，，， ， ， ,3

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院, 武漢 430074; 2. 長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點實驗室, 武漢 430010； 3. 江漢大學(xué) 文理學(xué)院, 武漢 430056)

1 研究背景

新疆地處中國西部，受地球板塊運動影響突出，加之地殼厚度深淺不一，導(dǎo)致上地幔物質(zhì)在地球深處進行物理化學(xué)作用對地殼深部構(gòu)造影響不一，勢必造成該區(qū)應(yīng)力場的復(fù)雜性[1]。其中，阿爾泰山位于蒙古高原的西南翼，是歐亞大陸內(nèi)部遠離板塊碰撞邊界的內(nèi)陸活動造山帶。漸新世阿爾泰地區(qū)的構(gòu)造活動更加明顯，第四紀(jì)時期進一步加強，成為亞洲大陸內(nèi)部一個規(guī)模宏大的活動構(gòu)造帶[2]。隨著研究方法及理論的不斷進步和完善，有關(guān)活動構(gòu)造的研究主要集中于幾何學(xué)和運動學(xué)等方面的定量描述，研究資料基本來源于地表資料(遙感影像和區(qū)域地質(zhì)、地貌資料等)、震后數(shù)據(jù)(歷史與現(xiàn)代地震發(fā)生時產(chǎn)生的地表破裂帶及同震位移參數(shù)等)[3]。鑒于活動構(gòu)造的復(fù)雜性，從地質(zhì)學(xué)、地震學(xué)、測地學(xué)等多學(xué)科進行研究已成趨勢，但若缺乏地質(zhì)力學(xué)的基礎(chǔ)資料則難以從空間應(yīng)力狀態(tài)角度研究其運動趨勢及開展穩(wěn)定性評價。加之當(dāng)今斷裂構(gòu)造內(nèi)地應(yīng)力分布規(guī)律尚無統(tǒng)一定論，而最為直接的辦法便是進行實地地應(yīng)力測量[4]，這對進一步研究該區(qū)地震活動機制、地震災(zāi)害預(yù)測預(yù)報尤為重要[5]。

在斷裂構(gòu)造穩(wěn)定性研究方面，國內(nèi)外學(xué)者利用Byerlee定律進行過大量有益的研究，獲得了一定成果[6-9]，并在工程實踐中檢驗了該理論的可行性，表明將Anderson斷層理論與庫倫破裂準(zhǔn)則相結(jié)合，基于Byerlee定律中斷層摩擦系數(shù)范圍0.6～1.0，即可在宏觀上研究斷裂構(gòu)造的活動性狀[10-12]。

國內(nèi)有關(guān)阿爾泰山山前局部地應(yīng)力場的實測研究甚少[13]，基于原位地應(yīng)力資料對該區(qū)活動構(gòu)造的穩(wěn)定性進行探討研究尚屬空白。為此，本文結(jié)合阿爾泰山山前活動斷裂分支的兩交叉復(fù)合斷裂——海流灘—鹽池斷裂及沖乎—塔爾浪斷裂，在其交匯區(qū)布置了2個測孔進行了原位水壓致裂法地應(yīng)力測試，揭示了研究區(qū)內(nèi)現(xiàn)今應(yīng)力狀態(tài)分布規(guī)律，并基于庫倫摩擦滑動準(zhǔn)則與Byerlee定律對活動斷裂的穩(wěn)定性進行了分析，最終分析得出當(dāng)前活動斷裂帶內(nèi)處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。

2 阿爾泰活動斷裂構(gòu)造背景

2.1 研究區(qū)典型活動斷裂構(gòu)造特征

阿爾泰山跨越中國新疆、蒙古西部、哈薩克斯坦東北部和俄羅斯西伯利亞。在阿爾泰山西南段發(fā)育的主要活動斷裂力學(xué)機制以右旋剪切或走滑為主，表現(xiàn)形式呈大型NNW向右旋走滑斷裂或NWW向右旋走滑逆沖斷裂為主[2]。本文研究范圍內(nèi)阿爾泰褶皺系克蘭地槽褶皺帶內(nèi)幾大典型活動斷裂基本特征如表1。

表1 阿爾泰山前活動斷裂基本特征表(整理自文獻[2])Table 1 Characteristics of active faults in the piedmont of Altai mountains(from reference [2])

