南海北部区域已经成为重要的海洋石油天然气生产基地，许多涉海工程正在实施或酝酿中，由于受到自然条件的影响，整个南海海域的地应力研究程度还比较低，迫切需要进一步了解和认识海洋地应力场的状态和控制因素. 地应力是影响地质过程、地震发生的直接控制因素，是诱发地质灾害的主要内动力之一，也是影响石油天然气存储运移的重要因素，并影响油气的勘探开发(Sibson，1994; Rouchet，1981; Wu et al., 1999). 尽管地应力场受到地形地貌、地壳结构、地质特征等因素的影响，但是，从区域上看地应力场主要受到板块构造作用的控制(Lithgow-Bertelloni and Guynn， 2004; Zoback，1992; 范桃园等，2012). 中国南海是在欧亚板块、太平洋板块和印度—澳大利亚板块的共同作用下形成的西太平洋最大的边缘海，其成因动力学环境复杂，四周的大陆边缘包含了大陆边缘的三大主要类型，即南北两侧的张裂型(被动型)边缘、东侧的俯冲型(主动型)边缘和西侧的剪切(转换)型边缘(栾锡武和张亮，2009).

目前，对地应力状态的测量和分析主要方法有原地应力测量、震源机制解、钻孔井壁测量、数值模拟等. 尽管通过不同途径获取的地应力状态受到地质和技术条件的限制，其中利用原地地应力测量和钻孔井壁所得到的地应力为近地表的数据，而震源机制解主要反映了发震断层附近震源位置的应力状态，但是，总体上深部和浅部的数据还是能够统一到区域应力场中，能够反映区域构造应力场的状态(Zoback，1992; 谢富仁等，2004)。其中原地应力测量是获取地应力绝对值的有效手段，广泛应用于工程设计，是保障工程安全的重要参考(孟文等，2012)，同时在区域地应力分布状态和特征研究中是重要的约束(Zoback and Healy， 1992; 陈群策等，2012; 吴满路等，2005; 吴满路等，2008). 油气钻井过程中，在钻井液柱压力和地应力的作用下，井孔周围会产生井壁崩落或诱导裂缝，这些能够反映地应力特征的信息通过分析测井数据提取出来，如井径和FMI(Formation MicroScanner Image，地层微电阻率扫描成像)资料(Zoback，2007). 在离散、有限的地应力观测数据约束条件下，数值模拟能够有效地分析地应力状态和分布特征(范桃园等，2012; 朱守彪和石耀霖，2006). 尽管目前对南海海域的现今地应力场进行了初步的研究和分析(刘以宣等，1993; 丘学林和刘以宣，1989; 王静，2012)，但是地应力的状态、分布特征和控制因素仍然不是很清楚，需要利用原地地应力测量直接获取地应力状态和特征. 近期南海北部区域油气勘探开采过程中新技术的应用，为南海北部区域的地应力分析提供了新的方法. 本研究在原地应力测量的基础上，同时结合已有的资料(FMI和震源机制解等)，综合区域板块构造环境分析，对南海北部地区进行了地应力场的数值模拟综合分析. 2 南海北部区域构造环境

南海北部周缘的构造性质和特征不一. 其北部边缘发育一条NEE向的滨海断裂带(图 1)，是华南亚板块正常型陆壳与南海亚板块减薄型陆壳的分界断裂带，也是南海北部最大的活动构造带. 这条断 裂带在琼州海峡东口分叉为两条断裂：其中一分支断裂穿过琼州海峡，进入北部湾； 另一分支为主断裂带，沿海南岛东部沿岸展布，在南部与红河断裂带交汇(徐辉龙等，2010). 沿着滨海断裂带发育了一系列新生代盆地，分布有台西南盆地、珠江口盆地、琼东南盆地等油气盆地，沉积了厚达万米以上的新生界地层，构造主要为北东东至近东西走向(Zhou et al., 1995).

图 1

Fig. 1

图 1 南海北部区域构造环境 修改自徐辉龙等(2010)、Briais et al.(1993)、姚伯初等(1990)和林长松等(2009). Fig. 1 The tectonic environment of the northern China South Sea Reference Xu et al.(2010)，Briais et al.(1993)，Yao et al.(1990) and Lin et al.(2009).

