渤海海峡地应力场研究及地质条件评价❋

郑红霞, 张训华, 赵铁虎, 齐 君

(1.中国海洋大学海洋地球科学学院，山东 青岛 266100； 2.中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院，山东 青岛 266580；3.青岛海洋地质研究所 海洋地质调查技术方法室，山东 青岛 266071)



渤海海峡地应力场研究及地质条件评价❋

郑红霞1，2，3, 张训华3❋❋, 赵铁虎3, 齐 君3

(1.中国海洋大学海洋地球科学学院，山东 青岛 266100； 2.中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院，山东 青岛 266580；3.青岛海洋地质研究所 海洋地质调查技术方法室，山东 青岛 266071)

查明渤海海峡处现今地应力状态及断层活动状况，可为渤海海峡跨海通道建设提供科学依据。在通道中轴线上布设6个浅钻钻孔，进行了7个测点的空芯包体地应力测量工作。对测量数据分析后，认为海峡区最大水平主应力、最小水平主应力与垂直主应力均随深度的增加而线性增大；最大水平主应力大于垂直应力，区域内构造力处于主导地位；各测点处均有两个主应力位于近水平方向，其与水平面的夹角平均为7.8°；研究区内地应力各分量值之间相差不大，远远小于区内断层活动应力值的下限，研究区目前处于稳定状态。区域横向上看，海峡区南部地壳浅部的应力状态为σH>σh>σv，有利于逆断层活动，北部的应力状态为σH>σv>σh，有利于走滑断层活动；垂向上看，70m以上的各点应力值受地形影响较大，-70～-130m处的各点处于挤压应力状态中。整个区域处于NE-NEE向的挤压应力场中，在区域应力场的作用下，郯庐断裂带运动状态为右旋压扭，蓬莱-威海断裂带为左旋压扭，黄河口-庙西北断裂带处于拉张走滑运动状态中。

渤海海峡； 地应力测量； 主应力； 应力状态； 断裂带； 地震

渤海海峡位于黄渤海交界处，是渤海与黄海的天然分界线，北起辽东半岛老铁山西南角，南至胶东半岛蓬莱登州角，两端最短距离约106km(57 n mile)。海峡南侧水深为20～30m，北侧水深为60～80m，平均水深约为25m，海峡北段的老铁山水道为水深最大处，达86m。庙岛群岛散布在海峡中南部，呈线性南北展开[1-2]。

为进一步加快环渤海区经济的发展，振兴东北老工业区，依托渤海海峡的有利地形地理条件，修建渤海海峡跨海通道，构筑起北接俄罗斯，南连长三角、珠三角的沿海交通大动脉，将能为中国沿海、东北亚及环太平洋地区的经济腾飞创造重要条件[3]。渤海海峡跨海通道的建设将是一项社会经济效益显著、规模空前，施工难度巨大的海上重大工程[4]。因此避开地震、断层活动带及地质灾害多发带，为工程建设寻找相对稳定区，成为了目前一研究热点。地壳应力变化是导致地壳变形、断裂、褶皱乃至地震发生的最直接动力因素，研究工程区的应力状态，将能为通道工程选线、建设及运营提供科学依据及保障[5-6]。

前人基于断层活动擦痕数据、现代震源机制解、应力测量数据及地壳形变数据，曾先后开展过华北地区、环渤海地区、山东地区、东部沿海地区等地的地应力状态研究工作，确定了大区域的统一应力场[7-16]。但由于受构造、断裂及岩石物理参数的影响，局部地区的应力状态与大区域统一应力场有所差异[17-18]，因此在分析区域范围应力场时，需要用现场应力测量数据对其进行定量评价。本文基于渤海海峡跨海通道处6个钻孔的7个地应力空芯包体测试数据，讨论了海峡区主应力的方向、倾角、量值及其相互关系，归纳了地应力随深度的分布规律，分析了区域地应力场状态，研究了该区的断层活动性，探讨了该区的动力学环境及地震危险性，为该区的活动断裂、地震危险性、区域动力学研究提供实际资料，为跨海通道工程的论证、建设及安全运营提供基础依据。

1 区域地质背景

渤海海峡地处渤海下沉带东侧，胶辽隆褶带上，北东向延伸，北邻辽东隆起，南连胶东隆起，西以郯庐断裂带为界连接渤海盆地，东至北黄海盆地(见图1)。胶辽隆褶带是中朝地块上的一个次级构造单元。基底由太古代和早元古代变质岩系、混合花岗岩、混合岩组成，结晶基底广泛出露。自中元古代至早古生代，胶辽隆褶带上形成隆起和坳陷相间的构造格局。中元古代除凹陷接受沉积外，其余地区均处于隆起状态。晚古生代地层以复州坳陷发育最好，总厚度达4628～7631m[19]。

