李 宏，謝富仁，王海忠，董云開，俞建軍

中國地震局地殼應(yīng)力研究所（地殼動力學(xué)重點實驗室），北京 100085

1 引 言

中國大陸位于歐亞板塊，其地殼的各種構(gòu)造變化來自于印度洋板塊、太平洋板塊（包括菲律賓板塊）的推動以及青藏高原物質(zhì)的重力驅(qū)動等力源.由于大陸地殼復(fù)雜的構(gòu)造格局、地殼固體介質(zhì)的不均一性，這些驅(qū)動作用傳遞引起的地殼應(yīng)力場的分布是不均勻的.地球表面變形和地殼內(nèi)部的構(gòu)造運動及其產(chǎn)生的各種地質(zhì)災(zāi)害都與地殼應(yīng)力作用密切相關(guān).地殼應(yīng)力狀態(tài)的變化是導(dǎo)致斷裂、褶皺乃至發(fā)生地震的最直接動因.探索地殼應(yīng)力狀態(tài)及其作用規(guī)律是人類認識地球內(nèi)部物理過程和研究斷層活動性的重要科學(xué)命題.

地應(yīng)力的大小和方向隨時間的和空間位置的不同而變化，構(gòu)成地應(yīng)力場.按照地應(yīng)力場的形成和活動年代劃分為古構(gòu)造應(yīng)力場和現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場，存在于當前地殼內(nèi)的地應(yīng)力場，叫做現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場；古構(gòu)造應(yīng)力場（也叫做地質(zhì)歷史時期構(gòu)造應(yīng)力場）是指相對較老地質(zhì)時期的構(gòu)造應(yīng)力場，可按其具體地質(zhì)時期進一步詳細劃分，諸如燕山期構(gòu)造應(yīng)力場等.應(yīng)力場的研究不能完全依靠理論分析，因為應(yīng)力場具有時、空變化的特征.現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場是經(jīng)歷了各個地質(zhì)時期的動力作用和構(gòu)造運動的結(jié)果，而各地質(zhì)時期巖石介質(zhì)的本構(gòu)關(guān)系是不清楚的，完全的理論描述幾乎是不可能的.因而現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場的研究必須依賴地應(yīng)力的實測資料[1］.

烏魯木齊是新疆的政治、經(jīng)濟、文化中心.烏魯木齊及附近地區(qū)地殼活動較為強烈，地震活動也較頻繁，1906年曾在距離烏魯木齊以西180多公里的瑪納斯地區(qū)發(fā)生過7.7級大地震，1934年在烏魯木齊市北發(fā)生過6.0級地震，1965年在烏魯木齊市東北方向發(fā)生過6.6級地震，近年來烏魯木齊市區(qū)周圍發(fā)生過多次中等地震.因此，現(xiàn)今地殼應(yīng)力狀態(tài)的測量研究，對大陸動力學(xué)、地震學(xué)和防震減災(zāi)研究具有重要意義.

水壓致裂技術(shù)，起源于美國肯薩斯修果頓天然氣田，它是石油和天然氣開采的重要的增產(chǎn)措施.哈伯特和威利斯發(fā)表了水壓致裂產(chǎn)生的張破裂與周圍應(yīng)力關(guān)系的理論研究成果[2］，經(jīng)過幾十年理論和實驗研究，水壓致裂地應(yīng)力測量成了目前測量地殼深部應(yīng)力有效而實用的方法.

為了查明烏魯木齊目標區(qū)西山—碗窯溝斷裂和雅瑪里克斷裂地應(yīng)力分布特征，在目標區(qū)20km×20km的范圍內(nèi)布置12個基巖應(yīng)力鉆孔，共布置了2條觀測剖面，第一剖面是沿西山—碗窯溝斷裂走向布置了HFZK7—HFZK12和HFZK2共7個鉆孔構(gòu)成走向剖面，第二剖面在垂直西山—碗窯溝斷裂和雅瑪里克斷裂走向布置HFZK1—HFZK6共6個鉆孔構(gòu)成垂直剖面.目標區(qū)測試鉆孔周邊地形起伏不大，對測量結(jié)果不構(gòu)成影響.鉆孔布置圖見圖1.采用水壓致裂地應(yīng)力測量技術(shù)進行了基巖原地應(yīng)力測量，得到了地表淺部構(gòu)造應(yīng)力的大小、方向和分布特征.根據(jù)實測的地應(yīng)力資料，用庫侖摩擦滑動準則分析研究了斷裂帶的活動性.