南海北部西缘为大型红河—越东走滑断裂带，是南海北部西缘的主要构造线，其发育过程与印度板块和欧亚板块的碰撞及青藏高原的隆升密切相关，有的学者甚至认为其与南海盆地的成因有联系(Tapponnier et al., 1986; Briais et al., 1993; Peltzer and Tapponnier， 1988; Hall et al., 2008; Wang et al., 2000; Lee and Lawver， 1995). 红河—越东断裂带作为华南块体、南海北部块体与印支块体的分界(Liu et al., 2006)，沿着断裂带发育一系列阶梯状正断层，属于剪切—拉张型边缘构造特征(姚伯初等，1999; 林长松等，2009)，控制了莺歌海盆地的发育(任建业和雷超，2011).

尽管对南海海底扩张的动力机制有不同的解释，但是所有成因机制都基于南海海盆存在E-W向的磁异常条带，南海存在海底扩张是得到普遍认可的(栾锡武和张亮，2009; 刘以宣等，1993). 尽管磁异常条带显示在15.5 Ma(Briais(1993)中的磁异常5c)海底停止扩张活动，但是现今GPS测量的结果表明，现今南海仍在扩张，中央海盆近SN方向扩张(李延兴等，2010).

南海北部的东部边缘为马尼拉海沟，在台湾岛和吕宋附近为岛弧碰撞(Stephan， et al.， 1986)，而沿着介于台湾和吕宋之间的马尼拉海沟，以西的南海块体岩石圈俯冲到东部的菲律宾海板块之下(Bautista et al., 2001; Yang et al., 1996; Pautot and Rangin， 1989). 在介于台湾和吕宋之间的马尼拉海沟东部，沉积盆地内发育逆冲断层，而在马尼拉海沟西部的沉积盆地内发育正断层，这些断层现今仍处在活动的状态. 由震源机制解所反映的马尼拉海沟附近的构造应力场特征同样也表现出东侧为东西向挤压的压性应力状态，西侧为东西向的张性应力状态(Bautista et al., 2001; Ku and Hsu， 2009 ; Hsu et al., 2012). 这些结果表明，尽管台湾和吕宋之间的马尼拉海沟是菲律宾海板块和欧亚板块的汇聚边界，但是由于中国南海块体俯冲到菲律宾海板块之下，通常板片俯冲的动力来源于密度差异形成的负浮力(Turcotte and Schubert， 2002)，在负浮力的作用下，持续俯冲的南海板片在马尼拉海沟的东侧形成增生楔，形成了对东部菲律宾海板块产生挤压的作用，而对中国南海块体则产生了拉张的作 用，所以沿着台湾与吕宋之间的马尼拉海沟形成 了对中国南海板块和菲律宾海板块不同的构造作用. 3 海南原地地应力测量 3.1 测量点地质概况

原地地应力测量是目前能够同时获取地应力大小和方向的唯一途径，是了解地壳应力状态的直接手段. 海南岛位于南海北部的主要陆地区域，岛内构造主要受滨海大断裂、红河走滑断裂带的制约，周边分布有莺歌海盆地和琼东南盆地. 为获得南海海域北部这一关键构造地域现今地应力的赋存状态，我们在位于海南岛西南部的滨海位置布设了地应力 测量钻孔，利用水压致裂技术开展了1个孔深300 m 的原地应力测量工作.

地应力测量位置选在乐东县千家镇福报村，地理坐标为N18°31′22″、E109°06′34″. 测点岩体十分完整，岩性为花岗岩以及花岗闪长岩，灰白色，中等颗粒，主要矿物成分为石英、斜长石，含有少量角闪石、长石及黑云母. 测点周围有多处完整岩体出露，场地宽敞，地势平坦. 岩体中裂隙及软弱带不发育. 3.2 水压致裂地应力测量

水压致裂原地应力测量是目前进行深孔应力测量最为有效的手段，也是国际岩石力学测试技术专业委员会推荐的进行岩体应力测量的主要方法之一(Haimson and Cornet， 2003). 目前，该技术方法被广泛应用于水利水电工程、深埋铁路、公路隧道、核废料处置及石油战略储备库场址选择等重大工程的勘测设计中，在地球动力学基础研究以及地震预测研究等领域也得到了重视和应用，获得了一系列重要的研究成果(李方全和刘光勋，1986 ; Zoback et al., 1985 ; Zoback and Healy， 1992).

