唐 永 ,劉懷慶,黎清華,沈傳波,陳友智,何 軍

(1.長江大學 非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心,湖北 武漢 430100;2.浙江大學 地球科學系,浙江 杭州310027;3.中國地質調查局 武漢地質調查中心,湖北 武漢 430205;4.中國地質大學 構造與油氣資源教育部重點實驗室,湖北 武漢 430074)

構造應力是斷裂形成以及斷裂多次活動的主要因素,也是探討和認識構造運動根本原因的主要研究內容。弄清構造應力作用方式和演化形式,對斷裂活動性研究有重要的指導意義。利用野外可靠的地質形跡,例如褶皺、共軛節(jié)理、斷層擦痕,來判斷主應力方向,分析構造應力場是目前較為合理、實用的方法之一(萬天豐,1998)。這些地質痕跡分析所得到的應力場數(shù)據(jù)相互驗證、相互補充,能夠較好的反映區(qū)域應力場的特征。分析區(qū)域構造應力場特征及其變化形式,對深入認識目標區(qū)構造運動及其作用形式具有十分重要的意義。廣西靈山縣為區(qū)域性 NE向與 NW 向斷裂交匯部位,其斷裂活動具多期性和長期性特點,活動強度大,影響范圍廣,也是區(qū)內有記錄以來,最大級別地震發(fā)生地(何軍等,2012)。黃河生等(1990)通過分析土壤中汞氣的含量變化指出羅陽山西北麓靈山斷裂是靈山縣內最活動的斷裂;魏春光等(2008)分析了北部灣及其鄰區(qū)的構造應力場;尹克堅(1995)利用水系對廣西地區(qū)新構造應力場開展研究;蔣維強等(1992)利用多個震源機制解對華南沿海地區(qū)的最新構造應力場分析。這些研究的落腳點均放在分析新構造應力場方向上,這對斷裂活動性的調查和預測來說還遠遠不夠。因此細致研究廣西靈山地區(qū)構造應力場演化,對理解研究區(qū)斷裂形成、發(fā)展及其相互作用具有十分重要的科學價值,為靈山地區(qū)乃至整個北部灣經(jīng)濟區(qū)活動斷裂評價與預測研究提供科學依據(jù)。本次研究將詳細記錄地表所呈現(xiàn)的各種構造形跡,重點分析這些構造變形的性質、幾何形態(tài)以及它們之間的分期配套關系,理清不同構造應力場的先后次序,明確最新構造應力場特征,并在此基礎上利用Abaqus重建最新構造應力分布,積極探討廣西靈山地區(qū)潛在活動區(qū)域。

1 地質概況

廣西欽防地區(qū)靈山縣位于華南板塊的西南緣,經(jīng)歷了多期構造疊加演化(圖1)。早二疊世之前,欽防地區(qū)為大陸邊緣海穩(wěn)定沉積環(huán)境,沉積了一套碎屑巖和碳酸鹽巖。早二疊世末期,東吳運動產(chǎn)生強烈的構造擠壓力,使欽防地區(qū)強烈褶皺回返,沿靈山斷裂帶發(fā)生了北西向的逆沖推覆,同時也促使了晚二疊世前陸盆地的形成(尤綺妹等,1998)。短暫擠壓造山之后,欽防地區(qū)構造體制轉變?yōu)樯煺购筒町愄饔?局部形成了沉積相分異和基性火山巖的噴發(fā)(吳繼遠,1980)。中三疊世末期受古太平洋板塊俯沖影響,云開地體向北西推進,欽防逆沖體再度活動,山前沖斷帶向北西擴展,形成了大量的疊瓦狀逆沖推覆構造,并導致大量的中酸性火山巖噴發(fā)與侵入,同時也促使了中生代前陸盆地的形成(張岳橋,1999)。晚三疊世至白堊紀,由于欽防造山帶的碰撞復合,西北部十萬山地區(qū)發(fā)生撓曲沉降,接受前陸盆地的沉積。白堊紀末,由于東部云開地體的推擠,形成SE-NW向擠壓構造應力的作用,早期形成的推覆構造又一次重新活動、加劇,靈山及周緣地區(qū)進一步抬升,結束接受沉積的歷史,整個構造格局也基本穩(wěn)定(郭福祥,1998)。

圖1 研究區(qū)大地構造位置示意圖(據(jù)馬力,2004)Fig.1 Map showing the location of the Lingshan area

