山东安丘莒县断裂莒县盆地段地应力测试及断裂活动性研究

王丹彤 李传生 于翠翠 刘宏伟

摘要： 第四纪晚期以来，山东安丘  莒县断裂莒县盆地段发生过较为强烈的活动。本次采用水压致裂法，对该段断裂进行了地应力测试，认为区域内地应力以构造应力为主，地应力结构为最大水平主应力（SH）＞最小水平主应力（Sh）＞垂直应力（Sv），易于使断裂发生走滑运动，且测区大部分为高地应力区—极高地应力区。采用库仑摩擦滑动准则，分析了断裂的稳定性，认为安丘  莒县断裂莒县盆地段地应力测试值未达到断层滑动临界值。

关键词： 安丘  莒县断裂；水压致裂法；地应力；断裂活动性；莒县盆地

中图分类号：  TE822.01      文献标识码：  A    doi：10.12128/j.issn.1672  6979.2023.04.008

引文格式： 王丹彤，李传生，于翠翠，等.山东安丘  莒县断裂莒县盆地段地应力测试及断裂活动性研究［J］.山东国土资源，2023，39（4）：51  57. WANG Dantong， LI Chuansheng， YU Cuicui， et al. Ground Stress Test and Study on Fault Activities in Juxian Basin in Anqiu  Juxian Fault in Shandong Province［J］.Shandong Land and Resources，2023，39（4）：51  57.

0 引言

安丘  莒县断裂处于昌邑  大店断裂与白芬子  浮来山断裂中间，整体走向10°～20°，是沂沭断裂带的重要组成部分。该断裂为白芬子  浮来山断裂在伸展环境下形成的反向伴生断层［1］。研究证明，安丘  莒县断裂，特别是莒县盆地段晚更新世晚期以来比较活跃，最新活动时代为全新世早期，活动性质是以右旋走滑为主兼挤压逆断［2］。历史上1668年郯城8.5级地震与该断裂有关［3］。

关于安丘  莒县断裂活动性的研究成果颇多［4  11］。王志才等［9］认为安丘  莒县断裂是沂沭断裂带最主要的活动断裂，对强震的发生具有明显的控制作用。钟南才等［10］研究表明，安丘  莒县断裂莒县盆地段是一条晚第四纪以来强烈活动的断层。王薇等［11］研究结果表明，安丘  莒县断裂在莒县盆地错断第四系，埋深相对较浅，断层特征主要表现为  挤压逆冲，局部地段表现为正断性质。这些研究主要通过地表调查、GPS位移测量和深部震源机制等方法开展，通过地应力测量分析安丘  莒县断裂莒县盆地段活动性的较少。而相关研究认为，地壳发生的一切变形都是地应力作用的反映。地应力的作用不仅产生或影响地质构造，还会引起地震和影响地壳内岩石等。因此地应力是影响断层活动的直接动力，通过研究地应力可以分析断裂的稳定性。

本次通过安丘  莒县断裂莒县盆地段地应力测量，反映了目前该段断裂浅层地应力状态，为分析该段断裂的活动性及评价山东半岛区域地壳稳定性提供基础资料。

1 地应力测试试验

1.1 测试方法

本次地应力测试采用水压致裂法，该方法为国  际岩石力学学会推荐的地应力测量方法之一［12］。该方法假设围岩为均质、各向同性、线弹性体、岩体完整，同时岩体中有一个主应力分量的方向和孔轴平行，现场根据钻探岩心的岩石质量指标以及岩石的力学性质选取地应力测试段进行水压致裂地应力测量。现场测量通过泵入流体对封隔段增压以致在孔壁周围产生诱发裂缝，同时记录压力时间曲线，并对曲线进行分析得到压裂特征参数，再根据理论公式，计算出测试段的最大、最小水平主应力及垂直应力［13  22］。

