新集F_10_断层组断层泥分维及其水文地质特征_刘瑜
第23卷第4期
2013年7月
黑龙江科技学院学报
Journal of Heilongjiang Institute of Science ＆Technology
Vol．23No．4
July 2013
新集F 10断层组断层泥分维及其水文地质特征
刘
摘
11
瑜，刘启蒙，姜
涛
2
（1．安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南232001；2．淮北矿业股份有限公司杨庄煤矿，安徽淮北235000）
要：为研究断层水文地质特征，以新集F 10断层泥数据为对象，依据分形原理，采用筛选法
对颗粒粒度进行分和悬浮相结合的方法对采自新集F 10断层及其伴生断层的断层泥进行分形研究，
布分维。研究发现：分维值与断层的活动方式、地震几率、黏粒质量分数、渗透性、黏聚力、内摩擦角
等参数有紧密的相关性，能够从多方面体现断层带的水文地质性质。
关键词：断层泥；粒度分布；分维值；富水性
doi ：10．3969/j．issn．1671－0118．2013．04．014中图分类号：TD32
文章编号：1671－0118（2013）04－0371－04
文献标志码：A
Xinji group F 10fault gouge fractal dimension and its
hydrogeological significance
LIU Yu 1，LIU Qimeng 1，JIANG Tao 2
（1．School of Earth ＆Environment ，Anhui University of Science ＆Technology ，Huainan 232001，China ；
2．Yang Zhuang Coal Mine ，Huaibei Mining Co．Ltd．，Huaibei 235000，China ）
Abstract ：This paper ，based on the data of xinji F 10fault gouge ，is a study of the particle size distri-bution and fractal research on natural fault gouge from xinji F 10fault and its associated fault fracture zone using fractal principle and combined with screening method and suspension method．The fractal dimen-sion of particle size distribution and comparison with physical and mechanical properties of the fault debris reveal a close relation between fractal dimension and fault modalities ，earthquake probability ，clay con-tent ，permeability ，cohesion ，and internal friction angle ，a useful index for the hydrogeological and engi-neering geological properties of the fault zone．
Key words ：fault zone fault gouge ；particle size distribution ；fractal dimension values ；water con-tents
0引言
特征，把分形理论应用在断层泥分维和断裂活动的关系的研究中，为断裂的定量研究提供一种新途径
［1－3］
。F 10断层组是新集一矿及新集二矿井田内
断层泥可以提供断裂新活动非常重要的信息，
它蕴含着断裂活动方式、时代和环境等信息。国内外学者对断层泥的研究中发现，断层泥有自相似的
收稿日期：2013－05－30第一作者简介：刘
落差最大、延伸最长的煤系内断层，切割煤层最多、
东西走向长约13km ，断层走向N70ʎW ，倾向SW ，倾角为70ʎ 40ʎ ，落差20 400m ，该断层上与推覆体
E-mail ：120209856@qq．com 。瑜（1989－），男，安徽省宿州人，硕士，研究方向：水文地质与工程地质，
372
相接，向下切割深达太灰、奥灰。
