地应力作用下鸭绿江断裂带活动对丹东五龙背地热温泉的影响初析.pdf

引用格式：毛佳睿，马秀敏，孙尧，等，2023.地应力作用下鸭绿江断裂带活动对丹东五龙背地热温泉的影响初析 J.地质力学学报，29（3）：402416.DOI：10.12090/j.issn.1006-6616.20232909Citation:MAOJR，MAXM，SUNY，etal.，2023.PreliminaryanalysisoftheinfluenceoftheactivityintheYaluRiverfaultzoneontheWulongbeigeothermal hot springs in Dandongunder theactionofcrustalstress J.Journal of Geomechanics，29（3）：402416.DOI：10.12090/j.issn.1006-6616.20232909地应力作用下鸭绿江断裂带活动对丹东五龙背地热温泉的影响初析毛佳睿1,2,3，马秀敏1,2,3,4，孙尧1,2,3，姜景捷1,2,3，张文汇1,5MAOJiarui1,2,3，MAXiumin1,2,3,4，SUNYao1,2,3，JIANGJingjie1,2,3，ZHANGWenhui1,51.中国地质科学院地质力学研究所，北京100081；2.自然资源部北京地壳应力应变野外科学观测研究站，北京100081；3.自然资源部活动构造与地质安全重点实验室，北京100081；4.北京科技大学土木与资源工程学院，北京100083；5.中国地质大学（武汉）工程学院，湖北武汉4300741.Institute of Geomechanics,Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing 100081,China;2.Observation and Research Station of Crustal Stress and Strain in Beijing,Ministry of Natural Resources,Beijing 100081,China;3.Key Laboratory of In-situ Stress Measurement and Monitoring,China Geological Survey,Beijing 100081,China;4.School of Civil and Resources Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China;5.School of Engineering,China University of Geosciences(Wuhan),Wuhan 430074,Hubei,ChinaPreliminary analysis of the influence of the activity in the Yalu River fault zone on the Wulongbeigeothermal hot springs in Dandong under the action of crustal stressAbstract:TheYaluRiverfaultzoneisanessentialbranchoftheTanlufaultsystemwithintensepresent-daytectonicactivity.Over60hotspringsareexposedalongthefaultzonewithabundantgeothermalresources.Inordertofindoutthepresent-daycrustalstressstateandfaultactivityintheWulongbeiareaofthesouthernsectionofthefaultzoneandtostudythecontrolandlong-terminfluenceofthefaultactivityonthegeothermalwaterbodiesofhotsprings,in-situstressmeasurementsof12sectionswerecarriedoutintheareabyhydraulicfracturingmethod.Theresultsshowedthatthemaximumandminimumhorizontalprincipalstresses(SHandSh)rangefrom6.00to13.52MPaand3.18to7.26MPa,respectively,inthedepthrangeof36.80215.50meters.Ingeneral,thethreeprincipalstressesshowedanincreasingtrendwithdepth;inthemiddlesectionofthefracturezone(198.60207.80m),thethreeprincipalstressvaluesmeettherelationofSHSvSh,whichisfavorabletothestrike-slipactivityandhassomepotentialforwater-richhydraulicconductivity,whilethethreeprincipalstressvaluesoftheuppersection(36.80196.63m)andlowersection(215.50m)accordwithSHShSv,whichisfavorabletothereversefaultactivity,withpoorlongitudinalcontinuityofheatflowchannelsandpoor基金项目：中 国 地 质 调 查 局 项 目（DD20230249，DD20230014，DD20190546）；中 国 地 质 科 学 院 地 质 力 学 研 究 所 基 本 科 研 业 务 费（DZLXJK202106）ThisresearchisfinanciallysupportedbytheChinaGeologicalSurveyProjects(GrantsDD20230249,DD20230014andDD20190546)andtheBasicScientificResearchFundoftheInstituteofGeomechanics,ChineseAcademyofGeologicalSciences(GrantDZLXJK202106).第一作者：毛佳睿（1992），女，博士，助理研究员，主要从事区域地壳稳定性评价、工程地质与地质灾害等研究工作。E-mail：通讯作者：马秀敏（1978），男，在读博士，教授级高工，主要从事地应力测量及监测、地壳稳定性调查评价等研究工作。E-mail：收稿日期：20230228；修回日期：20230430；责任编辑：王婧第29卷第3期地质力学学报Vol.29No.32023年6月JOURNALOFGEOMECHANICSJun.2023hydraulicconductivity.Basedonthepresent-dayrelationshipbetweenstressfieldcharacteristicsandfaultactivity,itisdeducedthatthedeclineofthehotspringlevelintheWulongbeiareamaybeduetothefaultactivityundercompressivestress,which gradually reduced the space of the hydraulic conductivity system by extrusion,causing the increase ofdischargeofrunoffinotherdirectionsandthereductionofhotspringwatersupply.BasedontheCoulombfrictionalinstabilitytheory,thein-situstressvalueinthedepthrangeof36.80113.20minthefaultzonereachesthelowerlimitofthecriticalstressvaluerequiredforitsactivity.Thereisapossibilityofdislocationinthefuture,andthefaultactivitymaychangethehotspringgeothermalwatersupplychannel.Theresearchresultshavetheoreticalsignificanceinstudyingtheroleoffaultsincontrollinghotspringgeothermalwaterandapplyingin-situstressmeasurementsnearfaultzonesingeothermalresearch.Keywords:Yalu