研究區(qū)總體構造呈NE-SW向展布,個別地段有一定的差異,如在西北角板露以西則呈近 EW 向展布,同時有近NW向的小斷裂切割近NE向構造,這一現(xiàn)象在壇圩、寨圩和城隍一帶表現(xiàn)的較為明顯。研究區(qū)發(fā)育兩條主要斷裂:①靈山斷裂:斷距最大可達 2500 m,斷裂走向 NE,斷面傾向 SE,傾角為50°～80°,斷裂平面上呈舒緩波狀,具有多期深大斷裂帶性質,控制著志留系、上古生界、下三疊統(tǒng)以及侏羅系的發(fā)育,斷裂帶變質作用強烈;②寨圩斷裂:沿浦北巖體的邊緣呈“S”形延展,斷裂傾向 SE,傾角為 60°～80°,沿斷裂帶,巖層擠壓倒轉,發(fā)育劈理。根據(jù)研究區(qū)構造特征及巖體的分布將其劃分為:西北南鄉(xiāng)盆地、東南浦北巖體以及靈山斷褶帶。南鄉(xiāng)盆地主要沉積一套砂巖,整體構造簡單,為一近東西走向的背斜構造,背斜開闊平緩,南翼傾角為20°左右,北翼相對陡些,傾角可達40°。南鄉(xiāng)盆地東部,褶皺斷裂構造相對復雜,褶皺軸向以NE向為主,其間發(fā)育規(guī)模較小的 NW 向斷裂;靈山斷褶帶與南鄉(xiāng)盆地以舊州巖體西北邊緣為界,靈山斷褶帶以靈山和寨圩斷層為主干,發(fā)育次級NW和NE向斷裂,下奧陶統(tǒng)地層組成地壘核部,強烈褶皺,巖層普遍擠壓破碎;寨圩大斷裂東南區(qū)主要發(fā)育浦北花崗巖,巖體呈 NE向侵入志留系、泥盆系、石炭系、二疊系,形態(tài)極不規(guī)則(圖2)。

2 靈山地區(qū)構造形變及應力方向分析

構造應力研究是以地質分析為基礎,不同的構造形跡承載特定的構造活動信息,因此僅僅利用單一類型構造形跡恢復不同期次的構造應力有很大的局限性。充分利用豐富的地質現(xiàn)象來分析目標區(qū)構造應力是目前最為直接、最為可靠的方法。本次構造應力地質分析充分利用地表的各種形跡,例如褶皺、節(jié)理、擦痕等,綜合分析,聯(lián)動考慮,并進行細致的對比總結,系統(tǒng)構建靈山地區(qū)的古構造應力場,展現(xiàn)其時空演化,為最新構造反演奠定堅實理論基礎。

2.1 利用褶皺恢復構造應力

依據(jù)褶皺軸面、樞紐的產(chǎn)狀,利用三端元分類將其分為 7類(Ramsay,1991)。在構造應力恢復時,只要簡單的將其劃分為兩種類型:軸面近直立和軸面傾斜褶皺。在擠壓構造地區(qū)軸面傾角近直立的縱彎褶皺所受到的剪切作用相對較小,可以用于區(qū)域構造應力分析,本次研究在這一思想的指導下,選擇規(guī)模較大,軸面所受剪切較小的褶皺來進行應力方向恢復。

圖2 靈山地區(qū)構造格架圖Fig.2 Tectonic framework of the Lingshan area

2.1.1 褶皺特征

靈山地區(qū)的主體構造呈 NE向展布,由于受多期構造活動影響,研究區(qū)內大部分地區(qū)所發(fā)育的褶皺變形較為強烈。同時我們了解到地層變形程度越強烈,褶皺的形態(tài)就越復雜,所受到的剪切程度也愈高,反映某個時期的古構造應力誤差也就越大。為了更為客觀的分析構造應力,本次研究盡可能的選擇靠近盆地方向所發(fā)育的縱彎褶皺來進行應力分析,如南鄉(xiāng)盆地附近區(qū)域等等,這些褶皺受到后期剪切作用影響相對較小(圖3)。由此在研究區(qū)選擇4個局部區(qū)域的小型褶皺作為地質應力分析的解剖對象,從數(shù)據(jù)分析來看,這些褶皺兩翼優(yōu)勢方位傾角均小于 38°,褶皺的軸面均大于 78°,說明兩翼較為平緩,呈現(xiàn)對稱褶皺態(tài)勢,能夠較好的記錄各自形成時期的構造應力場特征。

2.1.2 褶皺對應力方向的指示

綜合分析野外采集的褶皺數(shù)據(jù),獲得褶皺翼部優(yōu)勢方位,對各個褶皺進行了應力計算(黃繼鈞,1992)。計算結果表明:①No.21位置小型褶皺形成的主應力:σ1方位為 180°∠2°,σ2方位為 89°∠14°,σ3方位為 276°∠76°;②No.28-29-46-47 位置小型褶皺形成的主應力:σ1方位為 156°∠8°,σ2方位為 66°∠3°,σ3方位為 318°∠82°;③No.30-31-32位置小型褶皺形成的主應力:σ1方位為211°∠1°,σ2方位為 300°∠7°,σ3方位為 292°∠83°;④No.51-52-53-54位置小型褶皺形成的主應力σ1方位為 112°∠6°,σ2方位為 24°∠25°,σ3方位為 10°∠64°。結果數(shù)據(jù)表明,研究區(qū)主要受到四個方向擠壓應力的作用,分別為近SN向、NW向、NE向和EW向,這四個方向的擠壓應力分別來自不同時期、不同階段的構造擠壓應力的作用。多期不同方向,不同規(guī)模構造應力場的作用,致使構造體系中的北東、北西和近東西向斷裂和褶皺混合在一起相互穿插、相互交匯、相互干擾,形成錯綜復雜的構造形跡特征(圖4、表1)。