在元古代晚期，海峡处的庙岛群岛为一整体，与南北陆地连成一片，为胶辽地盾。1.4亿年前的燕山构造运动及后期的喜马拉雅造山运动，使该区先后发生一系列的北北西向、北北东向、北东向和北东东向的断裂活动[20-21]。新近纪时期，该区局部进一步陷落形成北黄海盆地，残余狭长部分为胶辽路桥，路桥西侧的渤海湾盆地沉积了巨厚的古近纪、新近纪地层，以东的北黄海盆地缺失古近纪地层，只沉积了新近纪地层。路桥-海峡范围缺失第三纪地层，第四纪地层厚度较薄，以陆相和海陆交替相沉积为主[19，22]。第四纪初期，喜马拉雅运动期间，NW向断裂活跃，将路桥切割、断陷、分离为数段，成诸岛的雏型，形成渤海海峡，沟通了黄海和渤海[22]。自晚更新世以来，该区和渤海沿岸一样，发生过3次大的海侵与海退，直至距今1300年左右，海岛岸线才降到比现在海岛岸线略高的地方[23-24]。

(①营口-潍坊断裂带大致边界；②张家口-蓬莱断裂带大致边界；③庙西北-黄河口断裂带大致边界。①Approximate boundary of Yingkou-Weifang fault zone；②Approximate boundary of Zhangjiakou-Penglai fault zone；③Approximate boundary of Miaoxibei-Huanghekou fault zone.)

图1 渤海海峡位置及地震震中分布图(据文献[4、19、25]修改)
Fig.1 The Location and epicenter distribution of Bohai Strait Area(according to reference [4、19、25])

海峡区所处的华北地块新构造运动具有明显的继承性与新生性，继承性表现为新近纪基本继承了古近纪的构造格局；新生性表现为在古近纪构造格局的基础上，形成一些新构造，如张家口-渤海北西向一系列坳陷带[25-27]。胶辽隆褶带西侧的华北平原和下辽河平原以下降运动为主，沉积了巨厚的第四系，而在胶、辽山地和燕山山地表现为以间歇性上升运动为主[28-31]。目前，整个群岛至今仍处于“南升北降”的微变之中。庙岛群岛除基底长期隆起外，主要受营口-潍坊断裂带和蓬莱-威海断裂带所控制，这两组断裂为长期继承性活动断裂，新构造运动时期也有明显活动[21]。

2 渤海海峡地应力测量及结果

目前，地应力测量方法有多种，国内外常用的有水压致裂法、钻孔崩落法、Kaiser效应法，空芯包体应力解除法、以及基于岩芯测量的差应变法和非弹性应变恢复法等方法[32]。水压致裂法广泛应用于深部测量，但其理论基础为平面应变理论，假定岩石均质、各向同性、线弹性，地应力张量的一个主方向必须与钻孔轴向一致，影响了测量结果的可靠性[33]；钻孔崩落法仅能确定主应力的方向；Kaiser效应法测的是岩体在历史上所受的最大应力值[34]。同这些方法相比，空芯包体应力解除法可测定二维和三维地应力的主值和方向，测量结果可靠性更高，广泛应用于各项重大工程中的浅孔应力测量中[35]。

本次测量中使用中国地质科学院地质力学研究所研制的KX-81型空芯包体式三轴地应力计，该设备可在单孔中通过一次套芯解除应变获得一点的三维应力状态。地应力测量时，测点应尽量布置在地形平坦处，避开岩石破碎带、断裂发育带[5-6]。鉴于此，根据野外踏勘结果，结合地质图与地形图，中国地质科学院地质力学研究所于2012年在陆岛区蓬莱姜沟、蓬长码头、南长岛、砣矶岛、北隍城岛、老铁山等地实施6口地质浅钻，各钻孔位置如图2所示，各钻孔情况如表1所示，取得了深度为65.0～130.0m之间7个点的空芯包体应力解除数据(见表2)。

图2 研究区钻孔位置图及主应力方向Fig.2 The Location of Drilling and the Direction of Principle Stress

ZK-1钻孔位于蓬莱市姜沟村北，孔口海拔高程为105m，钻孔深度为135.7m，在孔深80与130m 两个测点处进行了空芯包体地应力测量。钻孔岩性以花岗岩为主，岩芯较完整，取芯率为90%。ZK-2位于蓬