表1中富蘊斷裂具有南北兩段活動各異的特征，即北段斷裂總體呈西升東降的垂直運動趨勢，而南段呈東升西降的垂直運動特征，總體呈 “樞紐”形式，與之類似的還有哈巴河斷裂，亦呈樞紐斷裂形式。上述幾大NWW向斷裂的部分段落在第四紀(jì)晚期有明顯的活動，其斷裂產(chǎn)狀普遍較陡，并具有右旋走滑逆沖運動，且越向西NWW向斷裂的垂直運動分量越小，右旋走滑運動分量越大。

2.2 阿爾泰地震活動與地殼應(yīng)力特征研究

阿爾泰山地處蒙古高原西南端，是歐亞大陸內(nèi)部遠離板塊碰撞邊界的內(nèi)陸活動造山帶。當(dāng)前已有不少學(xué)者從地質(zhì)構(gòu)造及地殼動力學(xué)角度對該區(qū)斷裂構(gòu)造的幾何特征、活動時代、滑動速率、古地震等特征進行過研究[14-16]。從地質(zhì)構(gòu)造運動史分析，阿爾泰山經(jīng)歷過板塊拼合(古生代)—南驅(qū)活動(中生代)—盆地及火山活動形成(侏羅紀(jì)及燕山期)—多期構(gòu)造活動減緩(燕山后期)的構(gòu)造運動，但研究發(fā)現(xiàn)，漸新世阿爾泰地區(qū)的構(gòu)造活動開始加強，第四紀(jì)時期進一步加強，成為亞洲大陸內(nèi)部一個規(guī)模宏大的活動構(gòu)造。該地區(qū)地震頻發(fā)，如1930年和1931年發(fā)生的富蘊8級地震、1957年發(fā)生的東延部戈壁區(qū)8.3級地震及1991年發(fā)生的齋桑7.3級地震等，這些都印證了阿爾泰山是一個地震活躍帶。研究活動構(gòu)造，尤其是全新世以來活斷層的動態(tài)，特別注意它們所發(fā)生過的6.5級以上的地震, 是判定今后有強震危險的活斷層的重要依據(jù)之一[17-19]。

地震活動系巖體中地應(yīng)力積聚和釋放的一個過程，劉允芳等[5]提出地震活動帶常常與該地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場密切相關(guān)，并多與構(gòu)造跡線一致，突發(fā)的強度也與構(gòu)造應(yīng)力強度有關(guān)。因此，區(qū)域地應(yīng)力場分布對地震活動的研究具有非常重要的意義。謝富仁等[20]對中國大陸現(xiàn)今地應(yīng)力分區(qū)進行了比較全面和系統(tǒng)的研究，將新疆應(yīng)力區(qū)分為塔里木盆地應(yīng)力區(qū)、天山應(yīng)力區(qū)、準(zhǔn)格爾盆地應(yīng)力區(qū)、阿爾泰應(yīng)力區(qū)、阿拉善應(yīng)力區(qū)、帕米爾應(yīng)力區(qū)，并得出該區(qū)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，區(qū)內(nèi)四級構(gòu)造應(yīng)力區(qū)主要受塊體和斷裂相互作用的影響，還受所處的地殼結(jié)構(gòu)或構(gòu)造特征的影響。本文測孔布置在阿爾泰應(yīng)力區(qū)，有關(guān)現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場及構(gòu)造背景如圖1所示。

圖1 新疆現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場及研究區(qū)域構(gòu)造分布[20] Fig.1 Distribution of measured crust stress in Xinjiang and tectonics in the research region[20]

3 山前活動斷裂構(gòu)造現(xiàn)今應(yīng)力場分析

3.1 測試方法及測孔布置

本文采用國際巖石力學(xué)學(xué)會建議的水壓致裂地應(yīng)力測量方法對研究區(qū)內(nèi)活動斷裂近場地應(yīng)力分布規(guī)律進行研究，并依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進行實際操作和數(shù)據(jù)處理[21-24]，從而保證本文數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠性。該方法在測試深度及測試結(jié)果取值方面均具有一定優(yōu)勢：既可重復(fù)利用較深的地質(zhì)勘探孔,又不需要巖石彈性常數(shù)參與資料處理。由于該方法已被規(guī)范采用，在此不再贅述。

