鄂尔多斯地块位于华北克拉通内部，南北地震带北段东侧，紧邻青藏高原东北缘，是在中国中生代、新生代以来构造活动中起重要作用的稳定块体^[1-2]。地块内部构造活动微弱^[3]，有历史记录以来没有发生过6级以上的地震(图 1-a)，而地块周缘活动构造带内地震活动强烈，是地应力易于积累且引起地壳能量释放的薄弱地带，历史上发生过19次7级以上强烈地震^[4]，包括1920年宁夏海原8.5级大地震，这些地震的发生与块体周缘复杂的地质构造背景和动力学过程密切相关^[2]。由于鄂尔多斯地块地理位置及地震活动的特殊性，有关其形成演化和陆内孕震机理的研究，一直以来都是地学研究的热点问题，并取得了许多研究成果^[5-10]。

图  1  鄂尔多斯地块地形地貌、活动断裂、地震分布特征(a)和研究区地质构造简图^[29](b)

F1—海原断裂带；F2—马东山褶皱逆冲带；F3—小关山断裂；F4—六盘山东麓断裂；F5—六盘山西麓断裂；F6—陇县-岐山-马召断裂；F7—固关-虢镇断裂。图中地震目录数据(M_S≥3.0)来自USGS，震源机制解数据(M_S≥4.5)来自GCMT

Figure  1.  Landform, active tectonic characteristics and earthquake distribution of the Ordos block(a)and simplified geological map of the research region(b)

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大地震的孕育和发生是在特定构造部位应力长期积累、集中、加强并最终达到地壳强度极限，应变能突然释放的过程^[11]。因此，构造应力是导致地震发生的重要控制因素之一。对于鄂尔多斯地块周缘现代构造应力场的研究，前人更多地聚焦于地震震源机制解和数值模拟分析^[12-17]，认为该地块及其周围的主压应力轴方向为NEE—SWW，主张应力轴方向为NWW—SEE，并指出这种应力场格局与青藏高原晚新生代快速向北扩展和高原物质向东构造挤出作用有关。前人的研究为认识鄂尔多斯地块西南缘的构造应力场特征与成因等提供了重要基础。但由于该区的新构造格局复杂，以往的研究大多是对该区构造应力方向的分析，很少涉及现今地应力场空间变化，且实测地应力数据很少。因此，需要结合实测地应力资料对关键构造部位的现今应力状态进行详细分析，从而更全面地认识区域现今的应力状态及其与区域构造的成因关系。本文在前人研究的基础上，利用在鄂尔多斯地块西南缘获取的水压致裂原位地应力测试数据，分析了该区现今浅层地应力环境，并利用库仑摩擦滑动准则^[18]和Byerlee定律^[19]，探讨了现今地应力场与鄂尔多斯西南缘主要活动断层的失稳滑动、断层活动性质等的可能联系。研究结果对更全面地认识该区的现今应力场状态等具有重要参考价值。

1.   区域背景

鄂尔多斯地块是中国东西部构造结合部位的一个多旋回沉积盆地，以具有稳定的克拉通基底而著称^[20]。因受到印度板块、欧亚板块与太平洋板块相互作用产生的远程效应和深部过程的综合影响^[21-22]，地块四周被活动构造带所围限^[4]。其东、西边界分别为具有右旋剪切拉张性质的山西断陷带和银川-吉兰泰断陷带，而南、北边界分别为具有左旋剪切拉张性质的渭河断陷带与河套断陷带(图 1-a)，西南边界则是一系列具左旋走滑和强烈挤压性质的弧形压扭性断裂束^[15]。关于鄂尔多斯地块周缘活动构造带的动力学成因，前人认为是印度板块和欧亚板块碰撞导致青藏高原东北缘对鄂尔多斯块体产生强烈挤压与剪切作用的结果^[23-25]，或与太平洋板块向欧亚大陆俯冲产生的弧后扩张有关^{[22, 26-28]}。

