陳群策，豐成君，孟 文，秦向輝，安其美

1 國土資源部新構造運動與地質災害重點實驗室，北京 100081

2 中國地質科學院地質力學研究所，北京 100081

3 中國地震局地殼應力研究所，北京 100085

1 引 言

地震的孕育和發(fā)生是地殼構造應力積累超過了斷層面的受力極限，斷層破裂失穩(wěn)而導致應變能瞬間釋放的結果.因此，對震源區(qū)（包括潛在震源區(qū)）地應力場的研究一直是相關領域的一個熱點研究問題.5.12汶川特大地震發(fā)生后，龍門山斷裂帶及其附近現今地應力的賦存狀態(tài)引起了人們廣泛的關注，并獲得了一系列研究成果［1-2，12，14］.

針對龍門山斷裂發(fā)震機理研究，以及該斷裂帶地震趨勢及危險性分析等重要問題，在深部探測技術專項項目“重要地區(qū)地應力測量與監(jiān)測及構造應力場綜合研究（SinoProbe－06－03）”以及地質調查項目“青藏高原東緣主要斷裂帶地應力監(jiān)測”等項目經費的支持下，我們自2009年開始，至2012年初，在龍門山斷裂帶東北段開展了6個鉆孔的原地應力測量工作，鉆孔深度在200～500m之間，總計獲得了72個測段的地應力測試數據以及其中33個測段的印模定向試驗結果，為研究該區(qū)域現今地應力場的賦存和分布特征提供了重要的基礎資料.

已有研究結果表明，龍門山斷裂帶現今構造活動具有分段性特征［4-5］.具體表現為其西南、東北兩段在活動周期、活動程度以及活動方式等方面存在著明顯的差異性.這些研究成果主要是基于地質調查方法而得到的運動學方面的認識，缺乏現今構造應力場方面研究成果的支持.本文以上述6個鉆孔的地應力實測數據為主，結合已有的研究成果，對龍門山斷裂帶東北段現今地應力的分布特征，包括地應力的作用強度和作用方向進行了分析，并給出了其分段性特征.對于龍門山斷裂帶現今構造活動性以及5.12汶川特大地震的孕震機理研究具有一定的啟示和借鑒作用.

2 研究區(qū)域地質構造背景

5.12汶川大地震發(fā)生于青藏高原東緣的龍門山斷裂帶.該斷裂帶南起瀘定、天全，向東北經灌縣、茂汶、北川、廣元后進入陜西勉縣一帶，總體呈NE—SW向展布，長約500km，寬30～40km.主要由龍門山后山斷裂、主中央斷裂、前山斷裂和山前隱伏斷裂等4條主干斷裂及其控制的逆沖構造巖片（推覆體）組成的具有前展式發(fā)育特點的推覆構造帶［3-4］.

對龍門山斷裂帶分段性特征調查和綜合分析認為，大致以岷山隆起東界近SN向虎牙斷裂，和北川至安縣一線的擂東斷裂為界，龍門山斷裂帶分為西南段和東北段（圖1）.其西南段，受青藏高原強烈隆升的影響及其產生的側向擠壓作用，第四紀以來一直存在明顯的活動，晚更新世以來活動強烈；東北段自第四紀以來活動性明顯減弱，晚更新世趨于停息，小震活動微弱.陳國光等人從大地構造動力學環(huán)境的分析認為，晚三疊世中晚期的印支運動，松潘—甘孜造山帶全面褶皺隆升，并由北向南往揚子陸塊逆沖推覆，使龍門山斷裂帶成形，同時控制了前陸盆地的形成和發(fā)展.到第四紀，由于青藏高原強烈隆升及其產生的側向擠壓作用，使高原東北部的川青地塊向SEE滑移.該滑動地塊不僅導致其東緣SN向的岷山擠壓抬升，而且因岷山隆起的限制和阻擋，致使龍門山斷裂帶中段和西南段強烈活動，它們共同構成川青地塊東部的活動邊界，而龍門山斷裂帶東北段則被廢棄，致使其活動性明顯減弱［5］.