莱市蓬长码头处，孔口海拔高程为9m，钻孔深度为113.5m，取芯率为88%。此孔仅在70、90.5、110.7三点处进行了水压致裂测量，而未进行空芯包体测量。ZK-3位于长岛县南长岛孙家村西，孔口海拔高程为57m，钻孔深度为87.35m，取芯率为72%，在孔深81m处进行了空芯包体地应力测量。ZK-4位于长岛县砣矶岛乡磨石咀村北，孔口海拔高程为33m，钻孔深度为91.45m，取芯率为81%，在深度75.0m处进行了空芯包体地应力测量。ZK-5钻孔位于长岛县北隍城岛山前村西，孔口高程为8m，钻孔深度为85.8m，取芯率为75%，在孔深58.7m处进行了空芯包体地应力测量。ZK-6位于旅顺市铁山镇金家村南，孔口海拔高程为42m，钻孔深度为147.89m，取芯率为85%，在孔深65m、120m两处进行了空芯包体地应力测量。ZK-2、ZK-3、ZK-4、ZK-5和ZK-6各钻孔的岩性均以石英砂岩为主，岩芯较完整。

空芯包体应力解除测量结果按主应力的方位角与倾角给出，如要分析最大水平主应力、最小水平主应力、垂直主应力的变化规律，需先按公式(1)计算实测主应力与各坐标轴之间的方向余弦。

表1 研究区地质浅钻参数

(1)

式中α为方位角，β为倾角。根据每一点主应力数值及方向余弦，由公式(2)将主应力转换成坐标系下的应力分量，根据公式(3)计算最大水平主应力的方位角，计算结果如表3所示。

(2)

(3)

3 结果分析与讨论

3.1 研究区地应力状态

3.1.1 主应力分布规律 迄今为止，世界各地开展了许多地应力监测工作，有的为几米至几十米的浅部测量，有的为几百米至几千米的深部测量[5-6]。研究表明，地应力有随深度的增加而增大的趋势，其变化规律可以用线性方程式表示[36-38]，但受地质构造、地质单元、岩性、地壳运动等因素的影响，不同地区应力状态不尽相同，应力随深度线性增加的幅度也各异[39-41]。

Brown和Hoek收集、汇总了全世界116个地应力测试数据，发现垂直应力观测值大部分位于平均密度为2700kg/m3的上覆岩石引起的应力梯度直线附近[38]；韩军通过收集、分析阜新、平顶山、鹤壁和淮南等矿区的13个地应力测试数据，认为在450～850m埋深范围内，垂直应力随深度的回归系数为0.0272，这与Brown的结论一致[39]，而苗胜军等在三山岛金矿地应力场与地质构造关系分析研究中得出的回归系数为0.0255；平均水平主应力的两个回归系数分别为0.041、0.72[40]。

表2 各点地应力测量数据

注：方位角以正北为零方向，顺时针旋转为正；倾角为与水平面的夹角，水平面以上为正；压应力为正。

Note：The north direction is set to be zero azimuth, the clockwise rotating azimuth is positive; The angle between principle stress and horizontal plane is called dip angle, which is positive above horizontal plane; The compressive stress is positive.

表3 各测点地应力分量表

注：地应力分量取地理坐标系，X轴指向东，Y轴指向北，Z轴向上。σH水平最大主应力，σh水平最小主应力，σv垂直主应力。

Note：Stress components coordinate equals geographic coordinate system, the X axis points to east direction, the Y axis points to north direction, the Z axis points to upper direction. σHis maximum horizontal principal stress, σh is minimum horizontal principal stress,σvis vertical principal stress.

为了研究本域内地应力场随深度变化的具体规律，将6个钻孔数据合并在一起，使用线性回归的分析方法，对实测得到的7个测点的垂直主应力、平均水平主应力、最大水平主应力、最小水平主应力进行回归拟合，拟合公式为(4)～(7)式，拟合结果如图3所示。分析时，因120m处的测点偏离趋势线较远，故舍弃该测点。

垂直主应力回归方程：

σv=0.0241H+2.7392 (R=0.647)。

(4)

平均水平主应力回归方程：

σ平均=(σH+σh)/2=0.0654H+0.6826 (R=0.924)。

(5)

最大水平主应力回归方程：

σH=0.0684H+1.120 (R=0.922)。

(6)

最小水平主应力回归方程：

σh=0.0624H+0.2452 (R=0.927)。

(7)

式中：H为测点埋深，单位为m；主应力单位为MPa，以下同。

上述各式回归结果的相关系数均大于0.6，其中水平主应力拟合公式的相关系数高达0.9以上，说明各观测值随深度具有较好的线性关系。图3为最大水平主应力、最小水平主应力及垂直主应力随深度变化的回归曲线，由此图可以明显看出，三者均随深度增加呈线性增大的趋势，与已有结论相符。

将回归结果与已有结果对比[37-40]，可以看出垂直主应力的系数项偏小，常数项偏大；平均水平主应力与之相反，同一深度处计算出的水平应力数值较大，究其原因可能与研究区构造运动较为强烈，水平应力值较高，岩石较为软弱、破碎，加之测点较浅，受地形起伏影响较为显著所造成。

