現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)理論及在水工環(huán)地質(zhì)領(lǐng)域中的應(yīng)用

姜春利

摘 要：為搞好我省的水工環(huán)地質(zhì)工作，文章綜合了形變測(cè)量、水系變遷、絕對(duì)應(yīng)力測(cè)量、地震和光彈實(shí)驗(yàn)等方面的資料，得出全省范圍內(nèi)的現(xiàn)今地殼介質(zhì)處在一致性較好的統(tǒng)一構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)之中，現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)最大壓應(yīng)力主軸方位為NEE—SWW向，剪切應(yīng)力的作用方向?yàn)镹NE向和NWW向。應(yīng)用現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)理論，研究了我省地?zé)豳Y源的的勘探開發(fā)、區(qū)域地殼穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、地質(zhì)環(huán)境演變等地質(zhì)問題，取得了較好的成果，對(duì)進(jìn)一步搞好水工環(huán)領(lǐng)域的地質(zhì)工作具有較好的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)；主壓應(yīng)力；活動(dòng)構(gòu)造體系；地質(zhì)環(huán)境

在水工環(huán)地質(zhì)領(lǐng)域中，地?zé)豳Y源的的勘探開發(fā)、區(qū)域地殼穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、地質(zhì)環(huán)境演變等地質(zhì)問題與現(xiàn)今地殼運(yùn)動(dòng)關(guān)系密切，現(xiàn)今地殼運(yùn)動(dòng)方式受現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的控制 。我省的現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)特征如何？搞清這個(gè)問題對(duì)搞好我省的地?zé)豳Y源的的勘探開發(fā)、區(qū)域地殼穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、地質(zhì)環(huán)境演變等水工環(huán)領(lǐng)域的地質(zhì)工作都是至關(guān)重要的。本文將對(duì)這些問題進(jìn)行闡述，歡迎同行進(jìn)行批評(píng)指正。

一、遼寧省現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)特征分析

現(xiàn)在構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)是地殼構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)最新的表現(xiàn)，是新生代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的進(jìn)一步演化和延續(xù)。從絕對(duì)應(yīng)力測(cè)量、形變、地震等資料分析可以了解遼寧省現(xiàn)在構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的基本特點(diǎn)。

形變測(cè)量資料說明，大的形變異常多呈北東向展布。海城地震后，用微波測(cè)距儀復(fù)測(cè)了9條Ⅰ等三角邊，用激光測(cè)距儀復(fù)測(cè)了2條Ⅰ等三角邊和2條Ⅱ等三角邊，其中邊長最大的三角邊縮短380mm，相對(duì)變化為1.6×10-6，應(yīng)變主軸方位表明震中區(qū)有N74°E方向的擠壓。

區(qū)域上一些水系在北東方向上拉伸延長，在近東西向收斂，這從另一個(gè)側(cè)面反映了區(qū)域近東西向的擠壓。

絕對(duì)應(yīng)力測(cè)量資料表明，區(qū)域內(nèi)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的最大主應(yīng)力方向?yàn)镹WW向和NEE向。地震資料所反映的應(yīng)力場(chǎng)特征，可以從三個(gè)方面來討論。震中區(qū)構(gòu)造地裂縫的展布、形變和運(yùn)動(dòng)方式直接反映了震源區(qū)的應(yīng)力場(chǎng)特點(diǎn)。1975年海城7.3級(jí)地震在震中區(qū)造成了走向N65°～70°W的地震裂縫帶，最大水平錯(cuò)距0.55m，為左旋扭動(dòng)，由此推斷的最大主壓應(yīng)力軸方位為N65°E。

據(jù)研究區(qū)內(nèi)6級(jí)以上地震等震線長軸方向統(tǒng)計(jì)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)等震線長軸有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)方向，一個(gè)為NNE向，另一個(gè)為NWW向，這雨地震裂縫帶所反映的應(yīng)力作用方向大體吻合。

遼寧省內(nèi)4.5級(jí)以上地震的震源機(jī)制解有較好的一致性，其結(jié)果表明，斷層錯(cuò)動(dòng)基本是走滑型，截面走向?yàn)镹NE向和NWW向，壓應(yīng)力方向?yàn)镹EE向（表1）。