钻井各回次RQD(岩芯岩石质量指标，Rock Quality Designation)接近100％. 共完成了36段水压致裂测试，获得良好测试结果30段. 采用印模技术确定最大主应力方向，印模整体效果良好，裂隙对称分布，非常清晰. 测量曲线标准，关闭压力拐点清晰(图 2)，且各回次重复性较好，为获得可靠的地应力测试资料提供了保障. 其结果及最大主应力方向具体见表 1.

图 2

Fig. 2

图 2 水压致裂典型时间压力曲线(不同深度) Fig. 2 The curve of hydraulic fracture in different depth

表 1(Table 1)

表 1 海南乐东地应力测量结果 Table 1 The in situ measured stress in Ledong County, Hainan Province 序号 测量深度(m) SH(MPa) Sh(MPa) SV(MPa) 破裂方位 1 74.7 2.74 2.43 1.98 N73°W 2 80.5 2.83 2.53 2.13 3 86.5 4.23 3.44 2.29 4 91.4 6.56 4.37 2.42 N82°W 5 104.6 6.57 4.99 2.77 6 108.3 6.29 3.86 2.87 7 110.6 3.83 3.11 2.93 8 115.8 3.31 3.06 3.07 9 119.8 3.35 2.98 3.17 10 124.8 4.22 3.36 3.31 11 130.8 4.35 3.89 3.47 N64°E 12 135.2 4.40 3.61 3.58 13 140.8 3.84 3.54 3.73 14 159.3 5.41 4.39 4.22 15 173.8 5.34 4.50 4.61 16 194.8 4.97 4.83 5.16 N46°E 17 199.8 7.88 6.01 5.29 18 206.2 6.55 5.59 5.46 19 224.8 7.30 5.35 5.96 20 229.6 7.71 5.28 6.08 21 232.3 8.76 5.70 6.16 22 237.3 8.19 5.87 6.29 N56°W 23 250.2 10.41 6.48 6.63 24 265.0 6.61 4.83 7.02 25 267.3 9.36 6.12 7.08 26 270.7 7.85 5.47 7.17 27 274.3 8.22 5.82 7.27 28 281.1 11.29 7.52 7.45 N66°W 29 287.1 6.97 5.42 7.61 30 297.9 9.76 7.04 7.89 注：Sh-最小水平主应力；SH-最大水平主应力；SV-根据上覆岩石埋深计算的垂向主应力(岩石容重取26.5 kN·m-3).

表 1 海南乐东地应力测量结果 Table 1 The in situ measured stress in Ledong County, Hainan Province

根据表 1中列出的地应力测量结果，可得三个主应力随深度的变化曲线如图 3所示. 从中可以看出，在小于200 m深度内，主应力特征为S_H>S_h>S_V；大于200 m深度内，主应力特征为S_H>S_V>S_h. 总体上，应力场特征为以水平应力为主. 关于地应力方向，除中间两个测段以外，其余4个测段获得的水平最大主应力的方向均为NWW方向。对此，我们分析认为，在120~200 m 范围内S_H/S_h值介于1.03~1.12之间，水平应力主导趋势不明显，接近静岩压力状态，因为受岩体各向异性影响和随机性破裂的影响，因此该深度段内最大主应力方向分散性较强，出现了N64°E和N46°E，较大地偏离了最大水平主应力趋势方向. 综合考虑其余印模方向，可以确定最大主应力方向区间应为NW-NWW，这与吴满路和廖椿庭(2000)在九所—陵水断裂带南侧大茅山隧道采用压磁应力解除法测得两处测点最大水平主应力方向为N76°W和N79°W较为一致.

断层的应力状态和断层的活动性之间有着密切的关系，库伦准则表明如果断层面上的剪应力τ大于等于滑动摩擦阻力μσ_n，那么沿断层面将出现滑动，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. 用主应力改写库伦准则，并 引入有效应力的概念，最大与最小主应力之比可以 简单地表示为“摩擦系数”的函数： 式中，p为孔隙压力，σ₁，σ₃为外围最大与最小主应力. 若最大有效主应力与最小有效主应力之比小于此值则断层面稳定，若大于或等于此值则断层沿方位合适的面可能发生活动.

