郯庐断裂带附近地壳浅层现今构造应力场

现代地质 ›› 2017, Vol. 31 ›› Issue (01): 46-70.

郯庐断裂带附近地壳浅层现今构造应力场

丰成君¹^,²(), 张鹏¹^,², 戚帮申¹(), 孟静¹^,², 谭成轩¹^,², 胡道功¹^,²

1.中国地质科学院地质力学研究所,北京 100081
2.国土资源部新构造运动与地质灾害重点实验室,北京 100081

收稿日期:2016-06-05 修回日期:2016-11-24 出版日期:2017-02-10 发布日期:2017-03-16
通讯作者: 戚帮申,男,博士研究生,1988年出生,地质工程专业,主要从事新构造运动、活动断裂、区域地壳稳定性评价的研究工作。Email: qibangshen@126.com。
作者简介:丰成君,男,博士,助理研究员,1985年出生,地质工程专业,主要从事活动断裂、构造应力场、区域地壳稳定性评价的研究工作。Email:feng2010618@aliyun.com。
基金资助:
中国地质调查局项目“京津冀协同发展区活动构造与区域地壳稳定性调查”(121201104000150012);国土资源部公益性行业科研专项“我国东部沿海核电站区域地壳稳定性与地质灾害研究”(201211096);中国地质调查局项目“首都圈地区关键构造部位深孔地应力测量监测与地质安全评价”(12120113012100)

Recent Tectonic Stress Field at the Shallow Earth’s Crust near the Tan-Lu Fault Zone

FENG Chengjun¹^,²(), ZHANG Peng¹^,², QI Bangshen¹(), MENG Jing¹^,², TAN Chengxuan¹^,², HU Daogong¹^,²

1. Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081,China
2. Key Laboratory of Neotectonic Movement and Geohazard, Ministry of Land and Resources, Beijing 100081,China

Received:2016-06-05 Revised:2016-11-24 Online:2017-02-10 Published:2017-03-16

摘要/Abstract

摘要：

郯庐断裂带是中国东部大陆规模最大的第四纪活动构造带和地震活动带,断裂带附近现代构造应力场明显控制了其运动方式、活动强度和地震活动,深入研究郯庐断裂带附近地壳浅层现今构造应力场,对于探讨断裂带当前活动性具有重要的科学意义。在参考前人研究成果的基础上,依据郯庐断裂带附近(山东—环渤海—辽宁段)6个600~1 000 m深孔地应力实测数据,初步揭示了断裂带附近地壳浅层应力分布规律,并分析其在不同活动段之间的差异。结合研究区已有其他应力数据(震源机制解、钻孔崩落、应力解除及断层滑动矢量反演数据等),重绘断裂带及邻区地壳现代构造应力场图,基于此详细分析了现今构造应力场主压应力方位特征及其对断裂活动方式的影响。初步结果表明:(1) 在构造应力积累水平上,郯庐断裂带山东段西南端应力积累最高,渤海段东、西两侧之辽东半岛应力积累强度次之,辽宁段东北端本溪地区略低于渤海段,山东段北端和河北昌黎两地应力积累强度最低。(2) 断裂带山东段南端地应力环境为逆冲型,而北端以正断型为主;渤海段之辽东半岛和河北昌黎及邻区主要为正断型;辽宁段东北端以正断型为主,兼具走滑型应力状态,地壳浅部地应力状态与断裂各段第四纪以来的运动学特征具有较好的一致性。(3) 郯庐断裂带山东段及邻区现今构造应力场主压应力优势方位为N70°E,渤海段及邻区为N68°E,辽宁段及邻区为N72°E,各段之间差异不明显,该应力作用方式有利于断裂带产生右旋走滑活动,同时也表明郯庐断裂带所处的华北及辽宁大部地区具有较统一构造应力环境。

关键词: 郯庐断裂带, 地应力, 水压致裂, 现今构造应力场

Abstract:

Tan-Lu fault belt is a deep fractured zone in east China, as well as the largest Quaternary active tectonic belt and seismic belt. The recent tectonic stress field obviously controls the motion mode of the fault, the activity intensity, and the seismicity of the fault belt. Therefore, it is of important scientific significance to make further research on the tectonic stress field near the Tan-Lu fault zone and the adjacent region. Based on the previous research results, the paper preliminarily reveals the distribution of the shallow crustal in situ stress, and analyzes the discrepancy of different tectonic positions on the basis of the in-situ stress measuring results at 6 boreholes with the depth of 600-1,000 m near Shandong-Bohai-Liaoning segments of the Tan-Lu fault zone and the vicinities. Then, the recent tectonic stress field in the vicinity of the Tan-Lu fault zone is exhibited combined with other basic stress data, such as focal mechanism solutions, borehole breakouts, stress relief data, and fault slip vector inversion results. Furthermore, the influence of tectonic stress field on the fault active mode is also analyzed. The preliminary results reveal that: (1) In terms of tectonic stress accumulations,the horizontal tectonic stress accumulation in the southern tip of Shandong segment of the Tan-Lu fault zone is the strongest, and that in the Liaodong Peninsula on the eastern and western sides of the Bohai segment takes the second place, and the horizontal tectonic stress accumulation in Benxi region at the northern tip of Liaoning segment is slightly lower than that in the Bohai segment, while it is the lowest in Pingdu region at the northern tip of Shandong segment and Changli of Hebei Province. (2) The stress regimes of the southern and northern tips of Shandong segment of the Tan-Lu fault zone are of thrust and normal faulting states, and are normal faulting and strike-slip faulting in the Bohai and the northeastern tip of Liaoning segments. The stress regime of each segment of the Tan-Lu fault zone can correspond to the active characteristics of the fault belt since the Quaternary. (3) The orientations of principal compressive stress in the tectonic stress field are N70°E, N68°E and N72°E in the vinicinity of Shandong, Bohai and Liaoning segments of the Tan-Lu fault zone, respectively. Under such stress background, the activity of the Tan-Lu fault zone is liable to be right-lateral strike sliping.

Key words: Tan-Lu fault zone, in situ stress, hydraulic fracturing, recent tectonic stress field

中图分类号:

P315.2
P553

丰成君, 张鹏, 戚帮申, 孟静, 谭成轩, 胡道功. 郯庐断裂带附近地壳浅层现今构造应力场[J]. 现代地质, 2017, 31(01): 46-70.

FENG Chengjun, ZHANG Peng, QI Bangshen, MENG Jing, TAN Chengxuan, HU Daogong. Recent Tectonic Stress Field at the Shallow Earth’s Crust near the Tan-Lu Fault Zone[J]. Geoscience, 2017, 31(01): 46-70.

图/表 26

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[100]	魏光兴, 周翠英, 赵兴兰. 华北地区中小地震应力场的优势方向[J]. 地球物理学报, 1982, 25(4):333-343.
[101]	许忠淮, 阎明, 赵仲和. 由多个小地震推断的华北地区构造应力场的方向[J]. 地震学报, 1983, 5(3):269-279.
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[103]	武敏捷, 林向东, 徐平. 华北北部地区震源机制解及构造应力场特征分析[J]. 大地测量与地球动力学, 2011, 31(5):39-43.
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分段	地理位置	经度	纬度	钻孔深度/m	地层岩性特征概述
山东段	山东省临沂市苍山县大仲村镇现庄村(苍山钻孔)	E118°00'04″	N34°58'24″	600.00	燕山期中细粒花岗闪长岩,比较完整,弱风化
山东段	山东省平度市崔召镇路子口村 (平度钻孔)	E120°01'00″	N36°51'53″	600.00	燕山晚期中细粒花岗岩、二长花岗岩,较完整,弱风化
渤海段	河北省秦皇岛市昌黎县北 (昌黎钻孔)	E119°09'03″	N39°44'37″	600.00	燕山晚期中粗二长粒花岗岩,完整,弱风化
	辽宁省兴城市三道沟乡凉水泉村(兴城钻孔)	E120°10'29″	N40°34'23″	600.00	燕山中期中粒花岗岩、花岗闪长岩,完整,弱风化
	辽宁省盖州市杨运镇头道沟村(盖州钻孔)	E122°17'34″	N40°06'46″	600.00	印支期中粒花岗岩、中粗粒黑云母花岗岩,比较完整,弱-中等风化
辽宁段	辽宁省本溪市桥头镇大台沟村(本溪钻孔)	E123°40'48″	N41°10'12″	1 000.00	新元古界细河群石英砂岩、页岩和泥灰岩,节理较发育,相对完整,中等-弱风化