River fault zone；in-situ stress measurements by hydraulic fracturing method；crustal stress state；geothermalhotspring；faultactivity摘 要：鸭绿江断裂带为郯庐断裂系的重要分支，现今构造活动强烈，沿断裂带出露温泉 60 余处，地热资源丰富。为查明断裂带南段五龙背地区的现今地应力状态和断层的活动性，研究断裂活动对温泉地热水体的控制作用和远期影响，采用水压致裂法对该区开展了 12 个测段的原位地应力测量。测量结果显示，在测段深度 36.80215.50m 范围内，最大、最小水平主应力及垂直主应力值（SH、Sh、Sv）分别为6.0013.52MPa、3.187.26MPa 和 0.975.7MPa，总体而言，3 个主应力值呈现随深度的增加而逐渐增大的趋势，最大水平主应力方向以北东向为主；断裂带中段（198.60207.80m），主应力关系为 SHSvSh，有利于走滑型活动，具有一定潜力的富水导水条件，断裂带上段（36.80196.63m）及下段（215.50m），SHShSv，有利于逆断层活动，热流通道纵向连续性欠佳，导水条件较差；根据现今应力场特征与断裂活动的关系推演，五龙背地区温泉水位下降可能是因为断裂在压应力作用下活动，导水系统空间受挤压逐渐缩小，其他方向径流排泄增多，导致温泉水源供给减少；基于库仑摩擦失稳理论，断裂带36.80113.20m 深度范围内的地应力值达到了其活动需要的应力临界值下限，将来有可能发生错断活动，温泉地热水体的补给通道可能受到断裂活动的影响而发生改变。研究成果在断裂对温泉地热水体控制作用研究方面具有一定的理论意义，并积极探索了断裂带附近地应力测量在地热研究领域中的应用思路。关键词：鸭绿江断裂带；水压致裂地应力测量；地应力状态；地热温泉；断层活动性中图分类号：P315.72+7文献标识码：A文章编号：10066616（2023）03040215DOI：10.12090/j.issn.1006-6616.202329090引言鸭绿江是中朝两国的界河，沿江发育的鸭绿江断裂带是郯庐断裂系中的一个重要分支断裂，由数条相互平行的断裂构成（张国仁等，2006）。鸭绿江断裂带是中朝边境地区地震活动控制构造带，历史上在鸭绿江口发生过 2 次 M 6.0 级以上地震，现今构造活动仍较为强烈。断裂带附近有 60 余处温泉出露，地热资源十分丰富（孙焕朝，2018）。位于断裂带附近的丹东地区，地热温泉分布广、水质好，开发利用时间较早，该区著名的五龙背温泉已有一千多年的历史。然而，五龙背地区现有温泉井 28 眼，其中有 10 眼已经报废，自 20 世纪 80 年代起，温泉热水水位下降，多处自涌温泉不再涌水，需要人工抽水储存（宋文明，2016）。地热温泉水资源是辽东地区隆起储热区的一部分，原为丹东市的优势资源之一，现已探明其受北东向深部断裂构造影响（常婧莹，2014），但应力场作用下的断裂构造活动对温泉地热水体的控制作用仍有待研究。地应力状态是地球动力学研究的基本内容之一，是影响和控制断层活动的直接力源（王连捷等，1991；谭成轩等，2007，2019；孙叶等，2012；王成虎，2020），而断层对地热系统有着重要的控制作用，是热源和水源的双向通道。断裂带深度大，可以更好地沟通热源和水源，有利于形成温度更高的水热型地热系统；断裂带宽度大，可以形成更大体积的水热对流通道和热储层，有利于形成规模更大的地热系统（庞忠和等，2020）。地壳浅表层变形和内部构造活动及其由此导致的地热资源赋存运移状态的改变均与地壳应力状态密切相关。以往有关鸭绿第3期毛佳睿，等：地应力作用下鸭绿江断裂带活动对丹东五龙背地热温泉的影响初析403江断裂带的研究，主要集中在鸭绿江断裂带运动形式（刘如琦等，2006；张岳桥和董树文，2008；肖世椰等，2018）、构 造 演 化（张 国 仁 等，2006；潘 明 臣，2016）及其分段性特征（夏怀宽，1993；孙晓辉等，2010）等方面，缺少对断裂带内部实测地应力资料的分析，更鲜有对现今地应力状态、应力场作用下断层活动对温泉影响的研究。