1.2 测点布设及地应力测试

为分析安丘  莒县断裂莒县盆地段的活动特征及潜在发展趋势，选择在山东莒县刘官庄附近安丘  莒县断裂内布置了4个钻孔地应力测量点（图1）。

水压致裂法地应力测试在50～120m范围内进行，测试段岩性为紫红色砂岩和粉砂岩。首先根据钻孔岩心情况，选择完整性好的岩心所在深度作为测试深度。在钻孔选定的测量深度上，利用可膨胀的橡胶封隔器阻隔钻孔，形成一个相对封闭的加压段，然后利用加压设备注水增压，随着压力的增加致使钻孔孔壁岩体产生破坏。最后根据不同时间段压力的變化过程，计算出测量段最大水平应力值、最小水平应力值等参数。同时利用定向印模器，在钻孔不同深度进行定向印模，再根据印痕、基线与磁北针之间的关系，计算出最大水平主应力的方位。本次测量结果见表1、图2（计算垂向应力时岩石重度取26.0kN/m3）。在对压裂测试曲线分析的前提下，利用4个钻孔中13个不同压裂深度段的印模定向，确定了安丘  莒县断裂莒县盆地段的最大主应力方向。

将定向印模器系统置于测量深度上，地面水泵加压将印模器膨胀，使裂缝重新张开，半硫化橡胶挤入裂缝，印模器表面就保留了裂缝的痕迹，定向仪自动记录定向器极限的方位。再通过印痕，基线和磁北针之间的关系，计算出裂缝方位，即最大水平主应力的方位。

2 地应力统计特征

2.1 最大水平主应力及方向

由表1可知，在测试深度范围内，S01钻孔的最大水平主应力值为5.61MPa，S02钻孔的最大水平主应力值为5.10MPa，S03钻孔的最大水平主应力值为11.80MPa，S04钻孔的最大水平主应力值为7.94MPa。在本次实测深度范围内，4个钻孔的最大水平主应力方向平均值约为N 61.7°E，与山东省内采用水压致裂法获取的地应力数据基本吻合（表2）。

2.2 最大、最小水平主应力与钻孔深度的关系

从图3可以看出，不管是从最大水平应力来看，还是从最小水平应力来看，应力值表现出随深度增加而增大的趋势。同时在三种应力曲线上可见，同一钻孔同一深度基本上为最大水平主应力大于最小水平主应力，最小水平主应力大于垂直应力。3个主应力从大到小的排列顺序为最大水平主应力（SH）＞最小水平主应力（Sh）＞垂直应力（Sv），说明安丘  莒县断裂莒县盆地段的应力场以水平向应力作用为主，易于使断裂发生走滑运动。

2.3 侧压系数λ分析

侧压系数λ可以反应断裂带附近岩石的应力状态，由SH/Sv计算得来，侧压系数一般λ在0.5～5.5之间，其中在较浅地层中，地应力的水平向应力分量绝大多数大于铅垂向分量，即λ大于1，地应力以水平的构造应力为主；随着深度的增加，侧压系数不断降低，垂直应力逐渐大于水平应力。

从图4可以看出，由于安丘  莒县断裂4个测试孔布置在不同断层内，不同测试孔测压系数变化较大，4个地应力测试孔的侧压系数λ范围值在1.38～4.78之间，侧压系数均大于1，表明测试区域范围内地应力以水平的构造应力为主。

2.4 各钻孔地应力量值的比较

S01、S02钻孔地应力量值在测点深度相差不大的情况下，其地应力量值差别不大，但S01孔地应力量值总体比S02孔地应力量值大，其原因可能是S02钻孔布置在断层的外侧，其断块为水平受力断块。S03、S04孔地应力量值比S01、S02孔的地应力量值要大得多，其原因可能是：S03孔附近有其他断层的切割、挤压，断层的错动造成局部地应力集中（图5），地应力值增大。

另外，本区内钻探揭露的地层均为中生界白垩系，S01钻孔岩层为田家楼组、S02钻孔岩层为田家楼组、S03钻孔岩层为红土崖组、S04钻孔岩层为红土崖组，其岩性基本相同，以粉砂岩及细砂岩为主，但由于受断裂活动影响，各部位破碎程度不同，对内应力释放和蓄积的程度也不相同，这也可能成为同孔中不同深度岩体中地应力变化较大的原因之一。

2.5 地应力等级评价

按照《工程岩体分级标准》（国标GB50218—94），根据岩石强度与初始应力之比（Rc/σmax）划分地应力的等级。本次共分为3个等级：Rc/σmax<4为极高应力区；4

