长白山位于吉林省的东南部的中朝边境地区，长白山天池是朝鲜族的圣湖之一，也是中国著名的风景旅游胜地，同时也是鸭绿江、松花江和图们江三江的发源地.地形地貌为玄武质熔岩高原或熔岩台地，主要由碱性岩组成的巨型复式火山锥或层状火山，以及环绕锥体的成席状分布的碱性火山喷发碎屑堆积物.长白山火山锥体呈椭圆形，长轴方向为SE115°，长径约27 km，短径约15 km.天池略呈不规则四边形，南北长约4.85 km，东西宽约3.35 km，天池周围有16 座山峰和刃形山脊环抱，最高峰是朝鲜一侧的将军峰，海拔2749 m；在我国一侧最高峰是白云峰，海拔2691 m，是我国东北第一高峰.

长白山地区地质构造比较复杂，长白山火山是当前地学界研究的热点，现今构造活动强烈，在北坡发育了多处高温热泉.长白山火山全新世以来分别在9.7±1.5 ka B.P.(距今)，5.3±1.2 ka B.P.，4.3±0.4 ka B.P.，1.0±0.5 ka B.P.，0.75±0.43 ka B.P.等时段发过活动.其中规模最大的喷发活动发生在公元1199—1200年(刘祥等，2004)，空落火山碎屑向东一直到达日本，超过1000 km，是世界上历史时期最大的火山喷发之一(刘祥等，2004；刘松雪和刘祥，2005；崔钟燮等，2008).在1668 年、1702年和1903 年也都发生小规模的天池火山喷发(刘祥等，2004；刘松雪和刘祥，2005；崔钟燮等，2008).

许多学者研究了火山喷发的机制(赵文峰，1993；李继泰和孙国军，1996；樊祺诚，2008)，开展了地质构造研究(赵文峰，1993；李春锋等，2006)，利用大地测量、震源机制解资料，结合长白山地区地质构造、地球物理等方面研究，分析了火山活动的构造和构造应力场，取得了很多重要成果(汤吉等，1997；李继泰，1998；刘一鸣等，1998；刘明军等，2004；李春锋等，2006；洪汉净，2006；吕政等，2007).此外，在InSAR-GPS形变、温泉地热和水化学方面也有相关研究(张希友和李国政，2006；陈国浒等，2008；王禹萌等，2009).主要结论认为：长白山火山活动主要受北东向六道沟—天池—甑峰山(鸭绿江—天池—甑峰山)断裂和北西向的白山镇—天池—金策断裂控制，同时还受火山口附近的环状断裂的控制.但究竟哪条断裂控制今后火山活动，目前还存在争论.据地形变资料，长白山是近代断裂与隆起构造活动强烈地区，平均上升4 mm·a^-1.现今构造形变以东西向挤压为主，南北向拉伸为辅，太平洋板块和欧亚板块的碰撞作用仍控制着本区的现今应力场；断层大都属于走滑断裂，应力分布明显受断裂控制，区域性构造断裂附近是应力集中区，断裂带上和节理密集带则是应力释放区，西太平洋板块自日本海沟向我国大陆的持续俯冲作用是长白山天池火山喷溢的主要诱发机制.地应力的大小和方向在火山活动性监测、分析和研究中是基础资料之一，火山活动中的岩浆囊活动会影响地应力的变化，一旦埋藏于地下的岩浆发生彭胀，该地区的地应力量值就会增大.但该区至今地应力实测资料稀少，在资料收集过程中输入长白山、地应力两个词后没有查询到相关文献.为了对长白山火山活动进行监测，在国土资源部科技公益性行业专项“长白山火山监测与活动性研究项目——长白山地区微地震与地应力监测”等项目的支持下，我们在不同的构造单元和重点地区开展了浅表层地应力现场测量工作，首次取得了该区的地应力实测数据，为长白山火山监测、大陆动力学和构造地质学的研究提供了基础的地表应力数据.