圖3 靈山地區(qū)褶皺Fig.3 Photos showing the folds in the Lingshan area

表1 靈山地區(qū)及周緣利用褶皺構造應力分析Table1 Structural stresses to the folds in the Lingshan district and its vicinity

圖4 褶皺兩翼優(yōu)勢方位和軸面產(chǎn)狀分析Fig.4 Map showing the dominant azimuth of both limbs and attitudes of axial planes

2.2 利用節(jié)理恢復構造應力

節(jié)理是巖層中大量發(fā)育的一種脆性構造,是應力場變化的敏感標志,能夠揭示巖層經(jīng)歷多期構造演化和相應構造應力場的分布特征(樂光禹,1985;任收麥等,2009;Raquel et al.,2010)。利用節(jié)理與剪切破裂的發(fā)育來分析區(qū)域上的應力場,關鍵是要在大量的野外露頭區(qū)對節(jié)理和剪切破裂的方位、幾何樣式、切割或鄰接關系等特征進行詳細分析。

2.2.1 節(jié)理特征

對研究區(qū)及周緣野外實地測量與觀測,共獲得了364組節(jié)理的產(chǎn)狀數(shù)據(jù)。這些節(jié)理的觀測點廣泛分布于不同巖層中,由于多期構造作用的影響,節(jié)理方位變化較為復雜,特別是斷裂帶附近。其中花崗巖體(主要由大容山/浦北巖體和舊州巖體構成)節(jié)理較為發(fā)育,以剪切裂縫為主,單條節(jié)理的發(fā)育規(guī)模較大,延伸長度和切層深度均較大。根據(jù)侵入的地層分析靈山地區(qū)主要發(fā)育印支期花崗巖體(吳繼遠,1980),說明巖體中發(fā)育的節(jié)理能夠較好的記錄印支期以后的構造應力信息。通過地層拉平處理、統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn),整個研究區(qū)發(fā)育的節(jié)理,主要有以下五組呈優(yōu)勢發(fā)育(圖5、6):

① NNE 向節(jié)理(20°±10°):根據(jù)統(tǒng)計的玫瑰花圖來看,該方向節(jié)理主要發(fā)育于花崗巖體中,其他地層也可見,但規(guī)模相對較小,一般節(jié)理未被充填,切層深度和延伸長度均相對較大,巖體中顯示幾何形態(tài)較為平直,發(fā)育較為穩(wěn)定。

② NE向節(jié)理(30°～70°):該方向的節(jié)理統(tǒng)計點基本都有發(fā)育,不同巖性地層均可見,產(chǎn)狀穩(wěn)定,節(jié)理面相對平直。砂泥巖發(fā)育的層段,節(jié)理在砂巖中發(fā)育的較為明顯,泥巖中趨于消失,這一現(xiàn)象在靈山、三隆地區(qū)可見?；?guī)r中該組節(jié)理較為穩(wěn)定,切層深度和延伸規(guī)模較大,特別是在石陂、寨圩、佛子一帶較為明顯。

③ 近 EW 向節(jié)理(90°±20°):研究區(qū)不同巖性地層均有發(fā)育,分布范圍也較廣,城隍、樂民、檀圩、三隆、南鄉(xiāng),涵蓋研究區(qū)全境,節(jié)理面上偶可見擦痕,該組節(jié)理具有左旋走滑的特點,以上特征反映其是區(qū)域性應力場作用結果,同時可能受到后期構造作用的改造。

圖5 靈山地區(qū)共軛節(jié)理Fig.5 Photos showing the conjugate joints of the Lingshan area

圖6 靈山地區(qū)及周緣節(jié)理走向分析Fig.6 Analysis of the strikes of fractures in the Lingshan district and its vicinity

④ NW 向節(jié)理(135°±10°):發(fā)育范圍較廣,所有觀測地層均發(fā)育,呈現(xiàn)剪切節(jié)理的特征,同時節(jié)理面可見擦痕,具有走滑的特征。

