福建水口库区次级断裂的应力分析和活动特征研究＊

钟继茂

(福建省地震局,福州 350003)

福建水口库区次级断裂的应力分析和活动特征研究＊

钟继茂

(福建省地震局,福州 350003)

为了解水口水库地区次级断裂的受力性质和活动特征,选用库区 15个 P波初动清晰可靠的地震震源机制解,采用力轴张量计算法推算了该区构造应力场的主轴方向,进而对断裂进行了应力分析。结果表明,湾口断裂受力性质为压性,其余为张性。根据库区布设的 6个跨断层短水准场地观测资料,通过线性拟合方法,发现西瓜洲断裂为正断活动,其余为逆断活动。最后对两种方法得到的结果进行了比较。

水口库区;断裂;应力分析;短水准观测资料;活动特征

1 引言

水口水库位于闽江中游,是华东地区最大的水库。水库蓄水后,由于水位的升降变化,导致库区断层孔隙水压变化,应力场改变,原先相对稳定的断层又重新趋于活动,诱发一系列水库地震,引起社会各界的重视,许多学者就库区水位与地震活动的关系、水库诱发地震的环境条件和地震最大震级预测等进行了深入研究,并取得了一些成果[1-5]。

根据震源机制解研究现代构造应力场是目前普遍使用的方法之一。震源机制解反映着震源应力状况,虽然震源应力场不等于构造应力场,因为构造应力场所指是在较大地区和一定地质时期内由构造运动产生的应力场,它是相对稳定的,而震源应力场是指发震时刻的应力场,为瞬间应力场。但震源应力场受构造应力场控制,可以用来探讨地壳动力学问题[6]。

对于水库库区地震,每个地震的震源机制解反映了震源应力状况,它是瞬间应力场,具有一定的随机性,但是水库地震本质上说仍是构造地震,可以用许多地震的 P轴方向作统计平均的方法获得该地区构造应力方向。力轴张量计算法[7]就是其中的一种。本文选用库区 15个 P波初动清晰可靠的地震震源机制资料[8,9],采用力轴张量计算法推算了该区应力场主轴方向。在此基础上,对库区地质构造所属次级断裂的受力状态进行了分析,根据断层所受剪应力方向和断层走向关系,判断断层受力性质。最后根据跨断层短水准观测资料,采用线性拟合方法,对断层的活动特征进行了研究。

2 水口库区次级断裂

水口水库及其周围地区 (北纬 26°～27°,东经118°～119°)地质构造复杂,存在 4组走向不同的主干断裂带,为北东-北北东向的政和-海丰断裂带和古田-青溪断裂带、南北向的浦城-嵩口断裂带、北西向的闽江断裂带和东西向的连江-闽清断裂带[9-12]。

由于库区存在多组断裂,为观测不同走向断裂的最新活动状况,于 1996年在库区的西瓜洲、湾口、黄田、西塘、金沙和斜溪等地布设了 6个跨断层短水准测量场地 (图 1)。其中金沙场地因点位被破坏,没有观测。

图 1 水口库区跨断层短水准场地分布图Fig.1 Distribution of the cross-fault shor-levelling sites in Shuikou reservoir area

从图 1可以看出：西瓜洲断裂走向北东 50°,倾向南东,倾角 70°;湾口断裂走向北东 50°,倾向北西,倾角 80°;黄田断裂走向南北,倾向东,倾角 65°;西塘断裂走向南北,倾向近垂直;金沙断裂走向北东40°,倾向南东,倾角 80°;斜溪断裂走向北东 40°,倾向南东,倾角 80°。因此从断裂走向和场地布设来看,西瓜洲断裂和湾口断裂属于北东向古田-青溪断裂带的次级断裂,黄田和西塘这两条断裂属于南北走向的浦城-嵩口断裂带的次级断裂,而金沙和斜溪两条断裂则属于北北东向政和-海丰断裂带的次级断裂。

3 库区区域应力场

3.1 力轴张量计算法基本思想

由多个地震震源机制解推算区域应力场主轴方向有多种方法。本文采用力轴张量计算法,该方法的基本思想是：在某一区域内发生多次地震,分别给出每次地震震源机制解的双力偶点源力轴张量在地理坐标系中的表达式,计算多次地震的平均力轴张量各分量,然后通过求解相应的本征方程得到主轴方向[7]。