3 研究區(qū)水壓致裂地應力測量結果及其分析

水壓致裂原地應力測量是目前進行深孔應力測量最為有效的手段，也是國際巖石力學測試技術專業(yè)委員會推薦的進行巖體應力測量的主要方法之一［6］.目前，該技術方法被廣泛應用于水利水電工程、深埋鐵路和公路隧道、核廢料處置及石油戰(zhàn)略儲備庫場址選擇等重大工程的勘測設計中，在地球動力學基礎研究以及地震預測研究等領域也得到了重視和應用，獲得了一系列重要的研究成果［7-9］.本文給出的地應力測量成果均為水壓致裂地應力測量結果.

需要指出的是，在本文給出的6個鉆孔的地應力測量結果中，現場測試程序以及數據采集、處理和計算方法嚴格按照相關技術規(guī)范執(zhí)行［6］.對于裂縫的瞬時關閉壓力，采用計算機自動取值的數據處理方法，如dt／dp、dp／dt和單切線法［10］，并且用上述方法中不少于兩種方法的結果的平均值做為最終計算結果.另外，簽于水壓致裂印模定向試驗結果常常存在一定的離散性，對于每一個鉆孔，在條件允許的情況下，單孔印模段數一般不少于5次，有的多達8次以上，以此盡可能增加試驗結果的可靠性.

3.1 各測點地應力測量結果簡介

各測點編號分別為 PW－1、QZ－1、QZ－2、QZ－3、GY－1、GY－2.其具體位置如圖1所示.下面對各測點的相關信息和測試結果分別進行簡要的介紹.

PW－1：該測點位于四川平武縣木座鄉(xiāng)和平行政村下達里自然村，緊靠省道，交通條件便利.鉆孔坐標：32°37′25″N，104°29′54″E，孔口高程：1315.00m.鉆孔深度500.00m，揭露的地層巖性主要為震旦系上統(tǒng)木座組（Zbm）灰色厚塊狀含礫黑云母變粒巖，以及黑云母變粒巖.巖芯堅硬完整，常見連續(xù)完整的2～3m巖芯柱，對于開展水壓致裂應力測量十分有利.現場試驗共獲得了17個測段的有效測試數據，以及其中7個測段的印模定向有效試驗數據（詳見表1）.在此需要說明的是，在表1中列出了7個測段的印模定向試驗數據.實際上，現場測試進行了更多的印模定向試驗，但印模效果不好，未得到清晰的印模痕跡，無法確定誘發(fā)破裂的方位.另外，在給出的7個測段的印模結果中，有3個測段的印模結果明顯不同于其余4個測段，經現場分析認為可能是預存的裂隙張開所致，因而在計算該測點的最大水平主應力優(yōu)勢作用方向時予以舍棄.以下個別測點的測試結果中也存在類似問題，就不再作說明.

從該測點的測試結果中（見表1），可以看出，在該孔孔深99.13～439.00m測試深度范圍內，最大水平主應力的量值范圍在4.90～46.82MPa之間；最小水平主應力的量值范圍在3.21～25.39MPa之間.

圖1 研究區(qū)主要斷裂與地應力測量鉆孔位置圖Fig.1 Sketch showing main faults and location of test boreholes in the study area

表1 汶川5.12大地震后龍門山斷裂帶東北段地應力測量結果Table 1 Results of in－situ stress measurement of the north－east parts of Longmenshan Fault after the 5.12Wenchuan earthquake

續(xù)表1Table 1 （continued）

QZ－1：該測點位于四川江油市北大康鎮(zhèn)附近，孔口坐標為：E104°44′58″，N31°49′09″，孔口高程583.00m.鉆孔終孔深度200.57m.從鉆探巖芯來看，地層主要為侏羅系上統(tǒng)蓮花口組（J3l）紫紅色細砂巖，兼有泥巖、頁巖和泥灰?guī)r.總體來看，巖石完整、堅硬，節(jié)理裂隙不發(fā)育，有利于選擇完整巖石段，開展水壓致裂原地應力測量.

