先存断层对地应力演化及微震分布的影响

Effect of Pre-Existing Faults on Spatio-Temporal Evolution of In-Situ Stress and Microseismic Distribution

摘要

金属矿山微震的发生与地应力场及微裂隙的时空演化密切相关.广东韶关凡口铅锌矿记录的微震存在一个显著特点，即微震多发生于矿区先存断层的周缘，而非集中于断层带上.这可能是由于先存断层影响周缘应力累积，进而诱发微裂隙并导致微震发生.为了检验这一想法，应用米级尺度的高分辨率热-力学耦合三维地球动力学数值模拟，考虑地下的温度结构，系统探讨正向演化过程中先存断层对周缘应力场分布的控制作用，进而探讨微震发生的可能性.模拟结果显示，先存断层会扰动应力场分布，在其周缘形成高应力带，进而可能会诱发微裂隙并导致微震发生.先存断层的宽度、数量、几何形态、倾角等都会影响其周缘应力场的分布，但是不会改变在先存断层周缘形成高应力带的特点.基于模拟结果，认为先存断层扰动应力场在其周缘形成高应力带是广东韶关凡口铅锌矿微震触发的一个可能原因，合理解释了凡口矿区微震多发生于断层面之外的特征，建议在断层F3与地层交汇处加强微震监测，为矿山微震灾害预测提供参考.

Abstract

The occurrence of microseisms in metal mines is closely related to the spatio-temporal evolution of in-situ stress fields and microfractures. The microseisms recorded at the Fankou Lead-Zinc Mine in Shaoguan, Guangdong Province, exhibit a notable characteristic: they mostly occur around the pre-existing faults in the mining area rather than concentrating on the fault zones themselves. This phenomenon may be attributed to the fact that pre-existing faults affect stress accumulation in their surrounding areas, which in turn induces microfractures and triggers microseisms. To verify this hypothesis, this study innovatively applies a meter-scale, high-resolution 3D geodynamic numerical simulation of thermo-mechanical coupling. By considering the underground temperature structure, the study systematically investigates the controlling effect of pre-existing faults on the distribution of the surrounding stress field during the forward evolution process, and further explores the possibility of microseism occurrence. The simulation results show that pre-existing faults disturb the distribution of stress fields, forming high-stress zones in their surrounding areas, which may subsequently induce microfractures and lead to microseisms. Factors such as the width, number, geometric shape, and dip angle of pre-existing faults all influence the distribution of the stress field around them, but they do not alter the characteristics of high-stress zone formation in the vicinity of pre-existing faults. Based on the simulation results, this study concludes that the disturbance of stress fields by pre-existing faults (which leads to the formation of high-stress zones around them) is a potential cause for the triggering of microseisms at the Fankou Lead-Zinc Mine in Shaoguan, Guangdong Province. This conclusion reasonably explains the characteristic that microseismsic in the Fankou mining area mostly occur outside the fault planes. It is suggested that microseismic monitoring should be strengthened at the intersection of Fault F3 and the stratum, so as to provide a reference for the prediction of microseismic hazards in mines.

Graphical abstract

关键词

应力场 / 时空演化 / 金属矿 / 微震 / 工程地质学.

Key words

stress field / spatio-temporal evolution / metal mine / microseismic engineering geology

0 引言

金属矿山的微震往往呈现出数量多、震级小的特点（Ma et al.， 2018； 孟上九等， 2024），其发生也受到背景地应力场的时空演化影响（刘建坡， 2011； 张月征， 2016）.广东韶关凡口铅锌矿的微震检测系统记录了自2017年以来的微震数据，这些数据的空间分布呈现了一个显著特点，即微震多发生于矿区主控断层（F3高角度逆冲断层，图1）的周缘，在其上盘和下盘均有分布，并且与断层面有一定距离.该主控断层的断层带宽度较小，局部最宽处仅20余m（张新社， 2010； 王晶， 2011； 汪礼明等， 2022），周缘微震与断层带的距离往往在几十米到上百米，显著偏离断层带.该微震监测系统所记录的微震事件点定位误差在10 m以内（郭玉豹等， 2015）.因此，凡口铅锌矿的部分微震事件没有发生在主控断层带上，而是位于断层周缘（图2）.先存断层是否会扰动地应力场进而诱发微裂隙并导致微震发生？目前，对于这一想法依然缺少系统、定量的认识.

