泉州地应力测量及断裂稳定性分析

王磊

摘要：泉州地处我国东南沿海地震活动频繁、活动断裂发育地区，通过泉州钻孔地应力测量，获得该地区的现今构造应力场，结合断层滑动摩擦准则，进行断层稳定性分析，结果表明：清源山断裂和寺角—晋江断裂应力积累水平高，τn/σn比值超过了0.60，已经达到临界破坏状态，建议加强针对断裂带关键构造部位的地质监测和防灾减灾。乌石山—紫帽山断裂应力积累水平也较高，τn/σn比值接近0.60，需关注沿断裂带应力场的长期变化规律。

关键词：泉州地区；地应力测量；活动断裂；断层滑动

福建省位于环太平洋地震带上，据《中国地震烈度区划》（1990），福建省VIII度区位于惠安—石狮沿海及岛屿的少数地区，VII度区分布于闽侯—仙游—华安—平和以东地区。其余地区为VI度和小于VI度区。福建沿海地震带不同地段强震活动还存在较大的差异，莆田以北地段中、强震活动水平最低，仅发生过Ms=4.75-5.9级地震3次；泉州一漳州段，活动水平最高，达20余次，有多次6级以上地震发生，最大震级为7.5级；东山一汕头地段次之，共发生中、强地震10余次，最大的为1604年10月29日泉州海外8级地震。此外中、强地震常发生于多组断裂交汇部位，总体上地震活动强度和频度在空间上表现出自东南向西北逐渐减弱、减少的趋势；福建沿海地震单元的划分和统计也反映出这一现象（闻学泽，2003）。根据地质构造和新构造期的构造特征，福建省的活动断裂是指新第三纪末期以来有活动的断裂。福建省内的断裂构造普遍具有规模大、延伸长、活动时间跨度长、地壳深度深等特点。在陆地上北东（包括北北东）向和北西向两组活动断裂最为发育，且活动断裂在北东向通常呈“纵切成条”，而在北西向通常呈“横切成块”，进而构成了网络状的框架组织。从这个角度讲，这些断裂结构对福建省地貌和第四系的发育起着控制作用，第四纪以来都有不同程度的活动。据断层活动产物年代鉴定、形变测量数据和现代地震活动分析，有些断裂现今仍有活动，成为控震的主要因素。

地震的发生及其产生的灾难给人民带来了巨大的损失。查明活动断裂现今构造应力场，了解断层活动危险性，加强地区应力场的动态监测，为地质安全提供科学依据。

1.主要活动断裂特征

福建沿海地区盆地依江河形成，盆地新生代多为第四纪较浅沉积，分布于福州、长乐、莆田、泉州、同安、漳州和龙海等地区，较大的第四纪区域对应着沉积盆地和平原。第四纪沉积盆地受控于北东向的长一诏断裂带和北西向断裂控制，是位于两组断裂的交汇处的断陷盆地。福州、泉州和漳州盆地呈北西向，北西向断裂是主控断裂（图1）

泉州盆地形成于第四纪以来且以花岗岩和火山碎屑岩为主。该区活动断裂主要以三条北西向断裂为主，分别为更新世晚期活动的寺角—晋江断裂、第四纪早期活动的清源山断裂和乌石山一紫帽山断裂。清源山断裂属于泉州盆地的山前断裂，断层性质为正断，走向北西330°，倾向南西，长度13.5km，倾角75°，由深部探测揭示更新世晚期無活动迹象；寺角一晋江断裂属于泉州盆地的北支断裂，可分为三段，总体上断层性质为正断，走向北西310°，倾向北东，长度11km，倾角70°，由深部探测揭示全新世以来无活动迹象；乌石山一紫帽山断裂属于泉州盆地的边缘断裂，由乌石山和紫帽山两条断裂构成。整体上断层性质为正断，走向北西310°，倾向北东，长度11km，倾角75°，由深部探测揭示晚更新世以来无活动迹象。

2.地应力测量

采用的地应力测量方法是水压致裂法，它由国际岩石力学学会试验方法委员会建议用来确定地壳岩体应力有效方法之一，是国际上直接在深部钻孔中获取原地应力的最为先进方法，目前已经广泛应用于水利、铁路、公路、矿产及能源等工程领域和地震地质、板块构造、断裂危险性等地球动力学方面的研究。该方法的原理、过程和处理分析等已经非常成熟，根据公开资料表明目前水压致裂发已经获取深度达几千米的可靠原地应力数据。

2013年在泉州地区开展了深孔水压致裂地应力测量，钻孔位于泉州北部，孔深600m，静止水位6m，岩芯以花岗岩为主，整体较完整，原生节理裂隙发育较少，该孔共获取20段有效的地应力测量数据。由主应力随深度分布规律可以得到（图2），在测量范围内主应力关系总体上表现为为逆冲型应力状态（SH>Sh>Sv），最大水平主应力和最小水平主应力量值分别为14.56MPa～51.03MPa和8.94MPa～31.23MPa，最大水平主应力方向为NW40°～NW68°，总体上呈NWW向。回归分析地应力结果，水平最大、最小主应力随深度变化梯度分别为0.0653和0.0381。

