鐘繼茂

(福建省地震局,福州 350003)

福建水口庫區(qū)次級(jí)斷裂的應(yīng)力分析和活動(dòng)特征研究＊

鐘繼茂

(福建省地震局,福州 350003)

為了解水口水庫地區(qū)次級(jí)斷裂的受力性質(zhì)和活動(dòng)特征,選用庫區(qū) 15個(gè) P波初動(dòng)清晰可靠的地震震源機(jī)制解,采用力軸張量計(jì)算法推算了該區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的主軸方向,進(jìn)而對(duì)斷裂進(jìn)行了應(yīng)力分析。結(jié)果表明,灣口斷裂受力性質(zhì)為壓性,其余為張性。根據(jù)庫區(qū)布設(shè)的 6個(gè)跨斷層短水準(zhǔn)場(chǎng)地觀測(cè)資料,通過線性擬合方法,發(fā)現(xiàn)西瓜洲斷裂為正斷活動(dòng),其余為逆斷活動(dòng)。最后對(duì)兩種方法得到的結(jié)果進(jìn)行了比較。

水口庫區(qū);斷裂;應(yīng)力分析;短水準(zhǔn)觀測(cè)資料;活動(dòng)特征

1 引言

水口水庫位于閩江中游,是華東地區(qū)最大的水庫。水庫蓄水后,由于水位的升降變化,導(dǎo)致庫區(qū)斷層孔隙水壓變化,應(yīng)力場(chǎng)改變,原先相對(duì)穩(wěn)定的斷層又重新趨于活動(dòng),誘發(fā)一系列水庫地震,引起社會(huì)各界的重視,許多學(xué)者就庫區(qū)水位與地震活動(dòng)的關(guān)系、水庫誘發(fā)地震的環(huán)境條件和地震最大震級(jí)預(yù)測(cè)等進(jìn)行了深入研究,并取得了一些成果[1-5]。

根據(jù)震源機(jī)制解研究現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)是目前普遍使用的方法之一。震源機(jī)制解反映著震源應(yīng)力狀況,雖然震源應(yīng)力場(chǎng)不等于構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng),因?yàn)闃?gòu)造應(yīng)力場(chǎng)所指是在較大地區(qū)和一定地質(zhì)時(shí)期內(nèi)由構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng),它是相對(duì)穩(wěn)定的,而震源應(yīng)力場(chǎng)是指發(fā)震時(shí)刻的應(yīng)力場(chǎng),為瞬間應(yīng)力場(chǎng)。但震源應(yīng)力場(chǎng)受構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)控制,可以用來探討地殼動(dòng)力學(xué)問題[6]。

對(duì)于水庫庫區(qū)地震,每個(gè)地震的震源機(jī)制解反映了震源應(yīng)力狀況,它是瞬間應(yīng)力場(chǎng),具有一定的隨機(jī)性,但是水庫地震本質(zhì)上說仍是構(gòu)造地震,可以用許多地震的 P軸方向作統(tǒng)計(jì)平均的方法獲得該地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力方向。力軸張量計(jì)算法[7]就是其中的一種。本文選用庫區(qū) 15個(gè) P波初動(dòng)清晰可靠的地震震源機(jī)制資料[8,9],采用力軸張量計(jì)算法推算了該區(qū)應(yīng)力場(chǎng)主軸方向。在此基礎(chǔ)上,對(duì)庫區(qū)地質(zhì)構(gòu)造所屬次級(jí)斷裂的受力狀態(tài)進(jìn)行了分析,根據(jù)斷層所受剪應(yīng)力方向和斷層走向關(guān)系,判斷斷層受力性質(zhì)。最后根據(jù)跨斷層短水準(zhǔn)觀測(cè)資料,采用線性擬合方法,對(duì)斷層的活動(dòng)特征進(jìn)行了研究。

2 水口庫區(qū)次級(jí)斷裂

水口水庫及其周圍地區(qū) (北緯 26°～27°,東經(jīng)118°～119°)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,存在 4組走向不同的主干斷裂帶,為北東-北北東向的政和-海豐斷裂帶和古田-青溪斷裂帶、南北向的浦城-嵩口斷裂帶、北西向的閩江斷裂帶和東西向的連江-閩清斷裂帶[9-12]。