小地震綜合震源機(jī)制節(jié)面解所得的結(jié)果可以反映較大范圍的應(yīng)力場(chǎng)狀況。根據(jù)省內(nèi)200多個(gè)小震資料的統(tǒng)計(jì)（表2），兩個(gè)節(jié)面的方位集中于9°～35°和278°～308°的范圍，主壓應(yīng)力軸的集中方位分別是45°～84°和238°～246°，主張應(yīng)力軸方位為144°～172°和333°～351°。以上結(jié)果說明，主壓應(yīng)力方位為NE—NEE向，與強(qiáng)震資料所得結(jié)果完全一致。

光彈試驗(yàn)的結(jié)果說明，當(dāng)以N60°E方向壓縮時(shí)，各點(diǎn)的壓應(yīng)力軸走向與實(shí)驗(yàn)值的差值最小，由此表明，省內(nèi)現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用方向接近N60°E的方向。

綜合形變測(cè)量、水系變遷、絕對(duì)應(yīng)力測(cè)量、地震和光彈實(shí)驗(yàn)等方面的資料可以看出，盡管研究現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的方法各種各樣，但所得到的結(jié)論基本一致，即全省范圍內(nèi)的現(xiàn)今地殼介質(zhì)處在一致性較好的統(tǒng)一構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)之中，最大壓應(yīng)力主軸方位為NEE—SWW向，剪切應(yīng)力的作用方向?yàn)镹NE向和NWW向。遼寧省現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)及現(xiàn)今活動(dòng)構(gòu)造體系特征可用圖1 來表示。在這種主壓應(yīng)力作用下，易形成NEE—SWW的張裂構(gòu)造，而與其共生兩組扭裂構(gòu)造，分別為NNE—SSW的順時(shí)針（右旋）張扭性剪切面和NWW—SEE向逆時(shí)針（左旋）扭壓性剪切面。

二、現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)在水工環(huán)地質(zhì)領(lǐng)域中的應(yīng)用

（一）地?zé)豳Y源的的勘探開發(fā)

地?zé)豳Y源是深部熱源向上傳導(dǎo)的結(jié)果。就遼寧而言，其地下熱源均是幔源熱，地下深部的幔源熱，沿深大的現(xiàn)今正在活動(dòng)的張性斷裂或張扭性斷裂上涌，向上傳導(dǎo)的地溫梯度很大，形成熱異?；驕厝＿|寧省現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)場(chǎng)的特征是在NEE-SWW向主壓應(yīng)力的作用下，所形成的張性構(gòu)造是NEE向的，張扭性構(gòu)造NNE向的，故我省主要中高溫溫泉熱異常方向大都是NEE向和NNE向的。例如興城溫泉和千山溫泉等，其原因就在于此。今后在遼寧省中、新代盆地地?zé)衢_發(fā)中一定要先從尋找NEE向張性活動(dòng)構(gòu)造和NNE向張扭性活動(dòng)構(gòu)造入手，即先解決熱源條件，這樣成功的可能較大。

（二）區(qū)域地殼穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

要想科學(xué)地評(píng)價(jià)區(qū)域地殼穩(wěn)定性，就必須掌握現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)和（現(xiàn)今）活動(dòng)構(gòu)造體系的特征，在現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)所控的斷裂構(gòu)造帶是活動(dòng)構(gòu)造帶，也是區(qū)域地殼不穩(wěn)定地帶，往往成線狀或條帶狀等距分布，由不同方向的活動(dòng)構(gòu)造帶所圍限的中間地塊往往呈整體升降運(yùn)動(dòng)，是地殼相對(duì)穩(wěn)定地段，即所謂的“安全島”。評(píng)價(jià)區(qū)域地殼穩(wěn)定性，還必須掌握活動(dòng)構(gòu)造的性質(zhì)、方向、活動(dòng)幅度及地應(yīng)力聚集程度，歷史地震及遷移方向等背景資料。下面給出一個(gè)應(yīng)用現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)研究區(qū)域地殼穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的具體實(shí)例：華北地臺(tái)區(qū)強(qiáng)震（MS>6.0級(jí)）震中遷移規(guī)律研究。

根據(jù)研究包括我省在內(nèi)的華北地臺(tái)區(qū)的現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)是相同的。根據(jù)區(qū)域地震資料分析，包括我省在內(nèi)的華北地臺(tái)區(qū)區(qū)域地震活動(dòng)受現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)控制極其明顯。從中國東部部分地區(qū)地震震中分布圖上可以看出，地震多沿NNE和NWW向呈等距的條帶狀分布，據(jù)此將華北地臺(tái)區(qū)劃分為如下幾個(gè)地震帶（見圖2）：

