Question

应力场分析原理

Answer 1

地壳在某一特定的演化阶段,构造应力场是相对统一的,其主应力方向基本保持不变。这样可以通过多种地质方法反演古构造应力场方向,并通过应力场方向的变化来重建构造演化历史。常用的古构造应力场研究方法主要利用构造形迹的走向和夹角的统计分析,来判断主压应力或引张应力方向,如张性裂隙脉指示最小主压应力方向,初始共轭节理的夹角平分线方向指示最大主压应力方向,垂直纵弯褶皱轴面的方向指示最大主压应力方向等。这些方法大多是定性或半定量的。

本项研究运用断层滑动面上擦痕资料的构造反演,确定古构造应力状态(3个主应力轴的方向和应力椭球系数)。这个方法是基于Wallace-Bott假设之上,即“断层滑动面上的运动方向平行该断层面最大剪切应力方向”(Carey,1979;Angelier,1984)。在这个假设前提下,利用断层滑动资料求解古应力状态,需要满足下列条件:

1)岩石介质是各向均一的;

2)断裂之间不产生相互干涉;

3)断层面是平直的;

4)区域应力场保持不变。

在满足上述条件之下,从理论上,要求至少4条不同方向断层滑动矢量数据,就可以反演断层活动时的应力状态。大量的应用结果表明,这种方法在脆性变形领域和小构造变形地区,是行之有效的。同时可以用这种方法开展构造变形叠加的分析,并建立构造应力场转换历史。当然,利用断层滑动矢量进行古应力场研究,往往需要与地层序列分析和区域构造演化事件分析有机结合,这种分解方法的结合常称为构造-地层分析法,它最适用于盆地构造分析。

郯庐断裂带中-南段应力场分析采用计算机程序“利用断层面上擦痕的观察、测量计算主应力轴状态”来求得区域构造古应力场状态,进行动力学分析(Mercier & Vergely,1992;侯明金等,2003)。此程序工作原理是:利用断层面上的擦痕的动向矢量测量结果,计算出产生运动的平均应力偏差、应力方向即应力场3个主应力轴的产状和相对大小。它最关键的前提条件是假定断层面上的擦痕的动向与应力切向分量矢量平行,即一r/Pith(擦痕)(Mercier & Vergely,1992;侯明金等,2002)。

工作中,野外资料收集要求从最新地层内的断裂动力学分析开始,逐步深入。首先在新近纪地层内进行应力场分析。在确定发生于新近纪地层内的断裂活动应力场特征之后,在古近纪地层内工作时,就可以找出发生于古近纪同期及之后(新近纪)的断裂活动应力场特征。以此类推,层层深入,层层筛分,就可以确定发生于每个时代地层/岩层内的断裂活动的同期应力场及其后叠加的多个应力场特征。综合所有的同期应力场特征及辅以叠加的应力场特征来验证,就可以确定一个连续的、完整的断裂活动的应力场演化序列,结合区域构造变形特征分析,阐明断裂带的构造演化。

本次工作中对郯庐断裂带安徽段进行了应力场分析,并综合前人的应力场资料(Ratschbachere-ta.l,2000;Grimmer et al.2002;Zhang et al.,2003;侯明金等,2007),获得了郯庐断裂带中-南段白垩纪及以来各个时期的区域应力场,为该时期构造运动的动力学分析奠定了基础。

分析表明,郯庐断裂带及其周边地区在白垩纪-新生代时期的演化历史可以分为6个阶段:早白垩世初挤压作用、早白垩世裂谷作用、早白垩世末构造反转、晚白垩世-古新世走滑伸展、晚白垩世末构造反转、新近纪以来构造反转。将郯庐断裂带周边盆地沉积充填历史和构造应力场演化历史结合起来,可以比较全面地描绘郯庐断裂带中-南段在白垩纪-新生代的运动历史和构造体制的重大转折过程。