2 烏魯木齊區(qū)域地質(zhì)和目標活動構(gòu)造

烏魯木齊市區(qū)位于烏魯木齊山前坳陷東南部，博格達復(fù)背斜的東部（NE向），西部為NWW向的北天山復(fù)向斜，烏魯木齊市區(qū)處于幾個不同方向構(gòu)造的交匯部位，構(gòu)造情況較為復(fù)雜.市區(qū)內(nèi)共有活動斷裂13條，其中3條主要活動斷裂作為本研究的目標斷層[3］：

（1）碗窯溝斷裂發(fā)育在七道灣背斜的北翼，始于鯉魚山南側(cè)，延至阜康水磨溝，走向NE，長50余公里，向北陡傾，傾角60°～80°左右，為逆沖斷裂.斷裂兩側(cè)第四系厚度在鯉魚山—紅光山落差達20m.七道灣—蘆草溝的落差達130m左右.地下水沿斷裂一線形成上升泉.在堿溝煤礦，破碎帶寬約30m，侏羅系煤層向南逆沖到上更新統(tǒng)黃土和礫石層上，黃土層受擠壓變動片理化較明顯，斷裂為晚更新世晚期的活動斷裂.應(yīng)力測量鉆孔HFZK1位于碗窯溝斷裂東段上盤0.7km處，HFZK2和HFZK3位于碗窯溝斷裂東段的下盤0.3km和1.0km處，測量鉆孔未穿過斷層.

（2）西山斷裂西起硫磺溝，在耐火材料廠分為兩支，北支延伸至鯉魚山南；南支向東與雅瑪里克斷裂相交，全長36km，走向近EW，斷面N傾，傾角44°～57°，具逆沖性質(zhì).往東可能和碗窯溝斷裂相通.在四道岔探槽中，上部切割了全新世堆積物，垂直錯距為1.34m，傾向水平錯距為0.78m，斷裂為晚更新世晚期的活動斷裂.應(yīng)力測量鉆孔HFZK7—HFZK12都位于西山斷裂帶附近.

（3）雅瑪里克斷裂西起雅瑪里克山西側(cè)，東至白楊南溝上游澇壩溝，長約200km，走向NE，傾向SE，傾角60°～80°，為逆沖性質(zhì).斷裂兩側(cè)地貌差異很大，斷裂地貌清晰，沿斷裂有線狀排列的泉水及溫泉出露，水磨溝溫泉處在該斷裂帶上.七紡醫(yī)院開挖地基時揭露出斷層南盤侏羅系逆沖在晚更新世含礫黃土狀亞砂土之上，形成0.8～1.0m的垂直斷距，認為斷裂為晚更新世活動斷裂.應(yīng)力測量鉆孔HFZK4位于雅瑪里克斷裂東段的北側(cè)1.6km處，HFZK5位于雅瑪里克斷裂東段的南側(cè)4.5km處.