在該孔孔深85.40～178.50m測試深度范圍內，共取得了8個測段的地應力測試結果和其中4個測段的印模定向有效試驗數據（詳見表1）.最大水平主應力的量值范圍在4.73～11.26MPa之間；最小水平主應力的量值范圍在3.76～8.10MPa之間.

QZ－2：該測點位于四川省北川縣桂溪鎮(zhèn)永利村北，孔口坐標為：E104°39′59″，N31°57′46″，孔口高程628.00m.鉆孔終孔深度200.55m.從鉆探巖芯來看，地層主要為泥盆系中統(tǒng)甘溪組（D2g）砂巖、粉砂巖.總體來看，巖石完整、堅硬.相比較QZ－1，巖石完整性稍差.

在該孔孔深58.00～195.00m測試深度范圍內，共取得了9個測段的地應力測試結果和其中5個測段的印模定向有效試驗數據（詳見表1）.最大水平主應力的量值范圍在2.46～7.07MPa之間；最小水平主應力的量值范圍在1.82～6.48MPa之間.該孔獲得的5個測段印模定向試驗結果一致性較好.

QZ－3：該測點位于四川省北川縣桂溪鎮(zhèn)永利村南，與QZ－2測點直線距離約1.0km.孔口坐標為：E104°40′20″，N31°57′17″，孔口高程624.00m.鉆孔終孔深度200.40m.從鉆探巖芯來看，巖石地層和QZ－2測點相同，主要為泥盆系中統(tǒng)甘溪組（D2g）砂巖、粉砂巖，總體來看，巖石完整、堅硬.

在該孔孔深77.00～193.00m測試深度范圍內，共取得了11個測段的地應力測試結果和其中3個測段的印模定向有效試驗數據（詳見表1）.最大水平主應力的量值范圍在3.85～15.91MPa之間；最小水平主應力的量值范圍在2.77～9.18MPa之間.

GY－1：測點位于廣元市蟠龍鎮(zhèn)附近，緊鄰108國道和綿廣高速公路，交通便利.孔口坐標為：E105°41′38″，N32°23′47″，孔口高程 539.00m.鉆孔終孔深度400.00m.鉆孔揭露的地層主要為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組灰色塊狀長石石英砂巖和紫色粉砂巖.

在該孔孔深67.00～323.00m測試深度范圍內，共取得了12個測段的地應力測試結果和其中6個測段的印模定向有效試驗數據（詳見表1）.最大水平主應力的量值范圍在2.90～33.12MPa之間；最小水平主應力的量值范圍在2.55～18.98MPa之間.

GY－2：測點位于廣元市三堆鎮(zhèn)龍洞鄉(xiāng)，緊鄰212國道.孔口坐標為：E105°32′57″，N32°33′41″，孔口高程727.00m.鉆孔終孔深度400.00m.鉆孔揭露的地層主要為泥盆系中統(tǒng)觀霧山組白云巖、石英砂巖和粉砂巖.

在該孔孔深68.00～348.00m測試深度范圍內，共取得了15個測段的地應力測試結果和其中8個測段的印模定向有效試驗數據（詳見表1）.最大水平主應力的量值范圍在2.55～25.24MPa之間；最小水平主應力的量值范圍在2.07～13.76MPa之間.

另外需要提及的是，對以上各測點測試數據進行對比分析發(fā)現，三向主應力的關系均表現為SH＞Sh＞Sv（參見表1和圖2），由此表明研究區(qū)淺表層地殼應力狀態(tài)以水平應力作用為主的特征.其中SH、Sh分別是實測的最大和最小水平主應力；Sv是根據上覆巖石埋深計算的垂向主應力，計算公式為Sv＝ρgh，其中，ρ為巖石密度，g為重力加速度，h為測段處上覆巖石埋深.

以下，將主要針對地應力的量值及其作用方向，對各測點的地應力測試數據進行進一步的分析，以獲得龍門山斷裂帶東北段現今地應力的分布特征.