鑒于海流灘—鹽池斷裂與沖乎—塔爾浪斷裂的空間分布特點，分別在兩斷裂交匯區(qū)相距約5 km處布置的ZK1孔和ZK2孔兩測孔中(圖1)進行了原位地應(yīng)力測試。其中，ZK1孔孔口高程1 356 m，埋深680 m，44.25～388.7 m范圍為黑云母片麻花崗巖，388.7～680.0 m范圍為泥盆系云母石英片巖；同時，巖芯揭示438.8～452.8 m范圍為斷層影響帶，440.0～444.9 m范圍為斷層破碎帶，帶內(nèi)可見碎裂巖、糜棱巖和斷層泥組成；460.0～473.0 m范圍為斷層影響帶，461.9～471.5 m范圍為斷層破碎帶，帶內(nèi)巖性多以擠壓碎裂巖為主，含少量糜棱巖和斷層泥，孔內(nèi)靜水位距孔口18.8 m。ZK2孔口高程1 356 m，埋深700 m，揭露巖體主要為云母花崗片麻巖，在380.4～381.1，612.4～616.5，649.7～649.9，663～663.2 m范圍各發(fā)育1條小斷層，帶內(nèi)主要有斷層泥和糜棱巖，孔內(nèi)靜水位距孔口8 m。

測孔布置及研究區(qū)域構(gòu)造如圖1所示，其中，主要發(fā)育9條斷裂，分別為：F1阿巴宮斷裂；F2富蘊—庫爾提斷裂；F3沖乎—塔爾浪斷裂；F4海琉—沖乎—鹽池斷裂；F5哈巴河斷裂；F6科沙哈拉斷裂；F7富蘊—錫泊渡斷裂；F8額爾齊斯河斷裂；F9可可托?！_斷裂。發(fā)育的4大構(gòu)造帶相對位置分別為：①喀納斯—可可托海褶皺帶分布于F1與F9區(qū)間；②克蘭地槽褶皺帶分布于F1與F6區(qū)間；③額爾齊斯河擠壓帶分布于F6與F8區(qū)間；④準(zhǔn)格爾優(yōu)地槽則分布于F8以南。

3.2 原位地應(yīng)力測試結(jié)果及分析

現(xiàn)場地應(yīng)力測試在每孔獲得18個測段資料，并對各孔具有代表性的3個測段最大水平主應(yīng)力方向進行了印模，結(jié)果見表2。水平主應(yīng)力沿埋深分布見圖2(a)、圖2(b)，其線性回歸式分別由式(1)及式(2)表示。

(1)

(2)

式中：r為線性相關(guān)度；H為埋深。

由表2結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)兩孔所測地應(yīng)力量值在埋深上受斷裂構(gòu)造影響較大，主要表現(xiàn)為淺部的側(cè)壓系數(shù)明顯高于深部，且愈接近斷裂側(cè)壓系數(shù)愈低；同時，兩孔所測結(jié)果在埋深320.0 m左右處具有應(yīng)力分區(qū)特征，如圖2中的(a)和(b)所示，與文獻[25]有關(guān)西域地塊應(yīng)力轉(zhuǎn)換深度的統(tǒng)計研究結(jié)論一致，說明本文研究結(jié)果具有代表性。具體而言，ZK1孔在埋深淺于335 m范圍內(nèi)，應(yīng)力狀態(tài)呈σH>σh>σv，屬于逆斷型，有利于逆斷層活動，而深部測試結(jié)果因斷裂構(gòu)造應(yīng)力釋放效應(yīng)，規(guī)律較為分散；ZK2孔在埋深淺于310 m范圍內(nèi)，應(yīng)力狀態(tài)呈σH>σh>σv，屬于逆斷型，而深部測試結(jié)果揭示的應(yīng)力狀態(tài)呈σH>σv>σh，屬于走滑型應(yīng)力狀態(tài)，有利于走滑斷層活動。兩孔在埋深上應(yīng)力狀態(tài)分布呈現(xiàn)出共性，但具有一定差異，即ZK1孔受斷裂構(gòu)造影響更明顯，斷裂帶的活動使得構(gòu)造應(yīng)力得以釋放，應(yīng)力狀態(tài)分區(qū)作用不明顯。同時，測試結(jié)果中應(yīng)力方位以NW向為主，與圖1所示阿爾泰地區(qū)主應(yīng)力方位(NNE—NE)存在