尽管学者们从不同角度对温泉形成进行了研究，但主要针对地热的类型（Reed,1982,1983；陈墨香等，1996）、分布（马晓东等，2014；闫佰忠，2016；拓明明等，2018，张云辉，2018）、补 给 和 循 环（White,1968；Uzellietal.,2017；Massiotetal.,2017；王洁青等，2017；张晗彬等，2018；任宪军，2018）水化学特征（Cuocoetal.,2017;陈鹏，2018；郭宁等，2019；王源，2020）等方面，对于影响地热水体运移的构造条件，特别是基于地应力背景从断层活动对温泉区导水构造的影响方面认识尚为欠缺。基于此，文章通过在鸭绿江断裂带南段开展地应力测量，获取了原位地应力实测值，为查明鸭绿江断裂带现今地应力状态、活动特征及其潜在发展趋势，分析断裂活动对温泉地热水体的控制作用提供了动力学依据。1研究区概况 1.1区域地质背景鸭绿江断裂带整体走向 NE45NE50，全长约 900km，宽 1030km，由数条相互平行的断裂构成，主干断裂基本上被江道占据，在中国一侧沿丹东、接梨树、四道沟、古楼子、拉古哨、腰岭子、绿江村等地出露，向北经黑龙江省进入俄罗斯境内，向南跨北黄海与山东境内的阜平即墨断裂相连（张国仁等，2006），是中国东北地区的大型断裂带之一（Xuetal.，1987；董南庭等，1989）。该断裂带位于辽东狼林隆起带中，将地块一分为二，东侧为狼林地块，西侧为辽吉裂谷带，自南向北穿过龙岗地块（图1）。断裂带控制了一系列伸展盆地的发育，自南西向北东分别有丹东盆地、古楼子盆地、茧场沟盆地、绿江村盆地、凉水盆地、麻线沟盆地以及集安盆地（夏怀宽和许东满，1993；Liuetal.，2011)。断裂切割了太古界、元古界和中生界，但主要是错切了中生界和中生代岩浆岩，并控制了中生代断陷盆地的形成和新生代玄武岩浆的喷溢活动，断裂在长期的发育过程中力学性质多次发生变化，但总体上以压扭性质为主（Wangetal.，2003；朱光等，2003；胡惟等，2013；严 乐 佳 等，2014；Liu et al.，2015；Gu et al.，2017）。第四纪以来，鸭绿江断裂带一直处于活动状态，控制着 300km 的鸭绿江河道，沿断裂带发育着断层陡崖，其中以鸭绿江断裂南段东、西支断裂的活动性尤为清楚。该断裂带沿线，近代多次发生过 MS56 级以上地震（钟以章等，2012；万波等，2013），强度最大的是 1944 年在鸭绿江口发生的 MS6.75 级地震（夏怀宽和许东满，1993）。1.2温泉地热情况温泉是一种由地下自然涌出的水温高于当地年平均气温的泉水。由于分支断裂的发育和地壳结构的破碎，地表水渗入地下，在深部热源区加热后，沿断裂或相应通道上升至地表，从而形成温泉（蔺文静等，2013；董月霞等，2021；屈泽伟等，2021）。鸭绿江断裂带长期的构造活动造就了现今的线性地貌特征，其邻区以山地和丘陵为主，境内有丰富的水资源，沿断裂带或于断裂构造的交汇处常有温泉出露，发育模式以基岩裂隙水为主，如辽阳附近的千山、汤岗子温泉，岫岩的宝山汤池、仙人咀温泉，凤城山东沟、东汤温泉，以及丹东附近的五龙背、炮守营温泉等（图 2）。其中，丹东地区已知温泉数占全省温泉总数的五分之一，是我国地热资源十分丰富的地区（孙焕朝，2018），其自然流量位居全省第三，主要温泉出露情况见表 1。2鸭绿江断裂带原位地应力测量为探明鸭绿江断裂带现今活动特征及其潜在的活动发展趋势，进而综合分析地应力控制下的断裂带活动对邻区的温泉水体运移及储量变化的影响，通过实地调查地形地貌、地层岩性及活动构造，在辽宁省丹东市振安区五龙背镇开展了水压致裂法 原 位 地 应 力 测 量。该 地 应 力 钻 孔（124.2397E，40.2596N，孔深：235m）位于鸭绿江断裂带与桓仁庄河断裂带之间，距丹东市约 20km，距鸭绿江直线距离约 10km（图 1）。综合地应力监测探头安装深度 234.5m，钻孔所在场地较为平整，基础稳定性相对较好。2.1地应力测量结果根据水压致裂地应力测量条件，结合钻孔地质404地质力学学报https:/2023编录、节理裂隙统计、钻探岩芯的岩石质量指标（RQD）以及岩石的力学性质等，进行了系统的地应力 测 量，成 功 获 取 了 12 段 压 裂 测 试 曲 线（图 3）。