2.4　矿区及邻区宏观地应力分析

2.4.1　矿区区域地应力演化

区域应力场是一个时间上和空间上都相对稳定的非稳定场。在时间上，区域地应力场是一个连续的变化过程，有时积累，有时松弛。在空间上，有些地区的地应力逐渐加强，而有些地区的地应力却在衰减。因此，对地应力场的演化进行研究，有助于认识现今地应力场的特征、所处状态和阶段及其发展演化趋势。

亿万年来由于地壳运动，地球经历了无数次规模不一、形态各异的构造运动，地应力场也多次被叠加、牵引和改造。各种形态不同的地质构造是地质历史时期的构造运动的产物，地质构造遗迹保留在岩体中，利用地质构造形迹反演出构造形成时期的构造应力方向，是地质力学恢复古地应力场的基本途径。

（1）古地应力方向确定方法

①节理与主应力方向。节理是一种常见构造现象，同一应力场所形成的节理与主应力轴有一定的空间几何关系。岩石某一方向拉应力超过岩石抗拉强度形成张节理，其走向与最小主应力相垂直，而与最大主应力轴平行，中间主应力轴垂直于节理走向，即平行于倾向方向。张节理往往延伸不远，产状很不稳定，采用数理统计的方法结果更为准确。剪节理一般发育密集，节理面平直光滑，产状稳定，走向延伸较远，但在穿越不同岩性的岩层时，产状有可能发生较大改变。用一条剪节理确定主应力方位准确率较低，采用共轭节理判断则相对可靠。在共轭剪节理所分割的两对象限中，挤压区代表最大主应力轴的方位，拉张区等分角线与最小应力轴一致，中间主应力轴就是两组共轭剪节理的相交线。

一般情况下，共轭节理所夹锐角区为压缩区，钝角区为拉伸区，如图2-10（a）所示。当两组共轭节理近于正交时，可以采用位错方向判断法，即一对以反扭和顺扭出现的共轭节理，向角顶方向位错的区域为压缩区，反方向位错的为拉伸区，如图2-10（b）所示。

可以通过实际测量岩石力学参数和断裂面夹角，估算出X型断裂发生前的极限应力大小，计算公式如下：

　　 （2-3） 　　

式中，σ1为最大主压应力；σ3为最小主压应力；τm为剪应力；σc为岩石抗压强度；K为岩石初始抗剪强度；θ为X型断裂面夹角。

②断层与主应力方向。在强烈褶皱和广泛发育断层的地区，除了包含大量区域性节理以外，还叠加了局部应力形成的节理，最终形成了稠密节理网络；此时，难以从中分辨出区域性节理。而断层是反映构造应力场的重要标志，此时宜利用剪切破裂所产生断层与主应力轴之间的对应关系，分析确定应力场方向。

对于平缓、倾斜或陡倾的褶皱，在其形成过程的结束阶段，即褶皱不再生长时期，广泛发育着能够准确确定应力轴的有代表性的共轭断层，其空间位置较为稳定；与前述共轭节理一样，可采用赤平投影作图的方法确定出主应力轴。

一般来说，正断层的最大应力轴直立，中间应力轴和最小应力轴水平，且中间应力轴与断层线走向平行；平移断层的最大主应力轴和最小应力轴呈水平，中间主应力轴直立；逆断层的最小主应力轴为垂直，最大主应力轴与中间主应力轴为水平状态，断层走向与中间主应力轴平行，如图2-11所示。

③褶皱与主应力方向。褶皱变形成因类型复杂，一般用于古应力场恢复的主要是纵弯褶皱。纵弯褶皱变形简单，轴面近于直立时，为压性结构面，与最大主应力轴相垂直，轴线相当于中间主应力，最小主应力轴必定包含在轴面内，并与轴线相垂直。横弯褶皱一般是由岩浆侵入上顶或地壳升降运动形成，其最大主应力轴近于直立，中间主应力和最小主应力轴则近于水平。

（2）霍州矿区古地应力方向　矿区广泛存在断层，有构成矿区东西部边界的区域性大断层（如霍山断层和罗云山断层），还有井田内中小型正断层，都以NE走向为主。这说明区内还有一期NW-SE向拉张应力作用。从本区内分支断层与主干断层的“入”型斜交关系以及罗云山断层的断层面上擦痕向南侧伏，而霍山断层的断层面上擦痕向北侧伏，表明第三期构造应力为一对右旋剪切力偶，NW-SE向拉张应力是该力偶应力场中的一个分力。

