区域断裂对韩国东南部地区现今应力状态的影响＊

Chang C，Kang T S

1）Chungnam National University，Daejeon，South Korea

2）Pukyong National University，Busan，South Korea

区域断裂对韩国东南部地区现今应力状态的影响＊

Chang C1），Kang T S2）

1）Chungnam National University，Daejeon，South Korea

2）Pukyong National University，Busan，South Korea

利用朝鲜半岛东南部地区浅层地应力数据，给出区域现今应力状态的分布特征及其与断层分布的关系。地应力数据表明，区域最大主压应力呈ENE－WSW到NESW向，这与地震震源机制解及欧亚板块东部构造应力方向的一阶模式一致。或许是受到断层的影响，现今应力张量在大小和方向上表现出不均匀性。区域水平主应力变化较为一致，而垂向则变化较大。应力场的大小受区域断层多少的影响，断层越多应力越小，这表明断层应力释放或许是造成低应力的主要原因之一。为了验证这种假设的正确性，我们对第四纪活动断层与现今应力场的关系进行分析。在现今应力状态下，断层剪应力与正应力比值较高，这与区域大部分断层以走滑为主是一致的，这意味着断层的活动可以维持当前的应力场。

引言

区域应力状态受活动断层等构造单元的影响[1－2]。本文以韩国东南部地区为例，利用水压致裂和套取岩芯方法给出的浅层（100～320 m）地应力测量数据，分析了区域活动断裂对应力状态的影响。虽然地应力数据受浅部区域局限，但是对于相对较为广泛区域应力场大小和方向的确定，在数据采集点较为广泛的情况下，地应力测量数据还是分析应力状态较为有效的方法。为了表明地应力测量结果的可靠性，我们将其与震源机制解进行比较。

朝鲜半岛位于欧亚板块的东部边缘，由于远离主要的板块边界，通常被认为区域构造相对稳定。但这并不意味着地震发震概率较低。朝鲜半岛及其毗邻区域每年发生几十次弱和中强地震，这些地震的发生大多是由于板内活动断裂的应力积累超过岩石抗剪强度而引发的。

韩国东南部区域地质构造为白垩纪沉积盆地，且区域内断层广泛发育。尤其需要注意的是，东南部区域NNE走向的密集成组断裂，主要包括Yangsan活动断层，该断层长达约200 km，且断裂带的现今活动性被广泛关注[3－4]。另外，研究还发现在第四纪活动期内，断层周围地区存在多期地震事件造成的断层陡坎和阶地。

1 地应力数据

利用从地应力相关文献中收集到的数据[58]。所有这些数据主要来源于水压致裂测量，部分来源于套取岩芯技术。水压致裂实验主要是利用有线水压致裂系统，将水泵作用于跨接式封隔器来完成的。整个测试设置和程序参考国际岩石力学学会提供的方法[9]。套取岩芯技术主要是采用钻孔变形计来测量垂直于钻孔轴的平面的应变，结合岩石的弹性参数，最终给出区域的应力状态。

经过初步的应力数据汇编，结合验收标准我们对数据进行筛选。首先，排除方向性较差的应力数据，也就是世界应力图（World Stress Map，WSM）计划中所谓的D类数据。其次，为了降低地形因素的影响[10]，仅仅采用100 m深度以下的数据。

2 结果

2.1 地应力方向

图1 韩国东南部地区最大主应力方向

图1为最大水平应力方向（SHmax）。结果显示，区域最大水平应力SHmax的优势方向为ENE－WSW或NE－SW向。这与断层滑动分析、震源机制解等方法给出的结果一致[15]，也与世界应力图计划给出的该地区SHmax的优势方向是E－W向结果较为相近[16]。

研究区东南部的部分数据显示SHmax方向为NE或NNE，其中包括Yangsan断层在内的近似NNE走向断层。这些区域的SHmax方向与区域断层的走向平行，且这种趋势比较明显。而在其他区域，应力方向似乎与当地断层没有明显的相关性。