3.活动断裂稳定性分析

地震的孕育和发生往往和构造的活动密不可分，是断裂在应力的长期作用下导致应变能突然释放的结果。基于地震地质，加强地应力测量监测与断裂活动性之间关系研究，对于科学认识和理解地震机理意义重大。依据Byerlee断层滑动准则，当断层面上的剪应力不小于断层面上的摩擦阻力时，断层处于滑动临界滑动状态。大量研究表明，多数岩石在剪切失稳破坏是的摩擦系数在0.60～0.85，通常将地壳表层断裂滑动失稳的临界摩擦系数定为0.6。

基于泉州钻孔地应力测量结果，建立三维坐标系oxyz，其中：x轴正方向最大水平主应力（SH）、y轴正方向为最小水平主应力（Sh），z轴为垂向应力（Sv），l、m、n分别为三个相对应的方向余弦。根据断层面上的任意斜截面剪应力（τn）、正应力（σn）及其比值（τn/σn），判别主要活动断裂稳定性状态，探讨其滑动危险性。

在600m深度范围内，清源山断裂τn/σn比值主要为0.51～0.69，最大值为0.69，平均0.59；寺角—晋江断裂τn/σn比值主要为0.51～0.66，最大值为0.66，平均0.57；乌石山—紫帽山断裂τn/σn比值主要为0.44～0.60，最大值为0.60，平均0.51。比较可见，泉州地区内清源山断裂和寺角—晋江断裂应力积累值较高，τn/σn比值的最大值为0.66～0.69，已经超过0.60，存在临界滑动失稳的风险；乌石山—紫帽山断裂应力积累水平也较高，τn/σn比值整体上基本低于0.6，在深部接近0.6，在应力持续增加的情况下接近临界滑动失稳状态。

晋江断裂活动主要表现在南安的珠渊以西，西溪河谷循断裂发育形成深切河谷，下游泉州平原两侧的清源山和乌石浦，有面向平原循断裂发育的断层崖，断裂两侧晚更新世的“标志层”（泥碳层）有错位。断裂带向东南延伸入海，控制了泉州湾断陷的发育，且晚更新世以来仍有活动。

地震监测资料显示，泉州地区及邻区地震偶有发生，但多为中小地震（小于5级）。但是清源山断裂和寺角—晋江断裂现今具有较高的应力积累水平，但是地震活动现象较少，值得重点关注应力应变变化规律。一般情况下，地震的发生多为深部构造强烈活动导致积累的应力突然释放，因此建议在活动断裂应力积累水平较高的地方，加强地应力、地形变、地温等方面的监测工作。

4.结论与讨论

通过泉州地区地应力测量与断裂稳定性分析得到几点认识：

（1）该地区水平最大、最小主应力随深度变化梯度分别为0.0653和0.0381，明显高于全国平均水平，说明应力背景值偏高，地下工程规划与施工中注意深部地质体在高地应力条件下的变形破坏现象。

（2）清源山断裂和寺角—晋江断裂应力积累水平高，τn/σn比值超过了0.60，已经达到临界破坏状态，建议加强针对断裂带关键构造部位的地质监测和防灾减灾。

（3）乌石山—紫帽山断裂应力积累水平也较高，τn/σn比值接近0.60，需关注沿断裂带应力场的长期变化规律。

参考文献

[1]李四光.地质力学概论[M].北京：科学出版社，1973：1-23.

[2]杨肖琪，宋文隆，陳承惠.台湾海峡地质构造特征[J].海峡西岸， 1996， 15（2）：127-136.

[3]廖其林.台湾海峡西岸地区地壳上地幔探测与研究的新进展，福建省地震局.

[4]福建省地质矿产局.福建省区域地质志.北京：地质出版社， 1987， 512-536.

[5]丁学仁.闽粤海外历史地震与台湾海峡现金强震活动图像.中国地震， 1998， 4（3）：51-59.

[6]陈光，李祖宁，王紫燕，等；福建地壳运动与地震关系初探.华北地震科学， 2010， 28（1）：21-26.

[7]朱书俊，徐映深. 1604年福建泉州大地震讨论[J]，华北地震科学. 1990，第8卷，第2期：71-78.

[8]丁原章，梁劳，郭钦华， 1992；华南沿海地区断裂构造的地震危险性[A]，见：张宗枯主编，中国东南沿海第四纪地质论文集=M：北京：地震出版社， 1992， l-9.

[9]张鹏，胡秋韵，丰成君，等；海峡西岸长乐—南澳断裂带中段现今原位地应力测量.地球学报， 2015，第36卷，第4期：483-490.

[10]丁原章，梁劳，郭钦华， 1992；华南沿海地区断裂构造的地震危险性[A]，见：张宗枯主编，中国东南沿海第四纪地质论文集=M：北京：地震出版社， 1992， l-9.

[11]梁海庆，刘建中，刘其向.西南部分活动断裂面上现今应力状态与断裂失稳变形的关系[J].中国地震， 1993， 9（1）：46-53.

[12]丰成君，张鹏，孙炜锋，等；北京昌平十三陵钻孔地应力测量与实时监测在断层活动危险性分析中的应用探讨[J].地球学报， 2014， 35（3）：345-354.

[13]孙叶，谭成轩，苗培实，等；地震地质与地震预报[M].地质出版社， 2012.

[14]谭成轩，石玲，孙炜峰，等；构造应力面研究.岩石力学与工程学报， 2004（23）：3970-3978.