3 烏魯木齊及周邊構(gòu)造應(yīng)力基本特征

李四光在20世紀40年代明確提出了構(gòu)造應(yīng)力場的研究方向，對構(gòu)造應(yīng)力場的概念、性質(zhì)、特征等也做了確切的論述.鄧起東等根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造、地震和地殼形變等資料，研究了中國晚第三紀以來構(gòu)造應(yīng)力場的主要特征[4］.他們的研究結(jié)果表明，中國區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場有明顯的分區(qū)特點：構(gòu)造應(yīng)力場以水平應(yīng)力分量為主，但某些地區(qū)由于深部物質(zhì)運動可能同時存在垂直附加力的作用.中國大陸構(gòu)造應(yīng)力場受印度板塊和太平洋板塊的聯(lián)合作用控制.謝富仁等根據(jù)震源機制解、原地應(yīng)力測量、鉆孔崩落、斷層擦痕反演等實測資料和構(gòu)造分析，將新疆及其鄰區(qū)應(yīng)力場進行了應(yīng)力分區(qū)研究，區(qū)內(nèi)最大主壓應(yīng)力方向以南北向為主，應(yīng)力結(jié)構(gòu)類型以逆斷型和走滑型為主[5］.崔效鋒利用137個地震震源機制解數(shù)據(jù)，對伽師及周圍地區(qū)現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場的時空變化特征進行了反演分析[6］.高國英對1991—2002年新疆44次中強震震源機制解進行分析，分析結(jié)果認為：這一時段新疆主要受NNE向水平擠壓應(yīng)力制約，但還存在較為明顯的NW向應(yīng)力分布，這與新疆近NS向的背景應(yīng)力場有一些差異；44次中強震震源斷層具有多樣性，表明新疆構(gòu)造運動的復(fù)雜性；不同時期主壓應(yīng)力P軸仰角的變化，與新疆地震活動的強弱交替相關(guān)，顯示出區(qū)域應(yīng)力場的增強和恢復(fù)過程[6］.高國英利用烏魯木齊地區(qū)中強震震源機制解、小震平均震源機制解以及S波偏振方向綜合研究了該區(qū)域應(yīng)力場的分布和中強地震的活動特征.結(jié)果表明：該區(qū)受較為穩(wěn)定一致的北北東向水平壓應(yīng)力場控制，中強震震源斷錯以傾滑逆沖為主，這種斷錯方式很可能是由垂直于構(gòu)造走向的強烈的北北東向水平擠壓造成的[7］.王盛澤認為烏魯木齊地區(qū)主要受北北東向的水平擠壓，震源斷層以傾滑逆斷層活動為主，主壓應(yīng)力P軸仰角平緩.該區(qū)內(nèi)的應(yīng)力場主要與印度板塊北移與歐亞板塊碰撞有關(guān)[8］.陶明信在構(gòu)造變形研究的基礎(chǔ)上，利用共軛剪節(jié)理和褶皺資料恢復(fù)了北天山山前烏魯木齊—烏蘇地區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力場，進而分析了構(gòu)造運動及其動力學(xué)特征，本區(qū)早期構(gòu)造運動發(fā)生于晚侏羅紀末至早白堊紀初，所形成構(gòu)造應(yīng)力場的最大（張）和最?。▔海┲鲬?yīng)力軌跡線分別為近EW和近SN向；晚期構(gòu)造運動發(fā)生于早更新世末至中更新世初，其構(gòu)造應(yīng)力場最大的和最小主應(yīng)力軌跡線分別為NWW向和NE至NNE向[9］.

4 烏魯木齊市區(qū)斷層附近原地應(yīng)力測量結(jié)果

為了查明烏魯木齊目標區(qū)斷層附近地應(yīng)力分布特征，在目標區(qū)20km×20km的范圍內(nèi)布置12個基巖應(yīng)力鉆孔，采用水壓致裂地應(yīng)力測量技術(shù)進行了基巖原地應(yīng)力測量，得到了地表淺部構(gòu)造應(yīng)力的大小、方向和分布特征.水壓致裂應(yīng)力測量結(jié)果列于表1.水平最大主壓應(yīng)力的方向見圖1.

HFZK1孔位于烏魯木齊市紅光山公園東面，通往七道灣鄉(xiāng)公路北側(cè).距公路約100.0m.高程750.0m，坐標X=0549257；Y=4860232；鉆孔為泥漿鉆進，護孔口徑為Φ108mm，下護孔管17.00m.終孔口徑Φ91mm，孔深34.0m.靜水位13.0m.鉆孔巖層為：0～9.00m為淺灰色亞粘土巖；9.00～15.60m為褐灰色泥質(zhì)砂巖，巖石強風化，巖芯為塊狀；15.60～19.10m為褐灰色細砂巖；19.10～23.40m為褐色細砂巖夾泥質(zhì)砂巖；23.40～34.00m為褐色粗粒石英砂巖.巖芯大多數(shù)為柱狀.該孔在20.00m以下共進行了6段水壓致裂應(yīng)力測量.