对于影响构造应力场分布的因素，已经开展了大量的研究工作[17－20]。结果认为，诸如断层存在等结构单元的非连续性造成区域应力场扰动，使得最大应力偏离甚至垂直断层。Hudson和Cooling[17]则认为，造成区域应力变化的原因主要取决于围岩和断层破碎带物质力学参数的差异。他们指出，如果破碎带物质与围岩物性基本一致，则断层附近的应力近似平行。因此我们认为，造成Yangshan断层区域的SHmax方向呈NNE向的原因是由于诸如断层泥和破碎带等断层填充物质的厚度造成的。

2.2 地应力大小

图2为不同位置最小水平应力（Shmin）和最大水平应力（SHmax）与深度的关系，实线Sv表示垂向应力（假设单位重力为26.5 k N／m3）。总体来说，Shmin数据较为分散，通常认为是由浅部工程测量造成的。另外，在不同的区域，随着深度的变化，Shmin变化梯度存在些微的差异。在某些地区，Shmin与Sv（图2a）相当或者较小，而在另一些地区，Shmin通常高于Sv（图2b）。

尽管数据较为分散，但总体来说，SHmax还是高于垂向应力Sv，这种应力场分布特征有利于断层的逆冲和走滑运动（Sv≤Shmin＜SHmax）。图中不同符号表示的两组SHmax数据分别对应Shmin的低值和高值，可以清楚地看出，两组数据的差异还是非常明显的。

图2 S hmin（a，b）和S Hmax（c）在不同地区的大小。（a）显示S hmin值接近或者低于S v；（b）显示S hmin高于S v；图（c）中，空心圆表示在（a）区最大最小主应力相当，闭合圆表示在（b）区最大最小主应力相当

为了更加直观地显现不同区域的应力状态，在图3中我们给出应力比值的等值线图，其中Kmin＝Shmin／Sv，Kmax＝SHmax／Sv。由于SHmax与Shmin在某种程度上存在关系，使得Kmin和Kmax两条曲线轮廓相似。但应力大小的空间分布呈现不均匀性，Kmax最小值小于1.4，而对于南部的边界区域高达～2.2。

图3 应力比值等值线图。（a）表示K min；（b）表示K max

2.3 与震源机制解结果的比较

由于地应力测量结果仅代表浅部应力状态，因此需要将其与诸如震源机制解等给出的深部应力状态进行比较。本文选取85个M＞1.6的地震数据反演震源机制解（图4）[21]。

反演结果表明，最大压力σ1为水平ENE向，这与利用浅层地应力数据给出的结果较为一致。中间和最小主应力（σ2，σ3）则存在与水平和垂直方向的倾斜，甚至有些与地应力测量结果完全不同。可能的原因是两个主应力没有明显地分辨出来，造成主应力方向的变化。

[1] Lynne M. Tracy, The United States and the New Silk Road, Washington D.C., October 25, 2013, https://2009-2017.state.gov/p/sca/rls/rmks/2013/215906.htm.

图4 85个M＞1.6地震的震源机制解，结果显示：（a）单个震源机制解的P轴（实点）和T轴（圆圈）；（b）应力反演结果显示最佳主应力轴和95%置信区间

3 讨论

3.1 应力大小与断层分布的关系

造成应力场分布不均匀的原因较多：材料物性参数的差异，不同的孔隙压条件以及不同的破裂方式。区域岩性主要由白垩系沉积岩组成，因此就不存在岩性差异造成的区域应力状态的变化。对于孔隙压的影响，研究区40口水井的水位监测系统没有显示出高压区域，水位基本维持在11.8±7.7 m左右，静水压力可能会对此产生影响。然而，对于区域高低应力区的断层多少的分布，则存在较大的差异（图1）。