研究区位于鄂尔多斯地块西南缘，青藏地块、鄂尔多斯地块、阿拉善地块和秦岭造山带之间的交界位置，为一条挤压性或压扭性构造边界，分布多组不同走向的活动断裂(图 1-b)^{[21, 29]}。同时研究区处于青藏高原向NE方向扩展的最前缘，青藏高原通过该边界对鄂尔多斯块体产生强烈的NE向挤压作用，是限定高原扩展模式和认识鄂尔多斯西南缘及邻区构造变形样式的理想场所^[30]。研究区地形地貌形态主要表现为剥蚀构造丘陵地形、侵蚀堆积河谷阶地。出露地层主要有中奥陶统三道沟组(O₂s)，下白垩统三桥组(K₁s)、和尚铺组(K₁h)、李洼峡组(K₁l)、马东山组(K₁m)、乃家河组(K₁n)，古近系始新统寺口子组(E₂s)，渐新统清水营组(E₃q)，新近系上新统甘肃群(N_gn)，第四系更新统(Q_p)、全新统(Q_h)等。

海原断裂带是鄂尔多斯西南缘的一条主要活动断裂带，西起甘肃泰兴泉堡，东至宁夏哨口，由东段的狭义海原断裂、中段的毛毛山-老虎山断裂及西段的金强河断裂组成^[31]。西段和中段走向呈NWW向，东段走向呈NW向，与六盘山断裂带连接，全长约340 km，断层面倾向SW，是走廊过渡带与北祁连褶皱带的分界线^[32]。断裂带主要呈现左旋走滑特征，最大现今走滑速率约为3.5 mm/a^[33]。海原断裂带作为青藏高原东北缘发育的弧形活动断裂中活动最强烈、规模最大的一条左旋走滑断裂带^[34-35]，以左旋走滑分量的不断增加，断裂东部尾端转变为近EW向的地壳缩短为特征^[36]。断裂带吸收了青藏高原NE向挤压作用，而且遇到鄂尔多斯块体阻挡，在该断裂带附近聚集了大量水平挤压应力^[37]。海原断裂带及周边地区历史强震非常活跃，发生过1920年海原8.5级和1927年古浪8.0级2次8级地震，以及多次7级地震。

六盘山断裂带也是鄂尔多斯西南缘的一条主要活动断裂带(图 1-b)，包括西麓断裂和东麓断裂，西麓断裂为晚更新世活动的挤压逆冲断裂，全新世不活动；全长约60 km，倾向E或NE，是控制六盘山西侧地质地貌发育的主要断裂^{[38, 29]}。东麓断裂为一条全新世活动的逆左旋走滑断裂，最北端与海原断裂带相接，南端与陇县-岐山-马召断裂相连，总体走向330°~335°，全长约130 km，其北段左旋走滑速率为2.0±0.3 mm/a，逆冲速率为0.80±0.08 mm/a，向南走滑速率逐渐降低，逆冲速率不断增大^[29]。整体上，六盘山断裂带是青藏高原东北缘与鄂尔多斯地块西南缘的过渡部位，同时与EW向的中央造山带相交，被认为是青藏高原向NE方向扩展的前缘。

在历史强震活动性方面(图 1-a)，由于鄂尔多斯地块整体性好且刚性强，是一个较稳定的块体，其内部不容易积累较大的地壳应力，历史上没有发生过6级以上地震，小于6级地震的频度也很低。环绕鄂尔多斯地块周缘的活动构造带则是现代构造活动非常强烈的地带，据中国地震简目记录，近千年来先后发生过6次Ms≥8的强震，包括1303年和1695年的临汾8级地震、1556年华县8 1/4级地震、1654年天水8级地震、1739年平罗-银川8级地震及1920年海原8.5级地震。中国地震台网中心记录显示，1900年以来至今，共发生4级以上地震24次，平均每5年就有一次4级以上的地震发生。