由于庫區(qū)存在多組斷裂,為觀測(cè)不同走向斷裂的最新活動(dòng)狀況,于 1996年在庫區(qū)的西瓜洲、灣口、黃田、西塘、金沙和斜溪等地布設(shè)了 6個(gè)跨斷層短水準(zhǔn)測(cè)量場(chǎng)地 (圖 1)。其中金沙場(chǎng)地因點(diǎn)位被破壞,沒有觀測(cè)。

圖 1 水口庫區(qū)跨斷層短水準(zhǔn)場(chǎng)地分布圖Fig.1 Distribution of the cross-fault shor-levelling sites in Shuikou reservoir area

從圖 1可以看出：西瓜洲斷裂走向北東 50°,傾向南東,傾角 70°;灣口斷裂走向北東 50°,傾向北西,傾角 80°;黃田斷裂走向南北,傾向東,傾角 65°;西塘斷裂走向南北,傾向近垂直;金沙斷裂走向北東40°,傾向南東,傾角 80°;斜溪斷裂走向北東 40°,傾向南東,傾角 80°。因此從斷裂走向和場(chǎng)地布設(shè)來看,西瓜洲斷裂和灣口斷裂屬于北東向古田-青溪斷裂帶的次級(jí)斷裂,黃田和西塘這兩條斷裂屬于南北走向的浦城-嵩口斷裂帶的次級(jí)斷裂,而金沙和斜溪兩條斷裂則屬于北北東向政和-海豐斷裂帶的次級(jí)斷裂。

3 庫區(qū)區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)

3.1 力軸張量計(jì)算法基本思想

由多個(gè)地震震源機(jī)制解推算區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)主軸方向有多種方法。本文采用力軸張量計(jì)算法,該方法的基本思想是：在某一區(qū)域內(nèi)發(fā)生多次地震,分別給出每次地震震源機(jī)制解的雙力偶點(diǎn)源力軸張量在地理坐標(biāo)系中的表達(dá)式,計(jì)算多次地震的平均力軸張量各分量,然后通過求解相應(yīng)的本征方程得到主軸方向[7]。

3.2 區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)主軸方向

選用水口庫區(qū) 15個(gè) P波初動(dòng)清晰可靠的地震震源機(jī)制解[8],采用力軸張量計(jì)算法,得到該區(qū)應(yīng)力場(chǎng)主軸方向如表 1所示。

表 1 由震源機(jī)制解得到的庫區(qū)應(yīng)力場(chǎng)主軸方向(單位:°)Tab.1 D irection of pri ncipal axes of stress field i n the reservoir area obtianed from focal mechan ism resolution(un it:°)

根據(jù)表 1的計(jì)算結(jié)果,從 3個(gè)主應(yīng)力軸的方位來看：主壓應(yīng)力軸的方位角為 8°,即近 NS向;主張應(yīng)力軸方位角 101°,即近 EW向,這與文獻(xiàn)[8,9]關(guān)于主應(yīng)力方位的描述是一致的。從 3個(gè)主應(yīng)力軸的仰角來看：中等主應(yīng)力軸的仰角最大,這種應(yīng)力狀態(tài)有利于走滑型斷層的活動(dòng)。事實(shí)上,水庫蓄水晚期(1999—2003年)地震斷層皆為走滑斷層(見參考文獻(xiàn)[8]中的表 3),說明這一時(shí)期地震可能是構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用的結(jié)果。圖 2給出了庫區(qū)地震震源機(jī)制解的 P、B、T軸和由力軸張量計(jì)算法得到的σ1、σ2、σ3軸在下半球?yàn)鯛柗蚓W(wǎng)上的投影。

4 庫區(qū)次級(jí)斷裂的應(yīng)力分析

定義：斷層的正斷活動(dòng)方向,其單位矢量 u與斷層走向單位矢量 l和斷層面法向單位矢量 v符合右手法則,即 u=l×v。在區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)作用下,庫區(qū)次級(jí)斷裂要受到剪應(yīng)力作用。根據(jù)斷層所受剪應(yīng)力方向與斷層的正斷活動(dòng)方向的夾角α,來判斷斷層受力性質(zhì)是張性還是壓性,如果 0°≤α＜90°為張性,90°＜α≤180°則為壓性。

設(shè)應(yīng)力張量σ,斷層面所受應(yīng)力

可分解為正應(yīng)力

圖 2 福建水口水庫地區(qū)震源機(jī)制解的 P、B、T軸和由力軸張量計(jì)算法得到的σ1、σ2、=σ3軸在下半球?yàn)鯛柗蚓W(wǎng)上的投影Fig.2 The projections of P,B and T axes andσ1,σ2and σ3axes on the Wulff’s net from the focal mechanis m resolution of Shuikou reservoir