⑤ NNW 向節(jié)理(340°±10°):所觀測的地層點該組節(jié)理均可見(南鄉(xiāng)、樂民、佛子、靈山、沙田、三隆等),說明該組節(jié)理發(fā)育時間相對較晚,由于其發(fā)育規(guī)模較近 EW 向節(jié)理小,有些區(qū)域可見該組裂縫被其限制,同時可見該組節(jié)理切割其他方向節(jié)理的現(xiàn)象,該組裂縫沒有被礦物充填。

2.2.2 節(jié)理分期與配套

由于應力場發(fā)生多次的更迭轉換,節(jié)理記錄了不同時期的構造活動,為了進一步厘清研究區(qū)的構造變形史和古構造應力場,常常需要對節(jié)理進行分期與配套(徐開禮和朱志澄,1989)。實踐證明,在統(tǒng)一構造應力場作用下,沿著最大剪應力方向產(chǎn)生一組共軛剪裂面,這是共軛剪節(jié)理最為原始的特征(萬天豐,1983;Becker and Gross,1996;任收麥等,2009)。本次研究通過野外細致的觀測和對其力學性質的甑別,并根據(jù)剪節(jié)理特有的菱形接環(huán)、折尾,以及相互交切,節(jié)理與節(jié)理之間有規(guī)律的間隔,節(jié)理面上所發(fā)育的擦痕等,判斷研究區(qū)主要發(fā)育三組規(guī)模相對較大共軛節(jié)理:①NNE向與近EW向節(jié)理共軛;②NNW向與近EW向節(jié)理共軛;③NW向與NE向剪節(jié)理共軛。觀測發(fā)現(xiàn),無論是巖體、砂巖還是碳酸鹽巖中發(fā)育的裂縫較少有裂縫被充填,發(fā)育在碳酸鹽巖地層中的這三組共軛節(jié)理均被方解石充填,并且 NNE向較為明顯的切過NNW 向節(jié)理,由此可以判斷第二組共軛節(jié)理早于第一組共軛節(jié)理發(fā)育。在NE向構造和NW向構造帶交匯部位以及斷層彎曲部位,由于應力場擾動的硬性,節(jié)理走向較為復雜,如樂民、南鄉(xiāng)坪位置節(jié)理統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)各個方向的節(jié)理均發(fā)育,不同期次的構造疊加,對節(jié)理發(fā)育和改造有較大的影響。

2.2.3 節(jié)理對應力方向的指示

構造應力作用致使脆性巖層剪切破裂,形成共軛節(jié)理,由此共軛節(jié)理與構造主應力方位存在一定的幾何關系:一對共軛剪節(jié)理的交線平行于中間主應力方向;靈山地區(qū)多見石英砂巖,脆性程度較高。一般在地表脆性巖層中,共軛剪節(jié)理的銳角等分線平行于最大主應力方向;共軛節(jié)理的鈍角等分線平行于最小主應力方向。經(jīng)過細致的觀察分析節(jié)理形態(tài)特征、力學性質、相互之間的切割關系、發(fā)育程度及充填物特征,對共軛節(jié)理進行拉平轉化,求取研究區(qū)的共軛節(jié)理、共軛雁列節(jié)理剪切帶的優(yōu)勢產(chǎn)狀,并對各自的應力狀態(tài)進行分析。

從應力恢復結果來看,研究區(qū)主要受到四個方向的構造應力作用(表2,圖7):①NW 向的擠壓應力,最大主應力σ1優(yōu)勢方向為 321°～325°,傾角6°～22°,優(yōu)勢方位為 324°∠13°;②NE 向的擠壓應力,最大主應力σ1優(yōu)勢方向為 54°～59°,傾角7°～24°,優(yōu)勢方位為 56°∠16°;③近EW向的擠壓應力,最大主應力σ1優(yōu)勢方向為 84°～108°,傾角7°～24°,優(yōu)勢方位為 88°∠13°;④近 SN 向的擠壓應力,最大主應力σ1優(yōu)勢方向為 343°～358°或 2°～6°,傾角 6°～26°,優(yōu)勢方位為 356°∠20°。這些數(shù)據(jù)進一步說明研究區(qū)受到多期不同方向構造作用力影響,從而形成了現(xiàn)今的構造格局。

表2 靈山地區(qū)及周緣利用共軛節(jié)理構造應力分析Table2 Analysis of the structural stresses of the conjugate shear fractures in the Lingshan district and its vicinity

圖7 構造應力統(tǒng)計分析Fig.7 Statistical analysis of the structural stresses

2.3 斷裂面擦痕對構造應力場指示

Angelier (1979)、謝富仁等(2009)提出根據(jù)斷層面法線和擦痕確定的平面確定主應力方位。本研究區(qū)及周緣斷層較發(fā)育,斷面多表現(xiàn)壓性結構面特征,并在結構面、以及滑抹晶體上留下擦痕,這些擦痕是斷層活動的直接證據(jù)。然而早期形成的斷裂極易在后期構造重新活動,留下后期構造作用的痕跡,由此通過對斷裂擦痕的測量分析,恢復各個觀測點構造應力方向只能佐證研究區(qū)受到了多期構造活動的影響。

