青海共和盆地地应力状态与断层稳定性分析1

王 洪 王成虎 高桂云 陈 念 周 昊 安易飞

1）应急管理部国家自然灾害防治研究院，地壳动力学重点实验室，北京 100085

2）中国地质大学（北京），北京 100083

引言

共和盆地位于西秦岭-东昆仑衔接区，为新生代压陷型断陷盆地，是由华北板块、扬子板块、柴达木地块、秦岭微地块、青藏板块复杂作用形成的，其经历了从柴达木地块上的拗拉槽（陆相到陆表海相）到复理石前陆盆地再到陆内碰撞造山作用的演化过程（丁仨平，2008；任海东等，2017）。盆地主要受北侧青海南山南缘断裂和南侧哇玉香卡-拉干断裂带控制。现今共和盆地及周边地区断裂带仍处于活动状态，自1990年哇玉香卡-拉干断裂带发生共和西南7 级地震以来，青海共和地区地震活动频率和强度加剧，对该地区城镇居民生产生活及经济发展产生严重影响。

地应力是影响和控制地震产生的主要因素之一，当区域内应力不断积累，达到或超过断层滑动临界应力值时，已有断裂所处地应力环境力学状态由“平衡状态”转变为“临界状态”，断裂突然失稳，沿断层面产生错动，从而发生地震（陈群策等，2010）。因此，从应力角度分析青海共和盆地及周边地区断层滑动机理和滑动趋势具有重要意义。在理论研究方面，库仑最早提出利用摩擦系数判断岩石破坏情况的“摩擦准则”，岩石破坏形式主要以剪切破坏为主，岩石强度主要由岩石抗滑动摩擦的黏聚力和破裂面上产生的摩擦力组成。Byerlee（1978）通过总结大量各种类型岩石室内摩擦试验得到岩石摩擦系数集中在0.6～1.0。部分国外学者（Paterson 等，1978；Jamison 等，1980；Townend 等，2000；Zoback 等，2002）利用工程区原地应力实测数据证明，通过大量室内试验得到的摩擦系数适用于断层滑动性分析。上述理论研究限定了断裂滑动临界值，在分析断层稳定性时，可将Byerlee 准则摩擦系数下限值0.6 作为判断断层面滑动的临界摩擦系数（安其美等，2004）。在实际工程应用中，Lee 等（2009）利用韩国东南部15 个测点地应力数据并结合断层产状，计算得到断层面剪应力和有效法向应力，进而得到韩国东南部23 条第四纪断层滑动摩擦系数，从而判断韩国东南部活动断层的滑动可能性。黄禄渊等（2013）通过文献调研得到华北地区1 017 条实测地应力数据，确定了华北地区活动断层应力环境，并通过计算断层滑动面临界主应力差，得到华北地区活动断层滑动趋势。王成虎等（2012）和刘卓岩等（2017）利用龙门山断裂带附近的4 个深孔水压致裂原地应力数据，确定了研究区域应力状态，基于实测数据计算得到4 个应力量值特征，得到断裂带附近应力积累水平较低、断层活动性和地震活动性较弱的结论。陈群策等（2010）通过收集整理山西盆地水压致裂地应力数据，根据库仑“摩擦准则”，引入断层面滑动临界状态最大、最小有效应力比与摩擦系数关系函数，分析可知山西盆地附近区域应力值并未达到断层滑动临界应力值。

以上工程应用表明，基于实测原地应力数据对区域断层滑动趋势的判断具有重要作用，而青海盆地及附近区域通过原地应力实测数据，结合地应力特征参数分析断层稳定性的研究较少。此外，青海共和盆地附近既有干热岩地热（张盛生等，2019）、太阳能、矿产、水力、盐湖资源丰富，存在龙羊峡水库诱发地震环境背景，且地质构造环境复杂。因此，研究青海共和盆地附近应力状态与区域内断层稳定性至关重要。本文广泛收集了青海共和盆地附近原地应力实测数据资料，得到区域内现今应力状态分布规律，并结合Byerlee 准则、莫尔-库仑强度理论对区域内断层稳定性进行初步分析，为后期在该地区开展自然资源开采工作提供参考。

1 研究理论

本文基于Anderson（1905）断层力学理论、莫尔-库仑强度理论和Byerlee 准则，引入最大侧压力系数Kmax、最小侧压力系数Kmin、应力积累指标μm等参数，用于分析区域应力场积累水平和地应力量值特征，并判定断层稳定性。侧压力系数与地应力测量深度呈线性关系，可拟合得到不同测点在相同深度的侧压力系数。根据莫尔-库仑破裂准则，破裂面剪应力主要由研究单元抗滑动摩擦的黏聚力和破裂面上产生的摩擦力组成，计算如下：