HFZK2孔位于烏魯木齊市北客運站東八家戶磚廠院內(nèi)，高程755.0m，坐標X=0549063；Y=4859402；鉆孔為泥漿鉆進，護孔口徑為Φ108mm，下護孔管55.0m.終孔口徑Φ91mm，孔深70.0m.靜水位10.0m.鉆孔巖層為：0～55.00m為淺灰色亞粘土；55.00～62.00m為淺灰色泥質(zhì)砂巖；62.00～64.10m為青灰色砂質(zhì)泥巖；64.10～67.30m為泥質(zhì)砂巖；67.30～70.00m為青灰色泥巖，成巖較好.該孔在55.00m以下共進行了4段水壓致裂應(yīng)力測量.

HFZK3孔位于烏魯木齊市北客運站東，碗窯溝斷裂東段的南側(cè).孔口高程788.6m，坐標X=0549237，Y=4858100.鉆孔為泥漿鉆進，護孔口徑為Φ108mm，下護孔管37.00m.終孔口徑Φ91mm，孔深62.13m.靜水位3.0m.鉆孔巖性為：0～9.50m為淺灰色亞粘土巖；9.50～31.00m為紫紅色泥巖；31.00～45.00m為紫紅色細砂泥巖；45.00～62.13m為紫紅色細砂巖局部夾泥巖，大多數(shù)巖芯為柱狀.在該孔40.00m以下共進行了8段水壓致裂應(yīng)力測量.

HFZK4孔位于烏魯木齊市六道灣醫(yī)院西，居民院內(nèi)，距公路約100.0m.高程818.0m，坐標X=0550697；Y=4855928；鉆孔為泥漿鉆進，護孔口徑為Φ108mm，下護孔管14.70m.終孔口徑Φ91mm，孔深29.00m.鉆孔巖層為：0～6.0m為雜回填土；6.00～14.00m為褐灰色泥質(zhì)細砂夾泥巖；14.00～29.00m為淺灰色泥巖和泥質(zhì)板巖互層.巖石脫水后松散，大多數(shù)巖芯為碎塊.該孔在18.00m以下共進行了5段水壓致裂應(yīng)力測量.

HFZK5孔位于烏魯木齊市六道灣醫(yī)院居民院內(nèi)，雅瑪里克斷裂東段的南側(cè).孔口高程818.0m，坐標X=0553055；Y=4851846；鉆孔為泥漿鉆進，護孔口徑為Φ108mm，下護孔管8.0m.終孔口徑Φ91mm，孔深30.00～5.5m為砂巖碎屑狀；5.5～15.0m為泥巖；15.0～30.0m為砂巖，巖石完整.在該孔18.00m以下共進行了5段水壓致裂應(yīng)力測量.

HFZK6孔位于烏魯木齊市紅雁二電廠北面，通往二電廠公路東側(cè).距二電廠約150.0m.高程759.0m，坐標X=0552414；Y=4850632；鉆孔為泥漿鉆進，護孔口徑為Φ108mm，下護孔管11.70m.終孔口徑Φ91mm，孔深26.20m.靜水位3.0m.鉆孔巖層為：0～7.00m為雜色碎塊夾亞粘土巖；7.00～11.00m為淺灰色泥巖；11.00～16.00m為褐灰色泥質(zhì)砂巖；16.00～26.20m為褐色夾紫紅色泥質(zhì)砂巖.該孔在12.00～21.00m共進行了5段水壓致裂應(yīng)力測量.

HFZK7孔位于烏魯木齊市煤田地質(zhì)局126地質(zhì)隊院內(nèi)，高程860.4m，坐標X=0545138；Y=4852113；鉆孔為泥漿鉆進，護孔口徑為Φ108mm，下護孔管30.0m.終孔口徑Φ91mm，孔深60.00m.鉆孔0～32m為土層和強風化層；32～37m為風化細砂巖；37～45m為灰色砂巖；45～51m為黑色細砂巖；51～60m為黑色細砂巖，完整，長柱狀.在該孔進行了3段水壓致裂應(yīng)力測量.