2.   水压致裂地应力测量方法及结果

水压致裂法地应力测量是20世纪70年代发展起来的一种测量地壳深部应力的有效方法。该方法无需知道岩石的力学参数便可获得地层中现今地应力的多种参量，具有操作简便、测试深度大、测值可靠等特点，是2003年国际岩石力学学会推荐的岩石应力测量方法之一^[39]。在交通工程、水电工程、基础地质研究中得到广泛应用，取得了许多有价值的实测数据及相关研究成果^[40-43]。本次研究的2个浅层地应力钻孔位于鄂尔多斯地块西南缘宁夏固原地区，且均位于六盘山断裂带的东北盘，钻孔编号分别为ZK7和ZK10。其中ZK7地应力测量点位于固原大湾隧道中间段，钻孔的位置如图 1-b所示，点位坐标为北纬35°41′37.22″、东经106°17′45.85″，钻孔终孔深度为310 m，静水位为64.9 m。从钻探岩心看，岩性为白垩系长石石英砂岩和泥岩，地表风化强烈，岩石较松散，但地应力测量深度段岩石较完整。现场测量主要在100 m以下展开，共完成7段有效压裂测试和3段有效印模测试。ZK10测量点位于宁夏固原五里山村，点位坐标为北纬35°49′11.32″、东经106°17′33.61″，钻孔终孔深度为290 m，静水位为97.10 m。岩心主要为白垩系泥质灰岩，钻孔浅部岩心较破碎，节理和裂隙较发育，深部岩心相对完整。现场测量同样从100 m以下进行，共完成6段有效压裂测试和3段有效印模测试。2个钻孔获得的有效压裂曲线均较标准，具有较明显的破裂压力，且裂缝重张、闭合对应的压力点清晰明确，可确定各压力参数值和水平主应力值。

由实测所得的压力-时间记录曲线中可直接得到岩石的破裂压力P_b，瞬时关闭压力P_s及裂缝的重新张开压力P_r。再根据水压致裂法原理^[39]求解公式，计算出最大水平主应力S_H及垂直主应力S_v:

式中，P₀为孔隙压力，ρ为岩石密度，一般取ρ=2.60×10³~2.70×10³ kg/m³；g为重力加速度，h为上覆岩石埋深。利用公式(2)计算最大水平主应力时，P_s的取值误差将S_H计算结果误差放大3倍，因而关闭压力P_s的准确取值尤为关键。目前，常用的P_s取值方法有单切线法、dp/dt法、dp/dt法、Mauskat方法等^[44-46]，本文采用单切线法、dp/dt法、dp/dt法判读关闭压力参数并取平均值^[47-48]。水压致裂地应力测量压裂曲线见图 2，最大水平主应力定向印痕展开柱面图见图 3，具体地应力测试结果见表 1。

图  2  水压致裂地应力测量时间-压力曲线

a—ZK7钻孔；b—ZK10钻孔

Figure  2.  Curves of hydraulic fracturing in-situ stress measurement

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图  3  水压致裂定向印模形状及其方向

a—ZK7钻孔；b—ZK10钻孔

Figure  3.  Impressions and orientations of hydraulic fractures

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表  1  鄂尔多斯西南缘水压致裂地应力测量结果

Table  1.  Results of in-situ stress measurement on the southwest margin of Ordos block