图3 主应力与深度的关系Fig.3 Relationship of the principle stress and depth

3.1.2 主应力量值及关系 吴珍汉研究表明，华北盆地上地壳的最大主应力为4～30MPa，最小主应力为2～21MPa[43-44]。本次研究中，由空芯包体地应力测量结果知，在测量深度范围内(58～130m)，海峡区最大水平应力取值范围为5.22～10.07，平均为6.61；最小水平应力取值范围为3.91～8.26，平均为5.14；垂直应力取值范围约为3.47～6.18，平均为4.70。本次研究结果与已有研究结论相符。

侧压系数λ指某点两个水平主应力的平均值和垂直应力的比值，用公式可表示为σH+σh/2σv，用来描述地应力的状态。韩军在其研究中认为，550m深度以下的各测点，λ值相对较集中，为0.86～1.25之间，而对于550m以上的测点，λ值在浅部出现了高峰，离散性也较大[39]。本次研究中，在埋深50～130m的范围内，λ的取值范围为0.9～1.5(见图4)，可见研究区中λ数值略大于国内外的水平，究其原因可能为测点埋深较浅受地形影响较大所致。由图4可以看出，所测量的7个数据中，有4个点符合“平均水平应力与垂直应力的比值随深度逐渐减小”这一结论[37]，有3个点偏离这一趋势。

图4 各应力之间的比值Fig.4 The ratio of each stress

最大、最小水平主应力与垂直应力的比值(σH/σV、σh/σV)分别位于1.08～1.63、0.8～1.3之间；最大水平主应力与最小水平主应力的比值(σH/σh)位于1.2～1.54之间；最大与最小主应力的比值位于1.32～1.65之间。综合来看，上述各比值均在0.8～1.7之间，说明研究区内地应力各分量值之间相差不大。

通过浅钻钻孔岩芯研究发现，各钻孔的岩性主要为石英岩，根据研究区岩石力学实验中的毛体积密度测试结果可计算其密度的平均值为2830kg/m3，采用公式σz=0.0283H计算各测点的自重应力。由计算结果知，在测量的深度范围内，垂直主应力大于上覆岩层因自身重量而产生的应力，其差值在1.4～3.2之间，如图5所示。其差异可能由测点埋深较浅，水平构造力较强，叠加钻孔处应力集中、钻孔扰动及地层倾斜、地形起伏等因素共同影响而形成，也可能为受渤海中部地幔的热软流物质上拱造成的地壳内深部垂向挤压及浅表横向拉张的附加力源[11]。

图5 垂直应力与自重应力之差Fig.5 The difference of the vertical stress and geostatic stress

横向上看，不同钻孔测出的应力值大小、方向和倾角均有所变化，表明地应力分布与地质构造有密切关系，如ZK-1钻孔中80m深度与ZK-3钻孔中81m深度处无论是σ1、σ2、还是σ3数值都相差较大，究其原因大体为ZK-3钻孔位于长岛县南长岛，据推测张渤断裂带的东段——蓬莱-威海断裂带大体经过此处，岩体内节理裂隙比较发育，应力得以释放所致。纵向上看，同一钻孔不同标高处的测点所测主应力的大小、方位、倾角均有所变化，说明测量结果具有一定的离散性。

3.1.3 主应力方向及倾角 丁健民通过钻孔崩落资料分析后认为，山东渤海沿岸地区最大水平主应力方向为NEE到SEE之间，平均最大水平主应力方向为N85E[13]；周翠英、吕子强通过震源机制解统计表明郯庐断裂带中主压应力轴优势方位为80°左右，其方向主要为NE、NEE及近EW向，主张应力轴的优势方位约为340°～360°，其优势方向为NNW、近SN向[10，12，44]；董旭光认为渤海海峡北部区域及其周边地区主压应力轴优势方位为NEE(50°～70°)和近东西(80°～90°)两组[11]。本次研究中，计算出的最大水平应力的方位角取值范围为35.5°～83.1°，平均为51.5°。7个测点中，有3个测点的最大主应力方向为NNE向，分别为35.5°、37.3°、39.9°；1个测点为NE向，数值为45.4°；2个测点为NEE向，分别为61.7°、57.7°；1个测点为近EW向，数值为83.1。以上各测点由于所处块体上位置的不同，局部构造不同，各测点处的地形起伏也不同，所以测得的最大水平主应力方向不完全一致，但从区域总体上看，最大主应力的优势方向为NE向，即研究区总体处于NE向挤压应力场作用下。与上述震源机制解、原地应力测量相比，主应力方向略向北偏转，说明研究区在大区域应力场的作用下，又具有局部应力场的特点。