HFZK8孔位于烏魯木齊市耐火廠附近，該孔距西山公路約200m，高程818.0m，坐標X=0542396；Y=4852133；鉆孔為泥漿鉆進，護孔口徑為Φ108mm，下護孔管4.0m.終孔口徑Φ91mm，孔深29.00m.地層淺部為碎屑狀巖粒，鉆孔下部為煤系地層.在該孔進行了2段水壓致裂應(yīng)力測量.

HFZK9孔位于烏魯木齊市陶瓷廠附近，西山斷裂帶中段的附近.孔口高程954.0m，坐標X=0537954；Y=4850720；鉆孔為泥漿鉆進，護孔口徑為Φ108mm，下護孔管7.0m.終孔口徑Φ91mm，孔深34.00m.鉆孔0～4m為角礫巖；4～7.5m為泥巖；7.5～29m為細砂巖，完整，長柱狀；29～33m為泥巖；33～34m為砂巖，完整，長柱狀.在該孔12.00m以下共進行了5段水壓致裂應(yīng)力測量.

HFZK10孔位于烏魯木齊市104團附近.高程998.0m，坐標X=0536237；Y=4850349；鉆孔為泥漿鉆進，護孔口徑為Φ108mm，下護孔管8.0m.終孔口徑Φ91mm，孔深46.00m.鉆孔0～8m為土層和強風化層；8～16m為泥巖；16～20m為黑色煤干石；20～34m為灰色粉砂巖，巖芯完整；34～46m為細砂巖，完整，長柱狀.該孔在33.00m以下共進行了5段水壓致裂應(yīng)力測量.

HFZK11孔位于烏魯木齊市西山煤礦.高程860.0m，坐標X=0534134；Y=4851190；鉆孔為泥漿鉆進，護孔口徑為Φ108mm，下護孔管8.4m.終孔口徑Φ91mm，孔深8.4～13.70m為淺紅色砂巖.該孔在10.00m以下共進行了5段水壓致裂應(yīng)力測量.

HFZK12孔位于烏魯木齊市新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)院內(nèi)，西山斷裂帶東段的附近.高程844.0m，坐標X=0545038；Y=4853296；鉆孔為泥漿鉆進，護孔口徑為Φ108mm，下護孔管16.0m.終孔口徑Φ91mm，孔深54.5m.鉆孔0～24m為回填土；24～34m為粉砂土、礫石；34～36m為砂礫巖；36～44m為砂礫巖，短柱狀；44～48m為泥巖；48～54.5m為砂

礫巖.在該孔38.00m以下共進行了4段水壓致裂應(yīng)力測量.

表1 水壓致裂應(yīng)力測量結(jié)果Table 1 The result of stress measurements by hydraulic fracturing

5 烏魯木齊市區(qū)斷層附近原地應(yīng)力狀態(tài)與斷層危險性分析

目前地震危險性分析領(lǐng)域主流的分析方法先是利用大地測量、歷史地震、現(xiàn)代地震以及古地震等資料來獲得平均復(fù)發(fā)周期或年發(fā)生率，再選擇某種概率模型，通過統(tǒng)計處理進行類比、外推，以模擬斷層和區(qū)域的應(yīng)力積累過程，獲得斷層和區(qū)域的地震危險性量化評估結(jié)果[10］.

現(xiàn)代構(gòu)造運動的性質(zhì)與強度，均取決于該地區(qū)地應(yīng)力狀態(tài)和巖體力學(xué)性質(zhì)，地震活動是各類現(xiàn)代構(gòu)造運動中最重要的一類.根據(jù)地質(zhì)力學(xué)的觀點斷層滑動失穩(wěn)的原因是斷層面的剪應(yīng)力超過了斷層面的滑動摩擦阻力所致，若已知斷層面上的應(yīng)力狀態(tài)和斷層滑動準則，就可以對斷層的活動性（穩(wěn)定性）進行定量評價.