丹東-煙臺(tái)NNE向 地震帶（Ⅰ—Ⅰ）

郯廬NNE向地震帶（Ⅱ—Ⅱ）

阜新-唐山-邢臺(tái)NNE向地震帶（Ⅲ—Ⅲ）

通遼-北京-太原NNE向地震帶（Ⅳ—Ⅳ）

臨沂-邢臺(tái)-太原NWW向地震帶（一-一）

渤?！獜埣铱贜WW向地震帶（二-二）

丹東—海城—錦州NWW向地震帶（三-三）

開原-通遼NWW向地震帶 （四-四）

從構(gòu)造體系的角度分析，NNE向地震帶實(shí)際是在現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)NEE向主壓應(yīng)力作用下必然出現(xiàn)NNE向張扭性右旋剪切滑動(dòng)形成活動(dòng)構(gòu)造帶，同理NWW向地震帶實(shí)際上是與之共生互存的NWW向扭壓性左旋剪切滑動(dòng)形成活動(dòng)構(gòu)造帶。包括華北地區(qū)在內(nèi)不論是小震，還是1975年海城7.3級(jí)和唐山7.8級(jí)大地震的震源機(jī)制及震后地面裂縫運(yùn)動(dòng)機(jī)制觀察，均一致性得出上述結(jié)論，這也為我們分析預(yù)報(bào)地震提供了理論依據(jù)。

再來討論華北地臺(tái)區(qū)MS≥6.0級(jí)的強(qiáng)震震中近幾十年來的遷移規(guī)律。從圖2中可以看出沿阜新—唐山 —邢臺(tái)NNE向地震帶，1966年3月22日邢臺(tái)發(fā)生7.2 級(jí)地震，沿?cái)嗔严騈NE方向1967年3月27日河北河間縣發(fā)生6.3級(jí)地震，1976年7月28日唐山發(fā)生7.8級(jí)地震，1977年5月7日發(fā)生盧龍北6級(jí)地震。郯廬NNE向地震帶1969年7月18日渤海發(fā)生7.4級(jí)地震，向NNE方向于1975年2月4日發(fā)生7.3級(jí)地震。渤?！獜埣铱贜WW向地震帶，1969年7月18日渤海發(fā)生7.4 級(jí)地震，向NWW方向1976年7月28日發(fā)生7.8 級(jí)唐山地震，1998年1月10日發(fā)生張北尚義6.2級(jí)地震。丹東—海城—錦州NWW向地震帶，1944年發(fā)生了丹東6.75級(jí)地震，向NWW方向1975年2月4日發(fā)生海城7.3級(jí)地震，且余震主要集中在西北頭，1978年5月18日又在其NWW向發(fā)震斷裂前進(jìn)方向（NWW向）上的局部殘余閉鎖區(qū)段，發(fā)生了余震序列中震級(jí)最高的6.0級(jí)晚期強(qiáng)余震。由此可以得出NNE向地震帶MS≥6.0級(jí)強(qiáng)震存在沿?cái)嗔褟腟SW向NNE遷移的規(guī)律，這與NNE向活動(dòng)斷裂帶在現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用下必然發(fā)生右旋滑動(dòng)是一致的。NWW地震帶MS≥6.0級(jí)強(qiáng)震有從SEE向NWW遷移規(guī)律，這與NWW向活動(dòng)斷裂在現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用下必然發(fā)生 左旋剪切滑動(dòng)是一致的，MS≥6.0級(jí)強(qiáng)震均發(fā)生在NNE向地震帶和NWW地震帶交匯處。按這一規(guī)律推斷，那么華北地臺(tái)區(qū)下一個(gè)強(qiáng)震活躍周期來臨時(shí)，阜新—唐山—邢臺(tái)NNE向地震帶強(qiáng)震震中將向NNE方向遷移至遼西地區(qū)，而丹東—海城—錦州NWW向地震帶向NWW方向遷移至遼西錦州地區(qū)，NNE的右旋剪切與NWW左旋剪切二者在遼西相交匯地區(qū)互相作用而造成應(yīng)力集中，因此遼西地區(qū)完全有發(fā)生6級(jí)或6級(jí)以上地震的可能。另從海城與唐山地震后區(qū)域地下水異常分布圖中可知，唐山地震前后，遼西地區(qū)均出現(xiàn)大面積異常，說明遼西地區(qū)與同處于一個(gè)活動(dòng)構(gòu)造帶上，在下一個(gè)強(qiáng)震活躍周期來臨時(shí)，強(qiáng)震向遼西遷移的可能性很大。