和剪應(yīng)力

從而

其中τ為剪應(yīng)力大小。

4.1 地理坐標(biāo)系和應(yīng)力主軸坐標(biāo)系

為描述斷層面的空間取向,需引入地理坐標(biāo)系(o,x,y,z),o為參考點(diǎn),x軸向北,y軸向東,z軸向下,ex、ey、ez為基矢量;為簡(jiǎn)便表達(dá)應(yīng)力張量,引入應(yīng)力主軸坐標(biāo)系 (o,σ1,σ2,σ3)(簡(jiǎn)稱主坐標(biāo)系),對(duì)應(yīng)的基矢量記為 e1、e2和 e3(圖 3)。在地理坐標(biāo)系中主坐標(biāo)系的基矢量可表示為：

式中,γ1、ψ1、γ2、ψ2、γ3、ψ3分別為應(yīng)力主軸σ1、σ2、σ3的方位角和仰角?？梢?由主坐標(biāo)系 (o,σ1,σ2, σ3)到地理坐標(biāo)系(o,x,y,z)的坐標(biāo)變換矩陣為

4.2 計(jì)算公式

在地理坐標(biāo)系 (o,x,y,z)中,如果斷層面的方位

角(從正北順時(shí)針量至斷層走向方向的角度)為 φS,傾角(斷層面與水平面的夾角)為δ,則斷層面的走向單位矢量和法向單位矢量分別為(圖 4)

圖 3 地理坐標(biāo)系和應(yīng)力主軸坐標(biāo)系示意圖Fig.3 Sketch of geographic cordinates and stress principal axes cordinates

因此,正斷層活動(dòng)方向單位矢量

用矩陣表示

圖 4 地理坐標(biāo)系中斷層面的空間取向[13]Fig.4 Spacial orientation of faulting plane in geographic coordinates

其中σ1、σ2、σ3為應(yīng)力主值。因此,

而剪應(yīng)力τ的大小可通過下面的主坐標(biāo)系下分量表達(dá)式求出。

4.3 計(jì)算結(jié)果

表 2 庫區(qū)次級(jí)斷裂的受力性質(zhì)(單位:°)Tab.2 Load characters of the second fault i n the reservoir area(un it:°)

從表 2可以看出,由于西塘斷裂傾向近垂直因而受力性質(zhì)不明,灣口斷裂受力性質(zhì)為壓性,其余均為張性。

5 庫區(qū)次級(jí)斷裂的活動(dòng)特征

為監(jiān)測(cè)水口庫區(qū)斷層垂直形變特征,布設(shè)了 6個(gè)跨斷層場(chǎng)地,除金沙場(chǎng)地外,其余 5個(gè)場(chǎng)地所在斷層上、下盤水準(zhǔn)點(diǎn)高差的原始觀測(cè)值及其線性擬合結(jié)果見圖 5。其中灣口場(chǎng)地從 2007年起停測(cè);西塘斷裂由于近乎垂直,受力性質(zhì)不明,沒有作線性擬合。表 3為場(chǎng)地所在斷裂平均活動(dòng)速率和受力狀態(tài)。

6 結(jié)論和討論

對(duì)比通過應(yīng)力分析得到的斷裂受力性質(zhì) (表 2)和根據(jù)原始觀測(cè)數(shù)據(jù)得到的斷裂受力狀態(tài) (表 3),發(fā)現(xiàn)西瓜洲和灣口兩個(gè)斷裂是一致的,分別為張性和壓性,但黃田和斜溪兩個(gè)斷裂不一致。對(duì)于這個(gè)結(jié)果,筆者認(rèn)為：

圖 5 場(chǎng)地水準(zhǔn)點(diǎn)高差原始觀測(cè)值及其線性擬合Fig.5 Original observations and their linear simulation of the height difference between site levelling points

表 3 斷層形變速率及活動(dòng)方式Tab.3 Deformation rate and activity mode of each fault

1)西瓜洲和灣口兩個(gè)場(chǎng)地位于庫區(qū)地震的震中地區(qū),即大致在北緯 26°22′～26°26′,東經(jīng) 118° 40′～118°45′范圍內(nèi),并特別集中于三面環(huán)江的前洋村,分布范圍約 13 km2[10,11]。本文采用的力軸張量計(jì)算法是基于地震的震源機(jī)制解,得到的應(yīng)力主軸方向反映了震源區(qū)應(yīng)力狀態(tài),所以兩種方法得到西瓜洲和灣口斷裂的受力性質(zhì)是一致的。