3.2 對各測點地應力量值的分析和討論

眾所周知，在地殼巖層的三維空間內，存在著不同尺度的不連續(xù)帶和不連續(xù)面，如斷裂帶、巖脈、斷層、裂隙、節(jié)理等.地殼介質的不連續(xù)性和非均質性造成了地殼應力賦存狀態(tài)的非均質性和復雜性.探測和揭示地殼應力場的非均質性，進而獲得地應力的賦存狀態(tài)和空間分布規(guī)律是開展地應力測量與研究的主要目的，也是深入研究地震孕育和發(fā)生機制的重要途徑.

對以上6個測點的地應力測量結果進行初步分析，可以發(fā)現，不同測點的地應力測量結果存在一定的差異性，比如，PW－1測點的應力值明顯偏高，在該孔的253.96m、366.00m兩個測段深度，最大水平主應力分別高達45.17MPa和46.82MPa.而其余測點獲得的地應力值一般不超過15MPa.為了對這一現象進行深入的分析，下面以實測數據為基礎，結合庫侖破裂準則，并引用Byerlee等人關于斷層滑動方面的研究成果［11-12］，對上述測點附近的地應力狀態(tài)進行研究.

庫侖準則指出，如果斷層面上的剪應力τ大于或等于滑動摩擦阻力μσn，則斷層出現滑動.若再引入有效應力的概念，在可能產生滑動的斷層面上最大與最小有效應力之比是“摩擦系數”μ的函數，并表示為

式中S1和S3分別為最大與最小水平主應力值，P0為孔隙壓力，μ為滑動摩擦系數.

若最大與最小有效主應力之比小于（（μ2＋1）1／2＋μ）2值，則斷層面穩(wěn)定，若大于或等于此值，則在方位合適的層面上可能發(fā)生滑動.關于μ的取值，Byerlee綜合各種類型的巖石試驗資料得出，大部分巖石的摩擦系數位于0.6～1.0之間，在應力值小于100MPa時，巖石的μ值大多為0.85［11］.在本項分析中，μ值上下限分別取0.6和1.0.

在以上關于測量結果的介紹中，已經知道6個測點的應力狀態(tài)均表現為SH＞Sh＞Sv.按照以上所述的基本原理，S1＝SH；S3＝Sv.對于給定的深度，首先計算出垂向應力Sv，進而根據上述公式計算出SH的臨界值，從而分別得到對應μ值分別為0.6和1.0的兩條臨界線，如圖2所示.從圖中可以看出，QZ－1測點除個別測段深度外，所有深度的最大水平主應力的實測值均位于臨界線的左側，也就是說，該測點最大水平主應力的量值均未超過臨界應力值；對于QZ－2測點，所有測段實測應力值均在臨界線的左側.至于GY－2和GY－3測點，除個別測段外，其最大水平主應力實測值均低于臨界值.QZ－3測點較前面幾個鉆孔則顯示出較強的斷層活動性，最大水平主應力大多超過了斷層滑動的最小臨界值，但仍未超過最大臨界值.與其他測點相比，PW－1測點顯示了明顯的不同，除個別測段外，大部分測段的實測應力值超過了臨界值，甚至超過了當μ取值為1.0時的最大臨界值.

圖2 各測點主應力隨孔深分布示意圖Fig.2 Distributions of principal stresses with borehole depths

以上，利用庫侖準則對各測點的應力狀態(tài)進行了對比分析.實際上該準則在水庫誘發(fā)地震以及油氣開采中由于注水造成的斷層失穩(wěn)分析中應用的最為廣泛，也取得了重要的研究成果和實際效益.但是此處的分析其目的并非在于討論斷裂的穩(wěn)定性，而是借此分析以揭示各點現今地應力作用強度特征.從上述分析中可以看出，位于龍門山斷裂帶上盤的PW－1測點，其應力作用強度明顯高于位于下盤的其余測點.斷裂帶兩側應力作用強度存在較大的差異.

