東南沿海黃沙洞地?zé)崽锏貞?yīng)力與控?zé)針?gòu)造研究

范艷霞， 李海龍*， 張軍龍， 王強(qiáng)茂， 任天翔，張敏， 黃少鵬， 秦向輝

1 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院深部探測(cè)中心， 北京 100037 2 中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所， 北京 100036 3 廣東省有色金屬地質(zhì)局九三五隊(duì)， 廣東惠州 516001 4 深圳大學(xué)深地科學(xué)與綠色能源研究院， 廣東深圳 518060 5 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所， 北京 100081

0 引言

東南沿海地?zé)豳Y源豐富、地表熱流值普遍較高，其地溫梯度明顯高于華南地區(qū)平均水平：藺文靜等(2016)據(jù)胡圣標(biāo)等學(xué)者2001年已發(fā)表數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)中國(guó)大陸東南地區(qū)大地?zé)崃髦灯骄鶠?0±19 mW·m-2，遠(yuǎn)高于我國(guó)南方平均水平(64.2 mW·m-2).謝和平等(2019)統(tǒng)計(jì)大灣區(qū)北緣熱流較低，熱流值在63.5～70 mW·m-2之間，而南部包括惠州在內(nèi)的高熱流區(qū)其值大于80 mW·m-2.

該區(qū)受古太平洋—太平洋板塊俯沖、印度—?dú)W亞板塊碰撞的遠(yuǎn)程效應(yīng)和臺(tái)灣—菲律賓弧陸碰撞的影響，經(jīng)歷了不同時(shí)期、不同構(gòu)造動(dòng)力體制和不同性質(zhì)應(yīng)力場(chǎng)的復(fù)雜轉(zhuǎn)換過(guò)程(李三忠等，2011，2013，2018；張?jiān)罉虻龋?012；Li et al.，2014；王新毓等，2020；王椿鏞等，1998).區(qū)域性斷裂帶反復(fù)活動(dòng)、斷層系統(tǒng)性質(zhì)轉(zhuǎn)換和巖漿多期次侵入和噴發(fā)的背景可能是中低溫地?zé)豳Y源形成與賦存的主要原因(藺文靜等，2016；張健等，2018；汪嘯，2018).其中，廣東省出露區(qū)域溫泉數(shù)量眾多，共出露320多眼，前人計(jì)算可開(kāi)采量高達(dá)約23.8×104m3/d(袁建飛，2013).廣東也是地?zé)豳Y源利用較早的區(qū)域，1970年廣東豐順地?zé)釋?shí)驗(yàn)電站的建成投產(chǎn)掀開(kāi)了我國(guó)地?zé)岚l(fā)電的新篇章，使中國(guó)成為世界上第8個(gè)掌握地?zé)岚l(fā)電技術(shù)的國(guó)家，但此后規(guī)?；?zé)岚l(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展極為緩慢(Huang，2012)，其最本質(zhì)的原因是對(duì)本區(qū)域地?zé)岱植家?guī)律掌握不清楚以及對(duì)中高溫地?zé)崽锏目臻g分布特征和控?zé)針?gòu)造的研究不足，進(jìn)而無(wú)法有效評(píng)估資源量.2016—2018年，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局實(shí)施了“全國(guó)地?zé)豳Y源調(diào)查評(píng)價(jià)與勘查示范”工程，在廣東省惠州市黃沙洞地?zé)崽锿瓿闪松疃葹?009.17 m的“惠熱1井”鉆探.該井于2900 m處溫度127.7 ℃，放噴試驗(yàn)井口井壁溫度118 ℃，最大流量137 m3/h，最大允許開(kāi)采量268 m3/h，是目前廣東省內(nèi)發(fā)現(xiàn)的溫度最高、水量最大的地?zé)峋?本文選取該地?zé)崽餅檠芯繉?duì)象，基于野外地質(zhì)調(diào)查、遙感解譯、水文地質(zhì)鉆探和地應(yīng)力測(cè)量等手段的研究，解析了該地?zé)崽锏目責(zé)針?gòu)造特征，討論了廣東省地?zé)崽锏姆植寂c應(yīng)力狀態(tài)的關(guān)系.該研究對(duì)廣東省地?zé)岱植家?guī)律和形成機(jī)理認(rèn)識(shí)以及對(duì)地?zé)豳Y源的開(kāi)發(fā)具一定參考價(jià)值.