根据压裂测试曲线的初步分析，考虑测量结果随深度分布的合理性和科学性，选取了 3 个压裂峰值明显的压裂段进行印模定向，以确定钻孔附近地壳浅表层现今最大水平主应力方向，典型深度段水压致裂测量曲线与测试结果见图 3 和表 2。从获得的压裂曲线来看，12 个测段均符合标准的压裂特征，其压力时间记录连续、关系明确，破裂压力峰值明显，F1鸭绿江断裂带；F2蚂蚁岭五龙背断裂；F3黄土坎大堡断裂图1研究区地理位置及地质构造简图Fig.1GeographicallocationandtectonicdiagramofthestudyareaF1YaluRiverfaultzone;F2MayilingWulongbeifault;F3HuangtukanDabaofault第3期毛佳睿，等：地应力作用下鸭绿江断裂带活动对丹东五龙背地热温泉的影响初析405各个重张循环可重复性很强，且具有良好的一致性。根据水压致裂法地应力测量基本原理，测段（压裂段）受到水力压裂而产生的破裂面走向就是最大水平主应力方向。为确定该孔具有代表性的测段主应力方向，通过分析压裂曲线特征，选出了36.80m、159.70m 和 215.50m 测段完成了印模定向（图 4）。定向结果表明，各测段最大水平主应力方向分别为 NE58.94，NE80.53和 NE77.78，测区最大主应力方向以北北东向为主。2.2主应力大小随深度变化规律虽然地应力大小在钻孔的不同深度并不一致，但整体上看，地应力数据的水平应力大小相差不大。为了便于对不同深度处的地应力数据进行对比，将 12 个测段的主应力测值进行线性回归，得到钻孔最大水平主应力（SH）、最小水平主应力（Sh）线性回归方程（公式 1，公式 2）：SH=0.022H+6.70R2=0.7981（1）Sh=0.016H+3.26R2=0.8135（2）其中，H钻孔深度（向下为正），m；R2回归相关系数；Sh、Sh，MPa。从主应力随深度变化趋势可知，整体上而言，测试深度内测段主应力表现出随深度增加而逐渐增大的趋势，局部（144.70198.60m）应力值随深度增加出现减小的趋势（图 5）。岩石圈断裂 壳断裂 弧形断裂地名温泉12330E12400E12430E12300E12330E12400E12430E12300E断裂编号4120N4100N4040N4020N4000N4120N4100N4040N4020N4000N千山温泉汤岗子温泉同泉温泉本溪县汤沟温泉赛马镇灌水镇连山关镇隆昌镇青城子镇岫岩暖泉温泉刘家河北汤温泉宽甸镇长甸镇丹东市五龙背温泉东汤温泉凤城市宝山汤池温泉茧厂岭温泉沟汤温泉岫岩县仙人咀温泉丹东市02040 km山东沟温泉炮守营辽阳弧形断裂；寒岭偏岭断裂带；海城草河口断裂带；庄河桓仁断裂带；刘家河青堆子断裂带；四平街凤城断裂带；鸭绿江断裂带；海城析木城岫岩断裂带图2主要断裂构造与温泉发育关系图（据李文庆，2015 修改）Fig.2Mapshowingtherelationshipbetweenmainfaultsandhotsprings(modifiedfromLi,2015)Liaoyangarc-shaped fault;HanlingPianling fault zone;HaichengCaohekou fault zone;Zhuanghe Huanren fault zone;LiujiaheQingduizifaultzone;SipingjieFengchengfaultzone;YaluRiverfaultzone;HaichengximuchengXiuyanfaultzone406地质力学学报https:/20233鸭绿江断裂带构造活动对温泉的控制作用断裂构造既是热储层的重要热力通道，又是地下水的重要补给通道，对温泉分布具有明显的控制作 用（罗 来 麟,1994；李 学 伦 等，1997；程 先 锋 等，2008）。