劉世杰 蘭恒星②③ 張 寧

(①長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院， 西安 710054， 中國) (②中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點實驗室， 北京 100101， 中國) (③生態(tài)地質(zhì)與災(zāi)害防控自然資源部重點實驗室， 西安 710054， 中國)

0 引 言

大型走滑斷層在印度板塊和歐亞板塊之間碰撞中起著重要作用，嘉黎斷裂帶作為青藏高原NWW向走滑斷裂系中最南端的主要斷裂之一(圖 1a)，是了解青藏高原東南緣構(gòu)造格局和地殼變形過程的最佳靶區(qū)(Armijo et al.，1989; Harrison， et al.，1992; Lee et al.，2003; Lin et al.，2009)。受多期次重大地質(zhì)事件和印度-歐亞板塊間復(fù)雜運動過程的影響，嘉黎斷裂成為青藏高原東南緣南北擠壓、東西向伸展塌陷變形最強烈的部位(黃汲清等， 1984； 鐘大賚， 1998； 王國燦等， 2011； 丁林等， 2017； 侯增謙等， 2020； 許志琴等， 2021)。

自青藏高原逃逸運動這一高原晚新生代重要變形模式被提出以來(Tapponnier et al.，1976)，嘉黎斷裂作為高原南部系列右旋剪切斷裂帶中諸多調(diào)節(jié)斷裂體系的重要一環(huán)(Ratschbacher et al.，1992)，引起了國內(nèi)外學(xué)者的高度關(guān)注。Armijo et al. (1989)提出了以喀喇昆侖—嘉黎斷裂為代表的高原南部右旋剪切斷裂體系(圖 1b)。任金衛(wèi)等(1999， 2000)和沈軍等(2003)認為嘉黎斷裂的西段是高原南部一系列伸展構(gòu)造間的轉(zhuǎn)換斷層，具有較高的右旋走滑速率。Lee et al. (2003)和Lin et al. (2009)調(diào)查了嘉黎斷裂內(nèi)部的糜棱巖和片麻巖，推測該斷裂最初是左旋剪切，但在20～18Ma以右旋剪切作用模式被重新激活。唐方頭等(2010)和宋鍵等(2011)通過GPS觀測，認為嘉黎斷裂并非呈整體性的右旋走滑特征，其在東構(gòu)造結(jié)以西為右旋走滑運動，向東至東構(gòu)造結(jié)附近呈弱右旋擠壓性質(zhì)，至東構(gòu)造結(jié)東南部則轉(zhuǎn)變?yōu)樽笮呋\動。Zhang et al. (2020)利用年代學(xué)和運動學(xué)指標，推斷嘉黎斷裂在晚漸新世為左旋運動，并與哀牢山紅河剪切帶相連在東構(gòu)造結(jié)周圍形成一個巨大的共軛走滑剪切對。Zhang et al. (2021)基于二維彈性位錯模型及小地震分布推斷嘉黎斷裂東段圍繞東構(gòu)造結(jié)順時針水平旋轉(zhuǎn)。黃星等(2022)利用InSAR與GPS觀測數(shù)據(jù)對嘉黎—崩錯斷裂進行研究，認為嘉黎斷裂西段剪切應(yīng)變率低，目前可能處于完全閉鎖狀態(tài)。趙遠方等(2021)認為嘉黎斷裂晚新生代以來仍有活動跡象，并具有多期構(gòu)造疊加特征，從早到晚依次為左旋走滑、正傾滑和右旋走滑。李鴻儒等(2021)認為嘉黎斷裂現(xiàn)今的構(gòu)造變形主要表現(xiàn)為右旋走滑，并在不同段具有顯著差異，新生的西興拉-達木分支是地震最活躍的區(qū)域。

圖 1 嘉黎斷裂帶大地構(gòu)造綱要圖(修改自Tapponnier et al.，(2001)， 宋鍵等(2013)， 丁林等(2013))Fig. 1 Structure map of Jiali fault： (a)The location of Jiali fault， (b)The tectonic map of Jiali fault

綜上所述，當(dāng)前針對于嘉黎斷裂的研究主要集中在構(gòu)造演化、變形特征以及第四紀活動性方面，從區(qū)域工程地質(zhì)和工程地質(zhì)力學(xué)角度開展的嘉黎斷裂工程地質(zhì)特征的研究尚顯不足。早在1957年，劉國昌先生在《中國區(qū)域工程地質(zhì)學(xué)綱要》中就提出了針對青藏高原的雅魯藏布江深谷地區(qū)開展工程地質(zhì)研究的重要性(劉國昌， 1957)。近年來，眾多大型線路工程和水利水電工程在藏東南開展(Lan et al.，2022a)，嘉黎斷裂孕育的多種工程地質(zhì)災(zāi)害對這些重大工程的建設(shè)和運維帶來了的巨大挑戰(zhàn)(蘭恒星等， 2021)。

本文選取嘉黎斷裂帶腹地的重大工程活動區(qū)為研究區(qū)域，按照區(qū)域工程地質(zhì)力學(xué)的基本理論，基于野外地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)，從工程地質(zhì)力學(xué)分析的角度出發(fā)，系統(tǒng)梳理了斷層帶地形地貌、巖石組合、巖體結(jié)構(gòu)、地應(yīng)力場、剪切帶特征和第四紀活動性等工程地質(zhì)力學(xué)條件，獲得了嘉黎斷裂的分段差異性，提出嘉黎斷裂區(qū)域工程地質(zhì)力學(xué)模式，為解決嘉黎斷裂區(qū)域重大工程建設(shè)面臨的地質(zhì)災(zāi)害問題提供理論參考。