3.2 区域应力场主轴方向

选用水口库区 15个 P波初动清晰可靠的地震震源机制解[8],采用力轴张量计算法,得到该区应力场主轴方向如表 1所示。

表 1 由震源机制解得到的库区应力场主轴方向(单位:°)Tab.1 D irection of pri ncipal axes of stress field i n the reservoir area obtianed from focal mechan ism resolution(un it:°)

根据表 1的计算结果,从 3个主应力轴的方位来看：主压应力轴的方位角为 8°,即近 NS向;主张应力轴方位角 101°,即近 EW向,这与文献[8,9]关于主应力方位的描述是一致的。从 3个主应力轴的仰角来看：中等主应力轴的仰角最大,这种应力状态有利于走滑型断层的活动。事实上,水库蓄水晚期(1999—2003年)地震断层皆为走滑断层(见参考文献[8]中的表 3),说明这一时期地震可能是构造应力场作用的结果。图 2给出了库区地震震源机制解的 P、B、T轴和由力轴张量计算法得到的σ1、σ2、σ3轴在下半球乌尔夫网上的投影。

4 库区次级断裂的应力分析

定义：断层的正断活动方向,其单位矢量 u与断层走向单位矢量 l和断层面法向单位矢量 v符合右手法则,即 u=l×v。在区域应力场作用下,库区次级断裂要受到剪应力作用。根据断层所受剪应力方向与断层的正断活动方向的夹角α,来判断断层受力性质是张性还是压性,如果 0°≤α＜90°为张性,90°＜α≤180°则为压性。

设应力张量σ,断层面所受应力

可分解为正应力

图 2 福建水口水库地区震源机制解的 P、B、T轴和由力轴张量计算法得到的σ1、σ2、=σ3轴在下半球乌尔夫网上的投影Fig.2 The projections of P,B and T axes andσ1,σ2and σ3axes on the Wulff’s net from the focal mechanis m resolution of Shuikou reservoir

和剪应力

从而

其中τ为剪应力大小。

4.1 地理坐标系和应力主轴坐标系

为描述断层面的空间取向,需引入地理坐标系(o,x,y,z),o为参考点,x轴向北,y轴向东,z轴向下,ex、ey、ez为基矢量;为简便表达应力张量,引入应力主轴坐标系 (o,σ1,σ2,σ3)(简称主坐标系),对应的基矢量记为 e1、e2和 e3(图 3)。在地理坐标系中主坐标系的基矢量可表示为：

式中,γ1、ψ1、γ2、ψ2、γ3、ψ3分别为应力主轴σ1、σ2、σ3的方位角和仰角。可见,由主坐标系 (o,σ1,σ2, σ3)到地理坐标系(o,x,y,z)的坐标变换矩阵为

4.2 计算公式

在地理坐标系 (o,x,y,z)中,如果断层面的方位

角(从正北顺时针量至断层走向方向的角度)为 φS,倾角(断层面与水平面的夹角)为δ,则断层面的走向单位矢量和法向单位矢量分别为(图 4)

图 3 地理坐标系和应力主轴坐标系示意图Fig.3 Sketch of geographic cordinates and stress principal axes cordinates

因此,正断层活动方向单位矢量

用矩阵表示

图 4 地理坐标系中断层面的空间取向[13]Fig.4 Spacial orientation of faulting plane in geographic coordinates

其中σ1、σ2、σ3为应力主值。因此,

而剪应力τ的大小可通过下面的主坐标系下分量表达式求出。

4.3 计算结果

表 2 库区次级断裂的受力性质(单位:°)Tab.2 Load characters of the second fault i n the reservoir area(un it:°)

从表 2可以看出,由于西塘断裂倾向近垂直因而受力性质不明,湾口断裂受力性质为压性,其余均为张性。

5 库区次级断裂的活动特征

为监测水口库区断层垂直形变特征,布设了 6个跨断层场地,除金沙场地外,其余 5个场地所在断层上、下盘水准点高差的原始观测值及其线性拟合结果见图 5。其中湾口场地从 2007年起停测;西塘断裂由于近乎垂直,受力性质不明,没有作线性拟合。表 3为场地所在断裂平均活动速率和受力状态。