6个钻孔的7个空芯包体地应力测量数据中，每个测点均有2个主应力位于近水平方向，其与水平面的夹角平均为7.8°，最大为16.53°，最小为0.82°，另有一个主应力接近垂直方向，其与垂直方向的夹角平均为12.1°，最大为19.1°，最小为3.61°。其中ZK-1、ZK-3、ZK-4井位处4个测点的最大主应力σ1、中间主应力σ2接近位于水平面内，其与水平面的夹角平均为8.2°，大于全区域平均值7.8°，最大为14.87，最小为0.82。而ZK-5、ZK-6井位处3个测点的最大主应力σ1、最小主应力σ3接近位于水平面内，其与水平面的夹角均为7.2°，小于全区域平均值7.8°，最大为16.53°，最小为0.87°，这与渤海及周边区域震源机制解中PT轴倾角基本上都在20°以内的结论相一致[10-12，45]。所有测点中，最大水平主应力σH取值最大。由上述可知，渤海海峡跨海通道处中轴线附以近水平方向的压应力为主导，而不是以自重应力为主，符合我国地质学家李四光先生的“地壳运动是以水平运动为主，应力场是以水平应力为主”的论断。

3.2 地应力场类型分析

3个主应力的空间关系是表征一个地区地应力场基本特征的主要因素[32，39]。大量研究表明，岩体中的3个主应力一般不相等，即形成不等压的空间应力场，三个主应力的大小和方向随空间和时间而变化[46-47]。由于受地形、地质、构造和岩石物理力学性质等方面的影响，使得地应力的分布极为复杂[48]。同一测点不同深度处，不同的测点处，其应力值与方向各不相同，因此，根据测点处的应力值，确定区域应力场的宏观类型，即可满足区域工程设计的需要，又利于地球科学方面的研究[5-6]。

彭向峰、于双忠根据3个主应力的空间关系将原岩应力场划分成大地静力场、大地动力场和准净水压力场，拉张区的应力场类型为大地静力场类型，挤压区的应力场类型为大地动力场类型。研究区内所有测点的3个主应力中，最大主应力近似位于水平方向，因此属于大地动力场型，为挤压区[48]。

Anderson根据断层类型，将地应力划分为正断层应力类型、逆断层应力类型和走滑断层应力类型。本次研究中，在测量深度范围内，从横向上看，ZK-1、ZK-3、ZK-4 3个井孔中4个测点主应力之间的关系均为σH>σh>σv，表明在从蓬莱海域至砣矶岛附近，水平应力占主导，垂直应力为最小应力，该地应力状态有利于逆断层的活动。ZK-5、ZK-6 2个井孔中3个测点主应力之间的关系均为σH>σv>σh，表明从北城隍岛至旅顺附近，最大与最小主应力都以水平方向的压应力为主，地壳浅部的应力状态应属潜在走向滑动型；从垂直方向上看，深度为58.7、65、120m处的3个测点主应力之间的关系为σH>σv>σh，深度为75、80、81和130m处4个测点的应力关系为σH>σh>σv，因此可把70m作为区域内的一个分界线，70m以上为走滑应力状态，70～130间为逆冲应力状态。

区域内的各个钻孔，除ZK-2钻孔位于平坦场地上外，其余各钻孔选择在山地或丘陵中相对平坦地区，各测点数据不免受周围地形影响。一个地区浅层的地应力状态受地形、地貌的干扰较大，地形地貌产生的力可称作非构造力，分布在地壳浅表层三维空间一定范围之内，与下部只受构造力影响的点之间存在一个临界面，临界面之上各点受非构造力与构造力的双重影响，临界面之下各点仅受后者的影响[47，49-51]。结合上述分析可认为，研究区临界面的深度约为70m，临界面以上各点的走滑应力状态为非构造力与构造力共同产生，有可能前者占据主要地位；临界面以下至130m深度处，各点的逆冲应力状态为受区域构造力的影响而产生。

3.3 地应力与断裂活动性分析

地壳内断层的活动而引起地震。断裂的活动性受其所处的应力状态的控制[46-47]。摩尔-库伦准则认为，如果断层面上的剪应力大于或等于滑动摩擦阻力(见式(8))，预先存在的断层面在剪应力的作用下将会发生滑动。

τ≥μσn。

(8)