Byerlee综合各种岩石的试验资料得出，影响断层活动的断层摩擦系数μ与岩性无一定的相关性，当围岩压力力值小于200 MPa时，大部分岩石的μ 值在0.85左右，当围岩压力值大于200 MPa时，μ值取0.6左右，这一规则统称Byerlee准则(Byerlee，1978)，Byerlee准则在判别断层活动性方面得到地震学家和地球物理学家的认可，并作为利用地应力 分析断层活动性的基础(Jaeger et al., 2009; Scholz，2002). 当取μ分别等于0.6和1.0，考虑孔隙静水压力的影响，计算获得在Byerlee准则下的最大水平主应力的上限值和下限值(图 3)，钻孔测得最大水平主应力均远远小于引起断层活动性最大水平主应力值的下限，所以钻孔邻近区域的应力场强度较低，附近断层活动性较弱.

图 3

Fig. 3

图 3 主应力随深度变化曲线(a)和利用Byerlee准则判定附近断层活动性(b) Fig. 3 The curve of principal stress(a) and the Byerlee criteria curve(b)with depth

FMI(地层微电阻率扫描成像，Formation Micro-Imager)测井不但能够有效地识别岩性、构造、裂缝等地质信息，而且还可以从中提取钻井位置的地应力信息. 由于在钻井过程中，钻井液液压与井孔周围的地应力场不能够达到完全的平衡，所以会导致井壁产生诱发裂缝或井壁崩落，从而在井壁上出现与最大主应力方向一致的诱发张裂缝，或与最小主应力方向一致的井壁崩落(Zoback et al., 2003; Zoback，2007). 通过FMI测井资料提取和识别钻井过程中形成的诱发裂缝和井壁崩落的信息，从而判别井孔附近的最大主应力的方向，已成为地应力研究的一个重要手段.

近年来，在南海北部边缘海盆地中，进行了数量有限的FMI测井. 在此，对其中分别位于莺歌海和琼东南盆地的两口井进行了FMI资料解译(图 4)，尽管资料的品质不是很好，但是通过较为细致的辨析，获得莺 歌海的最大主压应力优势方位为NW-NNW向，琼东南的最大主压应力优势方位为NWW向(图 5).

图 4

Fig. 4

图 4 FMI测井井壁诱发裂隙和崩落特征 (a)井壁诱发裂隙；(b)井壁崩落. Fig. 4 The character of borehole breakout and drilling-induced fracture from FMI (a)Drilling-induced fracture；(b)Borehole breakout.

图 5

Fig. 5

图 5 FMI测井地应力信息提取 (a)莺歌海单井测井诱发裂隙及钻孔崩落显示最大主压应力方向(上)和最大主压应力方向统计图(下)；(b)琼东南单井钻井诱发裂隙及钻孔崩落显示最大主压应力方向(上)和最大主压应力方向统计图(下). 实心圆代表由钻孔崩落推断的最大主压应力方向； 空心圆代表由诱发裂隙推断的最大主压应力方向.n为样本数. Fig. 5 The stress information extracted from FMI (a)The maximum principal stress from the borehole breakout and drilling-induced fracture in one well of Yinggehai basin；(b)The maximum principal stress from the borehole breakout and drilling-induced fracture in one well of Qiongdongnan basin. The solid circle represents the result of the borehole breakout; the hollow circle represents the result of drilling-induced fracture.

数值模拟区域以南海北部区域为主，北部以NEE向的滨海断裂带附近为界，西部以红河—越东断裂带为界，南部以南海中央洋中脊为界，东部以马尼拉海沟为界. 沿着台湾与吕宋之间的马尼拉海沟形成了对中国南海板块和菲律宾海板块不同的构造作用. 根据构造环境特征确定模型边界条件和加载依据(范桃园等，2012)(图 6)，模型西部以红河—越东大断裂为界，边界条件为施加法向约束、切向自由的边界条件；北部以华南块体为界，给法向约束、切向自由边界条件；南部以南海洋中脊为界，进行法向张应力加载0.6 MPa；东部以台湾岛至吕宋岛的马尼拉海沟为界，该边界分为南部、中部、北部三段，南部为吕宋岛段，北部为台湾岛段，中部为两者之间的马尼拉海沟，南段和北段分别施加与法向挤压的应力，分别加载7 MPa和1.2 MPa，中段给与法向拉张的应力加载5.5 MPa. 模型采用均匀标准线性粘弹模型，细致地壳的流变结构成果(石耀霖和曹建玲，2008)为本文进行地应力场的数值分析 提供了直接的参数依据，其中杨氏模量E为5.0×10¹⁰Pa，泊松比ν为0.3，剪切松弛模量系数g_R(∞)=G_R(∞)/G₀，为0.2，弛豫时间τ为2.0×10¹²s.