目前国内外广泛采用的地应力测量方法主要有水压致裂法、压磁应力解除法、空芯包体式三轴应力计解除法、钻孔崩落法、超声波法等.本次在长白山的地表地应力测量工作中采用水压致裂法，取得了平面地应力数据.然后安装压磁探头进行长期地应力监测.国外重大工程建设中常用的测量方法主要用采用水压致裂方法和压磁应力解除法.水压致裂方法一般绝对误差在20%~30%左右，方向误差在20°以内，国外许多重大工程中都采用该方法进行现场测量；压磁应力解除法具有可靠性好、灵敏度高等特点，测量值误差在10%以内，方向误差在3°(王连捷等，1991).水压致裂法主要用于50~1000 m地表现场测量，而压磁应力解除法则主要用于10~100 m地表现场测量和长期监测.目前水压致裂和压磁应力解除法在我国的许多重大工程和区域构造研究中也广泛应用，如广东大亚湾核电站(胡海涛等，1987)、青海拉西瓦水电站(施兆先等，1991)、二滩水电站(孙世宗等，1984)、华北及郯庐断裂带研究(李方全等，1982)、金川铜镍矿地质研究(廖椿庭等，1985)等.

2012年9—10月，我们先后在安图县永庆乡东清村和松江镇冰湖村采用水压致裂方法进行了地应力测量工作.2013年5月，我们又在抚松县仙人桥镇大青川村进行了水压致裂法地应力测量工作.各测点的位置和工程地质条件概述如下(图 1).

图 1

Fig. 1

图 1 长白山地区地应力测点及断裂分布图 Fig. 1 Map showing stress measurement sites and faults in the region of Changbai Shan

东清(DQ)地应力测点位于长白山天池北约87 km处，属安图县永庆乡东清村，河流右岸，岩性主要为花岗岩.点位坐标为北纬42°48′23″，东经128°13′38″，高程为518 m.岩性为中粗粒角闪斜长花岗岩.岩体比较完整，局部地表岩石风化较强烈.钻孔位于冲沟缓坡地带，钻孔深100 m，套管下至15 m，但在地应力实测深度部位岩石相对完整.

冰胡屯(BHT)地应力测点位于长白山天池北约61 km处，属安图县松花江镇冰湖屯村，河流左岸，岩性主要为花岗岩.点位坐标为北纬42°30′04″，东经128°25′02″，高程为658 m.岩性为中粗粒闪长岩或角闪斜长花岗岩.岩体比较完整，但地表风化强烈，岩石比较松散，节理裂隙发育.钻孔直接座落于采石场，钻孔深100 m，套管下至21 m，地应力实测深度部位岩石完整.

大青川(DQC)地应力测点位于长白山天池西约70 km处，属抚松县仙人桥镇大青川村，头道松花江右岸，岩性主要为花岗岩.点位坐标为北纬42°13′50″，东经127°14′17″，高程为487 m.岩性为中粗粒角闪二长岩或钾长花岗岩.岩体比较完整，但地表风化强烈，岩石比较松散，节理裂隙发育.钻孔位于冲沟缓坡地带，钻孔深100 m，套管下至22 m，地应力实测深度部位岩石相对完整.

本次地应力测量采用水压致裂法，于2012年和2013年对各测点进行现场地应力测量，得到了各测点的平面地应力状态(表 1、图 1)和平面应力椭圆(图 2).为了保证压裂结果的准确程度，每个测点在不同深度处均压裂五次以上，从压裂曲线分析，其重复性较好，表明试验结果均比较好(图 3—图 5).

图 2

Fig. 2

图 2 长白山地区地应力测点应力椭圆示意图 Fig. 2 Sketch of stress ellipses at stress measurement sites in the region of Changbai Shan

图 3

Fig. 3

图 3 永庆乡东清钻孔水压裂曲线 Fig. 3 Curves of hydraulic fracturing in the hole at Dongqing of Yongqing town

表 1(Table 1)