5.1 斷層附近水平主壓應(yīng)力作用方向

在烏魯木齊市區(qū)斷層附近12個鉆孔中對主壓應(yīng)力軸的方向進行了測量，碗窯溝斷裂東段水平最大主壓應(yīng)力的方向為N60°E；雅瑪里克斷裂東段水平最大主壓應(yīng)力的方向為N55°E；西山斷裂帶中段的水平最大主壓應(yīng)力的方向為N52°E；在西山斷裂帶東段的附近水平最大主壓應(yīng)力的方向為N28°E，在近垂直斷層方向距碗窯溝斷裂17km的HFZK6孔附近水平最大主壓應(yīng)力的方向為N22°E見圖1.測區(qū)內(nèi)最大水平主壓應(yīng)力方向為NE—NEE向，與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力SN—NNE向主壓方向有一些差異，說明受斷層活動影響，斷層附近的應(yīng)力狀態(tài)與區(qū)域應(yīng)力場明顯不同.

5.2 主應(yīng)力之間的關(guān)系與斷層危險性

應(yīng)用斷層摩擦滑動準則，可以研究斷層的危險性.當水平最大、最小和垂直應(yīng)力的關(guān)系為σH＞σh＞σv，σH＞σv＞σh和σv＞σH＞σh時，則分別有利于逆斷層、走滑斷層和正斷層活動.

庫侖準則指出，如果斷層面的剪切應(yīng)力τ大于等于阻礙滑動的摩擦力μσn時，沿斷層面就會產(chǎn)生摩擦滑動.μ是根據(jù)試驗確定的斷層的“摩擦系數(shù)”或稱“摩擦強度”，σn是斷層面上的正應(yīng)力.引入有效應(yīng)力、平均應(yīng)力和最大剪應(yīng)力的概念，最大剪應(yīng)力和平均應(yīng)力之比可簡單地表示為“摩擦系數(shù)”μ的函數(shù)，當斷層的固有強度或內(nèi)聚力為0時，可表示為[11］：

式中σ1和σ3分別為斷層面外圍的最大與最小主應(yīng)力值，P0為孔隙壓力，μm為剪應(yīng)力相對大小，中間主應(yīng)力σ2作用在斷層面內(nèi).若最大剪應(yīng)力和平均應(yīng)力之比小于此值則斷層面穩(wěn)定.對走滑斷層活動σ1和σ3分別等于水平最大、最小主應(yīng)力σH和σh，對逆斷層活動σ1和σ3分別等于水平最大、垂直主應(yīng)力σH和σv.

Byerlee綜合各種類型巖石的實驗資料得出，在應(yīng)力值小于100MPa，大部分巖石的μ值為0.85[12］.李方全等對三峽壩區(qū)花崗巖、灰?guī)r和砂巖進行的三軸摩擦實驗結(jié)果得出，正應(yīng)力在150～250MPa范圍內(nèi)，巖石摩擦強度的下限為τ=0.65σn，上限為τ=1.10σn，平均τ=0.85σn[13］.Zoback認為在判斷淺部斷層活動時μ取0.6～1.0是合理的[14-15］，若不考慮孔隙水壓力的影響，剪應(yīng)力相對大小μm的取值范圍為0.5～0.7.田中豐等從1978年起，在1995年日本兵庫縣7.2級地震震中附近兵庫縣東南部進行了多次應(yīng)力測量，觀測到地震前后應(yīng)力積累與釋放的過程，該地區(qū)2個鉆孔的原地應(yīng)力重復(fù)測量數(shù)據(jù)給出的μm出現(xiàn)了明顯變化，從1978年的0.2左右逐漸增加到震前的0.6左右，震后恢復(fù)到0.2[16］.

表1給出了不同測區(qū)水平最大主應(yīng)力σH、水平最小主應(yīng)力σh和由靜巖壓力估計的垂直應(yīng)力σv，以及走滑斷層和逆斷層活動相應(yīng)的剪應(yīng)力相對大小.在烏魯木齊市區(qū)地殼淺部構(gòu)造應(yīng)力場以水平構(gòu)造應(yīng)力為主，主應(yīng)力值隨深度增加而增大，斷層三個主應(yīng)力值之間的關(guān)系為σH＞σh＞σv，應(yīng)力狀態(tài)有利于逆斷層活動.