表2 水壓致裂法地應(yīng)力測試結(jié)果

注：σH，σh，σv分別為最大、最小水平主應(yīng)力及鉛直應(yīng)力，其中，鉛直應(yīng)力按巖體自重直接進行計算，并取重度為26.0 kN/m3；σ1，σ3分別為最大、最小主應(yīng)力(取σH，σh，σv三者中最大、最小值);側(cè)壓系數(shù)=(σH+σh)/2σv;μm=(σ1-σ3)/(σ1+σ3-2P0)

(a)ZK1(b)ZK2

圖2水平主應(yīng)力、鉛直應(yīng)力沿測孔埋深分布趨勢

Fig.2Distributionofhorizontalprincipalstressesandverticalstresseswithboreholedepth

差異，這主要是由于后者結(jié)論主要反映地殼深部地應(yīng)力場的震源機制解，而本次研究范圍相對較淺，受局部應(yīng)力場影響較大。

綜上，從不同角度揭示研究區(qū)地殼淺表活動斷裂現(xiàn)今應(yīng)力狀態(tài)和地殼深部震后應(yīng)力分布規(guī)律，說明研究范圍受活動斷裂構(gòu)造的控制作用顯著，應(yīng)力場仍處于應(yīng)力積累及不斷調(diào)整的活動狀態(tài)。同時，進一步驗證了研究區(qū)NWW向斷裂構(gòu)造具有右旋逆走滑的運動特征，說明本文測試結(jié)果的合理性。

4 活動斷裂穩(wěn)定性分析

利用上述地應(yīng)力測量結(jié)果已經(jīng)確定地應(yīng)力場分布特征并定性分析了斷裂運動特征，與實地勘察的地質(zhì)斷層類型相一致。應(yīng)用Anderson斷層理論，結(jié)合有關(guān)有效應(yīng)力的概念，給出“摩擦系數(shù)”與“有效摩擦系數(shù)(最大與最小主應(yīng)力之比)”兩者間關(guān)系式，即

(3)

(σ1-P0)/(σ3-P0)≥Kμ。

(4)

式中：μ是由試驗確定的斷層“摩擦系數(shù)”；Kμ為斷層滑動臨界摩擦系數(shù)。

國內(nèi)外的研究和實測結(jié)果表明，在地殼淺部低滲透率巖石中，孔隙壓力與水柱靜壓力大致相等，據(jù)此可以判定，當(dāng)最大有效主應(yīng)力與最小有效主應(yīng)力之比即“有效摩擦系數(shù)”

(5)

(6)

(7)

當(dāng)表達式左邊小于右邊時，表明斷層處于穩(wěn)定狀態(tài)，反之將沿最優(yōu)斷面滑動。Byerlee定律在天然斷層的穩(wěn)定性研究中被國內(nèi)外學(xué)者普遍應(yīng)用，并表明大部分巖石的摩擦系數(shù)位于0.6～1.0之間[26]。在分析地殼淺部斷層活動時，該摩擦系數(shù)可近似代表斷層面的滑動摩擦系數(shù)，并將0.6作為判斷斷層失穩(wěn)的臨界摩擦系數(shù)[27]。Raleigh等[7]在研究誘發(fā)地震的活動斷裂時，得出與Byerlee定律一致的結(jié)論；Zoback等[8]在Monticello水庫誘發(fā)地震的研究中采用前述摩擦系數(shù)較好地反映了斷層的滑動特性。目前，國內(nèi)學(xué)者常利用實測地應(yīng)力資料分析斷層穩(wěn)定性，進而評價地震危險性[11,27-30]。與已有研究不同，本文研究范圍內(nèi)斷裂構(gòu)造復(fù)雜，同時具有逆斷層及走滑斷層性質(zhì)，即呈逆走滑斷裂特征，不宜概化為某一斷層進行處理。為此，借助最大剪應(yīng)力與平均主應(yīng)力比μm，在考慮孔隙水壓力條件下，可以對斷層范圍內(nèi)的應(yīng)力積累進行評價(見表2)，且μm與μ具有如下關(guān)系[13,31]，即

(8)