矿区发育着NNE向和近EW向两组褶皱，近EW向褶皱构造受到NNE向褶皱构造的横跨叠加作用。这两组不同方向的褶皱构造反映了本区内SN向挤压和近EW向挤压的两个不同时期、不同方向的古地应力场，也表明了本区内近EW向挤压构造先于NNE向挤压构造的形成。

在曹村、辛置矿主采工作面上进行了节理产状测量，主要分为四组，见表2-5。

在多数情况下，第一组和第三组节理较为发育，其他两组相对发育较差。这四组节理反映了SN和EW向挤压的两个不同时期、不同方向的古地应力场。

（3）矿区古构造应力场演变　从古生代含煤岩系形成至今，霍州矿区动力学体制曾有根本性改变，大体上受到三期不同的古构造应力作用。区域地应力场可分为以下三期。

①SN向挤压，EW向构造形成期。在晚古生代，华北板块为秦岭洋和蒙古洋南北两个大洋之间的大陆板块，与北方的西伯利亚板块和南方的华南板块隔海相望。晚古生代后期，华北板块在华南板块推动下向北漂移，于二叠纪末与西伯利亚板块碰撞对接。与此同时或稍晚，华南板块在北移受阻的情况下，要继续北移，结果与华北板块之间的碰撞构造带发生陆内俯冲。二叠纪到三叠纪时期，华北古板块处于夹击之中，形成了EW向延伸的褶皱和断层构造以及走向NNE和NNW两组共轭剪切节理或压扭性断裂网络，如图2-12（a）所示。

霍西煤田位于华北古板块中部，应变相对微弱，但中下构造层中仍可看出这一阶段构造变形的遗迹。位于临汾、太原两盆地间的灵石复背斜可能是这一阶段形成于霍西煤田的一个较大规模的近EW向背斜隆起带，以至于汾河地堑系形成后，它仍作为分化性构造存在其中。在矿区煤层底板等高线图上常见到形态不完整的近EW向褶皱，代表了霍西煤田SN向挤压应力场中更次一级的构造形迹；普遍存在于霍州矿区的走向30°～40°和320°～340°两组节理则是这一期构造应力场形成的共轭剪节理。

②NWW向挤压，NNE向构造形成时期。三叠纪晚期，由于古太平洋板块向古亚洲大陆俯冲，其西向压力使中国东部自东向西逐步隆起。在侏罗纪晚期以后，古太平洋板块俯冲速度加快，白垩纪中期，西太平洋古陆与古亚洲大陆斜向碰撞，使本期应力场大大加强，其西向挤压分力使中国东部受到强烈西向挤压，背斜型隆起进一步加剧。当挤压力超过弹性极限时便产生脆性变形，并在NNE向左旋剪切力偶的作用下，形成NNE向延伸的纵向左旋正断层，如图2-12（b）所示。

在这一时期，被称为晋西南隆起的吕梁山-太岳山一带成为中国东部隆起的西缘，普遍缺失中生界及第三系，大部分煤系地层已被剥蚀到上、下石盆子组。在霍州矿区内部，本期构造应力场主要形成次一级的NNE向褶皱、霍山断层、罗云山断层等主干断层，以及走向方位50°～70°和290°～310°两组构成的共轭剪节理。

③右旋张性扭动，汾河地堑系形成期。白垩纪后期，古太平洋板块裂陷、沉没，大陆东部开始受现今太平洋地球动力学控制。同时，印度洋板块与欧亚大陆板块碰撞，并向欧亚板块汇聚运动，使中国西部受到强大的SSW-NNE向挤压。霍西煤田处于中国东西两大构造区的交界地带，在两大构造应力场共同作用下形成了一对SN向力偶场［图2-12（c）］，在已形成的区域性隆起轴部形成了右旋剪切拉张断陷带——汾河地堑系。汾河地堑系西侧边缘构造带中的逆掩断层的后缘被边界正断层切断，充分显示出“先逆后正”的特点。东侧边缘构造带中的逆冲断层，有一部分也在盆地形成时期被改造成正断层，形成地堑的实际边界。在前两期挤压构造应力场中形成的共轭剪节理中，节理组1、3受到右旋拉张应力作用，成为矿区内的主要节理，发育成霍西煤田的各级断层；节理组2、4受到相对挤压，不再继续发育。