圖2和圖3給出了垂直于碗窯溝斷裂走向地應(yīng)力探測剖面，走滑斷層活動與逆斷層活動相應(yīng)的剪應(yīng)力相對大小分布，根據(jù)實測地應(yīng)力得到的剪應(yīng)力相對大小可以說明，在垂直碗窯溝斷裂的剖面上走滑斷層活動相對應(yīng)的剪應(yīng)力相對大小低于0.30，在斷層帶附近為0.15左右，表現(xiàn)為低應(yīng)力特征；在垂直碗窯溝斷裂的剖面上逆斷層活動剪應(yīng)力相對大小具有較明顯的分布規(guī)律，表現(xiàn)為在斷裂帶附近剪應(yīng)力相對大小在0.30左右，隨距斷裂帶距離的增大剪應(yīng)力相對大小逐漸增高，并趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定值為0.6左右，說明碗窯溝斷裂東段逆斷層活動剪應(yīng)力相對大小0.30，不具備發(fā)生逆斷層活動可能性，危險性比較低.

圖4和圖5給出了沿斷層走向走滑斷層活動與逆斷層活動相應(yīng)的剪應(yīng)力相對大小分布，根據(jù)實測地應(yīng)力得到的剪應(yīng)力相對大小可以說明，在烏魯木齊市區(qū)沿西山—碗窯溝斷裂與走滑斷層活動相對應(yīng)的剪應(yīng)力相對大小低于0.30，遠小于μm取值范圍0.5～0.7，所以不具備發(fā)生走滑斷層活動可能性；西山斷裂帶逆斷層活動剪應(yīng)力相對大小0.6，部分測點超過0.7，已大于或等于μm取值范圍0.5～0.7，具備發(fā)生逆斷層活動可能性，碗窯溝斷裂東段逆斷層活動剪應(yīng)力相對大小0.30，不具備發(fā)生逆斷層活動可能性.

根據(jù)實測地應(yīng)力得到的剪應(yīng)力相對大小可以說明，在烏魯木齊市區(qū)的碗窯溝斷裂東段、雅瑪里克斷裂東段和西山斷裂帶中東段剪應(yīng)力相對大小小于μm取值范圍0.5～0.7，所以不具備發(fā)生走滑斷層活動可能性.碗窯溝斷裂東段逆斷層活動剪應(yīng)力相對大小0.30，不具備發(fā)生逆斷層活動可能性；雅瑪里克斷裂東段逆斷層活動剪應(yīng)力相對大小0.57，西山斷裂帶中段逆斷層活動剪應(yīng)力相對大小0.72，西山斷裂帶東段逆斷層活動剪應(yīng)力相對大小0.66，具備發(fā)生逆斷層活動可能性.相比而言，西山斷裂帶中段危險性更大.

在研究區(qū)內(nèi)，近地表與深部應(yīng)力場耦合關(guān)系可能不完全一致.利用原地應(yīng)力測量結(jié)果解釋斷裂活動及地震研究，主要取決于近地表的應(yīng)力資料與深部應(yīng)力場之間的耦合程度.對此，國內(nèi)進行了大量的測量研究.總體認為，原地應(yīng)力測量結(jié)果與根據(jù)測點附近活斷層類型推斷的結(jié)果相一致.例如，李方全等對我國套芯應(yīng)力解除和水壓致裂2種方法得到的原地應(yīng)力測量數(shù)據(jù)進行分析后認為，原地應(yīng)力測量數(shù)據(jù)與其它研究方法給出的結(jié)果總體是一致的，能夠反映我國現(xiàn)今地殼應(yīng)力狀態(tài)；應(yīng)力量值呈現(xiàn)西高東低的特點，在我國西部地區(qū)，500m深處最大主應(yīng)力值超過30MPa，局部測點測值甚至達到50MPa，而在我國東部地區(qū)，一般300m深處最大主應(yīng)力值不超過10MPa，500m深處最大主應(yīng)力值約為20MPa左右[17］.謝富仁和李方全等研究指出，我國大陸地應(yīng)力場具有明顯的分區(qū)性，在同一應(yīng)力分區(qū)內(nèi)，淺部的應(yīng)力資料與用震源機制解等方法反映的深部應(yīng)力狀態(tài)有良好的耦合關(guān)系[18-19］.但也有的研究認為，地殼淺部地形地貌比較復(fù)雜，地層的各向異性非常明顯，斷裂帶的產(chǎn)狀在垂直深度上也未必是固定不變的，地殼不同深度上巖層的變形速率可能不同，因此，淺部的與發(fā)震深度上的應(yīng)力狀態(tài)可能存在不一致性.