分析断层稳定性的过程中，应充分考虑岩石内孔隙水压力对断裂带滑动的影响，因此，引入临界滑动面有效正应力，有效正应力和剪应力计算如下：

2 青海共和盆地现今地应力状态和断层滑动趋势分析

2.1 原地应力实测数据收集与整理

本研究采用的主要地应力数据来源于应急管理部国家自然灾害防治研究院编制的《中国大陆地壳应力环境基础数据库》（谢富仁等，2007）及文献收集得到的实测地应力数据、震源机制解数据，研究青海共和盆地区域构造应力场特征，并分析目前应力状态下断层稳定性。

区域内19 个实测地应力钻孔主要分布在青海共和盆地东北部及南部龙羊峡镇、拉西瓦水电站、西宁至格尔木隧道段、海南州兴海县与同德县交界处、门源县，共65 条水压致裂数据和44 条应力解除法测量的地应力数据，测量深度一般为50～300 m，最深近500 m，研究区域地应力测试钻孔位置如图1 所示，水压致裂测量的地应力数据如表1 所示。

表1 研究区域实测地应力数据Table 1 Measured in-situ stress data in the study area

续表1

图1 青海共和盆地地质构造与地应力测量位置示意图Fig. 1 Schematic diagram of geological structure and geostress measurement location in Gonghe Basin, Qinghai

2.2 主应力随深度变化

青海共和盆地主应力随深度变化规律如图2 所示，图中SH、Sh、Sv分别表示最大、最小水平主应力和垂直应力，黑、红、蓝色斜线分别表示最大、最小水平主应力和垂直应力线性拟合回归线，回归方程如下：

式中，r为线性相关系数；z为深度。

根据Byer-lee-Anderson 断层力学理论及图2 可知，当深度＜350 m 时，SH＞Sh＞Sv，属于逆冲型应力状态，有利于逆冲断层活动；当深度＞350 m 时，SH＞Sv＞Sh，属于走滑型应力状态，有利于走滑断层活动。

图2 主应力随深度变化规律Fig. 2 The principal stress varing with depth

2.3 地应力量值特征

为更直观地反映地应力实测值随测试深度的变化特征，将KH，max（Bieniawski，1984）、Kh，min（Rummel，1986；Herget，1987；Savage 等，1992）、Kav（van Heerden，1976；Brown 等，1978）统称为侧压力系数，表达式如下：

图3 侧压力系数随深度变化规律Fig. 3 The lateral pressure coefficient varing with depth

2.4 方位特征

水压致裂法实测数据显示青海共和盆地SH优势方向为NE、NWW 向，应力解除法实测数据显示SH优势方向为NEE、NNW 向，如图4 所示。查阅文献可知，青海共和盆地断裂十分发育，主要分布NE、NWW、NNW 向3 组断裂，区域内地应力优势方位与断裂方向近似平行，3 组不同方位断裂滑动可能性较大。部分学者对青海地区断层稳定性和地震活动性进行了研究，如许忠淮等（1987）根据小地震P 波初动方向数据，推断了青海地区主压应力轴为NE-SW 向；董治平等（1992）利用青海东部地区活断层资料，计算得到主压应力方向为NE 向，NWW 向左旋逆冲断层、NNW 向右旋高角度逆断层性质最为发育，NEE 向左旋逆断层分布较少，复杂的地质构造背景及力学性质反映了区域内整体受NE 向强大的挤压力作用；都昌庭（2001）基于青海共和盆地周边地区地应力实测数据，计算得到区域内主压应力方向为NE 向；徐纪人等（2006）通过解析青藏高原及周边地区震源机制结果，发现共和盆地甚至整个青藏高原均受到来自印度板块NNE 或NE 向水平挤压应力作用，因此青海共和盆地主压应力方向表现为近NE-SW 向。综上所述，青海共和盆地最大水平主应力方向为N45°～E60°，即近NE 向。

图4 最大水平主应力方位Fig. 4 The orientation of the maximum horizontal principal stress

2.5 断层滑动趋势

断层滑动趋势通常由断层面正应力与剪应力比值决定，即由断层走向和应力场相对方位决定（刘卓岩等，2017），据此可基于已有深部与浅部应力数据对断层活动性进行分析。测试深度为200 m 左右时KH，max、Kh，min逐渐趋于稳定，因此，计算每个地应力测点300 m 深度处μ值（见表2），并在应力莫尔圆中进行分析，利用垂直应力对剪应力与正应力进行无量纲处理，结果如图5 所示。