1 地質(zhì)背景及研究現(xiàn)狀

研究區(qū)位于華南板塊東部邊緣，其東為太平洋板塊，其南受到新特提斯構(gòu)造域的影響，自新元古代到中生代經(jīng)歷了多次的板塊拼貼、裂解和多期次的構(gòu)造演化(舒良樹(shù)，2012；Lin et al.，2018a，b).晚中生代受古太平洋俯沖影響，華南地區(qū)發(fā)生廣泛的造山作用(張?jiān)罉虻龋?012；李三忠等，2018)，在東南沿海地區(qū)形成了一系列醒目的北東向斷裂帶(閆義等，2005；林長(zhǎng)松等，2006；王霄飛等，2014)，其穩(wěn)定延伸幾百公里，規(guī)模較大可切割至巖石圈.在本研究區(qū)出露有晚中生代強(qiáng)烈活動(dòng)的河源斷裂帶、紫金—博羅斷裂帶、蓮花山斷裂帶、長(zhǎng)樂(lè)—南澳斷裂帶和濱海斷裂帶等(Li et al.，2014).中生代從古亞洲洋向古太平洋俯沖機(jī)制轉(zhuǎn)換引起的東西向構(gòu)造域向北西向構(gòu)造域轉(zhuǎn)換(李三忠等，2013，2017)；晚侏羅世以來(lái)古太平洋板塊的后撤，區(qū)域從早期的擠壓構(gòu)造轉(zhuǎn)換為伸展構(gòu)造體系(Li et al.，2012，2014)；隨后又從安第斯型大陸構(gòu)造邊緣過(guò)渡為西太平洋型被動(dòng)大陸邊緣(Suo et al.，2019)；晚白堊世以來(lái)地表伸展構(gòu)造發(fā)育(Suo et al.，2019)使得深部巖石圈結(jié)構(gòu)顯著減薄(王敏玲等，2015)，引發(fā)了大量巖漿活動(dòng)(Li et al.，2014；Li and Li，2007；Zhou et al.，2006)和東部海岸山帶的坍塌(陳丕基，1997；Li and Zhou，2017)，在區(qū)域上形成了一些晚中生代以來(lái)的盆地，如南雄盆地、河源盆地、官草湖盆地等(鄧勇等，2007).盆地內(nèi)部見(jiàn)有堿性玄武巖(100～70 Ma)侵位(舒良樹(shù)等，2004；Shu et al.，2009)，部分盆地還見(jiàn)有流紋質(zhì)、凝灰?guī)r沉積(鄧勇等，2007；張維和方念喬，2014).

中-新生代以來(lái)強(qiáng)烈的構(gòu)造活動(dòng)和深部巖漿活動(dòng)為包括大灣區(qū)在內(nèi)的廣東省提供了有利的地?zé)豳Y源富集條件(張珂等，2002；袁玉松等，2006；曹新文等，2018；Tannock et al.，2019).在廣東省的廣州—惠州—豐順一線的區(qū)域上均有地?zé)崽锇l(fā)育，宏觀上顯示NE走向，與區(qū)域大型斷裂帶的展布一致，顯示了二者的空間相關(guān)性.王強(qiáng)茂(2021)基于河源盆地新生代以來(lái)的構(gòu)造-熱演化歷史，通過(guò)沉積學(xué)和同位素年代學(xué)的研究，識(shí)別出南海洋盆的打開(kāi)在北部陸源區(qū)與華南東南隅的直接影響，研究表明南海盆地的拉張?jiān)斐傻纳畈课镔|(zhì)上涌發(fā)生在本研究區(qū)或其鄰區(qū)，是熱源重要背景.

黃沙洞地?zé)崽镂挥贜E走向的紫金—博羅斷裂帶的南側(cè)(圖1)，目前已經(jīng)取得了一些研究成果.藺文靜等(2016)基于水文地球化學(xué)，給出了黃沙洞地?zé)崽锏幕缀蜕w層情況以及熱異常原因.閆曉雪等(2019)對(duì)廣東省惠州市至從化市典型中低溫對(duì)流型熱水和冷水的水化學(xué)特征和同位素?cái)?shù)據(jù)展開(kāi)分析，分析了熱水的補(bǔ)給來(lái)源及其經(jīng)歷的深部地?zé)徇^(guò)程.張根袁等(2020)通過(guò)深部重磁電震等地球物理資料的研究揭示了熱物質(zhì)上涌的通道和來(lái)源.但是目前的研究依然是概念性的控制控?zé)?，缺少?gòu)造-地?zé)彡P(guān)系的深入剖析.地應(yīng)力的研究對(duì)地?zé)豳Y源分布規(guī)律的勘探意義重大.一方面地應(yīng)力狀態(tài)控制了地?zé)醿?chǔ)層滲透性斷裂網(wǎng)絡(luò)的形成，對(duì)應(yīng)力狀態(tài)的調(diào)查對(duì)地?zé)徙@井選址意義重大(Lowry et al.，2017；Siler et al.，2019；Ito et al.，2022).地?zé)釁^(qū)的應(yīng)力場(chǎng)方向是輔助建模以及更好地解決未來(lái)地?zé)衢_(kāi)發(fā)問(wèn)題的關(guān)鍵參數(shù)(Romagnoli et al.，2010；Ebigbo et al.，2016；Ratouis et al.，2016；Carlino et al.，2016；Ansari et al.，2017；Salimzadeh et al.，2018).另一方面在構(gòu)造活動(dòng)區(qū)，研究地應(yīng)力的性質(zhì)特點(diǎn)結(jié)合構(gòu)造地質(zhì)野外調(diào)查，是獲取研究區(qū)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)特征的有效手段.而目前獲取應(yīng)力場(chǎng)信息的方法主要是基于鉆孔探測(cè)和震源機(jī)制(Yin and Ranalli，1993；Yin，1996；Liotta and Andrea，2020).本文在前人區(qū)域地質(zhì)和區(qū)域水文地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，完成了820.53 m的水文地質(zhì)鉆探工作，基于實(shí)施的黃沙洞鉆探工作(HSD-ZK001)，在121 m以下開(kāi)展了水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試，本文成功獲得了5個(gè)測(cè)段的水壓致裂原地應(yīng)力測(cè)試資料和2個(gè)測(cè)段的印模定向資料.鉆進(jìn)期間每進(jìn)尺100 m進(jìn)行一次測(cè)溫工作，共進(jìn)行了9次測(cè)溫，在孔底820 m處，測(cè)量溫度最高為90 ℃，地溫梯度為8.83 ℃/hm.極高的地溫梯度暗示了深部地?zé)崮艿某渥阋约案蔁釒r的可能存在.同時(shí)，聯(lián)合包括黃沙洞地?zé)崽锟責(zé)釘鄬拥倪b感解譯等多種方法解析了該地?zé)崽锏目責(zé)?控水構(gòu)造特征，討論了廣東省地?zé)崽锏姆植寂c應(yīng)力狀態(tài)的關(guān)系，這些工作為理解黃沙洞地?zé)崽锏目責(zé)針?gòu)造和控水構(gòu)造提供了新的思路，對(duì)廣東省地?zé)岱植家?guī)律和形成機(jī)理的認(rèn)識(shí)具有重要的意義.

