Slip T：一种基于Python的图形用户界面，用于断层再活化风险的滑动倾向与临界应力比分析

《Journal of Structural Geology》：Slip T: A Python-Based Graphical User Interface for Slip Tendency and Critical Stress Ratio Analysis of Fault Reactivation Risk

　　

# 摘要

单一确定性滑移倾向值（Ts）可能存在歧义：在一种合理的应力状态下被归类为"临界"的断层，在传播应力场不确定性后，可能跨越中等至破裂的整个范围。这一发现，以及稳定性分类对假设断层倾角的同等高度敏感性，构成了本研究的动机。既有断层的重新激活对广泛的地下人为干预构成了关键的地质力学风险，范围从大型大坝蓄水、隧道开挖到碳捕集与封存（CCS）等领域。尽管评估断层稳定性的理论框架已相当成熟，但这些方法的实际应用往往因缺乏先进的快速建模工具而受到阻碍。本文介绍了SlipT（滑移倾向分析工具），这是一款开源的、基于Python的图形用户界面，专为定量断层风险评估而设计。SlipT整合了计算机视觉算法，实现断层几何的自动提取，并结合严格的地质力学引擎，在Anderson型和非Anderson型（斜交）应力制度下计算滑移倾向（Ts）和临界应力比（CSR）。断层倾角可在空间可变的基础上，按段落手动指定，或通过三点问题求解器利用测量点或DEM衍生点确定。此外，应力方位和应力大小的不确定性可通过Monte Carlo抽样传播至计算结果中，从而使滑移倾向以分布而非单一确定性值的形式表达。新增的Ts-倾角扫描模式将滑移倾向绘制为倾角在用户指定范围内连续变化的函数，覆盖加载数据集中每个断层的走向，从而将倾角假设从一个隐含常数转化为明确的敏感性曲线。我们通过印度西部Koyna-Warna活动区的案例研究展示了该软件的应用价值，该区域以水库诱发地震（RTS）的历史著称。结果显示：（i）当断层倾角在45°至75°之间变化时，最优重新激活方位旋转约15°；（ii）在确定性分析中被归类为"临界"的断层，在传播合理的应力不确定性后跨越了中等、临界和破裂三个类别——这有力地说明单一确定性Ts值不足以支持场地特定风险决策。结果还表明，随深度增加而升高的孔隙压力使断层稳定性向破裂方向偏移，凸显了该工具在管理任何涉及人类活动改变地下应力条件的项目中的相关性。

# 引言

既有断层对地球上地壳的力学平衡起着第一序的控制作用（Townend和Zoback, 2000）。其力学稳定性可能因多种过程而被扰动，包括断层地形中的水库蓄水（Simpson等, 1988; Roeloffs, 1996）以及沿既有构造形成新的断裂（Crider和Peacock, 2004）。由构造载荷、水库建设、流体注入或孔隙压力扩散引起的原地应力场扰动，可使这些构造更接近摩擦破裂。断层重新激活可能表现为诱发地震（Ellsworth, 2013）、渗透率增强或盖层完整性丧失，对地下工程活动构成重大风险。这些关切在能源相关应用中尤为突出，如油气开采、地热能开发、废水处理以及碳捕集与封存（CCS），在这些领域中断层稳定性直接影响力学安全和长期封存安全性。滑移倾向分析已发展成为评估给定应力状态下断层重新激活可能性的一种广泛使用的一阶方法（Worum等, 2004）。该方法由Morris等人（1996）以现代形式引入，量化了断层面上的剪应力与有效正应力之比，从而提供了一种衡量断层距摩擦破裂有多近的方法。后续研究证明了滑移倾向分析在评估断层活动性、风险潜力、诱发地震以及在工程地下系统中筛选断层重新激活潜力方面的实用性（Moeck等, 2009; Vadacca, 2020）。现有的实现从嵌入商业地质力学套件中的严格三维程序包，到伴随Zoback的非传统储层地质力学分布的独立应力分析脚本（Walsh和Zoback）不等；这些工具可提供稳健的单值Ts计算，但并未将基于图像的自动断层提取、通过三点问题实现的空间可变段落级倾角分配以及通过Monte Carlo传播应力方位不确定性至Ts分布整合到单一图形界面中。在CCS领域，滑移倾向越来越多地作为快速诊断工具使用，用于识别可能充当泄漏通道的断层或易受注入诱发重新激活影响的断层（Guglielmi, 2025）。然而，尽管滑移倾向分析概念简单且适用范围广，但由于持续存在的实施障碍，其在实践中仍然利用不足。商业地质力学软件包非常有用，但它们往往需要复杂的数据准备、专有数据格式、详细的三维模型或高级数值技能，这些在场地筛选的早期阶段可能难以获得。相比之下，简化的基于电子表格或脚本驱动的方法通常缺乏高效的可视化能力，难以应对大量断层数据。虽然存在众多开源工具，但大多数依赖命令行工作流或需要编程熟练度，限制了其在大部分地球科学和工程从业者中的可及性。另一个挑战在于将简单的构造图转换为可分析的断层几何（Groshong, 2006）。在许多实际场景中，特别是在初步风险评估期间，断层信息仅以地质图形式可用，有时还包含从栅格图像中提取的断裂迹线。将此类基于地图的表示转换为适合地质力学分析的断层方位数据集通常耗时且需要手动操作，阻碍了快速的场景测试和敏感性分析。一个相关但有所区别的限制是，此类地图约束了断层走向但未约束倾角，而且区域应力场的不确定性往往与断层几何的不确定性同等重要。因此，实际工作流还需要一种方式按断层逐一、空间可变地分配倾角，并显式地传播应力不确定性，而不是将滑移倾向视为仅由走向导出的单一确定性数值。本工作的动机在于通过开发一款图形化、图像驱动的软件工具来应对上述限制，使用户能够直接基于上传的断层或断裂图进行快速的滑移倾向分析。该软件SlipT设计为可接受广泛范围的基于图像的断层和构造线地图，自动提取其方位，并利用用户定义的应力和岩石参数计算滑移倾向和破裂判据。通过结合自动断层提取、空间可变倾角分配、Monte Carlo不确定性量化以及新的Ts-倾角扫描功能，SlipT允许用户从定性的构造解释过渡到定量的、具有不确定性认知的断层稳定性评估。具体而言，SlipT的开发旨在：（i）自动化Ts和CSR计算；（ii）直接从地质地图像和手动定义的数据集中提取断层方位；（iii）通过彩色编码地图、立体网和Mohr图提供交互式可视化；（iv）允许用户交互式编辑或删除选定的断层段落；（v）支持CCS场地筛选和诱发地震评估的快速场景测试；（vi）在空间可变的段落基础上分配断层倾角——手动通过可编辑的断层表，或通过经典三点问题从测量点或DEM衍生点求解；（vii）通过Monte Carlo抽样将应力方位和大小不确定性传播至Ts和CSR分布；（viii）绘制Ts随用户指定范围内倾角连续变化的函数（Ts-倾角扫描，第3.9节），将倾角假设从一个隐含常数转化为明确的敏感性分析。SlipT旨在通过降低技术门槛来使滑移倾向分析更加普及，同时保持地质力学的严谨性和透明度。