因此，自古生代末-晚三叠纪，矿区古地应力场以SN向挤压收缩为主，形成近EW向褶皱；三叠纪晚期-新生代初，受NWW向挤压产生NNE向隆起带及次一级的褶皱和走向左旋逆掩断层；新第三纪以来，右旋力偶形成NNE向汾河地堑系及霍州矿区现地应力场，使本区由挤压隆起转化为张扭伸展断陷，完成了矿区区域地应力场的演化过程。

2.4.2　矿区地应力震源机制解分析

煤田霍州矿区区域构造依据大地构造板块构造理论，其大地构造位置处于华北板块（Ⅱ级）山西过渡块体（Ⅲ级），洪洞区块（Ⅳ级）的北部，是临汾-运城裂陷盆地的组成部分，如图2-13所示。本单元位处“祁、吕、贺”山字型构造体系外带，伴有新华夏系吕梁山经向构造复合。由于多种构造体系各级规模和各种序次构造以多种方式复合交织在一起，显示出本单元的类型及形式多样，多期性和继承性特点。

自太古代以来，经受了多次复杂的构造运动，燕山期以前形成近南北向构造几乎控制全区。燕山期以来，叠加、复合有其他方向的构造形迹。燕山运动后期，区内发生不均衡的断陷与断块沉降，主要呈SN向展布的隆起带和NNE向展布的坳陷带及边缘断裂。本区在漫长的地质历史时期中，经历了多次构造运动，形成了本区一系列极其复杂的褶皱和断裂构造，构成了多种构造体系。

（1）利用天然地震资料确定地应力方向　地震是由于地球内部岩体受构造应力作用，导致岩体突然断裂错动的结果。震源机制解可反映出震源断层的力学性质和动力特性，揭示地震力学机制，给出地震的等效释放应力场。可以利用中强地震前发生在震源区及其附近的中小地震的震源机制解来研究地应力场的变化情况。因此，震源机制解是研究现代构造应力场，特别是研究地壳深部构造形变特征的基础数据资料。根据天然地震记录资料，利用较大地震的震源机制解、广泛分布的小震综合断面解和P轴参数分析法，可以分析区域现今最大主应力场方向。因此，根据地震震源的地震波监测，确定地震波传递的P波初动方向，得到现今最大主应力方向，所确定的主应力方向误差最大不超过20°～30°。

现今地应力场的应力集中，造成断层错动或位移而形成现代地震。为了弄清震源区岩体的受力特点，以及断层错动的传播过程，建立了各种震源力学模型。点源模型假设震源为一个点，当震源体积大小远小于地震波的波长时，在远离震源的地方，点源和体源所产生的地震波效果是相通的，但点源模型的地震波位移公式比较简单，因此常用点源模型来处理问题。地震震源机制解理论证实，在两种震源模型中，即单力偶震源模型［图2-14（a）］和双力偶震源模型［图2-14（b）］，地震波P波初动按象限规律分布在对角象限内，且P波初动符号分布图案相同，都按照四象限分布，可以划分为压缩区或张拉区，因此，被广泛用来确定地应力的主应力方向。

1951年，Anderson提出均匀岩石在常温常压下受到三轴应力场作用时，常常沿包含应力轴的2个面破裂，并且这2个面与最大应力轴的夹角小于等于45°。因此，从岩石破裂面展布便可推知所受的应力状态。特别是在双力偶点源模式的震源机制解中，P、B、T轴常被用来作为推断地应力场分布状态的主要依据。上图中节面F-F、A-A即为断裂面、辅助面，压缩轴P轴位于拉张象限内，并与节面成45°垂直于界面的交线，张拉轴T轴位于压缩象限内，并与P轴正交，中间轴N轴与节面交线平行。在波长与震源体积相比足够大、断裂端点和介质不均匀性不影响P波初动符号的条件下，据一次大地震中多个地震观测站资料，或同一测站多次微小地震记录资料，确定出P波初动符号的分布，求得两个可能断层面解，继而由构造断裂线法或等烈度线长轴方向，确定P轴、T轴和N轴。

（2）震源机制解类型　震源机制解类型即所反映的应力状态，参照世界应力图的划分原则，根据三个应力主轴俯角的大小，可以将震源机制解分为六种类型，同时还可以根据所确定的震源机制解类型，给出相应的水平最大主应力方位，划分标准见表2-6。