圖1 區(qū)域地質(zhì)簡(jiǎn)圖(a)及大地構(gòu)造背景(b).其中，(a)改自Wang等(2022)，圖(b)改自廣東省地質(zhì)礦產(chǎn)局(1988)Fig.1 Regional geological map (a) modified after Wang et al.(2022) and regional tectonic map (b) modified after Bureau of Geology and Mineral Resources of Guangdong Province (1988)

2 潼湖—黃沙洞斷裂與黃沙洞地?zé)崽?/h2>

潼湖—黃沙洞斷裂是紫金—博羅斷裂帶的南側(cè)分支斷裂(圖1).該斷裂帶呈北東向延伸， 空間上可分為兩段，西段為潼湖斷裂，發(fā)育在潼湖盆地的北側(cè)，東段為黃沙洞斷裂，發(fā)育在黃沙洞地?zé)崽锏哪蟼?cè)(黃沙洞地?zé)崽锏奈恢靡?jiàn)圖1，圖2星標(biāo)位置)，兩條分支斷裂呈斜列狀展布(圖1，圖2).遙感影像解譯圖顯示該斷裂控制了潼湖盆地的北側(cè)邊界，造成了東江水系局部拐彎.

2.1 潼湖斷裂

潼湖斷裂是潼湖盆地的北側(cè)控盆斷裂(圖2a，2b)，該斷裂走向 NE，傾向SE，傾角45°～70°，斷裂帶寬度小于400 m，在遙感圖像上呈現(xiàn)出明顯的線性分布特征，根據(jù)遙感解譯圖像將潼湖斷裂錯(cuò)斷的山體及河流進(jìn)行復(fù)原，可見(jiàn)其明顯的右旋走滑特征(圖3a，圖3b).潼湖斷裂以北(即斷層下盤(pán))為時(shí)代較老的橋源組地層(Jqy).區(qū)域資料顯示斷裂以南(即斷層上盤(pán))為時(shí)代較新的漳平組(Jzh)，顯示正斷分量.前人的研究顯示濕地底部存在的殘積土層可與深圳地區(qū)對(duì)比，按照潮濕地帶巖石及花崗巖風(fēng)化殼脫硅速率，其形成時(shí)代大概在0.25～0.6 Ma(魏柏林等，2002)；濕地第四系沉積物底部基底的紅壤化風(fēng)化殼，呈透鏡狀產(chǎn)出，上覆的含碎石粉質(zhì)粘土根據(jù)其粒度和接觸特征與鄰區(qū)殘積土上覆地層的特征對(duì)比，鄰區(qū)殘積土上覆的沉積物多為礫石或細(xì)粒土，均夾有一定數(shù)量的角礫，呈泥質(zhì)弱膠結(jié)，且有弱風(fēng)化跡象，表明研究區(qū)含碎石粉質(zhì)的粘土應(yīng)形成于早更新世早期或中更新世(李偉榮，2007).野外實(shí)際調(diào)查發(fā)現(xiàn)潼湖斷裂錯(cuò)段了第四系含木屑沉積層(圖3c，圖3e)和礫石沉積層(圖3d，圖3f).據(jù)上，顯示了潼湖斷裂晚更新世晚期以來(lái)的活動(dòng)跡象.

圖2 潼湖—黃沙洞斷裂展布情況 (a—c) 分別為山影渲染圖、遙感解譯圖和拉分盆地形成示意圖.Fig.2 Distribution of Tonghu-Huangshadong Fault(a—c) are diagrams of terrain rendering, remote sensing interpretation and pulling-apart basin formation.

