阿尔泰山山前活动断裂带内现今地应力状态及稳定性分析

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(1.中国地质大学(武汉) 工程学院, 武汉 430074; 2. 长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室, 武汉 430010； 3. 江汉大学 文理学院, 武汉 430056)

1 研究背景

新疆地处中国西部，受地球板块运动影响突出，加之地壳厚度深浅不一，导致上地幔物质在地球深处进行物理化学作用对地壳深部构造影响不一，势必造成该区应力场的复杂性[1]。其中，阿尔泰山位于蒙古高原的西南翼，是欧亚大陆内部远离板块碰撞边界的内陆活动造山带。渐新世阿尔泰地区的构造活动更加明显，第四纪时期进一步加强，成为亚洲大陆内部一个规模宏大的活动构造带[2]。随着研究方法及理论的不断进步和完善，有关活动构造的研究主要集中于几何学和运动学等方面的定量描述，研究资料基本来源于地表资料(遥感影像和区域地质、地貌资料等)、震后数据(历史与现代地震发生时产生的地表破裂带及同震位移参数等)[3]。鉴于活动构造的复杂性，从地质学、地震学、测地学等多学科进行研究已成趋势，但若缺乏地质力学的基础资料则难以从空间应力状态角度研究其运动趋势及开展稳定性评价。加之当今断裂构造内地应力分布规律尚无统一定论，而最为直接的办法便是进行实地地应力测量[4]，这对进一步研究该区地震活动机制、地震灾害预测预报尤为重要[5]。

在断裂构造稳定性研究方面，国内外学者利用Byerlee定律进行过大量有益的研究，获得了一定成果[6-9]，并在工程实践中检验了该理论的可行性，表明将Anderson断层理论与库伦破裂准则相结合，基于Byerlee定律中断层摩擦系数范围0.6～1.0，即可在宏观上研究断裂构造的活动性状[10-12]。

国内有关阿尔泰山山前局部地应力场的实测研究甚少[13]，基于原位地应力资料对该区活动构造的稳定性进行探讨研究尚属空白。为此，本文结合阿尔泰山山前活动断裂分支的两交叉复合断裂——海流滩—盐池断裂及冲乎—塔尔浪断裂，在其交汇区布置了2个测孔进行了原位水压致裂法地应力测试，揭示了研究区内现今应力状态分布规律，并基于库伦摩擦滑动准则与Byerlee定律对活动断裂的稳定性进行了分析，最终分析得出当前活动断裂带内处于相对稳定状态。

2 阿尔泰活动断裂构造背景

2.1 研究区典型活动断裂构造特征

阿尔泰山跨越中国新疆、蒙古西部、哈萨克斯坦东北部和俄罗斯西伯利亚。在阿尔泰山西南段发育的主要活动断裂力学机制以右旋剪切或走滑为主，表现形式呈大型NNW向右旋走滑断裂或NWW向右旋走滑逆冲断裂为主[2]。本文研究范围内阿尔泰褶皱系克兰地槽褶皱带内几大典型活动断裂基本特征如表1。

表1 阿尔泰山前活动断裂基本特征表(整理自文献[2])Table 1 Characteristics of active faults in the piedmont of Altai mountains(from reference [2])

表1中富蕴断裂具有南北两段活动各异的特征，即北段断裂总体呈西升东降的垂直运动趋势，而南段呈东升西降的垂直运动特征，总体呈 “枢纽”形式，与之类似的还有哈巴河断裂，亦呈枢纽断裂形式。上述几大NWW向断裂的部分段落在第四纪晚期有明显的活动，其断裂产状普遍较陡，并具有右旋走滑逆冲运动，且越向西NWW向断裂的垂直运动分量越小，右旋走滑运动分量越大。