從公元419～1988年遼西共發(fā)生MS﹥4.5級(jí)地震8次，從發(fā)生時(shí)間規(guī)律看，419年朝陽5.5級(jí)地震，與1318年阜新4.7級(jí)地震隔899年，到1698年義縣5級(jí)地震間隔370年，再到1966年義縣城4.6級(jí)地震，又隔了260年，1977年又發(fā)生阜新MS﹥4.5級(jí)地震，1988年彰武發(fā)生了4.8級(jí)地震。遼西又進(jìn)入一個(gè)新的地震活動(dòng)大周期，發(fā)生大震的可能性還是存在的。另外從國家地震局分析預(yù)報(bào)中心用計(jì)算機(jī)儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)電繪了中國東部1970年—1979年MS ≥2.0級(jí)地震震中的平面分布圖可以看出，在阜新—唐山—邢臺(tái)NNE向地震帶和丹東—海城—錦州NWW向地震帶交匯處已形成團(tuán)塊狀小震群，具備蘊(yùn)震條件 。因此遼西地區(qū)也是區(qū)域地殼穩(wěn)定性不穩(wěn)定區(qū)，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)不穩(wěn)定地塊的研究。

（三）地質(zhì)環(huán)境演變的研究

根據(jù)目前的研究成果，全球或區(qū)域上的氣候冷熱、降水的多少（干濕）、生物群落的變化、海平面的變遷、地殼的形變等環(huán)境因子的演變具有相關(guān)性，并且具有不同時(shí)間尺度的周期性。我們可用第四紀(jì)地質(zhì)學(xué)的方法來研究一個(gè)地區(qū)的第四紀(jì)以來的地質(zhì)環(huán)境的歷史和現(xiàn)狀，但要預(yù)測(cè)未來的地質(zhì)環(huán)境的演變，還必須劃分出地質(zhì)環(huán)境演變的不同時(shí)間尺度的周期及幅度，以及相應(yīng)的動(dòng)力機(jī)制，這樣的預(yù)測(cè)結(jié)果才有科學(xué)依據(jù)。

地質(zhì)環(huán)境演變的研究涉及到現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)形成機(jī)理，根據(jù)目前的研究成果，當(dāng)?shù)厍蜃赞D(zhuǎn)角速度變快時(shí)即ω增大，地球扁率f增大，即地殼產(chǎn)生從兩極指向赤道形變，伴隨這種形變必然產(chǎn)生從兩極指向赤道作用力；相應(yīng)的海陸運(yùn)動(dòng)方式表現(xiàn)為赤道地勢(shì)升高兩極地勢(shì)降低，故赤道（低緯度地區(qū)）發(fā)生海退，兩極（高緯度地區(qū)）發(fā)生海侵；當(dāng)?shù)厍蜃赞D(zhuǎn)速度變慢時(shí)即ω減小，地球扁率f減小，即地殼產(chǎn)生從赤道指向兩極形變，伴隨這種變形必然產(chǎn)生從赤道指向兩極作用力，相應(yīng)的海陸運(yùn)動(dòng)方式表現(xiàn)為赤道地勢(shì)降低兩極地勢(shì)升高，故赤道（低緯度地區(qū)）發(fā)生海侵，兩極（高緯度地區(qū)）發(fā)生海退。從晚第三紀(jì)至今，地球再次向近銀點(diǎn)奔去，而自轉(zhuǎn)速度再次減慢，地殼運(yùn)動(dòng)方式再次發(fā)生根本改變。在從赤道指向極方向地應(yīng)力作用下，印度板塊向北擠壓，與歐亞大陸碰撞，使特提斯洋閉合，形成了青藏高原；我國中東部也由中生代向南扭動(dòng)也轉(zhuǎn)變?yōu)橄虮迸?dòng)，郯廬大斷裂也呈右旋扭動(dòng)，形成了如圖1所示的包括我省在內(nèi)的華北地臺(tái)區(qū)的現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，同時(shí)由于地球扁率減小，促使兩極（高緯度）地區(qū)地勢(shì)升高，促使赤道（低緯度）地區(qū)地勢(shì)降低，即赤道（低緯度地區(qū)）發(fā)生海侵，兩極（高緯度地區(qū)）發(fā)生海退。