安丘  莒县断裂4个地应力测试孔岩石，浅部均为紫红色粉砂岩、深部为紫红色砂岩。紫红色砂岩的饱和抗压强度15.4～24.8MPa，平均值为20.82MPa，本次对测试孔地应力等级划分时，取岩体饱和抗压强度Rc=20.82MPa。

本次测试深度范围内，除S02孔浅部为一般地应力区外，S01、S03、S04测试孔浅部为高地应力区—极高地应力区。31段水压致裂地应力测量中，处于一般应力区的占6.5%；处于高应力区占41.9%；处于极高应力区的占51.6%（图6）。

3 断裂活动性分析

根据库仑摩擦滑动准则，最大有效主应力与最小有效主应力之比与摩擦系数的关系为：

（σ1- p 0）/（σ3- p 0）=（（1+μ2）1/2+μ）2  （1）

式中： σ1—断层面周围最大主应力，σ3—断层面周围最小主应力 ；p0—孔隙压力； μ—岩石的内摩擦系数。如果公式（1）左＜右，说明断层面稳定。反之，断层面就有沿断层面法线方向与最大主应力夹角为的面产生错动的可能［22］。根据相关学者研究除少数岩石外，地壳岩石的内摩擦系数为0.6～1.0［22  23］。

取σ1=SH、σ3=Sh，同时μ分别将取值0.6和1.0代入公式（1），分别计算出公式（1）两侧的数值见图7。从图中可以看出本次4个钻孔的地应力测试值未达到断层滑动临界值，断裂相对较稳定。

张鹏等［22］研究表明郯庐断裂山东段地应力值尚未达到断层活动的应力值临界区，表明该钻孔附近断裂带处于相对稳定状态。本次地应力测试结果及其特征显示应力测试值未达到断层滑动临界值，断裂相对较稳定，这与前人在区内的研究结论一致。

4 结论

通过对安丘  莒县断裂莒县盆地段上4个钻孔的水壓致裂地应力试验结果进行分析研究，可以得到如下结论：

（1）本次实测深度范围内，4个钻孔的最大水平主应力值在2.29～11.80MPa之间，平均值为5.85MPa。通过13个不同压裂深度段的印模定向得出最大水平主应力方向在N 59°E—N 65.7°E，平均值约为N 61.7°E，与以往区域水压致裂法地应力测试结果吻合。

（2）在钻孔试验深度范围内，4个钻孔的侧压系数大于1，这表明该段断裂地应力主导是构造应力。同时该段断裂地应力结构为最大水平主应力（SH）＞最小水平主应力（Sh）＞垂直应力（Sv），易于使断裂发生走滑运动。

（3）根据库仑准则，本次安丘  莒县断裂莒县盆地段附近地应力测试值未达到断层滑动临界值。但根据测试结果表明测试区域内大部分为高地应力区—极高地应力区，应对该地区安全评估做更进一步的研究工作。

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Ground Stress Test and Study on Fault Activities in Juxian    Basin in Anqiu  Juxian Fault in Shandong Province

WANG Dantong1， LI Chuansheng1， YU Cuicui1， LIU Hongwei2

（1.Shandong Institute of Geological Surveying and Mapping， Shandong Ji'nan 250002， China；2. Tianjin Center of China Geological Surveying，Tianjin 300170， China）

Abstract：   There are strong activities since late Quaternary in Juxian basin in Anqiu  Juxian fault  By using hydraulic fracture method， ground stress test of this fault has been carried out. According to the analysis of ground sress test results， it is regarded that ground sress in the area is dominated by tectonic stress， and the ground stress structure is maximum horizontal principal stress（SH）> least horizontal principal stress （Sh ）> Vertical stress （Sv）. It is easy to cause the strike  slip movement of the fault， and most of the test area is high ground stress area——extremely high ground stress area. At the same time， the Coulomb friction sliding criterion is used to analyze the stability of the fault. It is considered that the ground stress test value of Juxian basin in Anqiu  Juxian fault does not reach the critical value of fault sliding.

Key words：   Anqiu  Juxian fault；hydraulic fracture method；crustal stress；fault activities; Juxian basin