2.2 阿尔泰地震活动与地壳应力特征研究

阿尔泰山地处蒙古高原西南端，是欧亚大陆内部远离板块碰撞边界的内陆活动造山带。当前已有不少学者从地质构造及地壳动力学角度对该区断裂构造的几何特征、活动时代、滑动速率、古地震等特征进行过研究[14-16]。从地质构造运动史分析，阿尔泰山经历过板块拼合(古生代)—南驱活动(中生代)—盆地及火山活动形成(侏罗纪及燕山期)—多期构造活动减缓(燕山后期)的构造运动，但研究发现，渐新世阿尔泰地区的构造活动开始加强，第四纪时期进一步加强，成为亚洲大陆内部一个规模宏大的活动构造。该地区地震频发，如1930年和1931年发生的富蕴8级地震、1957年发生的东延部戈壁区8.3级地震及1991年发生的斋桑7.3级地震等，这些都印证了阿尔泰山是一个地震活跃带。研究活动构造，尤其是全新世以来活断层的动态，特别注意它们所发生过的6.5级以上的地震, 是判定今后有强震危险的活断层的重要依据之一[17-19]。

地震活动系岩体中地应力积聚和释放的一个过程，刘允芳等[5]提出地震活动带常常与该地区构造应力场密切相关，并多与构造迹线一致，突发的强度也与构造应力强度有关。因此，区域地应力场分布对地震活动的研究具有非常重要的意义。谢富仁等[20]对中国大陆现今地应力分区进行了比较全面和系统的研究，将新疆应力区分为塔里木盆地应力区、天山应力区、准格尔盆地应力区、阿尔泰应力区、阿拉善应力区、帕米尔应力区，并得出该区最大主压应力方向以南北向为主，应力结构类型以逆断型和走滑型为主，区内四级构造应力区主要受块体和断裂相互作用的影响，还受所处的地壳结构或构造特征的影响。本文测孔布置在阿尔泰应力区，有关现代构造应力场及构造背景如图1所示。

图1 新疆现代构造应力场及研究区域构造分布[20] Fig.1 Distribution of measured crust stress in Xinjiang and tectonics in the research region[20]

3 山前活动断裂构造现今应力场分析

3.1 测试方法及测孔布置

本文采用国际岩石力学学会建议的水压致裂地应力测量方法对研究区内活动断裂近场地应力分布规律进行研究，并依据相关标准进行实际操作和数据处理[21-24]，从而保证本文数据的准确可靠性。该方法在测试深度及测试结果取值方面均具有一定优势：既可重复利用较深的地质勘探孔,又不需要岩石弹性常数参与资料处理。由于该方法已被规范采用，在此不再赘述。

鉴于海流滩—盐池断裂与冲乎—塔尔浪断裂的空间分布特点，分别在两断裂交汇区相距约5 km处布置的ZK1孔和ZK2孔两测孔中(图1)进行了原位地应力测试。其中，ZK1孔孔口高程1 356 m，埋深680 m，44.25～388.7 m范围为黑云母片麻花岗岩，388.7～680.0 m范围为泥盆系云母石英片岩；同时，岩芯揭示438.8～452.8 m范围为断层影响带，440.0～444.9 m范围为断层破碎带，带内可见碎裂岩、糜棱岩和断层泥组成；460.0～473.0 m范围为断层影响带，461.9～471.5 m范围为断层破碎带，带内岩性多以挤压碎裂岩为主，含少量糜棱岩和断层泥，孔内静水位距孔口18.8 m。ZK2孔口高程1 356 m，埋深700 m，揭露岩体主要为云母花岗片麻岩，在380.4～381.1，612.4～616.5，649.7～649.9，663～663.2 m范围各发育1条小断层，带内主要有断层泥和糜棱岩，孔内静水位距孔口8 m。

测孔布置及研究区域构造如图1所示，其中，主要发育9条断裂，分别为：F1阿巴宫断裂；F2富蕴—库尔提断裂；F3冲乎—塔尔浪断裂；F4海琉—冲乎—盐池断裂；F5哈巴河断裂；F6科沙哈拉断裂；F7富蕴—锡泊渡断裂；F8额尔齐斯河断裂；F9可可托海—二台断裂。发育的4大构造带相对位置分别为：①喀纳斯—可可托海褶皱带分布于F1与F9区间；②克兰地槽褶皱带分布于F1与F6区间；③额尔齐斯河挤压带分布于F6与F8区间；④准格尔优地槽则分布于F8以南。