6 结论和讨论

对比通过应力分析得到的断裂受力性质 (表 2)和根据原始观测数据得到的断裂受力状态 (表 3),发现西瓜洲和湾口两个断裂是一致的,分别为张性和压性,但黄田和斜溪两个断裂不一致。对于这个结果,笔者认为：

图 5 场地水准点高差原始观测值及其线性拟合Fig.5 Original observations and their linear simulation of the height difference between site levelling points

表 3 断层形变速率及活动方式Tab.3 Deformation rate and activity mode of each fault

1)西瓜洲和湾口两个场地位于库区地震的震中地区,即大致在北纬 26°22′～26°26′,东经 118° 40′～118°45′范围内,并特别集中于三面环江的前洋村,分布范围约 13 km2[10,11]。本文采用的力轴张量计算法是基于地震的震源机制解,得到的应力主轴方向反映了震源区应力状态,所以两种方法得到西瓜洲和湾口断裂的受力性质是一致的。

2)黄田和斜溪两个断裂不一致说明库区应力场是不均匀的,可能与复杂的地质构造有关。如前所述,震中区应力场主压应力轴近NS向,主张应力轴近 EW向。而库区其他地方的应力场可能不是这样。

3)利用地震的震源机制解,采用力轴张量计算法推算应力场主轴方向,可以也只能得到震源区应力状态。

致谢 感谢黄松风高级工程师提供水口库区跨断层短水准场地的观测资料!

1 郑小菁,林颐耀,李华.水口库区水位与地震活动的关系[J].地壳形变与地震,1999,19(增 1)：179-181.

2 郑小菁,陈莹.水口水库诱发地震与库水位变化相关性研究[J].大地测量与地球动力学,2005,25(专刊)：41-44.

3 郭逢英,等.水口库区的地形变观测与诱发地震[J].地壳形变与地震,1999,19(增 1)：170-174.

4 许振栋.福建水口水库地震成因探讨[J].大地测量与地球动力学,2005,25(专刊)：67-70.

5 许振栋.福建水口水库诱发地震最大震级预测[J].地震地磁观测与研究,2004,25(3)：58-62.

6 丁祥焕,王耀东,叶盛基.福建东南沿海活动断裂与地震[M].福州：福建科学技术出版社,1999.

7 钟继茂,程万正.由多个地震震源机制解求川滇地区平均应力场方向[J].地震学报,2006,28(4)：337-346.

8 林松建,连玉平,陈为伟.水口水库地区地震震源机制解特征分析[J].地震,2007,27(1)：114-119.

9 林松建,等.水口水库诱发地震特征与发震断裂的探讨[J].大地测量与地球动力学,2007,27(1)：40-44.

10 彭美凤,林世敏,林松建.水口水库地震及其活动特征[J].华南地震,1997,17(2)：83-89.

11 许振栋,陈传昌.水口水库诱发地震研究[J].大地测量与地球动力学,2004,24(2)：58-63.

12 刘峰.水口水库诱震的环境条件和库区垂直形变特征[J].华南地震,1999,19(4)：77-81.

13 Aki K and Richards P G.Quantitative seismology：Theory and methods[M].San Francisco：Freeman and Company, 1980.

STRESS ANALYSIS AND RESEARCH ON ACTIVITY CHARACTERISTIC OF SECONDARY FAULTS IN SHUIKOU RESERVO IR AREA,FUJIAN

Zhong Jimao
(Earthquake Adm inistratoin of Fujian Province,Fuzhou 350003)

To understand the stress nature and activity characteristics of secondary faults in Shuikou reservoir area,with the focalmechanism data of 15 earthquakes which have clear and reliable P-wave first motions,we deduced the direction of principal axes of tectonic stress field in this area by using the algorithm of mechanical axis tensor,and then made stress analysis of the faults.The results show that the stress nature of onlyWankou fault is compressive and the others are tensional.On the basisof cross-fault short-leveling data of 6 sites in the reservoir area,we found out,by using the linear fittingmethod,that the Xiguazhou faultmoves normally and the other move reversely.Finally,the resultswith the two methodswere compared and discussed.

Shuikou reservoir area;fault;stress analysis;short-leveling data;activity characteristic

1671-5942(2010)Supp.(Ⅰ)-0012-05

2009-12-14

钟继茂,男,1964年生,硕士,工程师,主要从事地震预报研究.E-mail：zjm85403@yahoo.com.cn

P315.72+6

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