易发生，换句话说，摩擦系数的值非常小[18]。除此之外，断层的滑动速率对断层的强度也有较大影响,在断层浅部的温度和压力条件下，人工模拟石英断层在摩擦滑动过程中会表现出不稳定的速度弱化的滑动行为，其他硅酸盐矿物在断层浅部的温度和压力条件下也会出现速度弱化的行为[19]，而前面我们也提到，龙陵-瑞丽断裂内可能存在大量较软物质。因此，研究断层内断层泥的组成成分及其摩擦行为十分重要，这也是下一步研究工作的重点。

众所周知，地下热流同样会对断层的稳定性有较大影响，其物理机制是因为地下热流能够引起地下流体压力的升高，如果断层泥的渗透性足够低或者热增压效应超过了因渗流和剪切扩容造成的流体扩散减压效应，过高的孔隙压力就会减小断层面上有效正应力，显著降低断层面上的剪切阻力[20-21]。值得注意的是，傅竹武的研究成果表明，龙陵瑞丽断裂西北侧地壳和上地幔存在大范围的低速区，由于断裂紧邻腾冲火山地区，温泉发育，因为该低速区被认为是地壳内存在上涌的岩浆囊或部分熔融体和上地幔存在热流值较高的物质，而这种深切断裂正好又为地幔热物质上涌提供了良好通道[22]。因此，一旦上涌的热物质提高了地下流体的温度，而温度又没有得到及时扩散，就会在局部产生较高的孔隙压力，进而降低断层面上的有效正应力，使断层极易产生滑动。

5 结语

本文基于龙陵瑞丽断裂附近两个深孔的实测地应力结果，对该断裂所处的现今地应力状态及其稳定性进行了分析研究，研究结果概括如下：

（1）在测量深度范围内，水平主应力大小总体随深度的增加而增大，无明显应力集中现象。3个主应力大小表现为SH＞Sv＞Sh，表明该地区现今浅部地壳构造应力占主导作用，该应力状态有利于走滑断层活动。

（2）钻孔附近地壳浅部现今最大水平主应力方向为北东东向，同时，断裂带对应力方向可能有一定程度的影响。

（3）利用库伦准则计算结果表明，龙陵瑞丽断裂北段现今地应力状态尚未达到使断层滑动失稳的临界状态，但是也不排除其他因素影响断层的稳定性。因此，下一步研究工作的重点主要是对断层内物质组成成分的分析和摩擦行为的研究。

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The Current In-situ Stress State in Northern of Longlingruili Fault and Analysis on Its Activity

BAO Linhai，WANG Chenghu，WANG Xianjun
（Institute of Crustal Dynamics，China Earthquake Administration，Beijing 100085，China）

In order to research the current in-situ stress state in the northern of the Longling-ruili fault，insitu stress measurement using hydraulic fracture have been conducted in two deep holes located in southeast of the fault.The result shows that the value of the stress increases with depth，and the relation among the three principal stresses is SH＞Sv＞Sh，which indicates that tectonic stress field gives priority to the horizontal stress and stress state is favorable for activity of slip faults.The direction of maximum horizontal principal stress near the fault is NEE，and is different with the direction of regional tectonic stress NNE，which indicates that thefault activity effect the direction of measurement，and also reflects the present sinistral strike-slip properties of the fault.According to coulomb criterion and taking μ=0.6-1.0，the stability of the fault is studied.The result shows that the ratios of sheer to effective normal stress are lower than those Byerlee's law,indicating that Longling-ruili fault is in relatively stable state，but other factors can't be ignored,and the next research emphasis is analysis of composition of the fault zone.

Longling-ruili fault；Hydraulic fracture；In-situ stress；Friction coefficient；Coulomb criteria

P315.6

A

1001-8662（2015）04-0104-07

10.13512/j.hndz.2015.04.16

包林海，王成虎，王显军.龙陵-瑞丽断裂北段现今地应力特征及其活动性分析[J].华南地震，2015，35（4）：104-110.[BAO Linhai，WANG Chenghu，WANG Xianjun.The Current In-situ Stress State in Northern of Longling-ruili Fault and Analysis on Its Activity[J].South china journal of seismology，2015，35（4）：104-110.]

2014-11-10

中央级公益性科研院所基本科研业务专项（ZDJ2012-22）；国家自然科学基金(41274100)

包林海 （1982-），男，助理研究员，硕士，主要从事地应力测量及其在工程中应用的工作。

E-mail：hailinbao@126.com.