分段	地理位置	经度	纬度	钻孔深度/m	地层岩性特征概述
山东段	山东省临沂市苍山县大仲村镇现庄村(苍山钻孔)	E118°00'04″	N34°58'24″	600.00	燕山期中细粒花岗闪长岩,比较完整,弱风化
山东段	山东省平度市崔召镇路子口村 (平度钻孔)	E120°01'00″	N36°51'53″	600.00	燕山晚期中细粒花岗岩、二长花岗岩,较完整,弱风化
渤海段	河北省秦皇岛市昌黎县北 (昌黎钻孔)	E119°09'03″	N39°44'37″	600.00	燕山晚期中粗二长粒花岗岩,完整,弱风化
	辽宁省兴城市三道沟乡凉水泉村(兴城钻孔)	E120°10'29″	N40°34'23″	600.00	燕山中期中粒花岗岩、花岗闪长岩,完整,弱风化
	辽宁省盖州市杨运镇头道沟村(盖州钻孔)	E122°17'34″	N40°06'46″	600.00	印支期中粒花岗岩、中粗粒黑云母花岗岩,比较完整,弱-中等风化
辽宁段	辽宁省本溪市桥头镇大台沟村(本溪钻孔)	E123°40'48″	N41°10'12″	1 000.00	新元古界细河群石英砂岩、页岩和泥灰岩,节理较发育,相对完整,中等-弱风化

钻孔名称	中心深度/m	压裂特征参数/MPa					主应力值/MPa			S_H 方位
钻孔名称	中心深度/m	P_H	P₀	P_b	P_r	P_s	S_H	S_h	S_v	S_H 方位
苍山钻孔	43.44	0.43	0.43	13.27	4.70	3.84	6.39	3.84	1.15	N77°W
	68.81	0.69	0.69	9.61	5.03	3.89	5.95	3.89	1.82
	88.10	0.88	0.88	10.23	5.57	4.42	6.81	4.42	2.33	N71°W
	103.09	1.03	1.03	12.15	6.85	5.41	8.35	5.41	2.73	N78°W
	118.17	1.18	1.18	12.73	5.87	4.61	6.78	4.61	3.13	N84°W
	156.82	1.56	1.56	15.57	7.70	6.81	11.16	6.81	4.16
	169.92	1.70	1.70	18.72	13.58	9.61	13.55	9.61	4.50
	185.54	1.85	1.85	19.28	14.13	9.86	13.59	9.86	4.92	N82°E
	209.13	2.09	2.09	9.89	7.36	6.78	10.89	6.78	5.54
	215.80	2.15	2.15	15.73	8.46	7.48	11.82	7.48	5.72
	275.62	2.76	2.76	13.19	10.84	10.02	16.46	10.02	7.30
	288.90	2.89	2.89	19.70	15.01	12.12	18.46	12.12	7.66
平度钻孔	101.00	1.01	0.91	13.70	5.57	4.2	6.05	4.20	2.68	N80°W
	109.40	1.09	0.99	7.62	5.64	4.11	5.81	4.11	2.90
	166.80	1.67	1.57	11.79	6.02	5.00	7.41	5.03	4.42	N87°W
	212.00	2.12	2.02	14.43	6.20	5.39	7.95	5.39	5.62
	220.10	2.20	2.10	10.42	7.81	6.30	8.99	6.30	5.83
	254.60	2.55	2.45	11.81	7.71	6.32	8.80	6.32	6.75
	268.00	2.68	2.58	11.95	7.18	6.19	8.81	6.19	7.10	N81°E
	314.00	3.14	3.04	10.68	8.10	6.48	8.50	6.48	8.32
	346.00	3.46	3.36	11.37	8.50	7.29	10.01	7.29	9.17
	372.50	3.73	3.63	11.17	7.48	6.53	8.48	6.53	9.87
	384.60	3.85	3.75	9.40	8.28	7.74	11.19	7.74	10.19
	410.40	4.10	4.00	14.36	7.15	6.43	8.14	6.43	10.88
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	463.50	4.64	4.54	12.56	8.47	7.78	10.33	7.78	12.28
	473.00	4.73	4.63	16.82	8.53	7.39	9.01	7.39	12.53	N70°E
	481.60	4.82	4.72	15.05	9.71	8.64	11.49	8.64	12.76
	517.90	5.18	5.08	14.56	9.34	8.59	11.35	8.59	13.72
	542.00	5.42	5.32	15.17	8.19	7.78	9.83	7.78	14.36