圖3 潼湖斷裂的地貌特征及晚更新世活動(dòng)證據(jù)(a) 潼湖斷裂的地形分析，其南側(cè)控制了潼湖盆地的北側(cè)邊界； (b) 潼湖斷裂右行走滑分量的復(fù)原圖； (c—f) 發(fā)育在第四系地層內(nèi)部的斷裂行跡，顯示潼湖斷裂帶晚更新世晚期以來(lái)的活動(dòng).Fig.3 The geomorphological features of Tonghu fault and evidence of Late Pleistocene activity(a) The topographic analysis of Tonghu fault，and its southern side controls the northern boundary of Tonghu basin; (b) The restoration map of right-lateral strike slip components of Tonghu fault; (c—f) Fault traces within Quaternary strata， which show the activity of Tonghu fault since late Pleistocene.

2.2 黃沙洞斷裂與黃沙洞盆地

黃沙洞斷裂位于黃沙洞地?zé)崽锬蟼?cè)(圖4—5).在地貌上，該斷裂帶造成被錯(cuò)斷的河谷沿?cái)鄬觾蓚?cè)不連續(xù)分布(圖5)；而斷層南側(cè)山脊明顯高于北側(cè)，顯示了向北側(cè)的正斷分量(圖5).區(qū)域地質(zhì)調(diào)查的資料該斷裂顯示出正斷特征兼具右行走滑的分量(1∶5萬(wàn)橫瀝幅地質(zhì)圖及調(diào)查報(bào)告).在圖4中可見(jiàn)，留名坑斷裂(F4)與黃沙洞斷裂斷裂近正交，NNW向延伸，控制了黃沙洞地?zé)崽镂髂线吔?區(qū)域構(gòu)造解析顯示潼湖—黃沙洞斷裂在黃沙洞盆地附近表現(xiàn)為右階斜列狀態(tài)(圖1，圖2).當(dāng)斷層呈現(xiàn)右階斜列并且為右旋運(yùn)動(dòng)時(shí)，在分支斷裂帶的轉(zhuǎn)換部將處于拉張狀態(tài)，會(huì)形成正斷層并且斷陷形成小盆地，而黃沙洞地?zé)崽锛次挥趦蓚€(gè)分支的轉(zhuǎn)換部位.這些特征表明黃沙洞盆地(圖4藍(lán)色線條所圍限的區(qū)域)實(shí)際上為潼湖—黃沙洞斷裂伴生的小型拉分盆地.

圖4 黃沙洞地?zé)崽锏刭|(zhì)詳圖Fig.4 Geological map of Huangshadong Geothermal Field in detail

圖5 黃沙洞斷裂與黃沙洞盆地(a) 對(duì)黃沙洞斷裂的兩側(cè)的地貌分析可以觀測(cè)到其對(duì)河流谷地的切割與限制，這暗示了該斷裂的較新的活動(dòng)歷史； (b) 遙感解譯可以識(shí)別出黃沙洞斷裂的右行走滑變形造成河谷的廢棄與新生.Fig.5 Distribution of Huangshadong Fault and Huangshadong basin(a) The geomorphological analysis on both sides of the Huangshadong fault，which shows its cutting and restriction of the river valley，which implies a relatively new activity history of the fault; (b) Remote sensing interpretation，which can identify the abandonment and regeneration of the valley caused by the right-lateral strike-slip deformation of the Huangshadong fault.

3 黃沙洞地?zé)崽锏貞?yīng)力測(cè)量數(shù)據(jù)獲取及初步結(jié)果

3.1 HSD-ZK001鉆遇特征及地應(yīng)力測(cè)試方法

HSD-ZK001鉆孔位于黃沙洞地?zé)崽飪?nèi)，總進(jìn)尺820.53 m(位置見(jiàn)圖4)，鉆孔上部為第四系殘坡積層，由砂礫石、粉砂及粘土組成，厚27.34 m；下部為寒武系牛角河組，巖性為深灰色頁(yè)巖、砂巖、細(xì)砂巖及變質(zhì)砂巖等，厚793.19 m.鉆探揭露表明：在317～775 m段，見(jiàn)有多條深灰綠色基性脈侵入，為輝長(zhǎng)巖或輝綠巖，有明顯的侵入接觸界線，呈不規(guī)則狀(圖6).黃沙洞地?zé)崽飪?nèi)的野外地質(zhì)調(diào)查同樣發(fā)現(xiàn)了輝綠巖的存在，在研究區(qū)北側(cè)的石壩盆地內(nèi)部發(fā)現(xiàn)了～34 Ma的具有新生代火山機(jī)構(gòu)的玄武巖(王強(qiáng)茂, 2021; Wang et al.，2022)，我們認(rèn)為這些輝綠巖也可能形成于新生代.