1 地質(zhì)背景

嘉黎斷裂是指喀喇昆侖—嘉黎斷裂帶的東段，位于青藏高原東南印度板塊與歐亞板塊碰撞的前緣，是喜馬拉雅造山帶的東部界限。嘉黎斷裂總體呈NW-SE向，自西向東，沿易貢藏布和帕隆藏布穿過那曲、嘉黎、八蓋、易貢、波密、然烏，延伸至察隅附近后轉(zhuǎn)為N-S向展布，并入緬甸境內(nèi)的石階斷裂(Wang et al.，1997)，總長度約600km、寬約3～7km。作為藏東南走滑斷裂系中一條非常重要的調(diào)節(jié)斷裂，嘉黎斷裂影響和制約著高原內(nèi)部物質(zhì)流動、塊體逃逸和應(yīng)力場轉(zhuǎn)換。開展嘉黎斷裂區(qū)域工程地質(zhì)力學(xué)研究對該地區(qū)在建的諸多水利水電工程和鐵路工程的地質(zhì)安全具有重要意義。

2 工程地質(zhì)力學(xué)分析范圍與方法

2.1 分析范圍

針對嘉黎斷裂，現(xiàn)有研究根據(jù)空間展布及第四紀活動性的差異將其分為三段(圖 1b)：I：北西段從那曲南東的克馬尼亞至嘉黎地區(qū)； Ⅱ：中段從嘉黎至易貢、通麥地區(qū)； Ⅲ：南東段從易貢、通麥至察隅地區(qū)。其中南東段在易貢至通麥之間在南北方向上分成兩個分支：北部為帕隆藏布分支，南部為貢日嘎布曲分支(任金衛(wèi)等， 2000； 丁林等， 2003； 宋鍵等， 2013)。而嘉黎斷裂帶中的忠玉—然烏段，因其相對較高的人口密度，以及近年來多個交通、水利重大工程的相繼開工建設(shè)，受到了學(xué)者的高度關(guān)注(Lan et al.，2022b)。本文按照與東構(gòu)造結(jié)的相對距離與工程地質(zhì)力學(xué)特征，將其分為3段：東構(gòu)造結(jié)西北部Ⅱ1忠玉—易貢段，長約89km； 東構(gòu)造結(jié)北部Ⅱ2易貢—波密段，長約130km； 東構(gòu)造結(jié)東南部Ⅱ3波密—然烏段，長約128km(圖 1b)。

2.2 分析方法

工程地質(zhì)力學(xué)分析是運用工程地質(zhì)力學(xué)的原理和方法，解決工程設(shè)計和施工中的各種工程地質(zhì)力學(xué)問題(谷德振， 1979)。工程地質(zhì)力學(xué)理論以巖石組合與巖體結(jié)構(gòu)控制變形破壞規(guī)律的觀點為基礎(chǔ)(王思敬等， 1987)，分析工程地質(zhì)力學(xué)指標的變化規(guī)律(王思敬， 2004)。本文對嘉黎斷裂中段開展工程地質(zhì)力學(xué)研究，重點進行了地質(zhì)作用和過程的力學(xué)分析。研究關(guān)于地形地貌、巖石組合、巖體結(jié)構(gòu)所揭示的地質(zhì)發(fā)展歷史，通過力學(xué)分析認識和概括沿著斷裂帶的地質(zhì)因子展布規(guī)律，從而分析地質(zhì)力學(xué)作用的物理機制和動力過程。對忠玉—然烏段嘉黎斷裂帶沿線進行詳細的工程地質(zhì)調(diào)查與分析，調(diào)查線路總長365.5km，調(diào)查點47處，其中具有錯段標志，可觀察斷裂帶工程地質(zhì)特征并開展力學(xué)分析的露頭點19處(圖 1b)。

3 工程地質(zhì)力學(xué)分段特征

3.1 斷裂地貌

嘉黎斷裂中段沿易貢藏布和帕隆藏布展布，形成了一系列的斷裂河谷地貌(Lan et al.，2022c)，其形態(tài)主要為“V型”和“U型”谷兩種(嚴欽尚等， 1985)。本文理清了嘉黎斷裂地貌的NW-SE向變化規(guī)律。東構(gòu)造結(jié)西北部Ⅱ1忠玉—易貢段為典型的高山“V型”峽谷區(qū)，因斷裂帶物質(zhì)碎散而產(chǎn)生的斷層埡口和負地形也呈現(xiàn)尖“V型”(圖 2a)； 東構(gòu)造結(jié)北部Ⅱ2易貢—波密段，“U型”谷的寬度最高可達3.4km(桃花谷)(圖 2b)； 東構(gòu)造結(jié)東南部Ⅱ3波密—然烏段，也屬于典型的高山“V型”峽谷區(qū)(圖 2c)，但相較Ⅱ1忠玉—易貢段溝谷寬度更寬，“V型”尖角也更小?？傮w上，嘉黎斷裂中段由北西向南東，斷裂谷的地貌形態(tài)呈現(xiàn)顯著的“V型-U型-V型”的變化規(guī)律。

圖 2 嘉黎斷裂地貌形態(tài)變化規(guī)律Fig. 2 Transformation law of geomorphic morphology along Jiali fault a. 忠玉—易貢段Ⅱ1的典型“V”型斷裂谷地貌； b. 易貢—波密段Ⅱ2的典型“U”型斷裂谷地貌； c. 波密—然烏段Ⅱ3的典型“V”型斷裂谷地貌

圖 3 嘉黎斷裂中段巖石組合及巖體結(jié)構(gòu)分布圖(修改自Zeitler et al.(2014))Fig. 3 Distribution of rock group and rock mass in middle segment of Jiali fault

3.2 巖石組合

由于青藏高原東南緣的強構(gòu)造運動帶來的動力變質(zhì)作用對于嘉黎斷裂內(nèi)部的巖石組合影響巨大。導(dǎo)致該斷裂內(nèi)部的巖石組合產(chǎn)生明顯的空間分段性(圖 3)。東構(gòu)造結(jié)西北部Ⅱ1忠玉—易貢段的嘉黎斷裂，出露的巖石組合主要為低-中級變質(zhì)的C1P1構(gòu)造片巖、板巖(圖 4a)，片巖的片理面平行于斷層面，其上可見明顯的斷層擦痕。露頭點邊坡頂部受較薄的片理控制，出現(xiàn)典型的傾倒破壞。東構(gòu)造結(jié)北部Ⅱ2易貢—波密段出露的巖石組合主要為中-高級變質(zhì)片麻巖(Xu et al.，2013; Zeitler et.，2014)(圖 4b， 圖4c)，在露頭處可以觀察到片麻理傾向垂直于斷層面，傾角近直立。東構(gòu)造結(jié)東南部Ⅱ3波密—然烏段，出露的巖石組合主要為低-中級變質(zhì)的C1P1構(gòu)造片巖(圖 4d)； 相較Ⅱ1忠玉—易貢段的巖石組合，該段構(gòu)造片巖的變質(zhì)程度稍高，層厚較厚，并在軟弱夾層中可見韌性變形特征的出露?？傮w上，嘉黎斷裂中段由北西向南東，斷裂帶內(nèi)部的巖石組合主要為變質(zhì)巖建造，但其變質(zhì)程度呈現(xiàn)顯著的“低-高-低”的變化規(guī)律。