金属矿微震事件的发生常与矿区应力场的变化有关（Feng et al.， 2017； Foulger et al.， 2018； Shen et al.， 2020； Du et al.， 2023）.影响金属矿应力场变化的原因主要有两种，一种是由采矿活动诱发的局部应力再分配，一种是由先存地质构造主导的区域构造应力场动态调整（齐庆新等， 2003； 李永靖等， 2004； 陆振裕等， 2012； 王涛等， 2014； 李泽宇， 2022）.在地质构造因素中，先存断层可能会影响应力场的时空演化，是影响微震发生的一个重要因素（He et al.， 2017； 赵毅鑫等， 2018； Cai et al.， 2021； Yang et al.， 2024）.南非和加拿大的金属矿微震数据显示（Morissette et al.， 2017； Glazer， 2018），部分微震事件多发生于先存断层的交汇区域，而非均匀分布于工程开采区域或单一断层上，这一观测现象指出了应力在断层间的迁移与聚集作用可能与先存断层存在着紧密的联系.断层在长期演化过程中在其周缘产生复杂的先存应力状态、不同产状及规模的先存断层对区域应力的影响程度亦不相同（Snelling et al.， 2013； Castellanos et al.， 2015； Zhang et al.， 2015）.先存断层周缘可能会累积应力、改变应力场（林远东等， 2012； Zhang et al.， 2021），近断层采矿活动引起的应力扰动可能会触发断层系统的动态响应、导致构造应力的变化和构造应变能的释放，从而引发矿震或岩爆（Islam et al.， 2009； Sainoki et al.， 2014； Li et al.， 2016； Mgumbwa et al.， 2017）.

断层动态触发机制受几何参数（如倾角、宽度）的定量调控：逆断层在高水平应力下更易形成局部应力集中条带，导致微震偏离断层带（Kong et al.， 2022）；断裂的多尺度几何属性（如宽度≤20 m）则通过分形控制应力渗透性，形成微裂隙优势发育区（de Joussineau， 2023）.流体-断层耦合研究表明孔隙压力（Pf）升高可降低有效应力，触发慢滑移与微震互响应（Maghsoudi et al.， 2018）.大尺度的三维地质力学模型通过整合原位应力与震源机制数据，能更精确量化断层倾角与宽度对区域应力分布的影响.然而，目前仍缺乏针对金属矿山小尺度断层的系统性建模，特别是在高角度逆断层（如凡口铅锌矿区F3断层）的影响下，几何参数如何影响周缘应力场再分配，进而诱发微震，尚未有研究解决这一关键工程问题.

本文应用前沿的、热-力学耦合的三维地球动力学模拟程序I3ELVIS（Gerya， 2013），构建了高精度的三维数值模型，系统探讨随时间正向演化过程中先存断层对周缘地应力场分布的影响作用.模拟结果揭示了先存断层会影响周缘应力场，并形成高应力条带.模拟结果为理解凡口铅锌矿微震分布规律提供了重要理论依据.