钻孔	深度/m	压裂参数/MPa						应力值/MPa			破裂方位
		Pb	Pr	Ps	PH	P0		Sh	SH	Sv
ZK7	128.50	5.77	4.09	2.91	1.29	0.64		2.91	3.99	3.41
	157.50	10.44	4.70	3.36	1.58	0.93		3.36	4.44	4.17
	181.20	7.11	5.37	3.96	1.81	1.16		3.96	5.35	4.80	N62°W
	202.00	14.72	6.98	4.52	2.02	1.37		4.52	5.21	5.35	N56°W
	213.50	13.97	10.74	6.56	2.14	1.49		6.56	7.44	5.66
	231.50	17.70	9.53	6.25	2.32	1.67		6.25	7.54	6.13	N45°W
	250.80	15.08	8.57	6.11	2.51	1.86		6.11	7.90	6.65
ZK10	206.00	6.77	4.63	4.29	2.06	1.09		4.29	7.15	5.46
	248.00	9.91	5.36	4.10	2.48	1.51		4.10	5.43	6.57	N75°W
	250.00	9.69	6.95	6.15	2.50	1.53		6.15	9.97	6.63
	258.10	9.90	5.28	5.00	2.58	1.61		5.00	8.11	6.84	N65°W
	269.50	11.94	5.67	5.25	2.70	1.72		5.25	8.35	7.14	N52°W
	282.40	7.90	6.69	5.26	2.82	1.85		5.26	7.25	7.48
注：Pb为岩石原地破裂压力；Pr为破裂面重张压力；Ps为破裂面瞬时关闭压力；PH为静水压力；P0为孔隙压力；SH为最大水平主应力；Sh为最小水平主应力；Sv为根据上覆岩层重量计算的垂向主应力(岩石密度取2.65 g/cm3)

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3.   研究区地应力状态

3.1   水平主应力随深度变化规律

基于表 1数据，ZK7钻孔在128.50~250.80 m测量深度范围内，最大水平主应力值为3.99~7.90 MPa，最小水平主应力值为2.91~6.56 MPa；ZK10钻孔在206.00~282.40 m测量深度范围内，最大水平主应力值为5.43~9.97 MPa，最小水平主应力值为4.10~6.15 MPa，受岩体非均质性及钻孔周围地形的影响，该钻孔在250 m深度附近出现水平主应力集中的现象(图 4-a)。前人通过三维应力场有限元数值模拟分析，讨论了地形地貌对应力的影响，提出“构造应力面”的概念，即由三维空间非构造应力影响消失的深度点构成的曲面，在构造应力面之上，非构造应力和构造应力同时存在，而在构造应力面之下，仅构造应力存在。并且认为，当山体坡度大于40°时，重力作用会在沟谷或坡角引起一定程度的非构造应力集中^[49]。ZK10钻孔位于山体坡度在40°~45°的“U”形谷谷底，受此影响可能产生一定程度的非构造应力集中，导致最大和最小水平主应力在250 m深度范围内出现“应力包”现象。

图  4  研究区主应力值随深度变化曲线(a)和最大水平主应力方向随深度分布特征图(b)

Figure  4.  The variation of principal stress with depth (a) and distribution characteristics of the orientation of the maximum horizontal principal stress with depth in the study area (b)

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综合研究区2个钻孔的数据总体讨论，对表 1所有数据进行线性拟合计算出主应力值随深度的变化梯度式，具体结果见公式(4)和(5)，并同时给出研究区的主应力值随深度分布特征图(图 4-a)。整体看，ZK7和ZK10钻孔中最大与最小水平主应力值均随测量深度的增加而增加，最大水平主应力值随深度增加的梯度为0.0295 MPa/m，最小水平主应力值随深度增加的梯度为0.0173 MPa/m，其线性回归方程为：

式中，H为钻孔深度，R²为回归方程相关系数。

为了更好地认识研究区现今的地应力状态，笔者将分析结果与华北地区、南北地震带北段、青藏地块和中国大陆的地应力状态研究结果进行了对比(表 2)。结果表明，研究区整体应力水平高于中国大陆、华北地区及南北地震带北段的应力水平，而与青藏地块的现今应力水平基本相当，主要原因可能是研究区地应力状态更多地受青藏高原NE向挤压的构造因素控制。