表2 300 m 深度处测点K、μ 值Table 2 K value and friction coefficient at a depth of 300 m

图5 滑移趋势分析结果Fig. 5 Slip trend analysis results

考虑研究区域内未发现自流井或高压含水层古岩床，因此可假定孔隙水压力为静水压力。研究区域内μ值多为0.20～0.50，有效应力莫尔圆代表的μ=0.41，小于Byerlee 准则给出的下限值，说明研究区域内断裂带基本处于稳定状态，但部分地区断层面μ值较高，为0.6～1.0，接近断层滑动临界情况，说明局部区域断层滑动的可能性较高，即存在较大地震风险。

3 讨论

3.1 应力积累程度

为全面客观地判断青海共和盆地断层可能的滑动趋势，利用μm对研究区域断层应力积累水平进行评价。基于不同实测位置地应力数据，根据式（5）计算得到各测试段μm值，如表1 所示，μm与μ关系如下（王成虎等，2014）：

依据Byerlee 准则取μ=0.6 作为判断断层失稳的临界值，由式（10）可知，可取μm=0.5 作为评价应力积累水平较高的临界值，进而得到μm随深度分布规律，如图6 所示。

图6 μm 随深度分布规律Fig. 6 μm distribution diagram with depth

由图6 可知，μm多为0.3～0.5，仅少数浅部（尤其是100 m 深度处）μm值超过临界滑动值，根据地质构造资料，区域内地表（深度≤100 m）易受剥蚀、风化等因素影响，导致浅部应力积累量值偏高。将深、浅部数据进行算数平均，得到μm平均值为0.43；将深度＞200 m 的数据进行算数平均，得到μm平均值为0.39，说明研究区域内除少数浅部应力积累水平较高外，其余均较低，即断层整体处于相对稳定状态，局部区域应力水平较高，仍具有滑动的可能性。

3.2 区域内地震统计

青海共和盆地及附近地区整体应力积累水平较高，局部区域应力水平较高，发震风险较大。为直观了解断层活动强度，根据《中国近代强震目录（公元1912 年-1990 年）》和中国地震局台网中心汇编的《中国地震详目》，研究区域内5 564 条ML2.0 级以上地震活动记录如图7 所示。由图7 可知，研究区域地震活动强度较大，频度较高，且分布极不均匀，主要以中小地震分布为主，强震主要分布在盆地西南部和中部，东南及北部地区地震活动较弱；中小地震分布具有集群性及继承性，形成4 个显著的地震活动团簇，均沿NWW 向展布，如图7 中蓝色线条所示，与断层走向一致。

图7 研究区域地震活动分布图（ML≥2.0）Fig. 7 Distribution map of seismic activity in the study area (ML≥2.0)

根据青海共和盆地主震级3.0 级以上中强地震震源机制解基本参数，绘制发震“沙滩球”，如图8 所示。由图8 可知，共和盆地主压应力轴（P 轴）平均方位角为15°，近似垂直，为NNE 向；主张应力轴（T 轴）平均方位角为310°，近似水平，为NWW 向。根据Vavryčuk（2014）给出的震源机制应力和断层方向迭代联合反演程序对震源机制解参数进行计算，并绘制震源机制综合解，如图9 所示，通过地震参数反演研究区域应力场，得到最大主应力 σ1方向为NE 向，最小主应力 σ3方向为NW 向。通过震源机制解参数反演得到的应力场方向与钻孔数据展示的主应力方向具有较好的一致性，并与都昌庭（2001）分析得到的共和盆地东部地区地应力方向接近NE 向结论一致，表明研究区域主要受NE 向应力场控制。

图8 研究区域附近历史地震震源机制解分布图Fig. 8 Distribution of focal mechanism solutions of historical earthquakes near the study area

图9 共和盆地及周边地区强余震震源机制综合解Fig. 9 Comprehensive solution of the focal mechanism of strong aftershocks in the Gonghe Basin and surrounding areas

4 结论

（1）在青海共和盆地内地层浅部，最大、最小水平主应力随地层深度的增加而增大。研究区域内深度350 m 左右应力状态发生改变，即由逆冲型转变为走滑型。

（2）根据研究区域地应力数据，统计分析浅部区域应力场方向特征，区域内最大水平主应力优势方位为N45°～E60°，即近NE 向。在收集共和盆地及周边地区震源机制解参数的基础上进行统计分析，得到研究区域内最大主压应力轴（P 轴）、最小主应力轴（T 轴）方向分别为NNE、NWW 向，震源机制解以逆冲型为主，地应力场初步结果反演表明研究区域应力场以逆冲型为主，局部地区兼走滑特征，最大水平主应力为NE 向。

（3）在收集多源地应力数据的基础上，Byerlee-Anderson 方法分析结果表明，研究区域内断层μ多小于0.6，可知断层多处于稳定状态，易滑性较低。 µm多为0.35～0.45，可知研究区域深、浅部应力积累值相对较低，整体滑动性不高。