圖 4 嘉黎斷裂巖石組合的變化規(guī)律Fig. 4 Transformation law of metamorphic grade of rock combination along Jiali fault a. 忠玉—易貢段Ⅱ1的低變質(zhì)程度構(gòu)造片巖(遠離構(gòu)造結(jié))； b. 易貢—波密段Ⅱ2的高變質(zhì)程度片麻巖(構(gòu)造結(jié)附近)； c. 易貢—波密段Ⅱ2片麻巖細節(jié)特征(位置見圖 4b); d. 波密—然烏段Ⅱ3的低變質(zhì)程度構(gòu)造片巖(遠離構(gòu)造結(jié))

3.3 巖體結(jié)構(gòu)

巖體的結(jié)構(gòu)類型主要根據(jù)結(jié)構(gòu)體的組合特征劃分為3種類型：塊狀結(jié)構(gòu)(節(jié)理狀結(jié)構(gòu))，層狀結(jié)構(gòu)及碎裂結(jié)構(gòu)(孫玉科， 1997； 王思敬， 2004)。嘉黎斷裂內(nèi)部巖石組合的空間分段性也體現(xiàn)在其巖體結(jié)構(gòu)上。該斷裂及周邊區(qū)域的巖體結(jié)構(gòu)分布圖(圖 3)，展示了巖體結(jié)構(gòu)由斷裂兩側(cè)向構(gòu)造結(jié)核心區(qū)不斷破碎的分布規(guī)律。

東構(gòu)造結(jié)西北部Ⅱ1忠玉—易貢段，出露的巖體結(jié)構(gòu)主要為薄層結(jié)構(gòu)(圖 5a)，薄層狀結(jié)構(gòu)巖體相對均一，但層面極為發(fā)育。一般來說，這類薄層狀結(jié)構(gòu)的巖體比較軟弱，形成片狀或板狀結(jié)構(gòu)體。由于結(jié)構(gòu)面緊密閉合，巖體滲透性微弱，呈現(xiàn)強各向異性。由于密集的、但呈閉合狀的結(jié)構(gòu)面的影響，巖體彈性模量折減系數(shù)KE=0.3～0.5，而強度折減系數(shù)KR=0.1～0.3，巖體沿主結(jié)構(gòu)面(即層面或片理面)抗剪強度較低(Lan et al.，2022d)。

圖 5 嘉黎斷裂巖體結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律Fig. 5 Transformation law of rock mass type along Jiali fault a. 忠玉—易貢段Ⅱ1的薄層狀巖體結(jié)構(gòu)(遠離構(gòu)造結(jié))； b. 易貢—波密段Ⅱ2的碎裂狀巖體結(jié)構(gòu)(構(gòu)造結(jié)附近)； c. 波密—然烏段Ⅱ3的薄層狀巖體結(jié)構(gòu)(遠離構(gòu)造結(jié))

東構(gòu)造結(jié)北部Ⅱ2易貢—波密段出露的巖體結(jié)構(gòu)主要為碎裂結(jié)構(gòu)(圖 5b)，碎裂結(jié)構(gòu)是巖體受到強烈的構(gòu)造變形或次生演化作用而形成的。東構(gòu)造結(jié)東南部Ⅱ3波密—然烏段，出露的巖體結(jié)構(gòu)主要為薄層結(jié)構(gòu)(圖 5c)。相較Ⅱ1忠玉—易貢段的巖石組合，該段巖體層厚較厚，但仍屬于薄層結(jié)構(gòu)。總體上，嘉黎斷裂斷裂帶內(nèi)部的巖體結(jié)構(gòu)呈“薄層狀-碎裂-薄層”的變化規(guī)律。

3.4 地應(yīng)力場

嘉黎斷裂中段由于長期地殼變動的結(jié)果，構(gòu)造體系十分復(fù)雜，導(dǎo)致地應(yīng)力方向變化不一(王成虎等， 2019)。對嘉黎斷裂中段實測地應(yīng)力、震源機制解反演地應(yīng)力、典型微構(gòu)造分析表明，受東構(gòu)造結(jié)的影響，不同分段的應(yīng)力場特征并不相同。分析所采用的實測地應(yīng)力來自張寧等(2020a)，實測地應(yīng)力數(shù)據(jù)主要集中在易貢—波密段。因此其他兩段采用震源機制解反演地應(yīng)力，分析采用的震源機制解數(shù)據(jù)來自Shao et al. (2009)和李鴻儒等(2021)。

圖 6 嘉黎斷裂地應(yīng)力場分段特征及歷史地震Fig. 6 Sectional characteristic of stress field and historical earthquakes along Jiali fault (地震數(shù)據(jù)來自USGS地震目錄https：∥earthquake.usgs.gov/)