靈山地區(qū)擦痕分析顯示最大主應力NW向為優(yōu)勢方位,且多具有兩期以上的擦痕(圖8、9)。擦痕應力圖表明最大主應力方向有四個方向:①NW 向,研究區(qū)的城隍、插花、六槐、龍屋觀測點最大主應力均顯示為 NW 向,這是形成研究區(qū) NE向構造的主要動力方向,最主要是晚古生代末期欽防海槽閉合及印支期濱太平洋構造應力不斷由南東向北西推擠,致使其褶皺回返,形成大量 NE向構造;②NE向,由于野外條件的局限,僅僅研究區(qū)北部 No.16觀測點有表現(xiàn),可能是由印支板塊向北俯沖匯聚造成;③近 EW 向,該方向構造應力所遺留的地質痕跡在研究區(qū)較少,僅僅在局部形成近南北向構造,如佛子鎮(zhèn)有一定的地質形跡證據(jù),分析可知主要是因為太平洋板塊向 NWW 俯沖過程,受早期花崗巖體的局部阻擾而形成;④近SN向,研究區(qū)樂民和樟木村有較為明顯的痕跡,由于受印支板塊、菲律賓板塊和太平洋共同挾持,以及南海盆地向北的擴張的影響,研究區(qū)形成近EW向構造(表3)。

表3 靈山地區(qū)及周緣斷裂面擦痕及構造應力分析Table3 Analysis of the structural stresses of the slickensides on fault surfaces in the Lingshan district and its vicinity

圖8 靈山地區(qū)及周緣利用斷裂面擦痕構造應力分析Fig.8 Analysis of the structural stress of the slicken side on fault surfaces in the Lingshan district and its vicinity

圖9 靈山地區(qū)發(fā)育的擦痕Fig.9 Photos showing the slicken siding of the Lingshan area

通過對靈山地區(qū)構造地質形跡(褶皺、節(jié)理和擦痕)統(tǒng)計分析,靈山地區(qū)經(jīng)歷了四期不同方向構造應力場的作用,四期構造應力場方向依次為:NW、NE、近EW和近SN向。由于四期不同的構造應力場對靈山地區(qū)不斷的改造疊加,造就了靈山地區(qū)的構造格局。

3 構造應力期次分析

3.1 地質形跡交切關系

構造疊加及相互改造是構造地質學判斷構造發(fā)展時序最為直接和可靠的證據(jù)(萬天豐,1983;徐開禮和朱志澄,1989),基于這一思想,我們根據(jù)各個階段構造活動所形成構造形跡間的空間交切、復合關系等標志來判定區(qū)域上不同時期構造活動的先后次序。

由于研究區(qū)處于多個板塊交匯部位,導致多期構造對廣西靈山地區(qū)進行改造,致使研究區(qū)呈現(xiàn)不同期次構造疊置復合特征(承金,2009)。靈山北部的鎮(zhèn)圩構造地質特征顯示,NW向斷裂被SN向延伸的斷裂切割,SN向發(fā)育斷裂的延伸長度以及斷裂數(shù)量明顯小于NW向斷裂(圖10a),說明NE向的擠壓應力早于EW向的擠壓應力作用于研究區(qū),并且 NE向擠壓應力作用強度以及影響廣度要大于EW向擠壓應力;同時馬山顯示 SN向發(fā)育的褶皺由北向南逐漸斜接歸并到NW向褶皺(圖10b),這均說明NW向構造的形成早于近SN向構造,形成SN向構造的構造活動強度小于形成NW向構造應力強度;靈山縣檀圩NE向的主體構造被NW向斷裂切割,致使NE向構造完整性遭到破壞,表明研究區(qū) NE向構造形成早于 NW 向構造(圖10c)。由于多期活動構造的影響,近EW向構造與NE、NW、SN向構造之間的空間關系在研究區(qū)并沒有直接的體現(xiàn),但魏春光等(2008)對北部灣及其鄰區(qū)構造應力場的分析,尹克堅(1995)利用水系對廣西地區(qū)新構造應力場分析,以及蔣維強(1992)利用多個震源機制解對華南沿海地區(qū)的最新構造應力場分析,均充分說明了EW向構造晚于其他三組構造形成。

圖10 不同期次構造疊加關系圖Fig.10 Multiphase tectonic superposition and reworking of the Lingshan area

3.2 構造活動期次及新構造活動的定量證據(jù)