本次地應(yīng)力測(cè)量采用水壓致裂法，該方法是2003年國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)試驗(yàn)方法委員會(huì)頒布的確定巖石應(yīng)力建議方法中所推薦的方法之一，是目前國(guó)際上能較好地直接進(jìn)行深孔應(yīng)力測(cè)量的方法(Haimson and Cornet，2003).其主要測(cè)試方法為：利用一對(duì)可膨脹的封隔器在選定的測(cè)量深度封隔一段鉆孔，然后通過(guò)泵入流體對(duì)該試驗(yàn)段(常稱(chēng)壓裂段)增壓，同時(shí)利用計(jì)算機(jī)數(shù)字采集系統(tǒng)記錄壓力隨時(shí)間的變化.對(duì)實(shí)測(cè)記錄曲線進(jìn)行分析，得到特征壓力參數(shù)，再根據(jù)相應(yīng)的理論計(jì)算公式，就可得到測(cè)點(diǎn)處的最大和最小水平主應(yīng)力的量值以及巖石的水壓致裂抗張強(qiáng)度等巖石力學(xué)參數(shù).根據(jù)地應(yīng)力測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求，參考HSD-ZK001鉆孔巖心特征，避開(kāi)節(jié)理裂隙發(fā)育位置，選取巖心完整和巖質(zhì)硬的五個(gè)層位(見(jiàn)表1)進(jìn)行測(cè)試，保證了測(cè)試結(jié)果的可靠性.

3.2 地應(yīng)力數(shù)據(jù)處理及測(cè)量結(jié)果

在HSD-ZK001鉆孔中，共獲得121.00、212.00、435.00、486.00 m和526.00 m五個(gè)測(cè)段的有效測(cè)試數(shù)據(jù).本次水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量參數(shù)中的測(cè)段深度指地面至壓裂段中心點(diǎn)的深度，為取得更好的測(cè)試效果，試驗(yàn)中壓裂段長(zhǎng)度選取了0.80 m，計(jì)算垂向應(yīng)力時(shí)巖石的平均密度取2.65 g·cm-3. 測(cè)試按照ISRM建議方法進(jìn)行(Haimson and Cornet，2003)，壓力-時(shí)間曲線如圖7所示.同時(shí)對(duì)于壓裂中的關(guān)鍵參數(shù)Ps(關(guān)閉壓力)取值，綜合采用dt/dp法、dp/dt法和Muskat法三種方法進(jìn)行(圖8)，并取三種方法的平均值參與應(yīng)力量值的計(jì)算.鉆孔水壓致裂結(jié)果見(jiàn)表1.

圖7 HSD-ZK001中水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量壓力-時(shí)間原始曲線(a—e)及印模結(jié)果(f) Fig.7 Curves of hydraulic fracturing in the borehole of HSD-ZK001 in Huangshadong Geothermal Field (a—e) and impression of hydraulic fractures (f)

圖8 采用dt/dp法(a)、dp/dt法(b)和Muskat(c)法三種方法進(jìn)行HSD-ZK001關(guān)閉壓力的取值(取三種方法的平均值參與應(yīng)力量值的計(jì)算)Fig.8 Determinations of shut-in pressure (Ps) in the borehole of HSD-ZK001 using dt/dp method (a)， dp/dt method (b) and Muskat method (c). The average value of these three methods is adapted to calculate the shut-in pressure

表1 廣東省水壓致裂法及應(yīng)力解除法地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果Table1 Results of hydraulic fracturing in-situ stress measurements in Guangdong province

續(xù)表1

根據(jù)實(shí)測(cè)地應(yīng)力數(shù)據(jù)，采用線性擬合方法分析了地應(yīng)力隨深度變化特征，結(jié)果見(jiàn)公式(1)和(2)以及圖9.結(jié)果表明：主應(yīng)力值隨地層深度增加而增加，在121.00～526.00 m測(cè)試深度范圍內(nèi)，最大水平主應(yīng)力值在4.58～15.75 MPa之間，最小水平主應(yīng)力值在3.86～10.78 MPa之間.同時(shí)，計(jì)算了表征應(yīng)力狀態(tài)的幾個(gè)特征參數(shù)Kav、Khv和KHh等，具體計(jì)算方法參照后文，結(jié)果顯示最大水平主應(yīng)力與垂向應(yīng)力之比Khv范圍為1.13～1.45，表明在鉆孔附近應(yīng)力狀態(tài)以水平應(yīng)力作用為主.隨著深度的增加垂向應(yīng)力逐漸增大，在鉆孔深部垂向應(yīng)力和最大水平主應(yīng)力趨于相等.鉆孔水平主應(yīng)力的比值KHh為1.19～1.53，總體偏低.印模結(jié)果(圖7)表明，最大水平主應(yīng)力優(yōu)勢(shì)方向?yàn)镹WW向，其算術(shù)平均值為N68°W.

圖9 ZK001地應(yīng)力值隨深度分布特征Fig.9 Measured stress variation with depth in the borehole of HSD-ZK001

同時(shí)，實(shí)驗(yàn)采用線性擬合的方式計(jì)算了主應(yīng)力隨深度變化梯度式：

SH=0.027H+1.786，R2=0.987,

(1)

Sh=0.018H+1.685，R2=0.996,

(2)

公式(1)和(2)中顯示最大和最小主應(yīng)力的線性擬合系數(shù)分別為0.987和0.996，顯示主應(yīng)力隨深度變化趨勢(shì)的線性擬合程度較好，說(shuō)明了本次水壓致裂測(cè)量結(jié)果的可靠性和代表性.