忠玉—易貢段Ⅱ1，震源機制解顯示的最大主應(yīng)力方向為NNE-SSW(圖 6)，與微型剪切條帶和不對稱石英透鏡體(圖 7a)的指示一致，主要表現(xiàn)嘉黎斷裂的右旋走滑特征； 易貢—波密段Ⅱ2，實測地應(yīng)力數(shù)據(jù)顯示最大主應(yīng)力方向為NEE-SWW(圖 6)。震源機制解的反演地應(yīng)力與實測地應(yīng)力有方向偏差，這可能是由于本段反演地應(yīng)力所用的地震數(shù)據(jù)震級較小(均小于5級)。但由于本段實測地應(yīng)力數(shù)據(jù)充足，足夠判斷主應(yīng)力方向。同時石香腸構(gòu)造具有顯著的擠壓-膨脹結(jié)構(gòu)(圖 7b)，指示出了強大的壓溶作用和后期的逆沖變形，可能對應(yīng)東構(gòu)造結(jié)地區(qū)北部的高巖石隆起率(Yang et al.，2018)； 波密—然烏段Ⅱ3，受華南板塊阻擋嘉黎斷裂的運動性質(zhì)也發(fā)生了轉(zhuǎn)變，震源機制解顯示最大主應(yīng)力方向轉(zhuǎn)換為NW-SE向(圖 6)拉張應(yīng)力場(Lan et al.，2019)，與現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)的解理和拉張裂紋系統(tǒng)一致(圖 7c)，由逆沖變形轉(zhuǎn)換回右旋走滑兼逆沖運動，這是對嘉黎斷裂北側(cè)物質(zhì)沿斷裂擠出的響應(yīng)。這與跨斷層GPS速度剖面一致，反映了東構(gòu)造結(jié)向北東方向推進過程中區(qū)域應(yīng)力場及方向的轉(zhuǎn)換(唐方頭等， 2010)?？傮w上，嘉黎斷裂中段由北西向南東，應(yīng)力場依次表現(xiàn)為右旋走滑、逆沖和右旋走滑兼逆沖，分別顯示NNE-SSW向擠壓、NEE-SWW向擠壓和NW-SE向拉張的區(qū)域應(yīng)力場方向。

圖 7 嘉黎斷裂區(qū)域應(yīng)力場的轉(zhuǎn)換規(guī)律Fig. 7 Transformation law of region stress field along Jiali fault a. 忠玉—易貢段Ⅱ1的NNE-SSW向擠壓區(qū)域應(yīng)力場； b. 易貢—波密段Ⅱ2的NEE-SWW向擠壓區(qū)域應(yīng)力場； c. 波密—然烏段Ⅱ3的NW-SE向拉張區(qū)域應(yīng)力場

3.5 剪切帶類型

脆性和韌性剪切帶是剪切帶序列中的兩個端元，其變形機制各不相同(Fossen， 2016)。嘉黎斷裂的脆韌性有著明顯的空間分段性。東構(gòu)造結(jié)西北部Ⅱ1忠玉—易貢段的嘉黎斷裂具有脆性向半脆性轉(zhuǎn)換的特質(zhì)，其中：北部忠玉鄉(xiāng)附近的標志層表現(xiàn)出典型的脆性剪切帶破壞特征(圖 8a)，石英條帶標志層被直接剪斷，斷距32mm，具有明確的剪切帶邊界和準確的厚度，具有脆性狀態(tài)下的應(yīng)變局部化構(gòu)造； 在該段南部八蓋鄉(xiāng)附近，標志層則表現(xiàn)出典型的半脆性剪切帶破壞特征(圖 8b)，石英條帶標志層沿中心方向有一定的斷層拖曳，斷距120mm，屬于連續(xù)變形與不連續(xù)變形相結(jié)合的特征。東構(gòu)造結(jié)北部Ⅱ2易貢—波密段的標志層表現(xiàn)出典型的韌性剪切帶破壞特征(圖 8c)，在露頭處可以觀察到云母魚、不對稱褶皺、S型彎曲等連續(xù)變形的指示標志。東構(gòu)造結(jié)東南部Ⅱ3波密—然烏段，標志層也表現(xiàn)出典型的半脆性剪切帶破壞特征(圖 8d)，相較Ⅱ1忠玉—易貢段的半脆性剪切帶，其不連續(xù)變形占據(jù)主導(dǎo)，以滑移面和伸展破裂為主，韌性變形相對較少，但在一些層間軟弱帶仍可觀察到糜棱巖帶。總體上，嘉黎斷裂中段由北西向南東，剪切帶內(nèi)部標識層說明其脆韌性呈現(xiàn)顯著的“脆性”-“脆韌性”-“韌性”-“脆性”的變化規(guī)律。

3.6 第四紀活動性

青藏高原內(nèi)的大多數(shù)區(qū)域斷裂都被認為是全新世活動斷層(張培震等， 2013； 鄧啟東等， 2014)，而嘉黎斷裂的第四紀活動性特征仍然存在爭議。由于1950年8月15日突發(fā)的察隅大地震(MS=8.7)，嘉黎斷裂曾被認為是喜馬拉雅構(gòu)造帶北部最顯著的活動斷層(Molnar et al.，1984)(圖 2)。而近期研究則表明察隅地震的發(fā)震斷層為喜馬拉雅主前沖斷裂，并不能證實嘉黎斷裂的第四紀活動(Coudurier et al.，2020)。Chung(2014)沒有發(fā)現(xiàn)嘉黎斷裂第四紀地層的變形證據(jù)，認為嘉黎斷裂可能不是全新世活動的，而Wang et al. (2020)則在嘉黎斷裂沿線發(fā)現(xiàn)了兩次第四紀地表破裂古地震事件。嘉黎斷裂特殊的活動性及潛在的危險性對周邊的工程建設(shè)和城鎮(zhèn)安全有著深遠的影響(Lan et al.，2022b)，確定其第四紀活動性特征非常重要。本文結(jié)合嘉黎斷裂活動性的現(xiàn)有研究以及野外調(diào)查，發(fā)現(xiàn)嘉黎斷裂的第四紀活動性特征也有著明顯的空間分段性(圖 9)。