沉積巖中的流體包裹體的形成與構造–熱事件作用和熱液活動有密切關系,能夠從側面反映沉積巖所受到的構造活動的影響(朱東亞等,2009)。承金(2009)利用流體包裹體分析靈山附近十萬大山古地溫時,發(fā)現(xiàn)下、中三疊統(tǒng)均存在三組均一溫度:75～100 ℃、110～150 ℃、160～220 ℃,這也進一步佐證了靈山地區(qū)自侏羅紀以來至少經(jīng)歷了三期構造活動的影響。裂變徑跡模擬表明靈山周緣十萬大山自印支期以來有3期降溫的階段,很好的反映了后面三期構造活動歷史(郭彤樓,2004)。這與我們的地質分析較為吻合。

喜山晚期以來的新構造在靈山地區(qū)有非常明顯的響應:(1)1936年4月1日羅陽山-平山6.7級地震,1974年11月24日豐塘4.1級地震,2010年8月17日豐塘 3.5級地震,以及最近所發(fā)生的地震均很好的說明了這一點;(2)通過對研究區(qū)斷裂帶的石英膠結ESR測年顯示,斷裂活動的最晚年齡為3.7±0.3 Ma。同時羅陽山斷階洪積扇石英ERS最新年齡為4.5±0.5萬年。地震活動的存在、斷裂帶石英年齡和斷階洪積扇石英年齡均說明新構造活動的存在。

無論構造形跡的交切、疊置關系還是構造熱事件對流體包裹體、鋯石徑跡長度和斷裂石英所遺留特殊信息均表明靈山地區(qū)整個沉積地層經(jīng)歷了 4期構造運動的作用。

3.3 構造演化和構造應力場轉化

由于華夏板塊與揚子古板塊的不完整拼合,早二疊世末期之前廣西靈山地區(qū)處于相對穩(wěn)定的沉積環(huán)境,地層均是連續(xù)沉積,未受到大規(guī)模構造活動影響。早二疊世末由于受到特提斯洋強烈收縮、聚斂作用和太平洋板塊向北西推擠的影響,欽防海槽關閉造山,研究區(qū)處于擠壓或壓扭應力的區(qū)域環(huán)境中,欽防海槽一帶形成一系列北東向構造,大量發(fā)育次級斷裂,靈山斷裂帶也于該時期形成(郭彤樓,2004)。同時該構造活動致使上二疊統(tǒng)不整合于石炭系之上,如靈山東北區(qū)域友僚-南樂一帶;中三疊世末期由于印支板塊與華南板塊發(fā)生碰撞,在印支板塊向北俯沖、碰撞過程中,促使越北地塊右旋扭動,形成一系列北西向逆斷層和褶皺。與此同時,云塊地塊向北西推擠,激發(fā)早期北東向構造再次活動;晚三疊世-白堊紀研究區(qū)構造發(fā)展仍然受控于濱太平洋動力體系,靈山地區(qū)依舊受到來自南東方向的作用力,使整個北東向構造變形持續(xù)向北西擴展(徐漢林等,2001);到古近紀,印支板塊和太平洋板塊分別從西南方向和東西方向的夾擊,導致該區(qū)處于東西向的應力場中,隨著應力的不斷加強,形成南北向構造,并切割早期構造;喜山晚期以來,太平洋板塊向西擠壓和印度洋板塊向北和北東方向的推擠,致使研究區(qū)遭受近南北向擠壓作用,形成近東西向構造,并最終定型。并且水系研究表明該方向構造應力對研究區(qū)的作用一直持續(xù)到現(xiàn)今(尹克堅,1995)。

靈山地區(qū)自早二疊世末期以來經(jīng)歷了4期不同的構造活動的影響,并且各種證據(jù)表明喜山晚期近SN向的構造應力場仍舊影響著研究區(qū),為了弄清新構造應力場在靈山地區(qū)的分布特征,對其進行了數(shù)值模擬分析。

4 數(shù)值模擬及活動性預測

為了明確新構造運動以來靈山區(qū)的構造應力分布趨勢及展布范圍,研究將以構造應力場地質分析成果為基礎,針對靈山地區(qū)多條規(guī)模較大斷裂之間的交接關系,建立目標區(qū)活動斷裂數(shù)值模型,探討斷裂對研究區(qū)應力應變強度分布的擾動特征,并以此為依據(jù)對靈山地區(qū)地質活動的可能性進行了評價。

4.1 靈山地區(qū)新構造數(shù)值模擬

(1)斷裂的處理

從宏觀效果出發(fā),相對斷裂帶來說,地質體不同層位、不同構造部位的巖石物理屬性參數(shù)可以視為均質的,對于模擬的整個地質體將其作為彈性體處理,而斷裂則視為非連續(xù)介質?，F(xiàn)階段,符合實際情況的斷層處理方式:將斷裂帶兩側適當范圍內的巖石力學參數(shù)按一定比例降低,根據(jù)實踐經(jīng)驗,該比例一般定在60%左右(陳波和田崇魯,1998),并可根據(jù)實際研究區(qū)斷層的規(guī)模予以調整。