岩体热储来源于刚性结晶基底对地壳深部（上地幔）热的传导作用，深大断裂则是地下热源上涌的主要通道，张性断裂为导水通道，压扭性断裂表1鸭绿江断裂带温泉状况Table1ListofhotspringsintheYaluRiverfaultzone温泉名称出露位置采水量/(m3d1)水温/温泉井数（利用数/总数）五龙背振安区五龙背镇23007213/19炮守营元宝区炮守营村700534/4东汤凤城市东汤镇2400732/2草河凤城市草河经济区580400/6宝山凤城市宝山镇120461/1北汤凤城市刘家河镇/451/2汤池子东港市汤池镇/381/2北井子东港市北井子镇240531/1椅圈东港市椅圈镇200713/3合计/6990/26/3920151050510152020181614121084260压力/MPa流量/(L/min)时间（hh:mm:ss）（a）第 1 段压裂曲线（36.8037.60 m）座封压力压裂压力瞬时流量23:4423:4523:4723:4823:4923:5123:5220151050510152020181614121084260压力/MPa流量/(L/min)时间（hh:mm:ss）（b）第 2 段压裂曲线（86.8887.68 m）座封压力压裂压力瞬时流量1:101:121:131:141:161:1720151050510152020181614121084260压力/MPa流量/(L/min)时间（hh:mm:ss）（c）第 3 段压裂曲线（92.2293.02 m）座封压力压裂压力瞬时流量1:231:241:261:271:2920151050510152020181614121084260压力/MPa流量/(L/min)时间（hh:mm:ss）（d）第 4 段压裂曲线（101.68102.48 m）座封压力压裂压力瞬时流量2:302:322:342:352:3620151050510152020181614121084260压力/MPa流量/(L/min)时间（hh:mm:ss）（e）第 5 段压裂曲线（113.20114.00 m）座封压力压裂压力瞬时流量3:113:123:143:153:173:1820151050510152020181614121084260压力/MPa流量/(L/min)时间（hh:mm:ss）（f）第 6 段压裂曲线（132.85133.65 m）座封压力压裂压力瞬时流量4:224:234:244:294:334:274:324:264:30第3期毛佳睿，等：地应力作用下鸭绿江断裂带活动对丹东五龙背地热温泉的影响初析407表2地应力钻孔水压致裂地应力测量结果Table2Resultsofthein-situstressmeasuredbyhydraulicfracturingmethodinthetestborehole测段深度/m破裂压力Pb/MPa重张压力Pr/MPa瞬时关泵压力Ps/MPa抗拉强度T/MPa孔隙水压力P0/MPa最大水平主应力SH/MPa最小水平主应力Sh/MPa垂直主应力Sv/MPa最大主应力方向36.807.014.422.822.590.366.003.180.97NE58.9486.887.395.584.221.810.859.295.072.3092.226.735.453.871.280.908.644.772.44101.6812.518.086.264.431.0013.527.262.69113.207.836.164.911.671.1110.936.023.00132.8510.985.613.855.371.309.005.153.52144.7012.408.925.493.481.4212.406.913.83159.708.745.073.683.671.578.935.254.23NE80.53196.636.684.883.331.801.938.595.265.20198.605.013.662.211.351.956.374.165.25207.807.574.632.952.942.047.944.995.50215.509.915.784.244.132.1110.596.355.70NE77.78注：地应力测量孔静水位5.63m20151050510152020181614121084260压力/MPa流量/(L/min)时间（hh:mm:ss）（k）第 11 段压裂曲线（207.80208.60 m）座封压力压裂压力瞬时流量19:2319:2419:2619:2619:2919:3020151050510152020181614121084260压力/MPa流量/(L/min)时间（hh:mm:ss）（l）第 12 段压裂曲线（215.50216.30 m）座封压力压裂压力瞬时流量19:4319:1519:1619:1819:4919:5020151050510152020181614121084260压力/MPa流量/(L/min)时间（hh:mm:ss）（i）第 