# 章节摘要

## 滑移倾向与断层重新激活的概念基础

本节概述了结构成熟断层上滑移的力学基础——即那些相对于完整岩石已具有贯穿性降低摩擦强度表面的断层——区别于在未断层的岩石中启动新断裂的过程（Crider和Peacock, 2004）。此类既有断层的重新激活由剪应力与摩擦力之间的平衡决定（Sibson, 1985）。若剪应力足以克服摩擦……

## 应力场表示与参数化

SlipT假设Anderson应力制度，其中一个主应力为垂直方向，另外两个为水平方向。支持三种构造制度：正断层、走滑断层和逆断层或冲断层（表1）。用户指定四个深度平均应力梯度（σv、σHmax、σhmin、Pp，单位为MPa/km）、分析深度（km）以及σHmax的方位；SlipT将每个梯度乘以深度以获得绝对应力大小并构建完整的三维应力……

## 案例研究：Koyna地区

为展示SlipT软件的工作方式，对印度马哈拉施特拉邦的Koyna-Warna地区进行了全面分析，该地区自20世纪60年代Koyna大坝蓄水以来一直是一个活跃的构造区域。该区域以德干溢流玄武岩为主，是研究水库诱发地震（RTS）的全球经典场地。本次分析的主要目标是可视化该区域既有断层在假设应力……条件下的重新激活潜力。

## Koyna-Warna分析的科学见解

Koyna-Warna分析产生了两个具体见解，推进了对滑移倾向分析的理解，超越了工具验证本身。首先，单一确定性Ts值不足以支持场地特定风险决策：最初被归类为临界（确定性Ts = 1.20）的断层，在300次Monte Carlo应力状态抽样中跨越了中等、临界和破裂类别，意味着其运行分类——以及依赖该分类的决策——带有实质性的……

## 模型验证测试

本节验证SlipT应力解析和Ts分类流程的正确性（即其产生的断层稳定性排名与手工计算或经核实的独立工具得到的排名一致），而非滑移倾向分析的物理概念，该概念已由Morris等人（1996）及后续文献确立。与Koyna-Warna地震学数据的比较作为案例研究中参数选择的合理性检验，而非作为……

## 结论

本研究展示了关于滑移倾向分析的两项具体科学发现，这些发现可通过SlipT的能力加以处理：（i）单一确定性Ts值可能掩盖大量不确定性——在一种合理的应力状态下被归类为"临界"的断层，在合理的应力不确定性下可能跨越中等、临界和破裂类别；（ii）假设的断层倾角可使最优重新激活方位偏移多达约15°，使得被标记为……的断层集合发生变化。

## 关于生成式AI和AI辅助技术在稿件准备过程中的声明

作者在有限的语言编辑、提高稿件可读性以及调试本研究中开发的计算代码部分方面，使用了基于人工智能（AI）的工具。所有科学概念、模型开发、模拟、结果解释和最终稿件内容均由作者构思、验证和批准。

## CRediT作者贡献声明

Anandu S Babu：撰写—审阅与编辑、撰写—原稿、软件、方法论、调查、形式分析、数据整理。Soham Das：撰写—审阅与编辑、撰写—原稿、可视化、软件、方法论、调查、形式分析、数据整理。Jyotirmoy Mallik：撰写—审阅与编辑、撰写—原稿、验证、监督、资源、项目管理、资金获取、概念化

## 未引用参考文献

Gupta等人, 2015; Gupta等人, 2011; Jaeger, 1971; Roeloffs, 1988; Vadacca等人, 2021; Walsh和Zoback, 2016。

## 利益冲突声明

作者声明他们不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能影响本论文所报告的工作。

## 致谢

作者感谢印度科学院教育与研究所（IISER）博帕尔分校地球与环境科学系为本研究提供必要的学术环境和计算设施。作者感谢两位匿名审稿人的建设性意见和宝贵建议，这些意见和建议极大地帮助提高了本稿件的质量。我们还感谢同事和同行在……期间提供的建设性讨论。

Soham Das | Anandu S. Babu | Jyotirmoy Mallik
地球与环境科学系，印度科学院教育与研究所（IISER），博帕尔，中央邦-462066，印度