其中：τ为断层面上的剪应力；σn为断层面上的正应力；μ为断层的摩擦系数，一般由实验确定；μσn为断层面上的滑动摩擦阻力。

研究断层活动性的首要问题为摩擦系数μ的选取。一般认为μ值在一定正应力界限内比较稳定，不随正应力数值大小及岩石类型的变化而出现较大的波动。Byerlee综合不同岩石的实验资料后认为，大部分岩石的值在0.6～1.0之间[52]；M.D.Zoback等在分析水库诱发地震和分析断层稳定性时，摩擦系数分别取了0.6～0.8、0.6～1.0两个范围区间[53]；国内李方全、张伯崇对花岗岩、灰岩和砂岩进行岩石力学实验后认为，μ的下限为0.65，上限为1.1，均值为0.85，同时指出研究中μ取0.6～1.0较为合理[54-55]。

应用库伦准则进行断层活动性分析时，离不开断裂面上的正应力与剪应力，两应力值需根据区域内点的应力状态及断裂的走向与倾向计算，这对于基础地质资料缺乏的渤海海峡区，存在一定的难度。因此，部分研究者从最大、最小主应力的比值出发(σ1/σ3)，推导了其与摩擦系数的函数关系(见式9)[36，46，56]，依此来进行断层的活动性分析。

(9)

式中σ1、σ3为最大、最小主应力。

如若σ1/σ3小于此值，则断层稳定；反之，则断层可能发生滑动。对逆断层分析时，σ1=σH，σ3=σv；对走滑断层分析时，σ1=σH，σ3=σh，将μ的下限值0.6和上限值1.0带入式(9)，得到

μ=0.6时：σH=3.1σv(逆断层)；σH=3.1σh(走滑断层)。

(10)

μ=1.0时：σH=5.8σv(逆断层)；σH=5.8σh(走滑断层)。

(11)

根据各个实测点的应力状态，将各点的应力值带入式(10)、(11)中，可求得σH的下限值和上限值，又称作临界值，将临界值随深度变化的回归直线与实测点处的最大水平应力值绘制于同一坐标系中，如图6所示。由图6可以看出，无论区域范围内发育走滑断层还是逆断层，实测点处的最大水平主应力值都小于两者的最小临界值，即最大水平主应力值未达到断层活动需要的应力值下限，表明研究区断裂目前基本处于稳定状态，发生地震的可能性不大。这一结论也可以从各个测点的σH、σh、σv三值较为接近得出。

图6 最大水平主应力与临界区Fig.6 The maximum horizontal principle stress and critical area difference of the vertical stress and geostatic stress

4 研究区地应力地质条件评价

地应力测量是研究地应力场最直接的方法，可直接获得测点处现今地应力的大小和方向，尽管应力测量主要反映地壳浅部局部应力状态，但近地表的应力大小和方向有助于确定岩石圈内更大尺度的应力场类型[43-44]。

由区域内的空芯包体测量结果可知，最大水平主应力方向约为NE-SW向，最小水平主应力方向约为NW-SE向，在测量深度范围内，两者相差不大，差值在1.0～2.1之间，比值位于1.2～1.54之间。岩石的力学性质表明，最大水平主压应力方向为板块内部的挤压方向，最小水平主压应力方向为板块内部的拉张方向，故渤海及周围地区目前总体处于NE向挤压，NW向拉张的背景中，这一认识与李三忠的结论一致[57]。同时，大地测量提供的现代地壳运动资料说明，渤海区呈现明显的NW-SE向的双向扩张运动，扩张速率为(2.5±1.8)mm，大华北区总体存在SEE向运动[16]，震源机制解中的张应力轴大体也在该范围之内[10-12，58]，这也与本次的研究结论不谋而合。一般来说，岩石的抗张强度远远小于抗压强度，所以区域内NW-SE向拉张应力起主要作用，渤中、渤东及庙西地区广泛发育的浅层NEE、近EW向断裂，为在区域应力作用下产生的张性破裂。渤海海峡及周边区域的震源机制解数据中P轴倾角大，T轴倾角小，说明区域正断层机制更多些，也说明该区域受拉张可能强些[59]；华北区震源断面滑动以走向滑动兼正断层倾向滑动占优势，较大地震无显著冲断[10-12，59]；高分辨率浅层地震探测结果可知，渤海区及山东半岛北部海域浅表层广泛发育正断层[60-64]。

一个地区断裂的运动性质与该区应力状态密不可分，从区域的应力状态、应力场类型可以判断区域断裂的运动状态[46-47]。新构造时期，一条断裂在不同地段往往具有不同的活动性，但是在晚新生代构造应力场的统一作用下，同一断裂带具有一致的运动方式[25]。该区内各个测点有的为走滑应力状态、有的为逆断应力状态。目前，普遍认为百米左右的浅层地应力测量点大部分为逆断应力状态，但随着测点深度的增加，逐渐向走滑应力状态转变，地区不同，转换界面的深度不同。海峡区西部的渤海新构造期断裂十分发育，继承性运动的营口-潍坊断裂带、张渤断裂带及新生的黄河口-庙西北断裂带为其主干构造，其活动方式受现代应力场的制约[26-27]。