表  2  不同地区S_H、S_h随深度变化情况

Table  2.  Variation of S_H and S_h with the depth in different regions

地区	SH	Sh	资料来源
研究区	0.0295H+0.2395	0.0173H+1.066	本文
华北地区	0.0233H+4.665	0.0162H+2.100	[50]
南北地震带北段	0.0261H+5.134	0.0174H+2.648	[51]
青藏地块	0.0292H+5.185	0.0172H+3.681	[51]
中国大陆	0.0227H+6.590	0.0164H+3.590	[52]
中国大陆	0.0216H+6.781	0.0182H+2.233	[53]
中国大陆	0.0229H+4.738	0.0171H+1.829	[51]

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依据Anderson断层理论^[54]并结合图 4-a可知，鄂尔多斯地块西南缘地壳浅部3个主应力间的关系总体表现为S_H>S_v>S_h，反映区内以水平主应力为主导的应力场特征，地应力结构有利于走滑断层的发育和活动。

3.2   最大水平主应力方向

采用水压致裂印模系统获得了研究区最大水平主应力方向值，结果见表 1。应力方向的分布范围为N45°W ~ N75°W，主应力方向分布较集中(图 4-b)。对比基于GPS观测获得的该区地壳现今速度场方向^[55-56]，发现两者基本一致(图 5-a)，但区域地壳运动速度场只是相对欧亚板块的块体运动方向，并不能完全代表主应力方向。牛琳琳等^[58]在鄂尔多斯南缘西安地区利用水压致裂法实测获得NNW向的最大水平主应力方位，并认为测试结果受到鄂尔多斯地块南缘断层不同程度的影响。孟召平等^[59]利用水压致裂法在鄂尔多斯盆地东南缘晋陕交界处获得最大水平主应力方向以NEE向为特征，认为该区现今地应力状态受华北区域构造应力场控制。谢富仁等^[57]基于板块运动、震源机制解等数据编制的中国大陆地壳应力环境基础数据库显示(图 5-b)，青藏地块东北缘的主压应力方向在NE40°~80°范围，且多数学者认为，鄂尔多斯西南缘的构造应力主要源于青藏高原NEE—SWW向的强烈水平挤压作用^{[15, 60]}。因此，本文实测得到的最大水平主应力方向与前人获得的青藏高原东北缘的主压应力方向不一致，对于形成这种差异的原因需要进一步深入分析。

图  5  鄂尔多斯地块西南缘地壳运动速度场^[56](a)及现今构造应力场图^[57](b)

Figure  5.  GPS velocity field (a) and present tectonic stress field (b) on the southwest margin of the Ordos block

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4.   讨论

4.1   研究区应力场成因

陈小斌等^[60]根据GPS实测资料和三维粘弹性模型数值模拟分析，认为鄂尔多斯地块的现今水平运动状态一部分为其自身的逆时针旋转，另一部分从属于中国东部大陆整体运动，二者的叠加形成鄂尔多斯地块现今水平运动状态的宏观表现形式，主要驱动力是来自青藏高原东北缘NE向的挤压。上述观点很好地解释了鄂尔多斯地块南、北边界的左旋与东、西边界右旋的走滑运动。邓起东等^[21]认为，鄂尔多斯周缘地堑系是在青藏高原东北缘NE向挤压应力和深部物质运动产生的垂直力联合作用下形成的。前人通过震源机制、断裂滑动矢量和地震地表破裂分析认为，鄂尔多斯地块区域应力场的基本特征是主压应力方位为NE—NEE向。本文地应力实测资料显示，鄂尔多斯地块西南缘现今的主压应力方向呈NWW向，该结果与部分水压致裂资料得到的方向吻合较好^[58]，而与其他资料获得的构造应力场方向存在差异。