嘉黎縣城及以西的斷裂帶西段，沉積物的熱釋光測年年齡約34.7±2.71ka(圖 9)(任金衛(wèi)等， 2000)。在嘉黎縣城南部，冰水湖相沉積物的熱釋光測年年齡約22.0±1.8ka(圖 9)(宋鍵等， 2013)。而在通麥大橋東側(cè)，受到斷層擾動的河流階地砂礫層指示的熱釋光年齡為11.06±0.94ka(鐘寧等， 2021)?？梢姡卫钄嗔训牡谒募o活動性自北西向構(gòu)造結(jié)方向逐漸增加。由于嘉黎斷裂易貢—波密段主要沿易貢藏布和帕隆藏布河谷展布，河谷河流階地并不發(fā)育，這導(dǎo)致缺乏能夠保存全新世變形證據(jù)的年輕地貌和沉積物。因此諸多學(xué)者認為本段的嘉黎斷裂第四紀活動性并不顯著(Chung， 2014； 李鴻儒等， 2021)。

但最新研究發(fā)現(xiàn)了嘉黎斷裂錯斷第四紀沖洪積扇的證據(jù)(Wang et al.，2020)，斷層擾動的沉積物放射性碳測年年齡約2.160±0.030ka 以及2.680±0.030ka。同樣，我們在古鄉(xiāng)湖附近也發(fā)現(xiàn)了近期表面破裂的證據(jù)(29°54′N， 95°28′E)，在清理后的古鄉(xiāng)湖相沉積物中嘉黎斷裂的錯斷跡象清晰可見(圖 10)。走向NW-SE向的逆沖斷層穿越了韻律沉積的粉細砂層(圖 10b)，然后被后期沉積的卵礫石層和粉砂層覆蓋(圖 10c和圖10d)。變形特征表明，斷層變形時間應(yīng)該發(fā)生在未錯斷的粉砂層和下部細砂層之間。河湖相韻律沉積使得斷層上下盤具有類似沉積巖層的對應(yīng)關(guān)系，通過分析沙礫粒徑，顆粒膠結(jié)和含水量可以判斷其對應(yīng)關(guān)系。原本水平沉積的粉細砂層在斷面附近傾角急劇增大，表現(xiàn)出強烈的剪切變形。將沉積物樣品送往美國Beta實驗室利用加速計質(zhì)譜儀(AMS)進行放射性碳同位素年齡測定。斷層擾動的最上層細砂放射性碳測年年齡約5.830±0.030ka(圖 10 b)。多處斷裂錯斷全新世沉積物的野外證據(jù)表明，嘉黎斷裂帶易貢—波密段第四紀活動性是顯著的。

波密縣城以南的斷裂帶南段，在嘎隆寺附近，斷裂擾動的冰磧物的光釋光年齡為28.96±2.60ka和29.74±2.54ka(圖 9)(李鴻儒等， 2021)。在松宗鎮(zhèn)階地礫石層的細砂層中采集的樣品OSL測年結(jié)果分別為23.7±2.0和20.4±2.7ka(圖 9)，表明至少在近2.3萬年以來，階地未受到斷錯變形的影響(Chen et al.， 2014)。

綜上所述，嘉黎斷裂中段由北西向南東，野外調(diào)查及沉積物年代學(xué)測定結(jié)果說明其第四紀活動性呈現(xiàn)由斷裂兩端向構(gòu)造結(jié)方向逐漸增加的變化規(guī)律。

4 工程地質(zhì)力學(xué)“脆韌性”轉(zhuǎn)換模式

嘉黎斷裂中段的斷裂地貌、巖石組合、巖體結(jié)構(gòu)、應(yīng)力場等工程地質(zhì)力學(xué)指標以及剪切帶類型、第四紀活動性等斷裂特征都具有典型的三段式分布規(guī)律。據(jù)此，基于工程地質(zhì)力學(xué)思想提出嘉黎斷裂分段“脆韌性”工程地質(zhì)力學(xué)模式。

4.1 “韌性”工程地質(zhì)力學(xué)模式

臨近東構(gòu)造結(jié)的嘉黎斷裂易貢—波密段是典型的韌性工程地質(zhì)力學(xué)模式。工程地質(zhì)力學(xué)因子逐一表現(xiàn)為：巖石組合以片麻巖為代表的高級變質(zhì)巖為主； 構(gòu)造體系以連續(xù)變形的走滑剪切帶為主(Fossen， 2016)； 地應(yīng)力場方向受多期次構(gòu)造運動的影響轉(zhuǎn)換快速且地應(yīng)力相對較高； 淺層巖體結(jié)構(gòu)以有斷裂交叉破碎巖體、斷層破碎帶為代表的碎裂結(jié)構(gòu)為主，受構(gòu)造運動、熱弱化、表生作用的共同影響，力學(xué)性質(zhì)較差。韌性工程地質(zhì)力學(xué)模式最直觀的證據(jù)為該段嘉黎斷裂的內(nèi)部標識層表現(xiàn)出顯著的連續(xù)剪切變形特征(圖 8)。典型的“韌性”斷層剖面(圖 11a)指出，在韌性模式下，原生巖石將遭受更為強烈的變質(zhì)作用，多期構(gòu)造運動的疊加使得剪切帶特征更為復(fù)雜。加之這一區(qū)域的快速隆起剝蝕(King et al.，2016)和強烈卸荷作用(Larsen et al.，2012)使得巖體中裂隙縱橫交錯，溫度梯度較高導(dǎo)致熱蝕變加劇，巖體剝蝕出露后更易風(fēng)化弱化。韌性帶作為吸收脆性區(qū)域抬升和差異變形的主要載體，應(yīng)力累積最為快速。新生代以來東構(gòu)造結(jié)的NE向擠壓加速了這一過程(Yang et al.，2018)，從而導(dǎo)致了密度、波速、電阻率、溫度梯度等物理性質(zhì)異常(Hu et al.，2018; Kang et al.，2019)，其存在也為一定深度的脆-韌性過渡提供了證據(jù)(Craw et al.， 2005)。