研究區(qū)斷層多而復雜,但主要以NE、NW向的斷層為主,依據(jù)研究區(qū)斷層發(fā)育規(guī)模以及對地層影響程度,選擇10條斷層作為主要的模擬對象,其中NW向斷層3條,NE向斷層5條,SN向斷層1條,近EW向斷層1條,同時斷層之間的交接關系將也在模型中進行細致的刻畫。

(2)有限元模型

依據(jù)廣西靈山地區(qū)構造應力場作用方向的分析,建立基于斷裂-基質的有限單元模型。整個模擬區(qū)是以靈山地區(qū)構造圖為基礎的矩形體,各邊均為實際大小,平面短邊長55.24 km,長邊99.68 km,面積5234.6 km2。數(shù)值模擬過程中較為重要的,巖石力學屬性參數(shù)主要由本身組構決定,也與巖石所處的地質環(huán)境有極為緊密的關系,應力場數(shù)值模擬所需的巖石力學參數(shù)均可以通過三軸巖石力學實驗測得(徐政語,2006;唐永等,2012)。由于本次研究重點集中于斷裂對應力場分布的影響,對巖層中不同的巖性進行了均一化處理。

地質分析表明,新構造運動以來整個華南沿海主要受到菲律賓海板塊向西擠壓、南海海盆向北擴張以及川青、川滇地塊阻擋的影響(鄒和平,2002),靈山地區(qū)受到近南北向擠壓作用。同時靈山地區(qū)西部和北部為十萬大山盆地是構造相對穩(wěn)定部位,即模擬過程中將模型的北面和西面x和y方向約束,對南面施加近 SN方向的水平擠壓作用力。根據(jù)野外實測巖層中的共軛節(jié)理,結合巖石力學測試獲得初始抗剪強度和抗壓強度(陳慶宣等,1996),確定研究區(qū)近SN向構造作用的平均差應力為21.3 MPa。

4.2 應力場數(shù)值模擬結果

經(jīng)過反復的計算,獲得了靈山地區(qū)現(xiàn)今最大主應力場、最大主應變以及最大主應力跡線圖(圖11)。結果顯示:①最大主應力值高值區(qū)主要集中在研究區(qū)的東南部,低值區(qū)分布在研究區(qū)的西北,整體呈現(xiàn)由南東至西北,最大主應力逐漸變小,與靈山及周緣的地質特征較為相符。研究區(qū)東南部以斷裂和巖體為主,構造變形復雜,說明所受的構造作用力較大,構造活動強烈。而西北角大部分為南鄉(xiāng)盆地,主體為開闊平緩的褶皺,構造極為簡單,說明構造作用較弱,最大主應力大小分布與地質特征的吻合程度說明數(shù)值模型的可靠性較好,模擬結果的可信度較強。由于作用力施加方向與斷裂之間存在一定的角度關系,在高值區(qū)也有一些低值區(qū)存在,如佛子(FZ)、寨圩(ZX)、平南(PN)等局部區(qū)域。其中最大主應力值極大值區(qū)域主要分布在羅陽山、豐塘、浦北、三隆以北的區(qū)域;②最小主應變量與最大主應力分布狀態(tài)較為相似,也表現(xiàn)為西北低東南高的特征,但整體來看最大主應變量相差不大。其中最大主應變量最小區(qū)域位于羅陽山、豐塘、鐵嶺等局部區(qū)域,次之為南鄉(xiāng)盆地和陸屋、三隆以北區(qū)域。高值區(qū)則主要分布在浦北縣所在的大容山巖體以及斷裂的交叉部位和尖滅端,例如石陂、平山附近區(qū)域。由于斷裂控制,位于斷裂交叉部位和尖滅端區(qū)域的最小應變量高值分布范圍極為有限。由于斷裂的存在,斷裂兩側應變量大小往往不連續(xù),說明斷裂對應力變的傳遞有明顯的阻隔作用(蘇生瑞,2002),體現(xiàn)了早期斷裂對后期構造的控制,同時也說明將斷裂與目標地質體處理為非連續(xù)的介質體是符合地質實際的;③模擬結果顯示,最大主應力跡線為近SN向,雖然局部由于斷裂走向的變化以及多條斷裂交叉,導致最大主應力跡線有所偏轉,但最大主應力跡線近SN向的特征得到很好的體現(xiàn),這與地質分析結論較為吻合,進一步佐證了數(shù)值模型的可靠性。

圖11 靈山地區(qū)最大主應力分布(a),最大主應變量分布(b)和最大主應力跡線(c)圖Fig.11 Maps showing the distribution of maximum principal stress (a),maximum principal strain (b)and maximum principal stress trajectory (c)in the Lingshan area

4.3 活動可能性分析

應力是能量聚集的一種表現(xiàn),應變是能量釋放的一種狀態(tài)。應力越大說明能量集中的程度越高,應變量越小形變量越弱則能量釋放的越少,那么后期活動的可能急劇增加,反之亦然,應變量越大形變量越強能量釋放的越多,那么后期活動的可能性逐漸減少。