1 广东凡口矿地质与微震背景

广东韶关凡口铅锌矿构造位置处于南岭成矿带上，地处华夏板块内部，受印支-燕山期逆冲推覆构造控制（汪礼明等， 2022）.是中国最为典型的“一大二富、三集中、四隐伏”的超大型金属矿（刘德利等， 2006； 张术根等， 2009），矿区所在区域构造应力背景场的主要优势方向为NW-NWW向，超声波井下电视扫描显示最大主应力优势方位为N77°W，这一应力场源于印度-欧亚板块碰撞的远程效应（Du et al.， 2023）.凡口铅锌矿是多因富成矿床（王力等， 2003； 祝新友等， 2013）.矿区历经了加里东期、燕山期和印支期多阶段构造演化运动， 地质构造复杂， 褶皱构造强烈，断裂构造发育，主要构造以北北东向逆断层的断裂构造为主，该断层规模大、南东倾向，延长十多千米，为本区铅锌矿、铜矿、钨钼矿等多金属矿床的主要控矿构造.按断裂走向大致可将矿区内的断裂分为北北东向、北北西向、北东向、北东东向4组断裂；主要发育有3组断裂：北北西向的F203断裂为矿区内规模最大的断裂，F203断裂发育于凡口复式向斜南西翼的次级褶皱狮岭背斜与田庄向斜交接部位，延长2 000 m，延深800 m以上，破碎带宽最大达数十米，倾斜错距最大达到近800 m，为本矿区最大规模的断裂带；F3、F4、F5、F6等为矿区内主要的控矿断层，其中F3的断距平均73 m、最大100 m，倾角约为65°~85°、断层破碎带常见（蔡锦辉等， 2011； 韩英等， 2011； 姚翠霞， 2014； 原桂强等， 2019； 汪礼明等， 2022）.

区段内出露寒武系、泥盆系、石炭系、第四系地层（何俊飞， 2013）.岩层整体走向为北北西向，倾向为北东（图2~4）.地层序列从老到新依次为：寒武系八村群（ bc）、中下泥盆统桂头群（D_1-2gt）、中泥盆统东岗岭组（D₂d）、上泥盆统天子岭组（D₃t）、上泥盆统帽子峰组（D₃m）、下石炭统孟公坳组（C₁ym）、中上石炭统壶天群（C₂₊₃ht）第四系（Q）.矿体赋存于中泥盆统东岗岭组（D₂d）、上泥盆统天子岭组（D₃t）、下石炭统（C₁）、中上石炭统壶天群（C₂₊₃ht）等含矿地层中，主要含矿层位为中泥盆统东岗岭组上亚组（D₂db）和上泥盆统天子岭组（D₃t）（卢焕章， 1984； 赖应篯， 1988； 邱小平， 1991； 林绍标， 1998； 梁新权等， 2009； 原桂强， 2016）.

凡口矿区2017年1月至2023年6月期间共记录到微震14 899次.微震事件在空间上呈现出明显的聚集性，主要聚集在断层F3、F4周围（图1a）.在水平方向上，微震分布呈现出沿东北-西南走向的条带状展布，与矿区主控断层F3和F4的走向高度一致（图1b， 图2a）.微震事件的震级主要集中在较低的范围，震级大于等于0.2的仅有110次，占总事件数的0.74%. 2017—2023年，微震事件的累积次数呈现出明显的增长趋势，大部分微震集中在400~600 m深度范围内，图中蓝色曲线表示的周平均深度总体保持稳定在地下500~600 m深度范围内（图1c）.频次分布呈现出典型的 Gutenberg-Richter 定律特征，即低震级事件数量众多，高震级事件数量较少，且两者之间遵循一定的幂律关系（图1d）.2017—2023年，微震事件的主要深度范围为400~600 m.微震事件的竖向剖面投影显示大部分微震依附在断层F3两侧（图2b， 2c），断层F3可能对微震活动起到控制作用.对14 899个微震事件与断层F3的距离统计分析，65%以上的微震集中在断层F3两侧100 m空间范围内（图2d）.

微震时空分布显示，主控断层F3和F4，尤其是F3断层，对微震活动起着关键的控制作用.微震的平面投影沿断层带呈明显的条带状分布、竖向剖面投影中也与断层F3存在空间依附关系，主控断层F3周围必然是微震活动的主要源区.然而，断层构造会如何扰动应力场进而影响微震的时空分布，亟待进一步的应力模拟研究来解答.

2 三维热-力学耦合模型

2.1　控制方程

本文开展的三维地球动力学数值模拟是建立在3组控制方程基础上，即质量守恒、动量守恒、和能量守恒方程（公式（1）~（3））.模型应用有限差分算法来求解偏微分方程，同时使用网格粒子法来实现物质的变形和运移.

（1）质量守恒方程：

\frac{\partial v_x}{\partial x}+\frac{\partial v_y}{\partial y}+\frac{\partial v_z}{\partial z}=\mathrm{0},(1)

式中： x、y、z指示模型水平与垂直坐标方向；v_x、v_y 和v_z 分别对应ｘ、ｙ和z方向的速度.