3.3 龍門山斷裂帶東北段現今地應力作用方向基本特征

除了作用強度特征以外，地應力的另一個重要表征參數是應力作用方向.在上述6個鉆孔中，通過水壓致裂原地應力測量，獲得了33個測段的印模定向數據.根據印模定向實驗數據，確定了每個鉆孔相應深度段的地應力作用方向.需要指出的是，和一般工程測量不同，在這6個鉆孔的現場測量過程中，我們盡可能多地開展了印模定向實驗，其目的就在于盡可能準確地獲得每個測點附近最大水平主應力的優(yōu)勢作用方向，為該區(qū)域現今構造活動研究提供可靠的地應力基礎資料.在這些印模定向實驗資料中，大部分鉆孔的實驗數據一致性較好，但也存在個別鉆孔資料較分散的現象，如PW－1測點，在該孔所獲得7個印模定向實驗結果中，存在兩個優(yōu)勢方向，其一為北東—北東東方向，其二為近南北方向.在對原始資料進行認真分析和比對的基礎上，我們認為近南北方向的印模結果可能受原生裂隙的影響，不代表原地應力作用方向.在對所有原始資料進行核對和確認的基礎上，對每個測點的印模定向實驗數據進行了統(tǒng)計計算，得到其最大水平主應力的優(yōu)勢作用方向，結果詳見表2和圖3.另外，需要指出的是，由于QZ－2、QZ－3兩個鉆孔相距很近（直線距離不到1km），且其數據結果比較接近，因而在統(tǒng)計計算中將兩個鉆孔資料進行統(tǒng)一計算處理，并標注在圖3中.

圖3 龍門山斷裂東北段現今地應力作用方向示意圖Fig.3 Directions of in－situ stress around northeast section of the Longmenshan fault zone

表2 龍門山斷裂帶東北段現今地應力作用方向Table 2 Directions of in－situ stress around northeast section of Longmenshan fault zone

關于龍門山斷裂帶及其周邊地區(qū)現今地應力的作用方向，已有的研究主要從斷裂活動特征和震源機制解分析入手，從較大的區(qū)域范圍討論龍門山斷裂帶及其附近區(qū)域的現今構造應力場總體特征.如張致偉等人利用汶川地震前該區(qū)域記錄的數字地震波資料，測定了其震源機制解［13］，其研究結果表明，紫坪鋪庫區(qū)（汶川主震起始破裂區(qū)）和龍門山斷裂帶呈現的主壓應力方位分別為132.6°和116°，與根據汶川8.0級地震震源機制解給出的主壓應力方位（103°～122°）大體一致.謝富仁等人從應力分區(qū)的角度對中國大陸現今地應力分布特征進行了比較全面和系統(tǒng)的研究.在研究中，將龍門山斷裂帶及其附近區(qū)域劃入中國大陸四級應力分區(qū)之一的龍門山—松潘應力區(qū)［14］.在該應力分區(qū)中，根據水壓致裂、應力解除、鉆孔崩落、震源機制解和斷層滑動資料得到的最大水平主壓應力方向分布圖，其優(yōu)勢方位集中在80°～130°之間.但限于研究手段和研究程度所限，這些研究都未能進一步給出關于龍門山斷裂帶更細致的應力分區(qū)特征.

值得一提的是，劉健等人從地質構造分析入手，主要借助于斷層滑動擦痕反演構造應力場的技術手段，對龍門山斷裂帶及其鄰近區(qū)域現今構造應力作用方向特征進行了較深入的研究.其研究結果表明，大致以北川為界，龍門山斷裂帶西南段及其鄰近區(qū)域的最大主壓應力的方向為近水平的NW—NWW向，其東北段最大主壓應力為近水平的SWW—W向［15］.這一研究結論從側面佐證了本文給出的龍門山斷裂帶東北段的地應力測量結果.