大部分地应力测量得到的最大水平主应力方向与区域主压应力方向一致，但有时也会出现空间变化。前人研究认为，地质结构的各向异性会影响原地应力的大小和方向，并产生不同于远场应力的近场应力。扰动的程度取决于不连续面的强度和变形能力，如果不连续面的材料比围岩硬，那么最大主应力方向会转向至垂直于不连续面。如果不连续面的材料比围岩软，那么最大主应力会转向甚至平行于不连续面^[61-64]。因此对于一个研究区来说，区域构造应力场是一个重要的背景，但局部的构造和断裂分布会造成区域应力场的复杂变化。海原断裂带和六盘山断裂带作为鄂尔多斯地块西南缘弧形断裂中活动最强烈、规模最大的走滑及走滑兼逆冲断裂带，其两侧区域的地壳各向异性差异性明显。本文实测NWW向的最大水平主应力方向，与海原及六盘山断裂带走向基本一致，认为该区域构造应力场主要受活动断裂的影响，最大水平主应力方向在断裂附近发生了一定偏转，其现今应力环境应为局部构造和区域构造应力场共同作用的结果(图 5-b)。另一方面，青藏高原在NE向运动过程中，同时受到稳定的鄂尔多斯块体的阻挡作用，由南向北的运动分量在减小，而向东与向北的分量的比值及由西向东的运动分量都在增大^[65]，导致交汇区地壳介质各向异性程度增加，迫使应力发生调整。构造应力场会产生一定空间变化，使青藏高原东北缘至鄂尔多斯地块西南缘的构造应力方向可能会由NE向、NEE向逐渐转为近NW向。

4.2   断层稳定性

地壳应力状态和断层的活动性之间存在密切关系^[66-67]。库伦摩擦滑动准则表明，假定断层面内聚力为零的条件下，如果断层面上的剪应力τ大于等于滑动摩擦阻力μσ_n，则断裂沿某个方位产生失稳滑动。其中μ是根据试验确定的断层摩擦系数，σ_n是断层面上的正应力。在引入有效应力概念后^[68]，有效最大主应力与有效最小主应力之比表示为摩擦系数μ的一个函数表达式，即：

式中σ₁、σ₃分别为断层面上的最大与最小主应力值，P₀为孔隙压力。若最大与最小有效主应力之比小于[(1+μ²)^1/2+μ]²，则断层面稳定，若大于或等于此值，则断层面在方位合适的面上可能发生滑动^[18]。Byerlee^[19]综合各种不同类型的岩石摩擦实验资料，认为大部分岩石的摩擦系数位于0.6~1.0之间。本次研究分别取μ=0.6和μ=1.0计算可能引起断层滑动的最大或最小主应力的下限值和上限值。

基于ZK7钻孔和ZK10钻孔的水压致裂地应力测量结果，分别计算出该地区最大有效应力与最小有效应力的比值及K_μ=0.6、K_μ=1.0，依据断层滑动摩擦准则，将μ=0.6和μ=1.0分别作为判断断层失稳时的临界摩擦系数，探讨研究区实测钻孔附近海原断裂带和六盘山断裂带的地震危险性。结果显示，研究区现今最大有效应力与最小有效应力的比值均位于临界线之下，即低于引起断层滑动K_μ值的下限，考虑到ZK10钻孔受地形影响在250 m深度附近产生水平应力集中的现象(图 4-a)，其最大有效应力与最小有效应力的比值仍低于K_μ值的下限(图 6)，表明鄂尔多斯地块西南缘现今地应力积累推断鄂尔多斯地块西南缘现今NWW向走滑剪切应力环境的形成，可能主要受到海原断裂带和六盘山断裂带的影响，是局部构造和区域构造应力场共同作用的结果。

图  6  基于地应力实测数据的库伦摩擦滑动计算结果

Figure  6.  Plots displaying calculation results of measured in-situ stress data using Coulomb frictional failure criterion

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(2) 库仑摩擦滑动准则分析结果显示，研究区现今最大有效应力与最小有效应力的比值小于临界值K_μ=0.6，认为鄂尔多斯地块西南缘海原断裂带和六盘山断裂带的地应力大小未达到地壳浅部断层产生滑动失稳的临界条件，处于较稳定的应力状态。但是由于鄂尔多斯地块现今应力场的复杂性，实测数据量及测试深度的不足，会造成分析结果的局限性，因此未来实测地应力数据的增加会使相关认识更加深入和准确。