（2）动量守恒方程：

\frac{\partial {\sigma }_{ij}}{\partial x_i}-\frac{\partial P_i}{\partial x_i}=-\rho g_i,(2)

式中:P为压力；g为重力加速度；\sigma为偏应力张量；\rho表示物质的密度.

（3）能量守恒方程：

\rho C_p\frac{DT}{Dt}=\frac{\partial }{\partial x_i}\left(k\frac{\partial T}{\partial x_i}\right)+H_r+H_s+H_a+H_L,(3)

\mathrm{式中}:C_{\mathrm{p}}代表热容，T为温度，k为热导率，H_{\mathrm{r}}表示放射性生热率，H_{\mathrm{s}}={\sigma }_{ij}{\dot{ϵ}}_{ij}表示剪切生热率，H_{\mathrm{a}}=T_{\mathrm{\alpha }}{D}_{\mathrm{p}}/D_{\mathrm{t}}表示绝热生热率，H_{\mathrm{L}}表示潜热生热率.

2.2　黏-塑性流变学性质

本文采用粘-塑性耦合的数值模型.模型中黏性流变模型表达为：

{\eta }_{\mathrm{d}\mathrm{u}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{i}\mathrm{l}\mathrm{e}}={{\dot{\epsilon }}_{II}}^{\frac{\mathrm{1}-n}{n}}{A}^{\frac{-\mathrm{1}}{n}}\mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p}(\frac{E_a+P{V}_a}{nRT}),(4)

式中： {\eta }_{\mathrm{d}\mathrm{u}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{i}\mathrm{l}\mathrm{e}}为韧性黏滞系数，{\dot{\epsilon }}_{II}为应变速率的第二不变量，n为应力指数常数；A为物质常数，E_{\mathrm{a}}为活化能，V_{\mathrm{a}}为活化体积，R为气体常数，T为温度，参数取值均由岩石学实验测得.

模拟程序通过采用Druck-Prager屈服准则将韧性流变与塑性流变结合实现岩石的脆性-塑性变形，表达式如下：

{\sigma }_{\mathrm{y}\mathrm{i}\mathrm{e}\mathrm{l}\mathrm{d}}=C_{\mathrm{0}}+P\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}({\phi }_{\mathrm{e}\mathrm{f}\mathrm{f}}),(5)

\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}({\phi }_{\mathrm{e}\mathrm{f}\mathrm{f}})=\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}(\phi )(\mathrm{1}-\lambda ),(6)

{\eta }_{\mathrm{p}\mathrm{l}\mathrm{a}\mathrm{s}\mathrm{t}\mathrm{i}\mathrm{c}}=\frac{{\sigma }_{\mathrm{y}\mathrm{i}\mathrm{e}\mathrm{l}\mathrm{d}}}{\mathrm{2}{\dot{\epsilon }}_{II}},(7)

式中：{\sigma }_{\mathrm{y}\mathrm{i}\mathrm{e}\mathrm{l}\mathrm{d}}为屈服应力，C_{\mathrm{0}}为初始条件压力为零(P=\mathrm{0})时的岩石剩余强度，P为压力，{\phi }_{\mathrm{e}\mathrm{f}\mathrm{f}}为有效内摩擦角，\phi为内摩擦角，\lambda为孔隙流体系数.

取韧性黏滞系数{\eta }_{\mathrm{d}\mathrm{u}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{i}\mathrm{l}\mathrm{e}}和塑性黏滞系数{\eta }_{\mathrm{p}\mathrm{l}\mathrm{a}\mathrm{s}\mathrm{t}\mathrm{i}\mathrm{c}}中的较小值确定为黏塑性流变关系中的最终黏滞性系数，即：

{\eta }_{\mathrm{e}\mathrm{f}\mathrm{f}}=\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}({\eta }_{\mathrm{d}\mathrm{u}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{i}\mathrm{l}\mathrm{e}},{\eta }_{\mathrm{p}\mathrm{l}\mathrm{a}\mathrm{s}\mathrm{t}\mathrm{i}\mathrm{c}}) .(8)

模拟程序中物质的变形与运移通过采用网格粒子法实现，各个圈层的岩石变形受控于不同岩性的流变学性质.