從最大主應力模擬結果來看,最大主應力高值主要集中斷裂交叉處、尖滅端以及彎曲部位,但最大主應變低值區(qū)則主要位于斷裂彎曲、交叉與斷裂尖滅相結合部位,例如羅陽山(3、4號斷裂交匯與8號斷層尖滅結合處)、豐塘(4、7號斷裂交匯與 2號斷裂尖滅結合處)、鐵嶺(4號斷裂彎曲部位與1號斷裂尖滅結合處)以及陸屋以北區(qū)域(3號斷裂彎曲部位與7號斷裂尖滅結合處)。而僅僅只有斷裂交匯、斷裂彎曲的部位,雖然最大主應力為高值,最大主應變量卻比較大,如浦北(5號斷裂)沙坪(9號斷裂)、寨圩(10號斷裂),說明能量雖然較為集中,但能量釋放的程度也較高,后期活動的可能極為微弱。相反那些斷裂尖滅與斷裂交匯、彎曲結合部位,最大主應力呈現(xiàn)高值,最小應變量為低值,表明能量較為集中,同時能量釋放程度極低,后期活動的危險性極大。1936年4月1日羅陽山-平山(PS東側,圖11a)6.7級地震,1974年11月24日豐塘4.1級地震,2010年8月17日豐塘3.5級地震等最近所發(fā)生的地震均很好的說明了這一點。

根據(jù)以上分析,羅陽山、豐塘、鐵嶺、陸屋以北區(qū)域是應力集中程度較高的區(qū)域,能量釋放程度較弱。由此推斷羅陽山、豐塘是發(fā)生活動高危區(qū)域,鐵嶺和陸屋以北區(qū)域是發(fā)生活動次高危區(qū)域(圖12)。

圖12 靈山可能活動區(qū)預測Fig.12 The predicted zone of potential activity in the Lingshan area

5 結 論

(1)構造形跡是構造活動最忠實的記錄者,分析特征構造是理清構造應力場最重要的、最有效的方法和手段。通過大量的構造屬性數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析,獲取褶皺、節(jié)理、擦痕的優(yōu)勢產(chǎn)狀,通過解析幾何的方法,計算出構造主應力的方向,這對理解研究區(qū)構造演化奠定可靠的基礎。但是由于不同時期地質形跡易于疊加復合,因此在利用構造痕跡恢復構造應力場時,必需將多種構造形跡聯(lián)動起來作為一個整體考慮,同時將不同分析方法獲得結果對比驗證、相互補充。只有通過詳細、完整分析各種構造形跡才能夠獲得構造應力場真實有效分布狀態(tài),才能真實有效的為活動性預測服務。

(2)通過野外實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析及對靈山及周緣地質特征研究,認為研究區(qū)主要受到四期不同方向、不同大小構造應力作用,其中近SN向構造應力是現(xiàn)今影響研究區(qū)活動的主要動力來源。NW 向擠壓應力最早影響到研究區(qū),并且作用強度較后面三期均要高,形成控制研究區(qū)主體構造特征的 NE向構造,其次是NE向擠壓應力對研究區(qū)的作用,改造破壞早期發(fā)育的 NE向構造,并發(fā)育一系列 NW 向構造,隨后構造應力場發(fā)生大的轉換,EW向擠壓應力作用于靈山地區(qū),形成近SN向構造,最后整個研究區(qū)的構造格局在近SN擠壓應力的作用下而定型,并且該方向的擠壓應力作用一直持續(xù)到現(xiàn)今。

(3)構造應力場定量化研究對靈山地區(qū)活動性評價及潛在活動區(qū)預測具有重要的意義。最大主應力高值集中區(qū)與最大主應變量低值集中區(qū)的疊合部位:斷裂彎曲、交匯與斷裂尖滅相結合部位,具有能量集中程度較高,變形量較小能量消減量低,后期活動的危險性較周圍區(qū)域高。綜合地質分析成果,運用構造應力有限元數(shù)值模擬方法,確定靈山地區(qū)現(xiàn)今最大主應力、最大主應變展布特征,并且認為:羅陽山、豐塘、鐵嶺、陸屋以北區(qū)域是應力集中程度較高的區(qū)域,能量釋放程度較弱,可以推斷羅陽山、豐塘是發(fā)生活動的高危區(qū)域,鐵嶺和陸屋以北區(qū)域是發(fā)生活動的次高危區(qū)域。

致謝:衷心感謝南京大學賈東教授、謝國愛教授和中國地震局地殼應力研究所老師給予的指導和幫助,感謝編輯在論文完善過程中給予的寶貴意見,同時感謝武漢地質調查中心在野外工作給予的支持！

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