依據(jù)Byerlee準(zhǔn)則取斷層滑動摩擦系數(shù)下限0.6,即可得μm為0.5，由此可得本文研究范圍內(nèi)μm沿埋深分布如圖3所示。

圖3ZK1孔與ZK2孔的μm沿埋深變化

Fig.3VariationofμmwithdepthinboreholeZK1andZK2

由圖3可以看出，僅ZK1孔個別測點(尤其在埋深接近100 m處)μm逼近臨界滑動值外，大部分測點部位均小于該臨界值，平均μm為0.3。這就說明研究范圍內(nèi)斷層的應(yīng)力積累水平除了在淺部較高外，其余均較低，不利于斷層滑動。若從測孔所揭示斷層破碎帶成分進行分析，由于帶內(nèi)成分發(fā)育糜棱巖和斷層泥，加之該范圍內(nèi)斷層發(fā)育，同時受擠壓破碎，這為斷層誘發(fā)失穩(wěn)提供了一定的滑動條件及外力基礎(chǔ)，故對后期應(yīng)力狀態(tài)變化趨勢應(yīng)引起重視。

為了全面客觀地分析出兩斷裂的現(xiàn)今活動性質(zhì)，再結(jié)合前述分析的分區(qū)深度結(jié)論進行極限應(yīng)力狀態(tài)分析。鑒于孔所處同一構(gòu)造單元，同時受到海流灘—鹽池斷裂與沖乎—塔爾浪斷裂的影響，故可以結(jié)合實測結(jié)果將兩孔所處斷層面在摩擦系數(shù)下限為0.6時的極限應(yīng)力狀態(tài)繪于同一圖中，即ZK1孔在埋深<335 m時，按Anderson斷層系統(tǒng)中的逆斷型應(yīng)力狀態(tài)進行評價，反之為走滑型應(yīng)力狀態(tài)；同理，ZK2孔在埋深<310 m時，視為逆斷型應(yīng)力狀態(tài)，反之為走滑斷型應(yīng)力狀態(tài)，通過式(1)與式(2)計算，并利用式(6)與式(7)進行分析，將結(jié)果繪于圖4。

由圖4可以看出，兩測孔實測地應(yīng)力僅淺部較接近斷層摩擦滑動臨界值外，其余均位于臨界滑動范圍之內(nèi)，故綜合前述應(yīng)力積累水平表征參數(shù)μm的分析，可知測試范圍內(nèi)海流灘—鹽池斷裂與沖乎—塔爾浪斷裂處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，截至目前尚未具備誘發(fā)失穩(wěn)的動力條件。

圖4實測最大水平主應(yīng)力及斷層摩擦滑動臨界值與埋深關(guān)系

Fig.4Measuredmaximumhorizontalprincipalstressandcriticalvalueoffrictionalslidingoffaultversusdepth

5 結(jié) 論

通過對阿爾泰山山前活動斷裂現(xiàn)今地應(yīng)力狀態(tài)研究，應(yīng)用Byerlee定律定量分析并發(fā)現(xiàn)該活動斷裂的基本特征，可以得到以下結(jié)論：

(1)測區(qū)活動構(gòu)造的應(yīng)力場在埋深上存在應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)律，即在埋深320 m左右呈現(xiàn)逆斷型應(yīng)力狀態(tài)向走滑型轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象，這與該活動斷裂具有逆斷兼右行走滑的運動學(xué)特征相吻合，同時，與已有統(tǒng)計研究結(jié)論相一致。

(2)實測最大水平主應(yīng)力方位呈NW向，與該區(qū)NWW向斷裂右旋走滑的活動構(gòu)造背景相一致，并與已有震源機制解結(jié)論綜合印證了該斷裂的活動特征。

(3)根據(jù)Byerlee定律從應(yīng)力積累水平及斷層滑動摩擦臨界應(yīng)力角度定量分析并揭示了該活動斷裂處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，截至目前尚未具備誘發(fā)失穩(wěn)滑動的動力條件。

上述結(jié)論系基于成熟理論對實測地應(yīng)力進行分析所得，可以作為阿爾泰地區(qū)活動斷裂構(gòu)造背景下工程選址的科學(xué)參考，但由于測試范圍處于活動斷裂交匯區(qū)，斷層擠壓作用顯著且斷層面具備滑動的物質(zhì)基礎(chǔ)，在后期應(yīng)加強該活動構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)變化趨勢的監(jiān)測。

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