2.3　初始模型和边界条件

基于广东韶关凡口铅锌矿的实际采矿范围（平面范围3 km×3 km，深度范围1 km），本文构建了小尺度、高精度的三维模型（图3），物理尺寸为4.24 km（X）×4.24 km（Y）×4.24 km（Z），数值分辨率为212×212×212（X、Y、Z轴节点数），网格尺寸为20 m×20 m×20 m.每个网格内部设置粒子数共27个（3×3×3）.

模型X轴代表东西向，Z轴代表南北向，Y轴代表深度（图3a）.在垂向上，模型包含多个成分层（表1），从上到下依次为空气层（1 240 m厚）、沉积岩层（1 000 m厚）、地壳层（2 000 m厚）.先存断层贯穿沉积岩层及地壳层.在参考模型中，断层宽度为60 m（图3a）；对不同的断层宽度进行了系统测试.模型温度场的初始设置为从沉积岩层顶部（Y=1.24 km，对应地表0 km处）至模型底部（Y=4.24 km，对应地表以下3 km处）温度由0 ℃线性增温至60 ℃，相当于20 ℃/km的地温梯度，与这一区域的地温梯度一致（卢海珠等， 2023）.模型考虑了板块运动下的构造作用：广东凡口铅锌矿属于南岭成矿带，位于华夏板块内部，现今大陆地壳运动以 SEE向（110°~120°）水平滑移为主，速率约8 mm/a，其构造推挤分量约为3.6 mm/a（Zhu et al.， 2006； 詹松辉， 2021），因此设置模型的推挤速率为3 mm/a.模型中的断层密度、内聚力强度选取参照了凡口矿区的地质勘探报告及前人研究，选取先存断层密度为1 800 kg/m³，内聚力强度为1 MPa（Li et al.， 2022； 汪礼明等， 2022）.模型的顶部、左侧及前后界面均采用了自由滑动的速度边界条件、物质在界面上无侧向剪切力作用、可自由滑动；与之不同，模型的右侧及底部边界采用了渗透性边界条件，满足粒子的流入和流出条件，保证计算区域内部整体的物质守恒.

3 参考模型演化结果

参考模型是设置最简化的一组模型（一条垂直断层，宽度60 m，单一沉积岩层），其演化结果如图4所示（分别展示了黏度场、应变速率场和第二不变偏应力场）.在粘度场（图4b）中，形成了共轭状的低黏度条带，其交点为先存断层、沉积岩层与地壳层的交汇点.低黏度条带周围存在明显的高粘度区域.这种分布特征表明，先存断层对地层内的黏度分布有显著影响.应变速率场（图4c）同样呈现出相似的共轭状高应变速率条带，在这些高应变速率条带的边缘，存在低应变速率区域（图4c中深蓝色）.这表明应变速率在先存断层附近的分布具有明显的空间差异性.应力场（图4d）的分布则显示了沉积岩层与地壳层之间的应力差异.沉积岩层内的应力值总体上低于地壳层，在先存断层、沉积岩层及地壳三者的交汇处，形成了共轭状的高应力条带.

模型的动态演化结果如图5所示（应变速率场和应力场的不同演化时刻：5 a、100 a、200 a和500 a）.共轭状的高应力条带特征随时间演化变的更加明显.在应变速率场中，以先存断层和岩性分界面交汇处为中心，形成类X形的高应变速率条带.模型随时间正向演化至500 a时，高应变速率条带的范围显著增大，应变速率在模型中的分布随时间的演化而趋于集中.应力场的分布特征显示，断层内部总体呈现低应力状态（以蓝色表示），而在断层边缘则存在部分高应力区域.应力的竖向剖面图揭示了随时间演化，以先存断层和岩性分界面交汇处为中心的类共轭状高应力条带上高应力逐渐累积的现象.随着时间正向演化，高应力区域主要沿先存断层和岩性分界面交汇处向外扩展，后一时刻高应力累积的范围明显大于前一时刻，表明应力在模型中的累积效应.

