Question

断层的力学成因

Answer 1

20世纪60年代中后期，国外许多学者进行了一系列岩石脆性破裂实验，并由此建立了岩石破裂的扩容理论，从而较深入地揭示了岩石破裂的规律。

Brace等（1966）的实验研究表明，在围压和轴向压力作用下，当应力差从0增加到大约岩石破裂强度的一半时，岩石的体积缩小，并表现为弹性变形。当应力差继续增大时，岩石微裂隙形成，并伴随着体积膨胀和非弹性变形。当应力差达到岩石的破裂强度时，微裂隙大量形成，并集中形成一条明显的破裂面，即断层两盘借以相对滑动的断层面。

当断层面一旦形成且应力差超过摩擦阻力时，两盘就开始相对滑动形成断层，随着应力释放，应力差（σ₁-σ₃）趋向于零或小于滑动摩擦阻力，一次断层作用即告终止。

任何断层沿断层面两盘发生了明显的相对运动，其实质是剪切滑动。因此，断层面可以看成是剪切滑动面。所以，根据断层面相对运动的方向和断层面倾角的大小，再参考其他一些特征就可以推断主应力轴的方位（通常按剪裂面夹角的锐角平分线为最大主压应力σ₁的位置），进而可以探讨形成断层的一些地质构造条件。

（一）安德森断层应力模式

安德森（E.M.Anderson，1951）等学者分析了形成断层的应力状态，他认为形成断层的三轴应力状态中的一个主应力轴趋于垂直水平面。以此为依据提出了形成正断层、逆断层和平移断层的三种应力状态（图6-11）。正断层形成的应力状态是σ₃和σ₂水平，σ₁直立，σ₃垂直断层走向，σ₂平行断层走向（图6-11A）；逆断层形成的应力状态是σ₁和σ₂水平，σ₃直立，σ₂平行断层面走向（图6-11B）；形成平移断层的应力状态是σ₁和σ₃是水平的，σ₂是直立的，断层面走向垂直于σ₂，滑动方向也垂直于σ₂，两盘顺断层走向滑动（图6-11C）。

（二）哈弗奈势断层模式

安德森的断层应力模型对自然界复杂的条件考虑不够，而哈弗奈分析了地球内部可能存在的各种边界条件引起的应力系统。他假定一个标准应力状态并附加类似实际的构造状态的边界条件，从而推出各种应力状态下势断层的可能产状和性质。

哈弗奈提出的标准状态的边界条件是：

（1）岩块表面为地表，无剪应力作用，仅受到一个大气压的压力作用；

（2）岩块底部应力指向上方，等于上覆岩块的重量；

（3）边界上无剪应力作用。

任何标准状态下的岩石，如果受到水平应力作用，最简单的情况是两侧均匀挤压（图6-12），在这种情况下，可能出现两组共轭逆断层，其断层面产状，无论在水平面上，还是往深处都无变化。但是两侧均匀挤压并不是常见的，最常见的是不均匀侧向挤压。因此哈弗奈提出三种附加应力状态。

三种附加应力状态均假设中间主应力轴水平，以及包含该最大主应力轴的两组共轭剪切面夹角为60°。

1.第一种附加应力状态

图6-11 形成断层的三种应力状态（据E.M.Anderson，1951）

A—正断层；B—逆断层；C—平移断层（A与B的右图为剖面图；C的右图为平面图）

图6-12 侧向均匀水平挤压势断层分布（据W.Hafner，1951）

1—应力；2—最大主应力迹线；3—最小主应力迹线；4—势断层

在标准应力状态之上叠加不均匀侧向挤压，并假设附加的水平挤压应力向下增大，自左而右减小。当附加的侧向挤压大到足以引起破裂时，产生的势断层如图6-13。在图的右端为无势断层的稳定区，在图的左端产生一组断层，倾角30°左右，向左端倾斜；另一组断层，倾角30°左右，向右端倾斜。两组为倾向相反的低角度逆断层。由于最大主应力轴的倾角各点不同，并向右增大，所以倾向稳定区的一组逆冲断层的倾角自地表向下逐渐增大，但断层性质不变，乃为逆断层。

图6-13 第一种附加应力状态及势断层（据W.Hafner，1951）

1—应力；2—最大主应力迹线；3—最小主应力迹线；4—势断层；下图空白区无破裂稳定区

2.第二种附加应力状态

在标准应力状态之上，附加的水平剪切应力自左向右呈指数递减及作用在底板上的垂向力自左而右减少。水平挤压应力在左侧由浅部到深部由增加再减小而右侧不变。这种情况下，最大主应力轴向右侧倾伏，且稳定区大于势断层分布区。产生的势断层：一组为向右陡倾的逆断层；另一组在浅部为向左缓倾的逆断层，向下部变为向右缓倾斜的正断层。这种附加应力状态不仅表现出势断层倾角的变化，而且断层类型也发生变化（图6-14）。

图6-14 第二种附加应力状态及势断层（据W.Hafner，1951）

图6-15 第三种附加应力状态及势断层（据W.Hafner，1951）

3.第三种附加应力状态

叠加在标准应力状态之上的附加应力包括两种：一种是作用在岩块底板上呈正弦曲线状变化的垂向力；另一种是岩块底板上变化的水平剪应力。在这种附加应力状态下，分别在中间及两侧出现稳定区。在中央稳定区上部形成一对高角度正断层：一组断层向右侧变缓为低角度正断层，向左变为高角度逆断层；另一组向左变缓，向右变陡。缓者为正断层（低角度），陡者逐渐变为倾向中央稳定区的高角度逆断层（图6-15）。

上述三种附加应力状态，表示出各类地壳内应力分布的不均匀以及断层面产状及断层性质的变化情况。该模式有助于查明一定边界应力系统下可能存在的潜在断层。

安德森和哈弗奈的断层应力模式，都表现出各类断层的产状方位与主应力轴的关系，假定地质体是均匀的。实际上，地壳内的岩石是不均匀的，在各种大小尺度上，总是存在软弱面，这些软弱面的方位、产状与上述模式的断裂方位并无固定关系，而构造力作用的方向、大小和速率也不一定是稳定的，地质边界条件的选择也有一定困难。尽管如此，作为浩大的地质空间，虽然其中存在许多软弱面，如果方位紊乱且规模不大，仍表现为相对的均匀性，因此有可能应用上述模式进行分析。这种分析在以下方面是比较有意义的：第一，如果已知一定区域内断层的性质和方向，可借助模式分析断层形成的应力场；第二，在已知部分断层性质和方位的基础上，结合有关资料初步确定区域应力场，有助于分析可能存在的隐伏（潜在）断层。