3.2 原位地应力测试结果及分析

现场地应力测试在每孔获得18个测段资料，并对各孔具有代表性的3个测段最大水平主应力方向进行了印模，结果见表2。水平主应力沿埋深分布见图2(a)、图2(b)，其线性回归式分别由式(1)及式(2)表示。

(1)

(2)

式中：r为线性相关度；H为埋深。

由表2结果可以发现两孔所测地应力量值在埋深上受断裂构造影响较大，主要表现为浅部的侧压系数明显高于深部，且愈接近断裂侧压系数愈低；同时，两孔所测结果在埋深320.0 m左右处具有应力分区特征，如图2中的(a)和(b)所示，与文献[25]有关西域地块应力转换深度的统计研究结论一致，说明本文研究结果具有代表性。具体而言，ZK1孔在埋深浅于335 m范围内，应力状态呈σH>σh>σv，属于逆断型，有利于逆断层活动，而深部测试结果因断裂构造应力释放效应，规律较为分散；ZK2孔在埋深浅于310 m范围内，应力状态呈σH>σh>σv，属于逆断型，而深部测试结果揭示的应力状态呈σH>σv>σh，属于走滑型应力状态，有利于走滑断层活动。两孔在埋深上应力状态分布呈现出共性，但具有一定差异，即ZK1孔受断裂构造影响更明显，断裂带的活动使得构造应力得以释放，应力状态分区作用不明显。同时，测试结果中应力方位以NW向为主，与图1所示阿尔泰地区主应力方位(NNE—NE)存在

表2 水压致裂法地应力测试结果

注：σH，σh，σv分别为最大、最小水平主应力及铅直应力，其中，铅直应力按岩体自重直接进行计算，并取重度为26.0 kN/m3；σ1，σ3分别为最大、最小主应力(取σH，σh，σv三者中最大、最小值);侧压系数=(σH+σh)/2σv;μm=(σ1-σ3)/(σ1+σ3-2P0)

(a)ZK1(b)ZK2

图2水平主应力、铅直应力沿测孔埋深分布趋势

Fig.2Distributionofhorizontalprincipalstressesandverticalstresseswithboreholedepth

差异，这主要是由于后者结论主要反映地壳深部地应力场的震源机制解，而本次研究范围相对较浅，受局部应力场影响较大。

综上，从不同角度揭示研究区地壳浅表活动断裂现今应力状态和地壳深部震后应力分布规律，说明研究范围受活动断裂构造的控制作用显著，应力场仍处于应力积累及不断调整的活动状态。同时，进一步验证了研究区NWW向断裂构造具有右旋逆走滑的运动特征，说明本文测试结果的合理性。

4 活动断裂稳定性分析

利用上述地应力测量结果已经确定地应力场分布特征并定性分析了断裂运动特征，与实地勘察的地质断层类型相一致。应用Anderson断层理论，结合有关有效应力的概念，给出“摩擦系数”与“有效摩擦系数(最大与最小主应力之比)”两者间关系式，即

(3)

(σ1-P0)/(σ3-P0)≥Kμ。

(4)

式中：μ是由试验确定的断层“摩擦系数”；Kμ为断层滑动临界摩擦系数。

国内外的研究和实测结果表明，在地壳浅部低渗透率岩石中，孔隙压力与水柱静压力大致相等，据此可以判定，当最大有效主应力与最小有效主应力之比即“有效摩擦系数”

(5)

(6)

(7)