但公認的是，地震的孕育和突發(fā)是能量從積累到釋放的過程，在能量變化到地震觸發(fā)點以前，巖石會出現(xiàn)一系列小的局部滑動，接著在周圍的基巖中應(yīng)力發(fā)生變化，這一變化可以在靠近基巖的地平面或較深的水平面上記錄到.例如，Clark分析了利特爾溪一次2.1級小地震的應(yīng)力變化圖像得出，淺部的應(yīng)力變化圖像與震源機制解是吻合的，并清楚地顯示至少在震前幾周或數(shù)月的持續(xù)時間內(nèi)，較深部的構(gòu)造活動信號可以向上傳遞到離地表20m的深度上[20］.因此，測量地震區(qū)基巖的絕對應(yīng)力，并通過長期的連續(xù)記錄以監(jiān)視地應(yīng)力的變化，可能是發(fā)現(xiàn)地震發(fā)生的一種方法.

6 結(jié) 論

（1）烏魯木齊市區(qū)12個測點的應(yīng)力測量結(jié)果表明：在地殼淺部構(gòu)造應(yīng)力場以水平構(gòu)造應(yīng)力為主，主應(yīng)力值隨深度增加而增大，測區(qū)內(nèi)最大水平主壓應(yīng)力方向為NE—NEE向，與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力SN—NNE向主壓方向有一些差異，說明受斷層的影響，斷層附近的應(yīng)力狀態(tài)與區(qū)域應(yīng)力場明顯不同.

（2）烏魯木齊市區(qū)地殼淺部構(gòu)造應(yīng)力場以水平構(gòu)造應(yīng)力為主，主應(yīng)力值隨深度增加而增大，斷層三個主應(yīng)力值之間的關(guān)系為σH＞σh＞σv，應(yīng)力狀態(tài)有利于逆斷層活動.

（3）用庫侖摩擦滑動準則和實測的地應(yīng)力資料對烏魯木齊市區(qū)三條斷層的活動性進行了討論，提出了基于原地應(yīng)力實測資料進行斷層危險性分析方法——剪應(yīng)力相對大小判定法，研究區(qū)的三條斷層不具備發(fā)生走滑斷層活動可能性，其中雅瑪里克斷裂東段、西山斷裂帶中段和東段具有發(fā)生逆斷層活動可能性，相比而言，西山斷裂帶中段危險性更大.

（4）通過構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境與斷層活動習性的調(diào)查和研究，系統(tǒng)地開展活斷層地震危險性的評定研究在國內(nèi)尚屬首次.在斷層附近開展的原地應(yīng)力測量僅限于地層淺部，測量深度小于100m，而斷層擦痕與震源機制反演的構(gòu)造應(yīng)力張量表征了深部數(shù)公里的應(yīng)力狀態(tài)，淺部的實測資料與深部的震源機制解資料所得到的應(yīng)力狀態(tài)的耦合關(guān)系如何，是我們今后工作中進一步研究的問題，需要通過地震學(xué)與巖石力學(xué)以及深、淺鉆孔的原地應(yīng)力實測資料，綜合分析斷層附近的動力環(huán)境.

致 謝 本工作現(xiàn)場勘測布點得到了新疆地震局沈軍研究員、尹國華研究員的大力協(xié)助，并對測量結(jié)果進行了認真的討論；中國地質(zhì)科學(xué)研究院地質(zhì)力學(xué)研究所陳群策研究員、中國地震局地殼應(yīng)力研究所安其美副研究員、張鈞副研究員、趙仕廣副研究員、張志國工程師、候硯和工程師參加了現(xiàn)場測量工作，在此一并表示感謝.

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