表 1 长白山地应力测量结果 Table 1 Results of stress measurement in the region of Changbai Shan 测量地点代码 测量时间 中心深度(m) 压裂参数(MPa) 主应力计算结果(MPa) PH P0 P′ b P′ r P′ s P b P r P s T d t/d p法 d p/d t法 Muskat法 单切线法 最终取值 S H S h S V 破裂 DQ(永庆乡东清村) 2012年9月 46.85 0.47 0.37 6.96 4.28 / / / 2.94 2.94 7.43 4.75 3.41 2.68 5.11 3.41 1.24 48.55 0.49 0.39 8.77 4.48 / / / 3.54 3.54 9.26 4.48 4.03 4.78 7.22 4.03 1.29 68.00 0.68 0.58 11.92 5.70 4.67 4.65 4.54 5.17 4.62 12.60 6.38 5.30 6.22 8.94 5.30 1.80 N25°W 77.95 0.78 0.68 12.46 5.85 4.59 4.97 4.51 5.18 4.69 13.24 6.63 5.47 6.79 9.10 5.47 2.07 84.85 0.85 0.74 12.28 5.98 5.33 5.20 5.30 5.82 5.28 13.13 6.83 6.13 6.30 10.71 6.13 2.25 89.15 0.89 0.79 13.32 6.99 6.33 6.04 6.02 6.40 6.13 14.21 7.88 7.02 6.33 12.39 7.02 2.36 BHT(松江镇冰湖屯村) 2012年10月 40.65 0.41 0.36 12.72 7.35 5.39 5.96 5.38 6.47 5.38 13.13 7.76 5.79 5.37 9.25 5.79 1.08 N12°W 46.00 0.46 0.41 5.22 2.99 2.46 2.38 2.77 2.72 2.54 5.68 3.45 3.00 2.23 5.14 3.00 1.22 55.75 0.56 0.51 11.16 5.21 3.64 4.06 3.95 4.54 3.88 11.72 5.77 4.44 5.95 7.04 4.44 1.48 60.40 0.60 0.55 5.62 3.59 / / / 3.57 3.57 6.22 4.19 4.17 2.03 7.77 4.17 1.60 79.95 0.80 0.75 10.58 6.05 5.28 5.42 5.18 5.98 5.29 11.38 6.85 6.09 4.53 10.67 6.09 2.12 N18°W 92.15 0.92 0.87 12.67 6.77 5.67 6.10 5.62 6.42 5.80 13.59 7.69 6.72 5.90 11.55 6.72 2.44 DQC(仙人桥镇大青川村) 2013年5月 44.30 0.44 0.24 3.11 1.16 1.04 0.81 0.93 0.99 0.94 3.55 1.60 1.39 1.95 2.31 1.39 1.17 52.90 0.53 0.33 3.80 1.26 1.32 1.15 1.15 1.63 1.31 4.33 1.79 1.84 2.54 3.41 1.84 1.40 56.50 0.57 0.36 4.38 1.48 1.74 1.52 1.51 1.63 1.60 4.95 2.05 2.17 2.90 4.09 2.17 1.50 N80°E 69.50 0.70 0.49 5.20 1.58 2.78 2.4 2.34 2.55 2.52 5.90 2.28 3.21 3.62 6.87 3.21 1.84 N85°W 74.30 0.74 0.54 5.35 1.7 2.96 2.45 2.44 2.71 2.64 6.09 2.44 3.38 3.65 7.16 3.38 1.97 77.00 0.77 0.57 5.52 2.09 3.07 2.61 2.54 2.81 2.76 6.29 2.86 3.53 3.43 7.15 3.53 2.04 95.50 0.96 0.75 6.56 2.47 3.12 2.6 2.58 3.03 2.83 7.52 3.43 3.79 4.09 7.18 3.79 2.53 注：Pb-岩石原地破裂压力； Pr-破裂面重张压力； Ps-破裂面瞬时关闭压力(P′b、P′r、P′s分别为地面记录的破裂压力、重张压力和关闭压力)；PH-静水柱压力；P0-孔隙压力；T-岩石抗拉强度；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)；/-不适合或者无法使用该方法计算取值.

表 1 长白山地应力测量结果 Table 1 Results of stress measurement in the region of Changbai Shan

图 4

Fig. 4

图 4 松江镇冰湖屯钻孔水压裂曲线 Fig. 4 Curves of hydraulic fracturing in the hole at Binghutun of Songjiang town

图 5

Fig. 5

图 5 仙人桥镇大青川钻孔水压裂曲线 Fig. 5 Curves of hydraulic fracturing in the hole at Daqingchuan of Xianrenqiao town

现场地应力测量结果表明：本区最大水平地应力的方向天池北部主要为NW—NNW向，而在天池西部则以近EW向为主.本区最大水平主应力数值为2.31~12.39 MPa，最高值约为最低值的5.36倍.总体上看，随着测量深度的增加，其最大水平主应力呈增加趋势(图 6—图 8).其中永庆乡东清测点最大水平主应力值最高，为12.39 MPa，而最大水平主应力的最低值为5.11 MPa.松江镇冰湖屯测点最大水平主应力值最高值为11.55 MPa，而最大水平主应力的最低值为5.14 MPa.仙人桥镇大青川测点最大水平主应力值最高值为7.18 MPa，而最大水平主应力的最低值为2.31 MPa.最大水平主应力方向在天池北部(包括东清、冰湖屯二个测点)主要为NNW—NW向，在天池西部主要为近EW向.本区最小水平主应力数值为1.39~7.02 MPa，最高值亦约为最低值的5.05倍.其中永庆乡东清测点最小水平主应力值较高，为3.41~7.02 MPa，松江镇冰湖屯测点最小水平主应力值较低，为3.0~6.72 MPa，仙人桥镇大青川测点最小水平主应力值最低，为1.39~3.79 MPa.冰湖屯和东清两个测点的最大和最小水平主应力值范围在同一深度范围相差不大.而大青川测点的最大和最小水平主应力值范围在同一深度范围都比前两个点小.