当模型正向推挤演化时，低黏度的先存断层表现为弱化带，导致应力在断层边界处集中，而沉积岩层与地壳层界面处内聚力强度差异大，进而在断层-沉积岩-地壳三相交汇区，多重刚度差异叠加导致以该交汇点为中心产生应力集中带，随时间正向演化过程中，应力集中带的规模不断扩大，表现出类X形共轭状形态.

4 模型参数的影响作用

在参考模型的基础上，结合广东凡口铅锌矿的地质背景（原桂强等， 2019），笔者系统分析了先存断层的宽度、数量、倾角、平面形态，以及模型分辨率和尺寸对演化结果的影响作用.

4.1　先存断层宽度对应力分布的影响

通过改变先存断层的宽度，笔者模拟研究不同宽度的断层对周围应力分布的影响.系统模拟的断层宽度分别为20 m、40 m、60 m（参考模型）、80 m和100 m（图3c），其他参数保持不变.模型总体特征是在先存断层与岩层分界交汇处产生类共轭状高应力带.随着先存断层宽度增加，高应力带的应力累积程度和范围均有所扩大.在模型的竖向截面上，以先存断层、沉积岩层及地壳三者交汇处为中心的类共轭状高应力条带数量增多，影响范围更广.

4.2　先存断层数量对应力分布的影响

为了探究先存断层数量对应力分布的影响，本文模拟了含有1条、2条和3条先存断层的情况，模拟得到的应力场如图7所示.模拟结果表明，先存断层的数量对应力场的分布有显著影响.每一条先存断层都会在断层与岩层分界交汇形成共轭的高应力带.在含有两条或更多先存断层的模型中（图7b和7c所示），由不同断层产生的高应力条带在先存断层之间交汇，导致该区域的应力条件更加复杂.随着断层带数量的增加，模型中应力曲线的波动显著加剧，且大多数波动集中在相邻断层之间（图7右侧线图）.这种应力数值的显著波动表明，断层数量的增加会导致模型体内应力条件的复杂性增加，局部应力条件变得更加不稳定.

4.3　先存断层平面形态对应力分布的影响

为了探究断层平面形态对应力场的影响，本文设置了3组模型，分别对应弧间距L为300 m、800 m和1 300 m（图3f），其他参数与参考模型保持一致.模拟结果如图8所示.首先，先存断层区域外也产生了高应力带，但应力集中程度小于图6a中的竖直断层周围的应力集中情况，即竖直断层周围相比弧形断层更易累积高应力.在断层带上，应力则主要集中在弧顶点附近.沿虚线方向的竖向截面分析显示，靠近先存断层弧端的截面中，先存断层上的应力普遍大于远离弧端的截面，表明弧顶点周围的应力集中更为显著.总之，先存断层的弧间距变化对模型应力分布的影响相对较小，主要影响集中在先存断层区域，而对模型内其他区域的影响有限.

4.4　断层倾角对应力分布的影响

在参考模型（即垂直断层）基础上，进一步分析断层倾角的影响作用.通过改变先存断层与垂直方向的夹角，设置了8组模型（图9），涵盖了从左倾35°至右倾-35°的8个不同角度的断层.模拟结果如图9所示.在左倾模型中（图9a~9d），断层附近的应力集中区域随着倾角的减小而逐渐向模型中心区域扩展.在10°倾角模型中，断层周缘形成了明显的波纹状高应力带，这些高应力带随着倾角的减小而逐渐向模型中心区域扩展.在右倾模型中（图9e~9h），断层对应力场的影响更为显著，尤其是在-10°倾角时，断层附近的应力值达到最高，且影响范围更广.模型中右倾断层更易诱发应力集中和产生更多应力条带，可能原因是矿区所在区域构造应力背景场的主要优势方向为NW-NWW向，超声波井下电视扫描显示最大主应力优势方位为N77°W.在此应力场作用下，右倾断层（倾向SE）与主压应力方向呈高角度相交，依据库仑破裂准则，此类夹角c使得断面有效正应力减小、显著提升剪应力分量（Mohamed et al.， 2025）.数值模型中“右侧边界推挤速度”实质为模拟区域NW-SE向挤压，当断层右倾时，断层面法向与主应力方向的夹角增大，应力传递路径缩短，有利于应力集中.与此相反，左倾断层受到的挤压作用较小，应力的传递路径相对较长，因此其应力集中效应较弱.