2)黃田和斜溪兩個(gè)斷裂不一致說明庫區(qū)應(yīng)力場(chǎng)是不均勻的,可能與復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)。如前所述,震中區(qū)應(yīng)力場(chǎng)主壓應(yīng)力軸近NS向,主張應(yīng)力軸近 EW向。而庫區(qū)其他地方的應(yīng)力場(chǎng)可能不是這樣。

3)利用地震的震源機(jī)制解,采用力軸張量計(jì)算法推算應(yīng)力場(chǎng)主軸方向,可以也只能得到震源區(qū)應(yīng)力狀態(tài)。

致謝 感謝黃松風(fēng)高級(jí)工程師提供水口庫區(qū)跨斷層短水準(zhǔn)場(chǎng)地的觀測(cè)資料!

1 鄭小菁,林頤耀,李華.水口庫區(qū)水位與地震活動(dòng)的關(guān)系[J].地殼形變與地震,1999,19(增 1)：179-181.

2 鄭小菁,陳瑩.水口水庫誘發(fā)地震與庫水位變化相關(guān)性研究[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué),2005,25(?？?：41-44.

3 郭逢英,等.水口庫區(qū)的地形變觀測(cè)與誘發(fā)地震[J].地殼形變與地震,1999,19(增 1)：170-174.

4 許振棟.福建水口水庫地震成因探討[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué),2005,25(?？?：67-70.

5 許振棟.福建水口水庫誘發(fā)地震最大震級(jí)預(yù)測(cè)[J].地震地磁觀測(cè)與研究,2004,25(3)：58-62.

6 丁祥煥,王耀東,葉盛基.福建東南沿海活動(dòng)斷裂與地震[M].福州：福建科學(xué)技術(shù)出版社,1999.

7 鐘繼茂,程萬正.由多個(gè)地震震源機(jī)制解求川滇地區(qū)平均應(yīng)力場(chǎng)方向[J].地震學(xué)報(bào),2006,28(4)：337-346.

8 林松建,連玉平,陳為偉.水口水庫地區(qū)地震震源機(jī)制解特征分析[J].地震,2007,27(1)：114-119.

9 林松建,等.水口水庫誘發(fā)地震特征與發(fā)震斷裂的探討[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué),2007,27(1)：40-44.

10 彭美鳳,林世敏,林松建.水口水庫地震及其活動(dòng)特征[J].華南地震,1997,17(2)：83-89.

11 許振棟,陳傳昌.水口水庫誘發(fā)地震研究[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué),2004,24(2)：58-63.

12 劉峰.水口水庫誘震的環(huán)境條件和庫區(qū)垂直形變特征[J].華南地震,1999,19(4)：77-81.

13 Aki K and Richards P G.Quantitative seismology：Theory and methods[M].San Francisco：Freeman and Company, 1980.

STRESS ANALYSIS AND RESEARCH ON ACTIVITY CHARACTERISTIC OF SECONDARY FAULTS IN SHUIKOU RESERVO IR AREA,FUJIAN

Zhong Jimao
(Earthquake Adm inistratoin of Fujian Province,Fuzhou 350003)

To understand the stress nature and activity characteristics of secondary faults in Shuikou reservoir area,with the focalmechanism data of 15 earthquakes which have clear and reliable P-wave first motions,we deduced the direction of principal axes of tectonic stress field in this area by using the algorithm of mechanical axis tensor,and then made stress analysis of the faults.The results show that the stress nature of onlyWankou fault is compressive and the others are tensional.On the basisof cross-fault short-leveling data of 6 sites in the reservoir area,we found out,by using the linear fittingmethod,that the Xiguazhou faultmoves normally and the other move reversely.Finally,the resultswith the two methodswere compared and discussed.

Shuikou reservoir area;fault;stress analysis;short-leveling data;activity characteristic

1671-5942(2010)Supp.(Ⅰ)-0012-05

2009-12-14

鐘繼茂,男,1964年生,碩士,工程師,主要從事地震預(yù)報(bào)研究.E-mail：zjm85403@yahoo.com.cn

P315.72+6

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