图 6

Fig. 6

图 6 永庆乡东清钻孔主应力变化曲线 Fig. 6 Curves of principal stress in the hole at Dongqing of Yongqing town

图 7

Fig. 7

图 7 松江镇冰湖屯钻孔主应力变化曲线 Fig. 7 Curves of principal stress in the hole at Binghutun of Songjiang town

图 8

Fig. 8

图 8 仙人桥镇大青川钻孔主应力变化曲线 Fig. 8 Curves of principal stress in the hole at Daqingchuan of Xianrenqiao town

根据应力测量结果和应力椭圆图可以得出：三个测点的主应力方向性比较明显，在天池北部的两个测点的最大主应力方向均为NNW—NW向，而天池西部测点的最大主应力方向为近EW向.

一般地，如果浅部地应力是由上覆岩体的重量而引起的，则铅直地应力和水平地应力计算公式为

一般地，花岗岩的容重为2.7 g·cm^-3，μ=0.25，根据上式，可以计算出地表埋深40 m处由上覆岩体的重量而引起的铅直应力(σ_v)为1.08 MPa，水平主应力(σ_H或σ_h)为0.36 MPa.埋深100 m处由上覆岩体的重量而引起的铅直应力(σ_v)为2.7 MPa，水平主应力(σ_H或σ_h)为0.90 MPa.可见，现场实测最大水平主应力的数值远远大于由上式计算得出的水平主应力，这说明现场实测的浅部最大水平主应力主要是由构造应力引起的，重力作用不大.

目前，国内外原地应力测量的深度一般都不大，浅部测量一般在几十米以内，深部测量一般为几百米至千米.这些地应力测量的深度相对于地壳厚度来说都比较小.浅部地应力测量受地质构造、地壳运动和地形地貌等多方面的影响，虽然地应力数值大小在不同构造部位、不同深度和不同地点有所不同，但在一定区域内最大主应力的方向是比较稳定的，与深部测量结果基本一致，可见，浅部地应力主要由构造应力引起.此外，我们在测量时尽量把测点布置在地形相对比较平缓的地带，大大削除了地形的影响，浅部地应力测量结果基本上代表区域构造应力场的特征.

许多学者对本区的构造应力场进行过研究.按板块理论的划分，松江镇冰湖屯和仙人桥镇大青川2个地应力测点位于华北地块内，而永庆乡东清1个地应力测点位于吉黑地块内(图 1)，本区的活动构造主要以近NE向和NW向的断裂为主，其次为近SN向和近EW向的断裂.受太平洋板块与欧亚板块碰撞作用的影响，区域构造应力场主要为近EW向(邓起东等，2002；张培震等，2003；陈为涛等，2012).根据震源机制解进行的构造应力场分析(马杏垣，1989)可知，本区的区域构造主压应力方向主要为近EW向或NEE向.

本区实测的地应力状态之所以在不同测点出现大小和方向的变化，主要与测点所处的地质构造有关，同时也反映了火山活动对应力方向和大小的影响，基本上反映了不同构造部位的地应力状态，现将地应力测量结果与构造和火山活动之间的关系进行如下探讨：

(1)根据现今活动断裂分布与运动特征，本区现今NE向和NW向的断裂大都为压性逆断层，NW向具有左旋走滑的性质，主要显示张扭性特征，而NE向具有右旋走滑的性质主要显示压扭性特征.而近EW向的断裂大都为张性断裂，并具有右旋走滑的性质.这与现今地应力测量结果相吻合.