营口-潍坊断裂带是郯庐断裂带的组成部分,为渤海湾盆地的东部边界，主体走向约为NNE20°～30°。目前，其与海峡区平均主压应力轴的走向(NE51.5°)夹角小于45°，与区域最大水平主张应力轴的夹角较大，在两个主应力的共同作用下，处于右旋挤压走滑运动状态，基本上继承了新近纪以来的运动状态。营口-潍坊断裂带渤中段走向较莱州湾段偏东，前者与区域主压应力轴的夹角较后者小，因此其活动性大于后者，地质资料证明，北北东走向的莱州湾被一些近东西向走向的断裂分割成若干小段，失去了活动的整体性[25-26]。

黄河口-庙西北断裂带与渤海东南部分布的黄河口-庙西北地震带相一致，从黄河口起，沿NE-NEE走向，斜穿营口潍坊断裂带，延伸至长兴岛，是一条地壳脆性破裂带，单条规模小、长度短、连续性差，数量多，密集分布成一条具有约60km宽的破裂带[27]。该断裂带不受古近纪盆地构造控制，受新近纪以来应力场的初始应力作用而产生的新生走滑构造带[25-27]。目前，因该断裂带与海峡区区域主压应力轴方向小角度相交或大体一致，与主张应力轴方向大体垂直，推测其主体处于拉张右旋走滑状态之中。徐杰认为庙西北-黄河口断裂带为1969年渤海7.4级地震的发震构造，有可能向两端进一步延伸[27]。

营口-潍坊裂带、黄河口-庙西北断裂带因距离渤海海峡跨海通道中轴线较远，其活动性对通道的影响较小，海峡区内分布的断裂对通道的影响巨大。渤海海峡区因探测资料较少，对该区断裂的认识不足，但目前统一认为张渤断裂带穿越渤海及渤海海峡区，向东南端延伸扩展，大体经过山东半岛北侧海域，威海北部，到达黄海海域，这一断裂带又称之为蓬莱-威海断裂带，即蓬莱-威海断裂带是张家口-渤海北西向断裂带向东南扩展的产物，为张家口-渤海断裂带的东南端，构成北黄海盆地与山东半岛隆起的分界线[62，65]，据探测该断裂带的大体走向为NWW60°～70°。渤海海峡处实测主压应力轴走向平均约为51°，与蓬莱—威海断裂带大角度相交，在这种应力场下，发生左旋挤压走滑运动，但其挤压分力增强了NNW、NW向断层的应变积累，致使地震活动水平减弱。近年来的GPS资料说明，路域上张渤断裂带的左旋走滑速率2～4mm/a[66-67]。在新构造应力场中，渤海区内右旋拉张走滑运动的黄河口-庙西北断裂带与左旋挤压走滑运动的张渤断裂带为一对共轭活动构造带[25]，前者活动性强于后者，因此NW向先存断裂的活动性被压制[27]。蓬莱-威海断裂带历史上曾发生1548年渤海海峡7级地震、1948年威海西北6级地震、2005年5月9日及10日的4.5和4.0级地震。

上述断裂位于海域，其运动方式与状态为从区域应力场方面进行的推断。而在渤海海峡处，南长山岛上发育有信号山北侧断裂和叶家断裂，走向分别为N30W、N50W，断层面为压性，这与该岛上ZK-3钻孔处的应力状态一致。南、北城隍岛、大黑山岛和砣矶岛等海岸处，北东、北西向断层有活动迹象，在海蚀地貌形成陡峭的海蚀带，节理发育，石英岩呈碎裂状态，说明其处于压性应力场中[20-21]。

从1969年渤海地震发生后到目前为止，渤海海峡区小震频发，释放地震带内部分积聚能量，但地震活动水平最大为5级左右，近年来地震活动水平保持在4级左右，最大时间间隔约为3年，说明地震带内能量积聚不大[71]。蓬莱-威海断裂带可能与山东半岛北部陆地上NE向的蓬莱-招远和桃村-东陡山断裂呈T字形相交断裂交汇区为现代小震活动密集区，需密切关注[65]。

5 结论

以往渤海海峡区实测地应力资料缺乏，本次研究首次依据实测资料，取得了对渤海海峡区现今地应力状态与构造活动性的新认识：

(1)渤海海峡处各点应力分量随深度变化的线性关系为：σH=0.0684H+1.120，σh=0.0624H+0.2452，σv=0.0241H+2.7392。

(2)渤海海峡处最大水平主应力取值范围为5.22～10.07，最小水平主应力取值范围为3.91～8.26，垂直应力取值范围约为3.47～6.18。平均水平主应力与垂直应力的比值λ相对较集中为0.86～1.25之间，最大水平主应力与垂直应力的比值在1.08～1.63之间，最大主应力与最小主应力的比值在1.32～1.64之间，最大水平主应力与最小水平主应力的比值在1.2～1.54之间，区域内各个点的3个应力分量相差不大。