图 6

Fig. 6

图 6 南海北部有限元网格模型及边界条件和加载 Fig. 6 The FE mesh model and the boundary condition and load

除了原地地应力测量和油气钻井深孔FMI测井解译地应力作为实测应力数据，震源机制解也能够反映震源区附近的地应力特征. 1994年12月31日和1995年1月10日在粤桂琼交界地区的北部湾海域相继发生了5.3、5.5级地震，震中位置分别为20°26′N，109° 21′E和20° 29′N，109° 21′E. 震源机制解显示最大主应力方向为NNW向. 在地应力观测数据约束条件下，采用平面应力有限单元进行模拟，初步模拟结果(图 7)表明，南海北部区域中现今构造应力场的环境整体上受到菲律宾板块、华南板块、印度—澳洲板块的控制，特别是菲律宾板块和南海块体的相互作用的影响，欧亚板块与菲律宾板块的边界作用沿着马尼拉海沟发生了转换.台湾岛和吕宋岛附近，由于受到台湾岛和吕宋岛的阻挡，发生了陆陆碰撞，而在台湾岛和吕宋岛之间，由于南海洋壳向菲律宾板块之下俯冲，向下俯冲的作用使得对南海板块产生了一定程度的拉张作用，因此使得南海北部的构造应力的水平最大主应力表现为在不同区域具有不同的方位，沿着南海北部滨海海域，西部莺歌海、琼州、珠江口区域的构造应力场以NNW-NW向为主，以东靠近台湾岛以EW-NEE向为主，模拟结果与华南现代构造应力场(参考中国地震局地壳应力研究所《中国大陆地壳应力环境基础数据库》)所显示的分布特征具有较高程度的可比性；在 海南岛区域从西北到东南，构造应力场由NNW向逐渐转为NWW向(图 8).

图 7

Fig. 7

图 7 南海北部区域构造应力场模拟结果(最大水平主应力方向) Fig. 7 The modeling result of tectonic stress in the northern South China Sea (the maximum principal horizontal stress)

图 8

Fig. 8

图 8 海南岛及其周边模拟构造应力场分布(最大水平主应力方向)其中，两个玫瑰花图展示了利用测井FMI资料分析获得的最大主应力方向，左下图为地应力测量活动的的最大主应力方向. Fig. 8 The modeling result of tectonic stress in the Hainan isl and and its sourounding region in northern South China Sea(the maximum principal horizontal stress) The tow rose diagrams show the direction of maximum principal stress deduced from the FMI，the image in the lower left corner show the the direction of maximum principal stress in situ measuring.

通过原地深孔水压致裂地应力测量和利用海域油气钻探测井FMI资料提取地应力信息，结合震源机制解所反映的地应力状态，有效地获取了南海北部局部区域的地应力观测数据. 原地应力测量表明，海南岛附近的水平最大主应力方向呈NW-NWW向，整体上控制着走滑性质的活动断裂的活动，应力作用强度低于断层活动的临界条件，断层的活动性较弱，地壳较为稳定. 在综合考虑南海海域北部区域地质结构和地球动力学背景的基础上，兼顾上述地应力观测数据的约束，对该区域现今地应力场进行了数值模拟分析. 数值模拟分析表明：(1)由于受印度板块、菲律宾板块和欧亚板块不同程度的影响，南海北部区域的地应力分布特征呈现了不同区域分化的趋势；(2)在靠近台湾岛区域，主要受到菲律宾板块与欧亚板块发生碰撞的影响，最大主应力方向为近EW向；(3)沿着滨海海岸带向西，由于受到欧亚板块在马尼拉海沟向下俯冲形成的拉伸作用，最大主应力的方向逐渐转换为SN向、NW 向. 由于模型的建立受到有限观测数据的限制，所以模拟结果还有有待于进一步完善，随着观测数据丰富，也会得出更为合理、细致的构造应力场分布特征.

致谢 感谢海南地质基础工程院在地应力钻孔施工方面所做的贡献！感谢美国哈佛大学CMT项目提供的震源机制解数据！感谢中国地震局地壳应力研究所提供的《中国大陆地壳应力环境基础数据库》！感谢匿名审稿人提出的宝贵意见和建议！