(2)安图县永庆乡东清地应力测点，位于NW向深大断裂F1的东北部(属于吉黑地块的南部边缘).从区域构造应力作用出发，可以分析出每个块体的运动特征和断裂的活动特征.在区域应力作用下，NW向的F1断裂以左旋滑动为主并兼具张扭性，测点位于该断裂东北5 km处，该地块向NNW运动.从构造块体的运动方向分析来看，永庆地区的地应力应以NNW向为主，而我们2012年9月现场所测的最大主应力方向为NNW向，且地应力值相对较高.这可能是在区域构造应力场的基础上叠加了块体之间的运动力、火山活动和火山地热田的附加应力的结果.在测点南部分布有天池地热田，在天池下部发育有两个埋深11 km和7 km岩浆囊，地热向四周发散，在构造应力的基础上增加了近SN向的地热附加应力，这也使得本区的地应力状态相对比较复杂.

(3)安图县松江镇冰湖屯地应力测点，位于NW向深大断裂F2的西南部(属于化北地块的北部边缘).NW向的断裂F2以左旋滑动为主并兼具张扭性.该测点西侧发育一NE向的断裂F3，垂直距离约20 km，而其北侧还发育一条小规模的NW向断裂F4，相距仅1 km.根据区域构造应力场分析，该块体向S或SSE方向运动，地应力方向应为SSE或NNW向，而我们2012年10月现场所测的最大主应力方向为NNW向，且地应力值相对较高.这可能是在区域构造应力场的基础上叠加了块体之间的运动力、火山活动和火山地热田的附加应力的结果.在测点南部分布有天池地热田，且在天池下部发育有两个埋深11 km和7 km岩浆囊，地热向四周发散，在构造应力的基础上增加了近SN向的地热附加应力，因而形成相对比较复杂地应力状态.

(4)抚松县仙人桥镇大青川地应力测点，位于华北地块内，位于NE向断裂F3的西部和NW向断裂F5的南部，测点位于块体内部的NE向断裂和NW向小断裂交汇部位，这里岩石相对比较破碎，其应力值较低.根据区域构造应力场分析，该块体向W或SWW方向运动，最大主应力的方向也应为近NEE向或近EW向，而我们2013年5月现场所测的最大主应力方向为NEE向或近EW向，且地应力值相对较低.此外，由于该点位于天池西部地区，在测点东部分布有天池地热田，且在天池下部发育有两个埋深11 km和7 km岩浆囊，地热向四周发散，在构造应力的基础上增加了近EW向的地热附加应力，因而形成相对比较复杂地应力状态.我们所测得的最大主应力方向亦与此吻合，且应力值是所有测点中的最小值，这可能与该点处岩体完整性相对较差有关.

(5)影响应力的因素主要有构造运动、地形地貌、火山活动等.本次测量的三个地应力点均选在地形相对比较平缓丘陵区，且位于河谷或溪流岸边部位，因此地貌对地应力方向和量值的影响比较小，可认为基本没有影响.故本次地应力测量的结果主要代表了构造和火山活动的影响.火山活动中的岩浆囊活动会影响地应力的变化，一旦埋藏于地下的岩浆发生彭胀，该地区的地应力量值就会增大.根据地应力测量和监测结果再结合断裂活动性、水热活动特征和地面变形特征等因素，就可以对火山活动作出预测分析.

综上所述，根据地应力测量结果来看，长白山地区的构造活动特征明显，NE向断裂现今以右旋滑动为主，具有压扭性特征，NW向断裂以左旋滑动为主，具有张扭性特征.火山活动一般都沿着具有张性特征的断裂喷发.在控制火山形成的两条断裂中，今后火山活动沿NW向断裂发展的可能性比较大.

根据地应力测量结果和分析可以得出：长白山地区现今最大水平主应力方向在天池北部以NW—NNW向为主，而在天池西部则为近EW向为主，最大水平主应力值一般为2.31~12.39 MPa，最小水平主应力值一般为1.39~7.02 MPa.随着深度的增加地应力值也增大.与其他地区相比较，本区属中等偏高应力区.长白山地区地应力测量结果直接为长白山火山监测预警、水电工程施工提供了基础依据.在2012年9月—11月长白山北侧现场测量的现今地应力数值较较高，且方向为NNW向，而2013年5月在长白山西侧现场测量地应力值较低，且方向以近EW向为主，可能反映了研究区现今地应力除了受构造块体的运动方向影响外，还受长白山地下岩浆放热作用的影响，这也反映了构造运动特别是火山活动强烈区应力具有复杂性.根据地应力测量结果，在控制火山形成的两条断裂中，今后火山活动沿具有张性特征NW向断裂发展的可能性比较大.由此可见，地表地应力测量的结果对长白山火山监测、大陆动力学和构造地质学的研究具有重要的意义.