雖然從長尺度（幾百萬年-幾千萬年）看，地球自轉(zhuǎn)速度是減慢的，但從中（幾千年-幾萬年）、短（幾千年-幾十年）尺度看，地球自轉(zhuǎn)速度仍有時(shí)快時(shí)慢的變化，影響全球環(huán)境演變化，其規(guī)律是：當(dāng)?shù)厍蜃赞D(zhuǎn)速度加快時(shí)，赤道地勢(shì)升高兩極地勢(shì)降低，故赤道（低緯度地區(qū)）發(fā)生海退，兩極（高緯度地區(qū)）發(fā)生海侵；華北地區(qū)形成外力偶左旋型性構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)（中生代時(shí)的新華夏系）；全球氣溫升高；溫暖的闊葉林型植被界線北移。當(dāng)?shù)厍蜃赞D(zhuǎn)速度減慢時(shí)，赤道地勢(shì)降低兩極地勢(shì)升高，故赤道（低緯度地區(qū)）發(fā)生海侵，兩極（高緯度地區(qū)）發(fā)生海退；華北地區(qū)形成外力偶右旋型性構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)（現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)型）；全球氣溫降低；干旱半干旱的草原荒漠型植被界線南移。

上述中（幾千年-幾萬年）、短（幾千年-幾十年）尺度全球環(huán)境演變規(guī)律較好地解釋了下遼河平原海岸歷史變遷。最近2500年的氣候變化在遼東灣海岸線的歷史變遷中有明顯的對(duì)應(yīng)反映：在2100～1650a B.P的漢晉低溫時(shí)期，海岸線基本無變化（可能與現(xiàn)代大體一致），從公元550a B.P年到950a B.P年，是我國歷史上的第三個(gè)溫暖期，遼東灣海岸線大幅度北進(jìn)，海進(jìn)25公里，最大浸入地區(qū)與下遼河中的東西凹陷帶位置一致（北界在杜家臺(tái)—盤山—沙嶺—牛莊一帶，見圖3）。到700a B.P的元朝時(shí)期繼續(xù)保持這樣，隨后的明清低溫時(shí)期海水逐漸后退，南移至現(xiàn)今海岸。

三、結(jié)語

綜上所述，遼寧省現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)形是在長尺的地球自轉(zhuǎn)速度減慢情況下形成的外力偶呈右旋引起主壓應(yīng)力為NEE-SWW向，在這種主壓應(yīng)力作用下，易形成NEE—SWW的張裂構(gòu)造，而與其共生兩組扭裂構(gòu)造，分別為NNE—SSW的順時(shí)針（右旋）張扭性剪切面和NWW—SEE向逆時(shí)針（左旋）扭壓性剪切面。故我省主要中高溫溫泉熱異常方向大都是NEE向和NNE向的。在現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的主壓應(yīng)力為NEE—SWW向擠壓力作用下，形成的NNE—SSW的右旋張扭性結(jié)構(gòu)面和NWW—SEE向左旋扭壓性結(jié)構(gòu)面是現(xiàn)今地震活動(dòng)帶，地震沿NNE—SSW的右旋張扭性結(jié)構(gòu)面從SSW向NNE遷移，沿NWW—SEE向左旋扭壓性結(jié)構(gòu)面從向SEE向NWW遷移，并在二者交匯區(qū)域形成強(qiáng)震震中。地球自轉(zhuǎn)速度減慢情況下，由于地球扁率減小，促使兩極（高緯度）地區(qū)地勢(shì)升高，促使赤道（低緯度）地區(qū)地勢(shì)降低，即赤道（低緯度地區(qū)）發(fā)生海侵，兩極（高緯度地區(qū)）發(fā)生海退。故明清低溫時(shí)期渤海灣海水逐漸后退，南移至現(xiàn)今海岸。今后應(yīng)加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)理論的研究工作，以便更好地指導(dǎo)我省水工環(huán)地質(zhì)工作。

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