9 段压裂曲线（196.63197.43 m）座封压力压裂压力瞬时流量18:3618:3718:3818:4018:4120151050510152020181614121084260压力/MPa流量/(L/min)时间（hh:mm:ss）（j）第 10 段压裂曲线（198.60199.40 m）座封压力压裂压力瞬时流量18:5018:5118:5318:5418:5618:5720151050510152020181614121084260压力/MPa流量/(L/min)时间（hh:mm:ss）（g）第 7 段压裂曲线（144.70145.50 m）座封压力压裂压力瞬时流量5:295:315:325:355:385:345:365:3920151050510152020181614121084260压力/MPa流量/(L/min)时间（hh:mm:ss）（h）第 8 段压裂曲线（159.70160.50 m）座封压力压裂压力瞬时流量6:316:336:346:366:376:38图3地应力钻孔各测量段水压致裂曲线特征线特征Fig.3Curvesofin-situstressmeasuredbyhydraulicfracturingmethodinthetestborehole408地质力学学报https:/2023具有一定的阻水作用，控制着地热水体的边界（易世友，2016；范艳霞等，2022）。大气降水和地表河流补给的地下水在沿着断层破碎带及岩石裂隙带径流过程中，与地下热源进行了充分的热交换后形成温泉，而位于花岗岩岩体之上的新近纪和第四纪地层是隔水层和保温盖层，使热能得以保存和聚集（张献文等，2022）。研究区的温泉出露点主要集中在鸭绿江断裂带西侧，现已探明五龙背地区温泉是受深部断裂构造控制的“深循环型热水”（李良振，2020），全部地热水资源属于断裂型（常婧莹，2014），数量庞大的中生代花岗岩岩体作为热储岩石提供了相对稳定可靠的热源（李文庆，2015；李天舒等，2020；钟振楠等，2021）。另外，五龙背地区属脉状承压水，其补给区并非在当地，而是接受了区域大面积大气降水补给，沿着某些裂隙、断裂进行了远距离运移（张作佳，1985）。因此，研究区温泉的水温和水量受断裂构造的直接控制。3.1鸭绿江断裂带现今活动特征对温泉的影响3.1.1现今应力场对断裂的控制作用断裂活动是岩石内部应力聚集达到一定程度后，岩石突然发生变形、破坏的外在表现。地应力状态与断层活动性之间存在着密切的联系（杜建军等，2013）。地应力大小受岩石完整程度、地形地貌、局部构造的影响差异性较大。同一孔内，在完整孔段，地应力值较高，在节理、裂隙发育孔段地应力值较低（彭华等，2011；师修昌等，2014）。Anderson断层理论表明，当最大、最小和垂直 3 个主应力的关系分别为 SHShSv、SHSvSh和 SvSHSh时，对应的主应力关系有利于逆断层、走滑断层和正断层活动（Anderson，1951）。由鸭绿江断裂带地应力钻孔的 12 段压裂和3 段印模的地应力测量数据可知：钻孔地应力测段深度 36.80215.50m，最大水平主应力值为 6.0013.52MPa，最小水平主应力值为 3.187.26MPa，主应力大小之间的关系为 SHShSv。从主应力大小随深度的变化曲线可以看出，在深度 100m、150m 处出 现 了 明 显 的 应 力 集 中 现 象，其 中 在 36.80196.63m 深度范围内，三个主应力关系为 SHShSv，有利于逆断层活动；孔深 198.60207.80m 范围内，表现为 SHSvSh，表明该层位的应力结构属于走滑型；孔深 215.50m 处，主应力则表现为 SHShSv，属于逆断应力状态，有利于逆断层活动。因鸭绿江断裂带处于长期活动状态，伴随不同地质时期应力场的改变，断裂带的力学性质也发生相应的变化。