基于以上分析可以認為，龍門山斷裂帶現今地應力的作用方向呈現出與川青塊體總體格局不盡一致的現象.突出表現為，沿龍門山斷裂帶及其附近區(qū)域，其現今構造應力場表現為一定的分段性特征.大致以北川為界，其東北一側的北川、江油、平武的最大水平主應力優(yōu)勢方向為NEE向；廣元附近為NWW或近東西方向.顯然有別于川青塊體現今構造應力場擠壓方向總體為北西方向的總體特征.對此可能的解釋是，岷山隆起帶可能對來自西側的中下地殼軟流物質阻擋作用，使其發(fā)生北東方向分流，其上部的上地殼物質也發(fā)生了同方向的運動，從而應力方向由NW向NE方向轉換［15］.而遠離岷山隆起帶的區(qū)域，由于受到華南應力分區(qū)的影響，應力方向又趨于NWW方向.因而從中央斷裂的北川縣—南壩鎮(zhèn)到后山斷裂的平武縣—青川縣主壓應力方向逐漸由NE—NEE向NWW轉換.

4 認識和討論

本文給出了龍門山斷裂帶東北段6個測點的水壓致裂原地應力測量結果，包括72個測段的地應力量值測試數據和33個測段的印模定向試驗數據.根據這些實測數據，對該區(qū)域現今地應力的分布特征進行了初步的分析，得到以下認識和結論：

（1）在給出的6個測點數據中，位于龍門山中央斷裂帶上盤的平武測點，實測應力值明顯高于位于下盤的其余5個測點.根據庫侖準則，結合Byerlee定律對各測點實測數據進行分析，可以看出，平武測點大部分測段的最大水平主應力實測值高于μ值取值為0.6對應的臨界值；與之相比，其余測點在不同深度得到的實測值，除個別測段外均小于對應的臨界值.據此可以初步認為，龍門山斷裂帶上盤現今地應力的作用強度高于下盤.龍門山斷裂帶上、下兩盤現今地應力賦存狀態(tài)特征及其差異性顯示該區(qū)域處于不均衡的應力環(huán)境，容易導致斷裂失穩(wěn)而產生新的活動.

（2）根據印模定向試驗數據，獲得了6個測點處現今地應力的優(yōu)勢作用方向.研究結果表明，龍門山斷裂帶東北段的北川、江油、平武的最大水平主應力優(yōu)勢方向為NEE向；廣元附近為NWW或近東西方向.結合已有的研究成果，初步得到龍門山斷裂帶現今地應力作用方向的分段性特征，即大致以北川為界，龍門山斷裂帶北段應力方向顯示了與其西南段不同的特征.其西南段現今地應力的優(yōu)勢作用方向為北西方向，與川青塊體的現今構造活動特征顯示了較好的一致性和協(xié)調性.而龍門山斷裂帶東北段則顯示了與之明顯有別的現今地應力作用方向特征，自江油、北川、平武一帶至廣元、青川附近，其現今地應力的最大水平主壓應力的優(yōu)勢作用方向呈現了NEE→NWW的賦存狀態(tài)和變化趨勢.

（3）有關研究表明，不同應力分區(qū)之間的轉換帶或過渡帶往往表現為應力作用方向的突然變化，相應地，應力分區(qū)之間的轉換帶往往是應力集中區(qū)，也是孕震和發(fā)震的危險區(qū)［16］.就此而言，作為龍門山斷裂帶西南和東北兩個應力分區(qū)的分界和轉換地帶，汶川—北川一帶具有發(fā)生地震的動力學條件.本文獲得的研究結果對于認識5.12汶川特大地震的動力學機制具有一定的借鑒和啟示作用.

截至目前為止，尚未有關于龍門山斷裂帶應力分區(qū)的文獻公開發(fā)表.本文基于龍門山斷裂帶東北段6個鉆孔的地應力實測數據，結合已有的相關研究成果，對龍門山斷裂帶東北段現今地應力的分布特征進行了初步的分析和研究，就其現今地應力的作用強度以及作用方向特征得到了一些初步認識和結論，并進一步指出龍門山斷裂帶東北段有別于其西南段的現今應力場分區(qū)特征.需要指出的是，文中利用的實測資料主要限于6個鉆孔的數據，據此得到的認識難免存在一定的局限.希望以后能夠有更多可靠的地應力實測數據參與計算分析，以期獲得更為全面和翔實的研究成果，為該區(qū)域地球動力學基礎研究以及地震孕育和發(fā)生機理研究提供地應力依據.

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