钻孔名称	中心深度/m	压裂特征参数/MPa					主应力值/MPa			S_H 方位
钻孔名称	中心深度/m	P_H	P₀	P_b	P_r	P_s	S_H	S_h	S_v	S_H 方位
苍山钻孔	43.44	0.43	0.43	13.27	4.70	3.84	6.39	3.84	1.15	N77°W
	68.81	0.69	0.69	9.61	5.03	3.89	5.95	3.89	1.82
	88.10	0.88	0.88	10.23	5.57	4.42	6.81	4.42	2.33	N71°W
	103.09	1.03	1.03	12.15	6.85	5.41	8.35	5.41	2.73	N78°W
	118.17	1.18	1.18	12.73	5.87	4.61	6.78	4.61	3.13	N84°W
	156.82	1.56	1.56	15.57	7.70	6.81	11.16	6.81	4.16
	169.92	1.70	1.70	18.72	13.58	9.61	13.55	9.61	4.50
	185.54	1.85	1.85	19.28	14.13	9.86	13.59	9.86	4.92	N82°E
	209.13	2.09	2.09	9.89	7.36	6.78	10.89	6.78	5.54
	215.80	2.15	2.15	15.73	8.46	7.48	11.82	7.48	5.72
	275.62	2.76	2.76	13.19	10.84	10.02	16.46	10.02	7.30
	288.90	2.89	2.89	19.70	15.01	12.12	18.46	12.12	7.66
平度钻孔	101.00	1.01	0.91	13.70	5.57	4.2	6.05	4.20	2.68	N80°W
	109.40	1.09	0.99	7.62	5.64	4.11	5.81	4.11	2.90
	166.80	1.67	1.57	11.79	6.02	5.00	7.41	5.03	4.42	N87°W
	212.00	2.12	2.02	14.43	6.20	5.39	7.95	5.39	5.62
	220.10	2.20	2.10	10.42	7.81	6.30	8.99	6.30	5.83
	254.60	2.55	2.45	11.81	7.71	6.32	8.80	6.32	6.75
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	314.00	3.14	3.04	10.68	8.10	6.48	8.50	6.48	8.32
	346.00	3.46	3.36	11.37	8.50	7.29	10.01	7.29	9.17
	372.50	3.73	3.63	11.17	7.48	6.53	8.48	6.53	9.87
	384.60	3.85	3.75	9.40	8.28	7.74	11.19	7.74	10.19
	410.40	4.10	4.00	14.36	7.15	6.43	8.14	6.43	10.88
	454.90	4.55	4.45	13.77	7.89	6.95	8.51	6.95	12.05
	463.50	4.64	4.54	12.56	8.47	7.78	10.33	7.78	12.28
	473.00	4.73	4.63	16.82	8.53	7.39	9.01	7.39	12.53	N70°E
	481.60	4.82	4.72	15.05	9.71	8.64	11.49	8.64	12.76
	517.90	5.18	5.08	14.56	9.34	8.59	11.35	8.59	13.72
	542.00	5.42	5.32	15.17	8.19	7.78	9.83	7.78	14.36