图9k中的应力曲线进一步揭示了不同倾角下沿断层中心线的应力变化特征.正向倾角的断层（如35°和30°）引起的应力波动相对较小，而负向倾角的断层则引起了较大的应力波动，尤其是在断层附近.值得注意的是，随着断层不断接近直立，黑线和红线之间的差异逐渐增大，表明正倾角和负倾角对应力场的影响程度差异逐渐加剧，负倾角（右倾）的断层会在局部区域引发更为剧烈的应力波动，且波动范围更广.这进一步说明了断层倾角在控制应力集中与分布方面的重要性.

5 讨论

5.1　先存断层对应力场的影响作用

动力学数值模拟结果揭示，在挤压构造背景下，先存断层的存在显著扰动地应力场的空间分布格局.在先存断层的两侧会形成共轭状的高应力带.共轭高应力带的交点往往是岩层界面与断层的交汇处.这一特点在所有模型中都有体现.

广东凡口铅锌矿经历了多期次的构造活动，形成了复杂多样的断层结构.凡口铅锌矿的地质资料显示，主控断层F3的宽度在不同区域有一定差异，较小处为数米、较大处数十米（汪礼明等， 2022）；凡口铅锌矿的成矿构造由多组断层共同控制（梁新权等， 2009； 蔡锦辉等， 2011； 韩英等， 2011； 姚翠霞， 2014）.广东凡口铅锌矿的主控断层的平面形态呈现出一定的弯曲度（图2a）.

断层的几何参数会对应力分布特征起到控制作用，系统的模拟实验揭示了先存断层结构的影响作用：增加断层宽度会导致应力集中区域的扩展和应力值的显著升高，应力集中区范围与宽度呈正相关；增加断层数量会形成更多的高应力条带，多断层系统（2~3条）中相邻断层间的应力叠加（图 7d）使应力波动幅度提升；与垂直断层相比，倾斜断层周围会产生更多的高应力带，且左倾和右倾的断层应力分布情况也会有不同；断层的平面展布形态（如弧形弯曲）对应力分布影响较小；这些模拟结果表明，在金属矿开采活动中，需要特别关注较大、较宽的断层（如凡口铅锌矿的F3断层）和多条大断层之间的区域（如凡口铅锌矿F3与F4断层之间区域），因为这些区域更容易累积高应力，在工程等外力扰动下更易达到破裂极限.

5.2　模拟结果与自然观测实例的对比

本研究的模拟结果可以与广东凡口铅锌矿过去数年间（2017年1月至2023年6月）的微震观测现象进行对比，并能解释微震的分布规律（图10）.

在高角度、近垂直展布的断层周缘，微震主要以两个团簇的形式分布（图10a，10b）.图10b中两个团簇的中心（红心三角形标注处）均为断层与地层界面的交汇处.模拟结果显示，在高角度、近垂直断层与地层界面的交汇处会形成明显的共轭状高应力带（图10d）.这种共轭状高应力带的存在使得该区域应力背景值更高、更易形成微裂隙，进而诱发了微震事件的聚集，最终呈现出以断层与地层界面交汇处为中心的微震团簇聚集的分布现象.

对于倾斜断层周缘的微震分布情况，从实际观测来看，其微震事件随深度较为均匀的分布，未见明显团簇现象（图10e，10f）.模拟结果显示，在倾斜断层周缘形成多条与之斜交的高应力带（图10h），但与高角度、近垂直断层模型相比，其应力集中程度较低，未形成明显的微震团簇.另外，在倾斜断层模型中，地层界面对应力分布的影响作用降低，使得微震事件不会像在高角度、近垂直断层周缘那样因地层界面与断层的交汇而呈现出明显的集中团簇分布，而相对较为均匀地分布在倾斜断层周缘.