为了定量评估不同地区断层的分布情况，我们测得在一个直径30 km的圆形区域中包含的断层累积长度。

在图5中，我们给出每个地区Kmin与累积断层长度的函数关系。总的趋势显示，除3个特殊地区之外，应力大小与累积断层长度呈负相关，即应力大小随累积断层长度的增加而降低。而对于特殊区域，还不能给出详细的解释，因此，我们认为，影响地应力大小的因素是比较复杂的，仅仅靠单一的参数还无法表示区域的应力状态。结果表明，断层多少虽然不是影响应力分布的唯一因素，但其存在确实影响应力分布，且应力相对较低的区域表现为较多的断层分布的特点。

图5 K min与累积断层长度之间的关系

应力大小和断层分布之间的关系使得我们认为，在构造相对稳定的区域，现存应力状态可能受先前存在的断层及断层活动造成的应力释放所控制。为了证明推论的合理性，我们对可能造成应力释放的活动断层的应力状态进行分析。

3.2 断层滑移造成的应力释放

在研究区域内，大部分断层沿破裂面表现出明显的剪切运动，断层主要分布于盆地的东部区域及K值相对较低的Ulsan断层，且沿Yangshan断层成丛分布。

如果断层活动能造成应力释放，那么区域内第四纪活动断层肯定会对区域应力释放产生影响。为此，我们分析了当前应力状态下活动断层的滑动趋势。将断层的滑动趋势定义为，断层面上剪应力（τ）与有效正应力（σ′）的比值，并取决于断层方位与区域应力场的偏离情况。另外，在计算有效正应力时，我们假设有一特定的静水孔隙压力。

由于第四纪断层的存在对区域应力场影响较大，因此，我们采用这一区域的主应力平均大小和方向（Kmax＝1.5，Kmin＝1.0，SHmax方向为NE向）开展工作。在给定的应力状态下，第四纪断层上的点的投影位于τ／σ′的相对高值区（图6）。这表明区域应力状态有利于断层的滑动。

图6 第四纪断层的立体投影，等值线表示τ／σ′

第四纪断层上τ／σ′的比值小于断层的摩擦系数，与实验给出的不同类型岩石静态摩擦系数（0.6～1.0）相比[22]，断层面上的应力状态还不足以引起断层的滑动。然而，先前有关静态摩擦系数的研究表明，静态摩擦系数一般较低（低至～0.2），且系数大小主要取决于破碎带物质的粘性程度和颗粒大小[2324]。因此，还不能清楚地确定断层的稳定性。但通过这些结果，还是可以得出一些有意义的认识。不管当前应力状态下断层潜在的危险程度如何，在特定的应力方向上，τ／σ′最大时，断层肯定最危险。这表明断层可以维持当前的应力状态或者通过滑移减少（释放）应力，且整个第四纪时期应力大小比现今更有利于断层的滑移，上述结果意味着，第四纪断层引起的应力释放造成较低的应力大小。

4 结论

研究结果表明，应力的大小和方向存在空间的变化。首先，最大水平应力方向总体与断层走向存在一定程度的偏移，且应力大小、水平与垂直应力之比（K）与断层规模呈现负相关，断层规模越大，应力越小。这种关系表明存在应力释放的可能性，断层活动造成相对较低的应力状态。

第四纪活动断层广泛分布于低K区，且在特定的应力状态下，活动断裂面上剪应力与有效正应力的比值相对较高，这表明断层处于临界破裂状态，任何应力扰动都可能造成断层的滑动，造成区域应力的释放。

译自：Proceedings of the 5thInternational Symposium on In－Situ Rock Stress“Rock Stress and Earthquake”，Edited by Furen Xie，CRC Press／Balkema，Leiden，The Netherlands：701－706，2010

原题：Present－day stress state in southeast Korea with an emphasis on effects of regional－scale faults