黑龙江科技学院学报第23卷
粒度范围为黏粒至砾石；层泥样品中粒径跨度较大，
砂粒以下较细颗粒为主，所占比例为29. 6% 43. 8%；样品中黏粒含量较高，具体情况如表1所示。
表1
Table 1
编号12345
1断层泥分形原理
自相似性在自然界中物质的形态、功能、信息以
利及时空结构等的局部与整体性上都会有所显现，Besicovitch 空间的连续变化的分用基于Hausdorff-形维数表示空间维数，转变测度的观念，为研究复杂现象提供了一种新的科学方法
［4－5］
断层泥颗粒累计质量分数
Fault clay particles accumulated mass fraction %
d /mm
20
10
5
2
1
0.50.250.10.0750.005
10093.282.664.859.752.143.839.626.410094.683.768.557.449.340.533.524.210095.185.674.859.752.140.831.626.910095.283.665.254.647.138.829.925.8
取样位置一矿F 10断层一矿F 10断层一矿F 10断层二矿F 10断层
。
统计分形是指细粒沉积物颗粒分布在统计上通
常具有一定的自相似性。不同类型和不同性质的颗可以显示空间维粒指标的一些特征用分维法描述，
数上的不同分形维数D ：
log N （r ）=－D log r +C ，
（1）
——物质颗粒的平均粒径。式中：r —
M （r ）为粒径小于r 的颗粒质量，M 为样品总质M （r ）/M与r 的关系满足下式，量，即
log （M （r ）/M）=B log r +A 。
（2）
如果物质颗粒密度分布均匀，有颗粒粒径的立
即方与颗粒质量成正比，
d
M （r ）
=kr 3d N （r ），M
（3）
一矿F 11断层10094.684.170.858.244.136.829.625.410.2
2. 2
断层破碎带断层泥分形特征
以F 10和F 11两个断层破碎带断层泥颗粒粒径为
对象，根据公式（4）在双对数坐标系建立关于M （r ）/M 与r 线性拟合关系，如图1所示。根据式（4），拟合出5条曲线的方程，分别为：①y =1. 901+0. 181x ；②y =1. 892+0. 175x ；③y =1. 613+0. 305x ；④y =1. 862+0. 171x ；⑤y =1. 885+0. 108x 。
2. 863、求出5个样品的分维D 分别为2. 912、
2. 709、2. 827和2. 872。图1中P c =M （r ）/M。根据拟合结果，样品的
0. 984、分形线性相关系数较高，分别为0. 982、0. 971、0. 990和0. 983，说明F 10断层组的断层带碎
屑在颗粒分布上有很高的分形特性。
联立式（1） （3），可得
M （r ）log =（3－D ）log r +A 。
M
（4）
式（4）的意义为：若物质的粒度组成有分形特可得到确定的D 值（在双对数坐标下）。式（4）征，
中的3－D 为线性比例系数，当根据式（4）对具体样品颗粒成分进行相关分析时，若线性相关系数较高，表示样品颗粒分形特征较为明显。
近年来，一些学者研究发现：不同岩石介质、不同力学环境下形成的断层泥分维的结果不同。分维
与断层泥粒度结作为研究断层泥的一个特征参数，
构、物质成分，断层带的力学性质；断层运动特征等
密切相关。根据新集一矿F 10断裂及其伴生的新集一矿F 11断层及新集二矿F 10断层破碎带物质的测试，探讨断层泥分维与某些水文地质性质参数的关系。
3
3．1
断层泥分形的水文地质特征
F 10断层运动方式
一般认为当分形维数值大于2. 8，断层属于蠕
滑性断层，通过较细颗粒的断层泥蠕变，断层运动持续并且稳定，不容易发生地震；当分形维数值小于2. 7，则断层属于黏滑性断层，断层运动常表现为快速断续运动，较容易发生地震。本次测试结
分形维数值果计算的F 10断层破碎带4个样品中，
D 均大于2. 8；取自F 11断层破碎带的样品，分形维
数值D 小于2. 8但大于2. 7，揭示了F 10断层以两盘持续、稳定的蠕滑运动为主。可以得出：新集F 10断层运动形式属于蠕滑，不会发生剧烈错动或着地震。F 11断层运动形式基本也属于蠕滑。对巷道工程设计意味着不必考虑由于断裂引起的稳定性和矿震问题。
2
2．1
F 10断裂带及其伴生断层特征
断层带粒度成分
实验对5组断层泥进行测试，对粒径d 大于0. 075mm 与粒径小于或等于0. 0005mm 的颗粒分别采用筛分法与移液管法。测试结果显示：5组断
第4期