当表达式左边小于右边时，表明断层处于稳定状态，反之将沿最优断面滑动。Byerlee定律在天然断层的稳定性研究中被国内外学者普遍应用，并表明大部分岩石的摩擦系数位于0.6～1.0之间[26]。在分析地壳浅部断层活动时，该摩擦系数可近似代表断层面的滑动摩擦系数，并将0.6作为判断断层失稳的临界摩擦系数[27]。Raleigh等[7]在研究诱发地震的活动断裂时，得出与Byerlee定律一致的结论；Zoback等[8]在Monticello水库诱发地震的研究中采用前述摩擦系数较好地反映了断层的滑动特性。目前，国内学者常利用实测地应力资料分析断层稳定性，进而评价地震危险性[11,27-30]。与已有研究不同，本文研究范围内断裂构造复杂，同时具有逆断层及走滑断层性质，即呈逆走滑断裂特征，不宜概化为某一断层进行处理。为此，借助最大剪应力与平均主应力比μm，在考虑孔隙水压力条件下，可以对断层范围内的应力积累进行评价(见表2)，且μm与μ具有如下关系[13,31]，即

(8)

依据Byerlee准则取断层滑动摩擦系数下限0.6,即可得μm为0.5，由此可得本文研究范围内μm沿埋深分布如图3所示。

图3ZK1孔与ZK2孔的μm沿埋深变化

Fig.3VariationofμmwithdepthinboreholeZK1andZK2

由图3可以看出，仅ZK1孔个别测点(尤其在埋深接近100 m处)μm逼近临界滑动值外，大部分测点部位均小于该临界值，平均μm为0.3。这就说明研究范围内断层的应力积累水平除了在浅部较高外，其余均较低，不利于断层滑动。若从测孔所揭示断层破碎带成分进行分析，由于带内成分发育糜棱岩和断层泥，加之该范围内断层发育，同时受挤压破碎，这为断层诱发失稳提供了一定的滑动条件及外力基础，故对后期应力状态变化趋势应引起重视。

为了全面客观地分析出两断裂的现今活动性质，再结合前述分析的分区深度结论进行极限应力状态分析。鉴于孔所处同一构造单元，同时受到海流滩—盐池断裂与冲乎—塔尔浪断裂的影响，故可以结合实测结果将两孔所处断层面在摩擦系数下限为0.6时的极限应力状态绘于同一图中，即ZK1孔在埋深<335 m时，按Anderson断层系统中的逆断型应力状态进行评价，反之为走滑型应力状态；同理，ZK2孔在埋深<310 m时，视为逆断型应力状态，反之为走滑断型应力状态，通过式(1)与式(2)计算，并利用式(6)与式(7)进行分析，将结果绘于图4。

由图4可以看出，两测孔实测地应力仅浅部较接近断层摩擦滑动临界值外，其余均位于临界滑动范围之内，故综合前述应力积累水平表征参数μm的分析，可知测试范围内海流滩—盐池断裂与冲乎—塔尔浪断裂处于相对稳定状态，截至目前尚未具备诱发失稳的动力条件。

图4实测最大水平主应力及断层摩擦滑动临界值与埋深关系

Fig.4Measuredmaximumhorizontalprincipalstressandcriticalvalueoffrictionalslidingoffaultversusdepth

5 结 论

通过对阿尔泰山山前活动断裂现今地应力状态研究，应用Byerlee定律定量分析并发现该活动断裂的基本特征，可以得到以下结论：

(1)测区活动构造的应力场在埋深上存在应力状态转换规律，即在埋深320 m左右呈现逆断型应力状态向走滑型转换的现象，这与该活动断裂具有逆断兼右行走滑的运动学特征相吻合，同时，与已有统计研究结论相一致。

(2)实测最大水平主应力方位呈NW向，与该区NWW向断裂右旋走滑的活动构造背景相一致，并与已有震源机制解结论综合印证了该断裂的活动特征。

(3)根据Byerlee定律从应力积累水平及断层滑动摩擦临界应力角度定量分析并揭示了该活动断裂处于相对稳定状态，截至目前尚未具备诱发失稳滑动的动力条件。

上述结论系基于成熟理论对实测地应力进行分析所得，可以作为阿尔泰地区活动断裂构造背景下工程选址的科学参考，但由于测试范围处于活动断裂交汇区，断层挤压作用显著且断层面具备滑动的物质基础，在后期应加强该活动构造应力状态变化趋势的监测。

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