（中国地震局地壳应力研究所研究生 李 妍译；李玉江 校）

（译者电子邮箱，李妍：l＿iyan2005＠126.com）

[1] Barton C A，Zoback M D.Stress perturbations associated with active faults penetrated by boreholes：Possible evidence for near－complete stress drop and a new technique for stress magnitude measurement.J.Geophys.Res.，1994，99：9 373－9 390

[2] Sassi W，Faure J－L.Role of faults and layer interfaces on the spatial variation of stress regimes in basins：inferences from numerical modelling.Tectonophysics，1997，266：101－119

[3] Okada A.Active fault topography and trench survey in the central part of the Yangsan fault，Southeast Korea.J.Geogr.Japan，1994，103：111－126

[4] Ree J H.Quaternary reactivation of Tertiary faults in the southeastern Korean Peninsula：Age constraint by optically stimulated luminescence dating.Island Arc.，2003，12：1－12

[5] Lim H U，Lee C I.The trends and variations of natural stresses in rock masses with depth.Tunnel and Underground Space，1991，1：91－101

[6] Kim S J.A study on the estimation of design parameters appropriate to Korean rock masses.Ph.D.Thesis.Daegu：Kyungpook National University，2002

[7] Haimson B C.Shallow hydraulic fracturing measurements in Korea support tectonic and seismic indicators of regional stress.Int.J.Rock Mech.Min.Sci.，2003，40：1 243－1 256

[8] Lee J B，Chang C.Current state of stress in southeast Korea.Journal of Engineering Geology，2007，17：299－307

[9] Kim K，Franklin J A.Suggested methods for rock stress determination.Int.J.Rock Mech.Min.Sci.＆Geomech.Abstr.1987，24：59－63

[10 Zoback M D.Reservoir Geomechanics.Cambridge：Cambridge University Press，2007

[11] Müller B.Regional patterns of tectonic stress in Europe.J.Geophys.Res.，1992，97：11 783－11 803

[12]Zoback M L.First－and second－order patterns of stress in the lithosphere：the world stress map project.J.Geophys.Res.，1992，97：11 703－11 728

[13] Hillis R R，Reynolds S D.The Australian stress map.J.Geol.Soc.，2000，157：915－921

[14] Tingay M.Present－day stress field of southeast Asia.Tectonophysics，2010，482：92－104

[15] Park Y.Fault slip analysis of Quaternary faults in southeastern Korea.Gondwana Research，2006，9：118－125

[16] Heidbach O.Global crustal stress pattern based on the World Stress Map database release 2008.Tectonophysics，2010，482：3－15

[17] Hudson J A，Cooling C M.In situ rock stresses and their measurement in the U.K.－Part I.The current state of knowledge.Int.J.Rock Mech.Min.Sci.＆Geomech.Abstr.1988，25：363－370

[18] Evans K F.Appalachian stress study 3.Regional scale stress variations and their relation to structure and contemporary tectonics.J.Geophys.Res.，1989，94：17 619－17 645

[19] Ask M V S.In situ stress from breakouts in the Danish sector of the North Sea.Marine and Petroleum Geology，1997，14：231－243

[20] Yale D P.Fault and stress magnitude controls on variations in the orientation in situ stress.In：M.Ameen（ed.）Fracture and In－situ Stress Characterization of Hydrocarbon Reservoirs.London：Geological Society，2003：55－64

[21] Gephart J W.FMSI：A Fortran program for inverting fault／slickenside and earthquake focal mechanism data to obtain the regional stress tensor.Comp.Geosci.，1990，16：953－989

[22] Byerlee J D.Friction of rocks.PAGEOPH，1978，116：615－626

[23] Morrow C A.The effect of mineral bond strength and adsorbed water on fault gouge frictional strength.Geophysical Research Letters，2000，27：815－818

[24] Moore D E，Lockner D A.Crystallographic controls on the frictional behavior of dry and water－saturated sheet structure minerals.J.Geophys.Res.，2004，109，B03401：1－16

P315.7；

A；

10.3969／j.issn.0235－4975.2011.01.015

2010－11－15。