5.3　模拟结果对理解应力场演化的启发

金属矿微震的触发往往由采矿活动（如爆破、开采、回填等）和地质构造（如断层、地层等扰动应力场）两种因素引起，两种因素的影响作用往往难以区分.广东凡口铅锌矿的大部分微震事件可能是由采矿活动引起的，比如微震事件与爆破事件之间存在很强的关联性.但是，地质构造对诱发微震有什么影响，笔者依然不是十分清楚.本文应用数值模拟的方法，验证了长期地质演化过程中在先存断层周缘会形成高应力带，进而可能在岩体内部形成微裂隙并引发微震.

广东凡口铅锌矿于2017年7月26日及2020年5月25日发生了两次较大的矿震（震级分别为1.4级和0.4级），经井下排查发现，这两次矿震并非直接发生在工程表面、并未导致巷道、硐室、采场等工程的破坏，其能量释放主要区域均位于F3断层周缘（距断层F3）岩体内部未揭露的断层结构面，显示矿震为应力释放的次生效应、是由于应力场变化引起的，而非采矿活动直接诱发的工程结构失稳.矿震本质为岩体内部高应力区在长期演化中因能量累积突破临界阈值后的释放，当外部扰动（如爆破震动、机械振动）打破高应力岩体内部的力学平衡时，岩体通过破裂或滑移释放能量，形成矿震.工程活动仅作为外部扰动加速了应力释放的触发过程，而非根本原因.

凡口矿区这两次较大的矿震事件揭示了先存断层系统对深部应力场演化的控制作用.断层周边岩体因长期应力积累形成高应力区域，在微小外部扰动下易触发突发性能量释放.这一机制表明，矿区安全生产需重点关注大断层周缘及隐伏构造区域的应力监测与防控，优化采掘布局以降低扰动对高应力岩体的激活风险，从而有效规避矿震灾害.

综上，矿区微震的直接触发原因是应力的显著作用或变化（McGarr et al.， 1975； Marsan et al.， 1999），而矿震的动态触发条件首先需要有利的先存应力状态：例如在长期的地质构造演化中所形成的先存断层、高地温等，还需要有额外的外部扰动力，例如开采、爆破、回填等工程因素.凡口矿区微震事件总体集中在大断层周缘，且大部分微震事件以团簇状分布在断层与地层交汇处附近.即在以大断层和地层交汇为中心的高应力条带上，容易产生微震.结合模拟结果，可能是长期地质演化过程中，以大断层周缘及大断层与地层的交汇为中心产生高应力累积带，使得断层周围的地下岩体长期处于高应力环境中，在长期时空演化中易在岩体内部诱发丰富的微裂隙，可能为矿震的触发提供了有利的先存应力条件，易在微小的开采等动态扰动下促使微裂隙进一步发育贯通，最终在岩体内部产生较大的破裂，即矿震.

6 结论

本文创新性地应用了米级尺度的高分辨率热-力学耦合三维地球动力学数值模拟，系统分析了先存断层对周缘岩石应力场演化的影响作用，并从应力变化的角度讨论了先存断层与微震发生位置的可能关系，主要取得了以下几点结论：

（1）先存断层会显著影响其周缘岩石应力场的演化，在先存断层两侧易形成共轭状应力条带，这些应力累积条带易形成微裂隙，成为岩体损伤的有利位置.先存断层的几何形状会影响应力场演化.先存断层数量和倾角对应力分布的影响最大，表现为在更大的空间范围内产生多条高低应力条带；先存断层宽度对应力的影响主要集中在断层附近区域；断层弧度对应力的影响最小，且弧形断层上不易累积应力.

（2）结合模拟结果与微震观测，长期地质演化中，凡口矿区大断层周缘及断层-地层交汇处易形成高应力累积区，导致周缘地下岩体长期处于高应力环境，诱发内部微裂隙发育，为矿震触发提供先存应力条件；微小开采扰动下微裂隙进一步贯通，最终引发矿震.建议在断层F3与地层交汇处加强微震监测，优化采掘布局以降低扰动对高应力岩体的激活风险，从而有效规避矿震灾害.

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基金资助

深圳市中金岭南有色金属股份有限公司科技创新项目(0102.2021.J006)