（3）利用天然地震资料确定矿区地应力方向　自20世纪50年代开展震源机制解研究工作以来，求解方法由最初单一的P波初动符号法，逐渐发展到现今矩心张量震源机制求解方法，获得了大量震源机制数据。若地震是由岩层新破裂引起，由岩石力学实验可知，由破裂面解求得的P轴和T轴只是反映地震前后震源区应力状态的变化，与构造应力的主轴方向都有一个偏角。但是，单个地震的P、B、T轴并不一定代表地震所在区域的构造应力场，同时，由于存在两个可能共轭的破裂面，每一个共轭面发生破裂的概率是相同的。因此，需要利用多个地震的震源机制解结果，通过合理选择样本数据，对一个地区众多地震的P轴方向数理统计，才能准确获得该地区构造应力场的优势方向。

单次中小地震的发生具有随机性，不能给区域应力场提供太多信息，而统计整个群体特征，可以提取大量的信息。大量地震的震源位置既可以描述震源断层的空间取向和应力场状态，也能够用来获得大范围内构造应力场的作用。根据山西区域地震台网记录资料，有不少学者对相关区域的某些地震进行了震源机制研究，虽然对资料的处理手段或计算方法有所差异，但得出的结论与实际情况大体一致，仍能在一定程度上反映出区域地应力场一般规律性或某些特殊性质。

矿区及邻近区块的部分地震（M>3.0）震源机制解统计结果见表2-7。

根据矿区及邻区区域的天然地震观察记录资料，做出矿区及邻区震源机制解主压轴-P轴的分布极点图，如图2-15所示。分析看出，本区深层（5～46km）构造应力场的活动具有如下特点。

①在几千米至几十千米深度范围内，地壳应力活动的主压应力方向总体上为NEE向～NWW向，但是数据极差较大，分布范围较为分散，从而优势方位表现不很明显。同时，这一事实也说明，虽然在地壳较深部位，所研究区域内现今地壳应力活动明显受大陆板块构造运动的控制，但是由于山西中南部地区地质构造较为复杂多变，局部应力场仍可能比较突出。

②由震源机制解结果可知，该区地震过程中主压应力主轴-P轴的仰角最小值为1.50°，平均仰角约为35°，仰角小于45°的占总数的70％以上。因此，可以判定矿区及邻区范围内的地壳应力活动以水平构造应力作用为主，与现有的华北区域应力场的研究结果是一致的。

临汾地区在1970～1998年期间，由地震震源机制解方法获得的平均P轴方向随时间的变化曲线如图2-16所示。

可以看出，包含霍州矿区的临汾地块在地震过程中压应力主轴-P轴的走向是以EW向为中心线，在NW向和NE向范围内波动。这说明该区构造应力场随时间的变化比较复杂，稳定性较差，可以根据实际需要结合其他方法进一步精确判别主压应力轴的方位。

2.4.3　地应力场GPS确定法

地壳形变是指由于内在构造应力和外在天体引力以及地表载荷作用引起的地面形态的变化，是地壳运动在地壳表面的反映和遗留证据。地壳形变分为水平形变和垂直形变两大类。而水平地壳形变表明了由于地壳运动导致各个部位在水平方向上的相对变化，从而可以反映区域位移场和应变场，为区域现今地应力场分析提供依据。

（1）中国地壳运动观测网络　地质学已经提供了百万年尺度地壳运动的平均情况，要分析和监测现时地壳运动及其过程，需要依靠空间大地测量技术。全球定位系统（GPS）是利用24颗绕地球卫星实时精确测定地面点位的观测系统，以地面GPS固定点之间随时间的变化，可以测定局部地区乃至全球地壳的相对运动。GPS等高新技术的发展和国际地球参考架ITRF的完善，使大地测量学具备了空前强大的能力，并成为一门提供地球时空信息的学科。

1988年，由中国地震局地震研究所赖锡安领导的工作组与德国合作，在滇西大理地区开展了我国首次局域性GPS测量。1998年由中国地震局牵头，总参测绘局、中科院和国家测绘局参加的“中国地壳运动观测网络”开始实施，是中国“九五”期间国家重大科学工程之一，网络共布设25个24小时连续观测的基准站和56个每年观测一次的基本站。

中国地壳运动观测网络以GPS为主要观测手段，实现对中国大陆主要块体运动的大范围、高精度的实时检测，其设计目的是以检测地壳运动、预测预报地震为主，同时服务于经济建设、国防和其他科学研究。