(3)海峡区最大水平主应力的方位角取值范围为35.5°～83.1°，平均为51.5°，最大水平主应力的方向为NE-NEE向；各测点处均有两个主应力位于近水平方向，其与水平面的夹角平均为7.8°；所有测点中，σH取值最大，且位于近水平面内，说明区域内以近水平方向的压应力为主导。

(4)从横向上看，从蓬莱海域至砣矶岛之间区域，浅层各测点三个分量之间的关系为σH>σh>σv，北城隍岛至旅顺附近，其关系为σH>σv>σh，表明前一地区地壳浅部应力状态为逆冲型，有利于逆断层活动，后者为走滑型，有利于走滑断层活动；从垂向上看，70m以上各点应力状态为σH>σv>σh，受地形影响较大；70～130m各点的应力状态为σH>σh>σv，为挤压区。

(5)因为各个点的σH、σh、σv三值较为接近，各个钻孔点的最大水平应力值未达到断层活动需要的应力值下限，表明研究区断裂基本处于稳定状态；郯庐断裂带与区内NE-NEE向的最大主应力方向交角较小，此断裂带目前处于右旋压扭运动中，蓬莱—威海断裂带与区域主应力方向交角较大，此断裂带目前处于左旋兼挤压状态中，有利于能量积累；黄河口-庙西北断裂带为新构造期新生断裂带，因与区域应力场大体一致，推测目前处于拉张走滑运动状态中。

(6)海峡区由于受上述三大断裂带长期活动的影响，尤其是1948、1969年地震后造成的地应力和能量释放，部分地区节理、裂隙发育，有可能导致区域内地应力测量值偏小，不排除断裂带上一些岩体结构完整的部位产生局部应力积累，当累积应力值超越断层活动临界值时，会存在断层滑动的危险性。

本次研究中，由于研究区域内空芯包体地应力测量点较少，加之测点较浅，要对区域内活动断裂的地震危险性作出科学的评价，尚需进行长期的应力监测，同时开展区域深部探测工作，加强区域深部地球物理特征研究，综合研究断裂带的分段活动性及地震危险性。

致谢：感谢中国地质科学院地质力学研究所提供的地应力测量数据；感谢所有参与项目野外钻测工作的专家及工程师们；感谢审稿专家提出的宝贵意见。

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责任编辑 庞 旻

In-Situ Stress Field and Geological Analysis of Bohai Trait

ZHENG Hong-Xia1,2,3, ZHANG Xun-Hua3, ZHAO Tie-Hu3, QI Jun3

(1. College of Marine Geo-Science, Ocean University of China, Qingdao 266100, China； 2.China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China； 3.Qingdao Institute of Marine Geology, Qingdao 266071, China)

To identify the current state of stress and the active status of fault in Bohai Strait can serve the Bohai strait tunnel construction. Six shallow drilling holes were layouted in the channel axis, and the hollow inclusion stress measurement of seven points was carried in the holes. Based on the analysis of the measurement data, we find that the maximum horizontal principle stress, the minimum horizontal principle stress and vertical principle stress both linearly increases with depth; the maximum horizontal principle stress is higher than the vertical principle stress, and the tectonic stress is outstanding in the region; two principal stress of each measuring point is located near the horizontal plane, the average horizontal angle is 7. 8 degrees; the difference of stress component values is moderate, and far less than the critical value that can cause fault slip activity, so research area is stable. On horizontal perspective, the stress state of south region in Bohai strait isσH>σh>σv, can conductive thrust fault; the north region isσH>σv>σh, can cause strike slip fault. On vertical perspective, the stress of points above -70m can affected by topography, the points between -70m and -130m is in the extrusion stress state. The whole region is in the NE-NEE compressive stress field, the motion state of the Tanlu fault zone is in dextral compressor shear state, Penglai -Weihai fault zone is in sinistral compressor shear state, and Yellow River-MiaoXibei fault zone is in extensional strike slip motion state.

Bohai Trait； ground stress measurement； principle stress； state of stress； active fault； earthquake

国家专项项目“大陆架科学钻探(CSDP)项目”(GZH201100202)；“渤海海峡跨海通道地壳稳定性调查评价”项目(GZH201200504)资助

2015-03-13；

2015-06-18

郑红霞(1980-)，女，讲师。E-mail：zhenghongxia@upc.edu.cn

❋❋通讯作者： E-mail：xunhuazh@vip.sina.com

P551

A

1672-5174(2015)11-081-11

10.16441/j.cnki.hdxb.20150079