圖10 廣東省Kav (a)、Khv (b)、KHh (c)以及μm (d)隨深度分布圖Fig.10 Variation of Kav (a)，Khv (b)，KHh and μm (d) with depth in Guangdong province

4 廣東省實(shí)測(cè)地應(yīng)力狀態(tài)

4.1 主應(yīng)力方向

廣東省東側(cè)受太平洋板塊NEE向和菲律賓板塊NW向的聯(lián)合擠壓，西南側(cè)受到印度洋板塊NNE向的擠壓作用(豐成君等，2013；徐紀(jì)人等，2018)，在地殼淺部表現(xiàn)為深部強(qiáng)淺部弱的構(gòu)造作用特點(diǎn)(楊樹(shù)新等，2012).前人的許多研究比較吻合，表現(xiàn)為廣東省乃至整個(gè)華南的主應(yīng)力方向表現(xiàn)為NW-NWW向(魏柏林等，1996；Xu and Shi，2003；鄧陽(yáng)凡等，2011；姜輝和高祥林，2012；楊樹(shù)新等，2012).

本文收集整理了前人已發(fā)表的有關(guān)廣東地區(qū)的地應(yīng)力數(shù)據(jù)，結(jié)果見(jiàn)表1，包括6個(gè)70～600m的水壓致裂應(yīng)力測(cè)量鉆孔數(shù)據(jù)(豐成君等，2013；李冉等，2016)以及6組電站地應(yīng)力綜合測(cè)試數(shù)據(jù)(水壓致裂和應(yīng)力解除法綜合獲得)(張振捷，2012).

主要的幾個(gè)鉆孔位置見(jiàn)圖11所示：大亞灣核電站ZK01位于中國(guó)廣東省深圳市大鵬新區(qū)大鵬島離香港尖沙咀直線距離51 km處，構(gòu)造上處于蓮花山斷裂南側(cè).附近存在兩條主要的活動(dòng)斷裂：NEE向五華—深圳斷裂和NEE向海豐—平海斷裂(豐成君等，2013)，前者為蓮花山斷裂的西斷裂束，后者為東束的一支(廣東省地質(zhì)礦產(chǎn)局，1988).

臺(tái)山核電站D01位于廣東省臺(tái)山市赤溪鎮(zhèn)腰古村東北方約1.2 km處，構(gòu)造上處于NW向的西江斷裂西側(cè).附近的主要活動(dòng)斷裂為NW向四會(huì)—新安斷裂.陽(yáng)江核電站ZK01和ZK02處于廣東省陽(yáng)江市陽(yáng)東縣東平鎮(zhèn)，構(gòu)造上夾在NE向的恩平—新豐斷裂帶中.附近的主要活動(dòng)斷裂為NW向的茶山—閘坡斷裂.饒平鉆孔位于廣東省饒平市海山鎮(zhèn)蓬萊村(海山島)，構(gòu)造上夾在NW向梅州—潮州斷裂帶以及NW向饒平—大埔斷裂帶之間.

可將14組明確深度的印模給出的破裂方向數(shù)據(jù)(豐成君等，2013；李冉等，2016)顯示的主應(yīng)力方向分為兩組，其中惠州黃沙洞地?zé)崽颒SD-ZK001、大亞灣核電站ZK01和陽(yáng)江核電站ZK01的主應(yīng)力方向?yàn)镹WW方向(算術(shù)平均值為N68°W)，臺(tái)山核電站ZK01和饒平鉆孔的主應(yīng)力方向?yàn)镹NW方向(算術(shù)平均值為N32°W)，這與區(qū)域應(yīng)力結(jié)果基本一致(魏柏林等，1996；Xu and Shi，2003；楊樹(shù)新等，2012；鄧陽(yáng)凡等，2011；姜輝和高祥林，2012).

4.2 應(yīng)力狀態(tài)分析

大量研究表明如下參數(shù)表征地殼淺表層應(yīng)力狀態(tài)(Brown and Hoek，1978；趙德安等，2007；景鋒等，2007；王艷華等，2012；楊樹(shù)新等，2012；秦向輝等，2014)，可反映區(qū)域應(yīng)力積累特征及與斷層活動(dòng)性聯(lián)系.

Kav=(SH+Sh)/2Sv,

(3)

Khv=SH/Sv,

(4)

KHh=SH/Sh,

(5)

μm=(SH-Sh)/(SH+Sh),

(6)

其中，Kav和Khv為側(cè)壓力系數(shù)，KHh表征水平面內(nèi)應(yīng)力作用形態(tài)，μm表征水平面內(nèi)最大剪應(yīng)力的相對(duì)大小，參數(shù)結(jié)果見(jiàn)表1和圖10.

對(duì)實(shí)測(cè)的和前人已發(fā)表數(shù)據(jù)對(duì)Kav和Khv隨深度的變化采用雙曲線擬合(趙德安等，2007；景鋒等，2007；王艷華等，2012；秦向輝等，2014)，擬合結(jié)果如下：

Kav=150/H+0.75,

(7)

Khv=163/H+1.0.