4.2 “脆性”工程地質(zhì)力學(xué)模式

遠離東構(gòu)造結(jié)的忠玉—易貢段和波密—然烏段則是脆性工程地質(zhì)力學(xué)模式。工程地質(zhì)力學(xué)因子逐一表現(xiàn)為：巖石組合以低變質(zhì)巖石為主； 構(gòu)造體系以具有顯著破裂標識的非連續(xù)變形走滑斷層或逆沖斷層為主； 地應(yīng)力場方向變化小且地應(yīng)力相對較低； 由于原巖為成層性強的沉積巖，變質(zhì)后形成的片巖也保持了成層性，巖體結(jié)構(gòu)以層狀為主，其力學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)出明顯的方向性(包含等， 2022)。脆性區(qū)域工程地質(zhì)力學(xué)模式在野外直觀表現(xiàn)為該段嘉黎斷裂的非連續(xù)變形特征(圖 8)，在地球物理成像上則表現(xiàn)為高密度、低速度、高電阻率異常(Lin et al.，2017)。上地殼硬度高、密度大屬于典型脆性區(qū)域，在抬升過程中會在邊界區(qū)域形成應(yīng)力集中，當(dāng)局部應(yīng)力-應(yīng)變調(diào)整時即成為發(fā)震構(gòu)造。歷史強震的震中分布(Coudurier et al.，2020)也證明了這一點(圖 6)。

圖 8 嘉黎斷裂剪切帶標志層的變化規(guī)律Fig. 8 Transformation law of shear zone marker layers along Jiali fault a. 忠玉—易貢段Ⅱ1典型脆性剪切帶標識(遠離構(gòu)造結(jié))； b. 忠玉—易貢段Ⅱ1典型脆韌性剪切帶標識(靠近構(gòu)造結(jié))； c. 易貢—波密段Ⅱ2典型韌性剪切帶標識(構(gòu)造結(jié)附近)； d. 波密—然烏段Ⅱ3典型脆韌性剪切帶標識(遠離構(gòu)造結(jié))

圖 9 嘉黎斷裂帶活動性分段特征(任金衛(wèi)等， 2000; Lin et al.，2009; 宋鍵等， 2013; Chen et al.， 2014; Wang et al.，2020; 李鴻儒等， 2021； 鐘寧等， 2021)Fig. 9 Segmentation activity characteristics of Jiali fault

圖 10 嘉黎斷裂全新世活動性的現(xiàn)場證據(jù)Fig. 10 Field evidence of Holocene activity of Jiali fault a. 古鄉(xiāng)湖湘沉積物露頭顯示的斷裂照片，白色虛線框表示后續(xù)照片b-d的位置； b. 斷層變形位置的特寫； c. 卵礫石層； d. 斷裂未錯斷的粉砂層

圖 11 嘉黎斷裂典型的“脆-韌性”剖面 (修改自Zhang et al.(2020))Fig. 11 Typical brittle and ductile section of Jiali fault a. 臨近東構(gòu)造結(jié)地區(qū)的韌性剖面； b. 遠離東構(gòu)造結(jié)地區(qū)的脆性剖面

圖 12 地殼波速成像揭示“脆韌性”轉(zhuǎn)換模式成因機制 (修改自Peng et al.(2016)， Lin et al.(2017))Fig. 12 Crustal P-wave velocity imaging reveals the mechanism of transition from brittle model to ductile model a. 靠近構(gòu)造結(jié)的嘉黎斷裂波速成像； b. 遠離構(gòu)造結(jié)的嘉黎斷裂波速成像

4.3 “脆韌性”轉(zhuǎn)換模式的成因機制

嘉黎斷裂帶的分段“脆-韌-脆”特征和轉(zhuǎn)換機制可能受高原南部下地殼廣泛分布的通道流的控制(Clark et al.， 2000； Beaumont et al.，2001)。Bai et al. (2010)的青藏高原東南緣大地電磁成像表明，中、下地殼弱物質(zhì)流的韌性變形和上地殼沿邊界斷層的走滑構(gòu)造變形在青藏高原變形動力學(xué)機制中起著核心作用。Lin et al. (2017)基于東構(gòu)造結(jié)地區(qū)的地球物理學(xué)證據(jù)，提出東構(gòu)造結(jié)上地殼存在的脆性層和韌性層。東構(gòu)造結(jié)從西北向東南的大地電磁成像、剪切波速成像、重力異常成像均證明了東構(gòu)造結(jié)下部地殼的分區(qū)特征及流變性(Peng et al.，2016; Lin et al.，2017; Hu et al.，2018)。在南迦巴瓦峰下方的大部分上地殼和中地殼中，還拍攝到深度為8～30km的陡峭西北傾斜低電阻率帶(<80 Ωm)(Lin et al.，2017)，這種弱區(qū)可被解釋為快速減壓熔融形成的大型地幔逆流系統(tǒng)(Koons et al.，2013)。地表以下13～17km深度之間的400～550℃等溫線估計值表明，這一區(qū)域深部可能具有強烈的變質(zhì)反應(yīng)并進行含水熔融(Craw et al.，2005)。對Peng et al. (2016)的P波速成像的重新分析表明靠近東構(gòu)造結(jié)的嘉黎斷裂下部地殼明顯處于韌性區(qū)(圖 12a)，而遠離構(gòu)造結(jié)的嘉黎斷裂下部地殼則為塑性區(qū)(圖 12b)。由此可見，嘉黎斷裂中段工程地質(zhì)模式表現(xiàn)為“脆-韌-脆”性變化規(guī)律的原因，顯然是受到東構(gòu)造結(jié)下伏熱地幔流產(chǎn)生的高溫高壓強變質(zhì)作用帶的影響。

在距離東構(gòu)造結(jié)較遠的忠玉—易貢段Ⅱ1和波密—然烏段Ⅱ3，由于熱地幔流產(chǎn)生的強變質(zhì)帶的影響范圍距離嘉黎斷裂較遠，受熱地幔流影響作用小，以動力變質(zhì)作用為主，因此巖石組合表現(xiàn)為以構(gòu)造片巖為主的低級變質(zhì)巖，巖體結(jié)構(gòu)為成層脆性巖體，剪切帶類型為脆性或半脆性剪切帶的“脆性”區(qū)域工程地質(zhì)模式。同時由于斷裂帶內(nèi)的碎裂巖體寬度較窄，兩側(cè)受到完整巖石的挾持，河流的側(cè)蝕作用明顯弱于發(fā)生在斷裂帶內(nèi)的下蝕作用，因此河床快速地下切，河谷的加深速度大于其拓寬速度，斷裂谷的地貌形態(tài)呈現(xiàn)“V型”。