钻孔名称	中心深度/m	压裂特征参数/MPa					主应力值/MPa			S_H 方位
钻孔名称	中心深度/m	P_H	P₀	P_b	P_r	P_s	S_H	S_h	S_v	S_H 方位
昌黎钻孔	79.50	0.80	0.70	12.25	7.43	4.63	5.76	4.63	2.11	N60°E
	119.50	0.12	1.10	19.78	6.11	3.75	4.04	3.75	3.17
	137.50	0.14	1.28	16.76	6.58	4.14	4.56	4.14	3.64
	206.50	0.21	1.97	18.24	6.00	5.20	7.63	5.20	5.47	N84°E
	248.10	0.25	2.38	16.94	6.62	5.56	7.68	5.56	6.57
	255.50	0.26	2.46	13.59	5.64	5.17	7.41	5.17	6.77
	290.50	0.29	2.81	14.02	7.71	6.18	8.02	6.18	7.70
	335.50	0..34	3.26	16.03	8.46	7.75	11.53	7.75	8.89
	365.50	0.37	3.56	18.16	9.23	7.34	9.23	7.34	9.69	N79°E
	390.20	0.39	3.80	10.41	7.94	7.13	9.65	7.13	10.34
	418.50	0.42	4.09	14.26	9.75	6.66	8.27	6.66	11.09
	461.50	0.46	4.52	17.42	7.62	7.62	9.19	7.62	12.23
	476.30	0.48	4.66	13.87	9.15	9.87	11.03	9.87	12.62
	485.50	0.49	4.76	19.34	13.92	10.62	13.49	10.62	12.87	N55°E
兴城钻孔	55.06	0.55	0.39	11.03	6.73	3.93	4.67	3.93	1.46
	78.74	0.79	0.63	15.97	11.63	9.07	14.95	9.07	2.09
	91.89	0.92	0.76	17.29	6.98	5.09	7.53	5.09	2.44
	108.42	1.08	0.92	15.83	8.53	5.85	8.10	5.85	2.87
	125.39	1.25	1.09	19.30	7.27	4.94	6.46	4.94	3.32
	147.40	1.47	1.31	25.67	16.37	11.95	18.17	11.95	3.91	N63°E
	167.31	1.67	1.51	19.75	12.71	8.99	12.75	8.99	4.43
	186.26	1.86	1.70	18.14	11.91	8.41	11.62	8.41	4.94
	213.02	2.13	1.97	20.18	14.71	11.55	17.97	11.55	5.65
	236.00	2.36	2.20	16.22	9.58	7.43	10.51	7.43	6.25
	254.50	2.55	2.39	16.74	10.70	9.60	15.71	9.60	6.74
	272.42	2.72	2.56	21.91	12.25	10.15	15.64	10.15	7.22	N57°E
	292.70	2.93	2.77	18.93	12.50	11.25	18.48	11.25	7.76
	313.00	3.13	2.97	19.31	13.00	10.63	15.92	10.63	8.29
	331.00	3.31	3.15	25.79	18.31	14.86	23.12	14.86	8.77	N56°E
	358.96	3.59	3.43	18.74	13.34	12.84	21.75	12.84	9.51
	418.78	4.19	4.03	18.94	12.73	12.46	20.62	12.46	11.10
	456.31	4.56	4.40	21.22	14.59	13.67	22.02	13.67	12.09
	472.94	4.73	4.57	24.65	15.59	14.73	24.03	14.73	12.53
	487.80	4.88	4.72	24.17	19.14	18.08	30.38	18.08	12.93	N52°E
	534.60	5.35	5.19	21.75	16.75	15.98	26.00	15.98	14.17
	541.50	5.42	5.26	22.59	16.18	14.94	23.38	14.94	14.35	N43°E
	553.00	5.53	5.37	21.78	14.71	13.56	20.60	13.56	14.65
	572.00	5.72	5.56	19.55	12.87	13.17	21.08	13.17	15.16
盖州钻孔	63.48	0.63	0.63	13.48	5.49	3.98	5.82	3.98	1.68
	83.44	0.83	0.83	10.99	3.88	3.10	4.59	3.10	2.21	N54°E
	110.39	1.10	1.10	13.57	4.72	3.40	4.38	3.40	2.93
	121.63	1.22	1.22	12.61	5.39	3.72	4.55	3.72	3.22
	164.35	1.64	1.64	13.05	4.73	4.00	5.63	4.00	4.36
	209.60	2.10	2.10	18.69	8.43	7.46	11.85	7.46	5.55	N55°E
	220.45	2.20	2.20	12.05	7.12	6.41	9.91	6.41	5.84
	234.13	2.34	2.34	15.34	8.04	6.35	8.67	6.35	6.20
	279.60	2.80	2.80	15.77	6.69	5.58	7.25	5.58	7.41
	295.65	2.96	2.96	12.60	5.71	5.06	6.51	5.06	7.83
	305.81	3.06	3.06	17.38	6.05	4.90	5.59	4.90	8.10	N81°E
	340.73	3.41	3.41	15.87	6.72	6.18	8.41	6.18	9.03
	363.40	3.63	3.63	14.77	7.67	6.37	7.81	6.37	9.63
	382.20	3.82	3.82	21.89	9.89	8.54	11.91	8.54	10.13
	402.00	4.02	4.02	17.16	8.94	7.10	8.34	7.10	10.65	N57°E
	444.90	4.45	4.45	16.29	8.85	7.66	9.68	7.66	11.79
	483.71	4.84	4.84	22.25	10.06	9.78	14.44	9.78	12.82
	513.27	5.13	5.13	13.00	8.14	7.25	8.48	7.25	13.60
	532.20	5.32	5.32	17.90	8.30	7.60	9.18	7.60	14.10	N68°E
	553.90	5.54	5.54	17.82	8.65	7.88	9.45	7.88	14.68
	591.00	5.91	5.91	15.56	9.42	9.27	12.48	9.27	15.66