(8)

由上式可以看出，在600 m范圍內(nèi)，Kav和KHv的值越靠近深部越收斂，與已有認(rèn)知一致(趙德安等，2007；景鋒等，2007；王艷華等，2012；秦向輝等，2014).Kav收斂在1～1.4之間，Khv較Kav略分散，收斂于1～1.8之間.μm和KHh變化規(guī)律相似，本身變化幅度不大，深度越大越收斂，大約在400 m深度時(shí)μm漸趨于0.19，KHh漸趨于1.45.綜上表明廣東省沿海地區(qū)的地殼淺表均以水平應(yīng)力為主，但隨著深度增加其相對(duì)強(qiáng)度有所下降，且總體表現(xiàn)為水平方向的剪應(yīng)力強(qiáng)度較低.

4.3 地應(yīng)力結(jié)構(gòu)分析

Anderson斷層理論(Anderson，1951)揭示了斷裂性質(zhì)與應(yīng)力狀態(tài)之間的關(guān)系.根據(jù)表1，依據(jù)Anderson斷層理論分析鉆孔的構(gòu)造應(yīng)力結(jié)構(gòu)及其表征的斷裂性質(zhì)分析結(jié)果見(jiàn)表2.黃沙洞地?zé)崽颒SD-ZK001鉆孔(121～526 m)三個(gè)主應(yīng)力間的關(guān)系整體表現(xiàn)為SH>Sv>Sh，表明該深度內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)為走滑斷層型，有利于走滑斷層活動(dòng)；陽(yáng)江核電站ZK01鉆孔(51～73 m)、ZK02鉆孔(54～145 m)和臺(tái)山核電站D01鉆孔(56～120 m)三個(gè)主應(yīng)力間的關(guān)系整體表現(xiàn)為SH>Sh>Sv，表明該深度范圍內(nèi)為逆斷層型；廣州蓄能一期和二期(100～500 m)、惠州蓄能A廠和B廠(70～410 m)、深圳蓄能(200～370 m)、清遠(yuǎn)蓄能(200～440 m)、陽(yáng)江蓄能(70～520 m)和樂(lè)昌峽水利樞紐(50～250 m)在測(cè)量深度范圍內(nèi)均表現(xiàn)為SH>Sh>Sv，表明該深度內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)為逆斷層型;大亞灣核電站ZK01和饒平鉆孔主應(yīng)力的關(guān)系并不穩(wěn)定，其中大亞灣核電站ZK01三個(gè)主應(yīng)力間的關(guān)系在淺部(181m以淺)整體表現(xiàn)為SH>Sh>Sv，深度增加后(181～205 m)表現(xiàn)為SH>Sv>Sh；饒平鉆孔淺部(132～380 m)整體表現(xiàn)為SH>Sv>Sh，深度增加后(380～442 m)表現(xiàn)為SH>Sh>Sv，表明該深度內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)為逆斷層型.不穩(wěn)定的原因初步判斷為巖體結(jié)構(gòu)的差異.其中只有除了大亞灣核電站ZK01指示的有利斷層活動(dòng)與蓮花山斷裂的性質(zhì)不匹配外，其他均基本吻合，其原因可能是鉆孔位置與斷裂距離較遠(yuǎn)且新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)存在多期性.綜上所述，表中結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了廣東沿海地區(qū)的現(xiàn)今應(yīng)力場(chǎng)的變化與測(cè)點(diǎn)附近斷層活動(dòng)密切相關(guān).

表2 廣東省實(shí)測(cè)地應(yīng)力結(jié)構(gòu)Table 2 Measured stress structure in Guangdong Province

5 討論：東南沿海地區(qū)地?zé)崽锓植继卣?/h2>

黃沙洞地?zé)崽颒SD-ZK001(121～526 m)鉆孔三個(gè)主應(yīng)力間的關(guān)系整體表現(xiàn)為SH>Sv>Sh，該地應(yīng)力狀態(tài)有利于斷裂以走滑形式活動(dòng).NWW向主應(yīng)力作用于走向NE的潼湖—黃沙洞斷裂上，產(chǎn)生了右旋的變形分量，這與遙感解譯和區(qū)域地質(zhì)調(diào)查的結(jié)果相互印證，也進(jìn)而證實(shí)了黃沙洞地?zé)崽锾幱谝粋€(gè)小型拉分盆地的構(gòu)造位置.一般認(rèn)為不同的應(yīng)力環(huán)境對(duì)地?zé)崽锏脑杏兄煌挠绊懀簭埮ば詾楹?、張性為較好、扭性為中等、壓扭性為較差、壓性為差(龐忠和等，2020).這是因?yàn)檎龜鄬訛閺埿詳鄬?，受拉伸作用力影響，張裂大，孔隙多，有利于地下熱水的運(yùn)移，而逆斷層為壓性斷層，受擠壓作用力影響，導(dǎo)水性差.沿著黃沙洞地?zé)崽锏闹骺財(cái)嗔褞Ъ翠S沙洞斷裂帶并未有帶狀分布的熱泉，這暗示了雖然這條斷裂帶具有一定的正斷分量，但伸展作用并不強(qiáng)烈.