而在距離東構(gòu)造結(jié)較近的易貢—波密段Ⅱ2，嘉黎斷裂帶內(nèi)部受到熱地幔流的強烈影響，以接觸變質(zhì)作用為主，產(chǎn)生部分熔體的聚集從而導(dǎo)致巖石組合表現(xiàn)為以片麻巖為主的高級變質(zhì)巖，巖體結(jié)構(gòu)為碎裂結(jié)構(gòu)，剪切帶類型也呈現(xiàn)顯著的韌性特征。同時斷裂碎裂巖較寬，河流的側(cè)蝕作用和下蝕作用接近，疊加海洋性冰川的侵蝕作用，導(dǎo)致斷裂谷的地貌形態(tài)也呈現(xiàn)“U型”。由此可見，在東構(gòu)造結(jié)區(qū)域內(nèi)，歐亞大陸的碰撞-隆升-拆沉模式十分復(fù)雜，既存在剛體形式向東擠出及順時針旋轉(zhuǎn)(許志琴等， 2021)，又存在地幔流驅(qū)動下的隆升和變形，從而形成了嘉黎斷裂活動性質(zhì)的分段性特征。

5 嘉黎斷裂中段工程地質(zhì)問題探討

如前所述，在嘉黎斷裂中段的“脆韌性”模式驅(qū)動下，嘉黎斷裂沿線開展的水利水電、鐵路、高速公路等重大工程在不同段也面臨著不同的工程地質(zhì)問題(圖 13)。

圖 13 嘉黎斷裂中段重大工程地質(zhì)問題Fig. 13 Major engineering geological problems in middle segment of Jiali fault

5.1 忠玉—易貢段

水利水電工程的壩體、壩肩、地面構(gòu)筑物，公路鐵路工程的橋梁、路基、隧道口等地表重大工程，在嘉黎斷裂忠玉—易貢段面臨的主要工程地質(zhì)問題有高位遠程滑坡體、高能洪水、大型順層巖質(zhì)邊坡、高陡岸坡和危巖落石等(圖 13)。高位遠程滑坡在本段極為發(fā)育且典型，如易貢滑坡(殷躍平， 2000)，其隱蔽突發(fā)的特征及隨后的鏈生災(zāi)害帶來了巨大威脅。Yao et al. (2022)在忠玉鄉(xiāng)附近采用InSAR技術(shù)與現(xiàn)場調(diào)查識別出兩處高位遠程形變體，可能對該區(qū)域的重大工程建設(shè)與安全運營構(gòu)成嚴重威脅?，F(xiàn)場調(diào)查也發(fā)現(xiàn)了疑似高能洪水的沉積證據(jù)(王昊等， 2021)，鑒于氣候、水文、構(gòu)造與地形條件，該區(qū)域具有發(fā)育高能洪水的潛力(蘭恒星等， 2022)。

深埋隧道、水電廠房、壩基等深部地下工程，在嘉黎斷裂忠玉—易貢段面臨的主要工程地質(zhì)問題有地下洞室軟巖大變形，高壓突涌水，壩基不均勻沉降等問題。本段嘉黎斷裂內(nèi)的薄層結(jié)構(gòu)巖體，具有較低的強度和較強的各向異性，作為洞室圍巖工程性質(zhì)較差，軟弱層面易變形且方向復(fù)雜、變化快，因此在施工中需重視地下洞室的超前預(yù)報。雖然本段嘉黎斷裂的空間分布已基本清晰，但其分支斷裂復(fù)雜，加之本段交通不便導(dǎo)致現(xiàn)有基礎(chǔ)地質(zhì)資料匱乏，工程建設(shè)經(jīng)驗較少。壩基選址時應(yīng)重點關(guān)注地基穩(wěn)定性問題，加強斷裂特征的精細刻畫等研究工作。

5.2 易貢—波密段

地表重大工程在嘉黎斷裂易貢—波密段面臨的主要工程地質(zhì)問題有巨型泥石流及其鏈生災(zāi)害(冰川泥石流、冰湖潰決型泥石流、冰水混合型泥石流、雨洪型泥石流)(崔鵬等， 2003； 袁東等， 2022)，冰崩、冰湖潰決，松散層滑坡，巖屑坡、巖堆等(圖 13)。巨型泥石流及冰崩冰湖潰決等災(zāi)害風(fēng)險，主要分布在帕隆藏布流域的冰川冰湖集中發(fā)育區(qū)。海洋性冰川廣布的同時，巨厚層冰磧物也豐富，其結(jié)構(gòu)松散、強度低、遇水易滑，在不合理的工程擾動下易反復(fù)成災(zāi)，如102滑坡(李同錄等， 2003)。這些致災(zāi)因子都極易形成堵江事件，危險性高，容易形成巨災(zāi)。應(yīng)重視冰水鏈生災(zāi)害和工程災(zāi)變的發(fā)育規(guī)律與形成機制研究，開展超前識別、精準預(yù)測和高效防控等工作。

地下重大工程在嘉黎斷裂易貢—波密段面臨的主要工程地質(zhì)問題有高地應(yīng)力帶來的硬巖巖爆，斷層破碎帶軟巖大變形，高地溫(水)熱害及鏈生災(zāi)害，高壓涌水突泥等。本段嘉黎斷裂距離構(gòu)造結(jié)較近，其東北向擠壓活動帶來的高地應(yīng)力環(huán)境(Yang et al.，2018)，在深部洞室穿越花崗巖、花崗閃長巖等侵入巖時面臨較高的巖爆風(fēng)險(Liu et al.，2022; 田朝陽等， 2022)，應(yīng)采取超前地應(yīng)力釋放與支護等措施。在斷層破碎帶的軟巖段，針對大變形問題應(yīng)采用針對性強化支護等措施。同時破碎帶突涌水風(fēng)險極高，應(yīng)在施工中給與重點關(guān)注。深部地?；顒优c淺部斷裂網(wǎng)絡(luò)體系引起的熱流異常是引起高地溫及鏈生災(zāi)害風(fēng)險的關(guān)鍵因素(Ross et al.，2020)，在規(guī)劃這一區(qū)域的深埋地下工程建設(shè)過程中需加強地質(zhì)預(yù)報(張寧等， 2022b)，選擇低溫通道、開展熱害分級防控等減災(zāi)綜合防控手段。