在现今应力场作用下，鸭绿江断裂带（F1）具有左行走滑活动特点，其西侧相邻的蚂蚁岭五龙背断裂（F2）也表现为左行走滑活动，黄土坎大堡断裂（F3）为右行走滑活动（张国仁等，2006；李00090 18027027090 18027090 180NNN深度 36.80 m裂缝方位 NE58.94基线方位 147.89深度 159.70 m裂缝方位 NE80.53基线方位 129.66深度 215.50 m裂缝方位 NE77.78基线方位 15.48裂缝基线裂缝基线裂缝基线图4地应钻力孔印模定向结果Fig.4TheimpressionorientationresultsinthetestboreholeSvShSH应力/MPa深度/m020406080100120140160180200220024681012图5地应力钻孔主应力大小随深度分布Fig.5Distributiongraphshowingtheboreholestresswithdepth第3期毛佳睿，等：地应力作用下鸭绿江断裂带活动对丹东五龙背地热温泉的影响初析409吉焱等，2013；张帅，2019）。位于鸭绿江断裂带西侧的五龙背温泉区在区域应力场控制下的断层活动中，处于压应力状态（图 6）。N五龙背地区F3F2F1早中更新世断裂晚更新世断裂全新世断裂应力方向F1鸭绿江断裂带；F2蚂蚁岭五龙背断裂；F3黄土坎大堡断裂图6丹东五龙背温泉区断裂活动概化图Fig.6Schematic diagram showing the fault activities in theWulongbeihotspringareaF1 Yalu River fault zone；F2 Mayiling Wulongbei fault；F3 HuangtukanDabaofault3.1.2断裂活动特征对温泉的控制作用由现今实测地应力值可知，鸭绿江断裂带的构造应力状态在深度上具有明显的分段性，导致上下构造变形发生一定程度的解耦（图 7）。断裂带上段（36.80196.63m）为逆冲力学性质，呈叠瓦状近似平行排列，多表现为压性。断层之间发育褶皱，虽具有一定的走滑分量，增加了降雨补给的可能性，但逆冲断构造导致地热储层的纵向连续性较差，同时将潜在的盖层切割，使得水热型地热系统的储层和盖层条件较差，进而导致地层岩性和断裂的渗透性变差（图 7a）；断裂的中段（198.60207.80m）为走滑力学性质，使该断裂在相应深度具备裂隙型地下水运移的条件，且能够在深部汇聚收敛，不同程度上成为地下水补给和储存空间，为温泉热水的供给创造一定的条件（图 7b）；其下段（215.50m），仍为逆冲断层应力结构，不利于水热型地热系统形成（图7c）。综上，鸭绿江断裂带及其邻区现今裂隙型热储在北东向走滑断裂上存在一定的潜力，而北东向逆冲型应力结构导致地层的导水导热条件较差。3.1.3断裂控制作用下温泉水位下降分析鸭绿江断裂带附近著名的丹东五龙背温泉已有一千多年的历史，如今却发生了很大变化。五龙背温泉区现有温泉井 28 眼，其中 10 眼已报废，可正常使用 13 眼，备用 5 眼，年开采能力为 76104100104吨，温泉水的自给量为 8010490104吨（常婧莹，2014）。20 世纪 80 年代，五龙背温泉水仍处于地表自涌状态；21 世纪初，地热区温泉水位下降，如今枯水期温泉水位降至 29m，原来的自涌温泉不再涌水，需要依赖人工抽水储存利用。通过人工干预，五龙背地区的温泉水位基本处于 14m 左右（于正兵和宋振坤，2007）。据温泉资源现状分析，温泉水位下降与当地热水的过量开采和缺少回灌有直接关系。但是，有数据显示，1990 年的温泉水年开采量是76104m3，2003 年的年开采量是 59104m3，虽然 2003 年的年开采量已降低了 17104m3，但是却与 1990 年的月平均静水位过程线的变化几乎重合（孙境姝和邓力实，2008）。究其原因，开采当地热水不是温泉水位下降的唯一诱发因素，推测还可能是断裂活动对温泉区储热导水条件进行了改造，断裂活动导致地逆冲断裂挤压裂缝111111Na挤压裂缝走滑断裂Nb运动方向c逆冲断裂挤压裂缝N1一最大水平主应力a上部 36.80196.63m；b中部 198.60207.80m；c下部 215.50m图7鸭绿江断裂带及其邻区构造应力场随深度变化Fig.7DiagramshowingthetectonicstressfieldoftheYaluRiverfaultzonewithdepth(a)Upperpart(36.80196.63m);(b)Middlepart(198.60207.80m);(c)Lowerpart(215.50m)1themaximumhorizontalstress410地质力学学报https:/2023热水资源流失、热流体运移通道受阻所致。根据钻孔揭露地层资料，五龙背温泉区主要热储由花岗岩裂隙网络构成，盖层为第四系松散