100
刘瑜，等：新集F 10断层组断层泥分维及其水文地质特征
3. 23. 2. 1
分形与断层的富水性
373
分维与细颗粒质量分数
由图1可见，粒径分布右端点与黏粒质量分数
w c %/%
10
w c =100%对应，左端的w c 值控制斜率；当细颗粒（黏粒）质量分数较多时，直线较为平缓，3－D 较
0.01%%%%%%%%%0.1%%%%%%%%%%%1%%%%%%%%%%%10
r /min
a 矿F 10断层-1
1
小，得到D 较大。对表1的物质细颗粒（黏粒）质量分数和分维进行线性拟合，得到细颗粒（黏粒）质量分数与分维D 的关系，见表2和图2。除2号样品外，其他4个样品其相关系数达到了R =0. 932。说明黏粒土质量分数与分维成正比例关系，分维值是表示断层碎屑黏粒质量分数的一个代表性参数。
100
w c %/%
10
表2
Table 2
1
0.01%%%%%%%%%0.1%%%%%%%%%%%1%%%%%%%%%%%10
r /minb
100
矿F 10断层-2
12编号
断层泥分形维值与细颗粒物质的关系
Fault gouge fractal dimension values and fine par-ticulate matter qualitative relations
取样位置一矿F 10断层一矿F 10断层一矿F 11断层一矿F 10断层二矿F 10断层
分形维值2. 9122. 8632. 7092. 8272. 872
26. 424. 210. 226. 925. 8
w c /%
黏粒以下
粉粒以下39. 633. 525. 431. 629.
9
w c %/%
3
10
45
1
0.01%%%%%%%%%0.1%%%%%%%%%%%%1%%%%%%%%%%%10
r /minc 矿F 11断层
3430P c %/%
262218
14
10
2.70%%%2.75%%%%2.80%%%%2.85%%%2.90%%%%2.95%%%3.00
D
100
w c %/%
10
图2
1
0.01%%%%%%%%0.1%%%%%%%%%%%%%%1%%%%%%%%%%%10
r /min
d
100
杨一矿F 10断层-3
断层泥分形维值与细颗粒物质的散点
Fig．2Dimension values of fault gouge branch and scatter fine particulate matter in nature
3. 2. 2分维与渗透性关系
多孔介质的渗透率随分维D 增加而减小，当D
w c %/%
值趋近于3时，渗透率趋近于0。由于F 10断层泥分
10
维值D 很大，多孔介质的渗透率较小，渗透性较弱。黏粒含量的多少在控制其导水性方面可起到关键性由于颗粒表面的静电可以吸附极性水分子形作用，
0.01%%%%%%%%%0.1%%%%%%%%%%%%1%%%%%%%%%%%%10
r /min
e 二矿F 10断层
1
成的结合水层，不易传递静水压力，流动性很差，使得黏性土有较好的隔水性。断层泥中较高黏性土含量是F 10断层带渗透性很低的关键因素。也可以这样认为：由于颗粒分维值普遍很高，所以F 10断层带渗透性很差。
图1
Fig．1
断层泥粒度分形参数分布曲线
Fault clay grain size distribution curves fractal parameter
374黑龙江科技学院学报第23卷
断层泥中小于粉粒粒径的质量分数为25. 4% 39. 6%，因此，断层泥中的主要物质为较细的物质，对于断层破碎带的含水、透水性都是不利的因素。
的主要物质为较细的物质，断裂带渗透性较差，富水性不强。参考文献：
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4结论
对新集F 10断层及其伴生断层的断层泥粒度分得出以下结论：布进行了分形研究，
（1）样品分形维数D 较大，仅一个小于2. 8，揭示了F 10断层组以两盘间的蠕滑运动为主，发生地震的可能性小；
（2）分维与渗透系数成负相关，其相关关系较为明显，分维的增大会使得参透系数随着迅速减小；
（3）分维与样品黏土含量成正相关。断层泥中
（编辑李德根）
檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪（上接第366页）
（3）井田内7#煤层构造煤发育及分布的控制因素主要有褶曲构造和断裂构造。参考文献：
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