此外，本段嘉黎斷裂的全新世活動性顯著，具有誘發(fā)地震的潛在可能(Wang et al.，2020)，活斷層的長期蠕滑錯動也會帶來工程體的變形開裂不均勻沉降等問題。因此，地表與地下工程均需采取柔性減震等方案綜合考慮抗震設(shè)計。

綜上所述，嘉黎斷裂易貢—波密段相較沿線的其他分段，受東構(gòu)造結(jié)北向擠壓的強烈影響和深部地?；顒拥目刂?，其面臨的災(zāi)害風(fēng)險更為突出，存在的工程地質(zhì)問題更為復(fù)雜。

5.3 波密—然烏段

地表重大工程在嘉黎斷裂波密—然烏段面臨的主要工程地質(zhì)問題有超高位危巖落石及鏈生災(zāi)害，大型崩積不穩(wěn)定巖堆，冰崩、冰湖潰決及鏈生災(zāi)害，松散層滑坡等。受1950年察隅地震的影響，本段嘉黎斷裂沿線危巖落石發(fā)育(詹慧麗等， 2022)。因此，地表工程選址應(yīng)傾向于巖質(zhì)堅硬、巖體完整的侵入巖地段。在難以開展工作的高陡溝谷，采用InSAR、無人機傾斜攝影、激光雷達Lidar開展現(xiàn)場調(diào)查，查清高位危巖落石的發(fā)育規(guī)律。對地表工程產(chǎn)生威脅的不穩(wěn)定崩積體，應(yīng)予以清除或采取適當(dāng)?shù)膿踝o措施。同時需要加強建設(shè)及運營期間監(jiān)測預(yù)警工作。由于下游堵江災(zāi)害的頻發(fā)，本段嘉黎斷裂沿線廣泛分布河湖相沉積物(Chen et al.，2014)，沉積組分混雜結(jié)構(gòu)松散導(dǎo)致了兩岸各種松散層滑坡的活躍。針對該段同樣密集分布的冰湖，應(yīng)重點開展形變長期監(jiān)測的相關(guān)研究。

地下重大工程在嘉黎斷裂波密—然烏段面臨的主要工程地質(zhì)問題有高壓涌水突泥，軟巖大變形，隧道、壩基不均勻形變等。帕隆藏布上游地表水量大、水壓高，在大理巖、灰?guī)r等可溶巖發(fā)育段突涌水風(fēng)險大，應(yīng)當(dāng)重視超前探水等工作。斷層內(nèi)薄層結(jié)構(gòu)的片巖仍然具有巖體質(zhì)量差、各向異性強烈等特征，在地下洞室的施工中應(yīng)重點關(guān)注其變形特征。Zhang et al. (2020)結(jié)合GPS數(shù)據(jù)和區(qū)域地震分布認為嘉黎斷裂南部具有相對顯著的地殼隆起和水平縮短，形變中心從東構(gòu)造結(jié)向嘉黎斷裂南段遷移。因此，地下工程選址應(yīng)重點關(guān)注構(gòu)造接觸面或斷層面的相對形變，加強長期監(jiān)測與相關(guān)風(fēng)險的預(yù)判。

6 結(jié) 論

本文對嘉黎斷裂中段重大工程區(qū)開展了工程地質(zhì)力學(xué)分析，系統(tǒng)梳理地形地貌、巖石組合、巖體結(jié)構(gòu)、地應(yīng)力場、剪切帶、第四紀活動性等工程地質(zhì)力學(xué)因子，獲得了嘉黎斷裂的分段差異性。

嘉黎斷裂中段沿易貢藏布和帕隆藏布展布形成的斷裂河谷地貌，由北西向南東形態(tài)呈現(xiàn)顯著的“V型”-“U型”-“V型”谷的變化規(guī)律； 斷裂帶內(nèi)部的巖石組合主要為變質(zhì)巖建造，但其變質(zhì)程度呈現(xiàn)顯著的“低變質(zhì)”-“高變質(zhì)”-“低變質(zhì)”的變化規(guī)律； 巖體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)顯著的“薄層”-“碎裂”-“薄層”的變化規(guī)律； 應(yīng)力場表現(xiàn)為右旋走滑、逆沖和右旋走滑兼逆沖，分別顯示NNE-SSW向擠壓、NEE-SWW向擠壓和NW-SE向拉張的區(qū)域應(yīng)力特征； 剪切帶內(nèi)部標識層說明其脆韌性呈現(xiàn)顯著的“脆性”-“半脆性”-“韌性”-“脆性”的變化規(guī)律； 野外調(diào)查及沉積物年代學(xué)測定結(jié)果說明其第四紀活動性呈現(xiàn)由斷裂兩端向構(gòu)造結(jié)方向逐漸增加的變化規(guī)律。

綜合嘉黎斷裂中段的斷裂地貌、巖石組合、巖體結(jié)構(gòu)、地應(yīng)力場等工程地質(zhì)力學(xué)指標以及剪切帶類型、第四紀活動性等斷裂特征的分段規(guī)律， 本文將嘉黎斷裂分段特征的工程地質(zhì)力學(xué)模式分為兩類。即臨近東構(gòu)造結(jié)地區(qū)的嘉黎斷裂易貢—波密段是典型的韌性工程地質(zhì)力學(xué)模式，遠離東構(gòu)造結(jié)地區(qū)的忠玉—易貢段、波密—然烏段則是脆性工程地質(zhì)力學(xué)模式。不同工程地質(zhì)模式的成因機制主要是受到東構(gòu)造結(jié)下伏熱地幔流產(chǎn)生的高溫高壓強變質(zhì)作用帶的影響。在此背景下，探討分析了嘉黎斷裂沿線開展的水利水電、鐵路、高速公路等重大工程在不同段面臨的不同工程地質(zhì)問題，并給出了針對性的防治建議。