GPS大地测量利用卫星播发的微波，测得载波相位观测值，再转化为卫星到接收机的距离，由此建立GPS数据处理最基本的观测方程，再从中求得观测站坐标、接收机与卫星钟差、卫星轨道参数、地球空间定向参数、介质延迟参数等。最后将所有同步测区所有时段的处理结果作为准观测值，通过综合处理获得地壳运动的基本信息，如观测点坐标、位移或位移速率等。研究表明，用GPS进行空间大地测量研究全球板块运动是比较成功的。

（2）中国大陆地壳运动速度场及构造变形特征　中国位于欧亚板块东南端，被印度板块、菲律宾板块、太平洋板块、西伯利亚板块和蒙古板块包围，并受到印度板块的碰撞和菲律宾板块的俯冲，是全球板块及板块内部运动强烈的地区。GPS观测结果提供的高精度、大范围和准实时地壳运动数据，使得在短时间内获得中国大陆现代地壳运动的速度场成为可能，并能用于检验现有的大陆构造变形模式。利用中国大陆及周边地区多年来的GPS观测资料，在连续介质假设的基础上，采用双三次样条函数和高斯型经验协方差函数等模拟方法，给出中国大陆的水平运动速度场。

水平运动速度场图直观显示中国大陆内部不同构造单元和板块深部构造力共同作用的变形响应，并具有如下分布特征。

①青藏高原的速度场主要是受印度洋板块挤压的结果，但其东端与西端速度场图像明显不同，可能与印度半岛本身分成的北东向的断条，从东西侧分别推挤插入的不同方式有关。青藏高原东部受印度板块向NNE方向的推力，但由于受东部和东北部边界的阻挡与约束，使北向的动力转向北东、进而偏向ES，形成顺时针旋转态势，运动速率也逐渐衰减。

②天山山带乌鲁木齐以西、南天山位移速率比北天山和中天山的位移速率大，但方向相同。天山东段和阿拉善地区位移速率大都小于10mm，但都指向E或NEE。鄂尔多斯位移速率增强，表明鄂尔多斯与阿拉善之间存在着拉张运动。

③鄂尔多斯与华北地区速度场总体指向东，直至朝鲜半岛，其速率都在10mm以内；但在太行山带和华北平原内部速率明显变小，即由西到东呈现高-低-高速率变化规律。华南区速度场总体指向SEE向，但速率成带现象明显，由西向东，呈现高-低-高速率变化。在中国东部即华南、华北地区位移矢量总体上表现为高-低-高速率变化规律。

中国大陆地壳水平运动主要受印度板块对欧亚板块的推挤作用控制，水平运动存在明显的非均匀性。中国大陆以太行山-武夷山带为中间转变地带，可分为东、西两大区。中国大陆地壳运动的空间差异西部明显大于东部，西部地区（青藏高原、天山和天山两侧盆地）主要受由南向北的推挤作用，总体上表现为SN～NE向压性运动和EW～NW向张性运动，构造形变由NNW向逐渐转向NNE向。而东部地区（华北、华南和东北地区）主要受由西而东的推挤和地幔流动的底拖拉伸作用，由北到南表现出北东向转到近东西向，再到东南向的特点，并且向东的运动分量较大。

（3）矿区及邻区地应力场推断　1995年和1996年两期GPS观测资料的计算结果表明，华北地区现阶段地壳运动是以鄂尔多斯块体、晋冀鲁块体、胶辽块体及阴山-燕山块体4块体相对运动为特征。鄂尔多斯地块总体上内部构造活动性比较微弱，地块内部不发育大规模的活动断层。而鄂尔多斯块体与晋冀鲁块体之间差异较大，活动强烈。霍州矿区大体上位于山西断陷带的中部，西侧紧邻鄂尔多斯地块，块体内部NE向及NNW向断裂错动比较复杂。

GPS观测结果表明，山西断陷带内各点运动较为复杂，地壳运动的结果最终使山西断陷带获得了（4±2）mm/a左右的位移张量，具有E向～ES向运动（图2-17）趋势。研究区域正处于南北地震带以东位置，总体上位移和应变不如其他区域明显，但仍具有NNE向～NNW向的引张应变和NW向～近EW向的主压应变趋势。

综合上述中国大陆与霍州矿区及邻区的地壳形变资料，可以得出研究区域西边界有向SE方向的运动趋势，北边界总体上表现为向SEE方向运动，而东、南边界则有由SE方向偏向EW方向的趋势，这反映了霍州矿区受NW向～EW向挤压的应力状态。