結(jié)合前人研究成果可以發(fā)現(xiàn)，在東南沿海的廣東一帶，溫度較高的地?zé)崽锞l(fā)育在走向NE或NEE斷裂帶內(nèi)，如蓮花山斷裂帶和恩平-新豐斷裂等(圖10和表3).這些走向NE-NEE 的斷裂主要形成于中生代燕山運(yùn)動(dòng)以來(lái)(舒良樹(shù)等，2004；Shu et al.，2009；Li et al.，2019)，在較長(zhǎng)的時(shí)空演過(guò)中表現(xiàn)為強(qiáng)烈的擠壓逆沖特征，導(dǎo)水性差.但是，晚白堊紀(jì)以來(lái)古太平洋板塊的后撤及新生代南海海盆發(fā)生張裂(郝詒純等，2000；張斌等，2013；張麗麗等，2020)，使得這些斷裂帶的運(yùn)動(dòng)學(xué)性質(zhì)發(fā)生了部分反轉(zhuǎn)，并在一定程度上控制了新生代的火山活動(dòng)的分布(Huang et al.，2013；袁曉博和方念喬，2019；Wang et al.，2022).這些早期在擠壓環(huán)境形成的寬闊的深部破碎帶一方面在擠壓的環(huán)境下可以為水熱交換提供充分時(shí)間和空間，另一方面在后期更易成為較好的熱儲(chǔ).

表3 廣東省主要地?zé)崽锾卣鱐able 3 The characteristics of the main geothermal field in Guangdong Province

圖11 廣東省主要斷裂、地應(yīng)力測(cè)量鉆孔和主要地?zé)崽镂恢脠D (改自廣東省地質(zhì)礦產(chǎn)局(1988)，溫泉數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)云網(wǎng)站(https:∥geocloud.cgs.gov.cn))Fig.11 The distribution of main faults, boreholes of in-situ stress measurement and major Geothermal Fields in Guangdong Province modified after Bureau of Geology and Mineral Resources of Guangdong Province (1988)

本文設(shè)想沿著北東向大型斷裂帶，其深循環(huán)的水熱資源可能由于壓性的環(huán)境，反而可以更好地在深部發(fā)生水熱交換，形成優(yōu)質(zhì)的地?zé)豳Y源.在類(lèi)似黃沙洞新生代小型拉分盆地這樣的局部構(gòu)造環(huán)境下噴涌而出.本文的研究為東南沿海區(qū)域特別是廣東省尋找大型的水熱型地?zé)豳Y源帶來(lái)新的思路，一方面關(guān)注區(qū)域斷裂帶新構(gòu)造活動(dòng)，另一方面從地質(zhì)演化的角度，考慮中生代以來(lái)構(gòu)造作用形成的深部結(jié)構(gòu)與新生代深部熱結(jié)構(gòu)的吻合.這兩方面的結(jié)合可能是解析東南沿海深層地?zé)嵝纬膳c運(yùn)移的關(guān)鍵.總之，東南沿海地?zé)岙惓^(qū)，特別是廣東省粵港澳大灣區(qū)的控?zé)針?gòu)造的特征，仍需要更多精細(xì)構(gòu)造解析工作予以揭示.

6 結(jié)論

本文采取水壓致裂法在黃沙洞地?zé)崽飬^(qū)域進(jìn)行了地應(yīng)力測(cè)量工作，得到了5個(gè)測(cè)段的地應(yīng)力數(shù)據(jù)和兩個(gè)印模結(jié)果，結(jié)合區(qū)域斷裂構(gòu)造遙感解譯成果，初步揭示了黃沙洞地?zé)崽锏貧\表層的應(yīng)力狀態(tài).即黃沙洞地?zé)崽锼街鲬?yīng)力大小總體上隨深度的增加而增大，526 m最大水平主應(yīng)力為15.76 MPa，總體屬于低地應(yīng)力環(huán)境；3個(gè)主應(yīng)力之間的關(guān)系為SH>Sv>Sh，有利斷裂以走滑形式活動(dòng)；最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹WW向(算術(shù)平均值為N68°W)，與區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)基本一致.

野外地質(zhì)調(diào)查、遙感資料分析顯示潼湖—黃沙洞斷裂帶是由兩條次級(jí)斷裂帶構(gòu)成，即潼湖斷裂和黃沙洞斷裂.水壓致裂法及應(yīng)力解除法實(shí)測(cè)獲得的地應(yīng)力數(shù)據(jù)表現(xiàn)該斷裂帶目前受到NWW-NNW向的擠壓.結(jié)合野外地質(zhì)調(diào)查和區(qū)域地質(zhì)調(diào)查資料，證實(shí)了該斷裂帶具有右行正斷的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征.黃沙洞地?zé)崽镂挥阡S沙洞斷裂帶構(gòu)造拉分的位置，這更有利于深部物質(zhì)的上涌，是黃沙洞地?zé)崽镒钪匾目責(zé)崤c控水背景.

致謝董樹(shù)文教授在本文的野外地質(zhì)調(diào)查階段及撰寫(xiě)過(guò)程中均給予了寶貴的建議，王斌博士就應(yīng)力數(shù)據(jù)處理提出了寶貴建議，母若愚碩士和尹啟航碩士參與了大量野外工作，張金龍、吳明亮及黃淵孝等工程師協(xié)助開(kāi)展了黃沙洞地?zé)崽飸?yīng)力測(cè)試工作并，在此一并表示衷心感謝.同時(shí)，衷心感謝匿名審稿人提出的寶貴意見(jiàn)！