青藏高原東南緣實(shí)測地應(yīng)力特征及意義分析*

張 寧 蘭恒星 李郎平 孫巍鋒 劉世杰 林 感 田朝陽

(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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101，中國)

0 引 言

地殼的應(yīng)力狀態(tài)是巖石圈構(gòu)造活動(dòng)最為直接的因素之一，其大小、方向及其時(shí)空變化與巖石圈的各種地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象及其伴生作用密切相關(guān)，因而是地球動(dòng)力學(xué)研究的重要參數(shù)之一。了解地殼的應(yīng)力狀態(tài)是深入理解板塊運(yùn)動(dòng)、構(gòu)造變形、地震活動(dòng)等地球力學(xué)行為的重要基礎(chǔ)(Zoback，1992)。同時(shí)，地應(yīng)力也是巖體行為預(yù)測、隧道開挖評(píng)價(jià)、支護(hù)設(shè)計(jì)的重要數(shù)據(jù)(Martin et al.，1999)。因此，地殼的應(yīng)力狀態(tài)及其分布特征是地學(xué)界和工程學(xué)界重點(diǎn)關(guān)注的問題。

在印度-歐亞板塊碰撞的影響下，青藏高原東南緣成為內(nèi)外動(dòng)力耦合作用最為顯著的地區(qū)，具有顯著的地形高差、強(qiáng)烈的板塊活動(dòng)、密集的深大斷裂、頻發(fā)的山地災(zāi)害等惡劣的地質(zhì)環(huán)境(蘭恒星等，2021)。獨(dú)特的構(gòu)造和地球物理環(huán)境使青藏高原東南緣成為研究巖石圈結(jié)構(gòu)、地殼應(yīng)力場、形變特征、演化和隆升過程及其動(dòng)力學(xué)機(jī)制等大陸動(dòng)力學(xué)問題的天然實(shí)驗(yàn)室(Chen et al.，2013；Chen et al.，2014；Luo et al.，2016；Li et al.，2017；Yang et al.，2019)。同時(shí)，在西部大開發(fā)過程中，一系列的重大工程紛紛上馬，包括滇藏鐵路和眾多的水利水電工程等。因此，圍繞該區(qū)域研究地殼應(yīng)力狀態(tài)及其分布特征具有重要的科學(xué)與現(xiàn)實(shí)意義，不僅有助于了解青藏高原東南緣構(gòu)造變形、地震孕育機(jī)理等特征，也可以為重大工程規(guī)劃建設(shè)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供重要的力學(xué)依據(jù)。

原位地應(yīng)力測量是獲取地殼應(yīng)力特征最直接的途徑，相對(duì)于震源機(jī)制解和斷層滑動(dòng)資料反演應(yīng)力場等間接方法而言，具有可直接獲得應(yīng)力絕對(duì)大小和方向的優(yōu)勢(shì)。在青藏高原東南緣區(qū)域，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的原地應(yīng)力實(shí)測與地應(yīng)力特征分析工作。吳滿路等(2010)基于映秀、寶興及康定地區(qū)的水壓致裂原地應(yīng)力測量結(jié)果，發(fā)現(xiàn)2008年汶川地震后，該區(qū)域的地應(yīng)力水平仍然較高，仍存在地震危險(xiǎn)性；陳群策等(2012)基于龍門山斷裂帶東北段實(shí)測地應(yīng)力測量，分析了龍門山斷裂帶上下盤應(yīng)力賦存狀態(tài)的不均衡性及現(xiàn)今地應(yīng)力作用方向的分段性特征；豐成君等(2014)基于跨度近30年的實(shí)測地應(yīng)力數(shù)據(jù)，分析了青藏高原東南緣麗江—?jiǎng)Υǖ貐^(qū)的構(gòu)造應(yīng)力場變化特征及其動(dòng)力學(xué)指示意義；孟文等(2017)基于水壓致裂原地應(yīng)力測量，獲得了西藏林芝縣、朗縣和乃東縣的地殼淺層的應(yīng)力特征；張重遠(yuǎn)等(2022)采用水壓致裂法在喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)西緣開展了20個(gè)鉆孔的原地應(yīng)力測量，為某交通線路色季拉山、魯朗、拉月3座超長深埋隧道的應(yīng)力量值、方向等關(guān)鍵參數(shù)提供了重要的定量分析數(shù)據(jù)?？傮w上，他們出色而扎實(shí)的工作為青藏高原東南緣地應(yīng)力狀態(tài)及其分布特征的定量分析提供了寶貴的數(shù)據(jù)。盡管如此，這些實(shí)測數(shù)據(jù)相對(duì)于整個(gè)青藏高原東南緣來說，仍然相對(duì)匱乏，空間分布也有一定的局部性，難以全面反映整個(gè)區(qū)域的應(yīng)力分布特征。而在區(qū)域尺度地應(yīng)力特征分析方面，Zoback(1992)匯集了全球范圍各種應(yīng)力資料，編制了“世界應(yīng)力圖”，分析了全球巖石圈應(yīng)力場的總體與分區(qū)特征。謝富仁等(2004)匯集了各種實(shí)測地應(yīng)力資料，根據(jù)應(yīng)力性狀和力源特征，將中國大陸現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場劃分為4級(jí)應(yīng)力區(qū)。景鋒等(2008)根據(jù)中國大陸地區(qū)400多個(gè)實(shí)測地應(yīng)力數(shù)據(jù)，得到了我國地應(yīng)力沿埋深分布規(guī)律。楊樹新等(2012)基于大量實(shí)測地應(yīng)力資料采用等深度段分組法分析了中國大陸與各研究區(qū)地殼淺層地應(yīng)力量值、方位特征。姚瑞等(2017)將實(shí)測地應(yīng)力數(shù)據(jù)扣除重力影響，給出了青藏高原及周緣的構(gòu)造應(yīng)力隨深度變化的統(tǒng)計(jì)特征。從區(qū)域尺度上看，上述研究涵蓋了青藏高原東南緣，然而由于所劃分的區(qū)域過大，導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)部各個(gè)塊體內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)，尤其是應(yīng)力量值在各個(gè)塊體間的分布特征認(rèn)識(shí)仍然不足，亟需對(duì)青藏高原東南緣的區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)分析進(jìn)一步細(xì)化。

近年來隨著一系列重大工程，如滇藏鐵路及各類水利水電工程的開發(fā)，區(qū)域內(nèi)的實(shí)測地應(yīng)力數(shù)據(jù)逐步豐富，也有助于地殼應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)一步細(xì)化。因此，本文廣泛收集整理了900余組實(shí)測地應(yīng)力數(shù)據(jù)，利用統(tǒng)計(jì)分析的方法，對(duì)青藏高原東南緣實(shí)測地應(yīng)力總體特征展開了深入分析，結(jié)合中國大陸及其鄰區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力場分區(qū)，進(jìn)而對(duì)青藏高原東南緣各應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了詳細(xì)的分析與比較，揭示各應(yīng)力分區(qū)應(yīng)力特征的差異，為研究應(yīng)力場、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)模式、地震活動(dòng)之間的關(guān)系提供基礎(chǔ)資料，同時(shí)也可為重大工程的設(shè)計(jì)提供重要參考。

1 地應(yīng)力數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)背景及數(shù)據(jù)分布

青藏高原東南緣橫跨中國西南部的四川和云南的大部分地區(qū)，屬于青藏高原腹地(平均海拔4500m)與華南地塊的過渡地帶。與青藏高原周圍其他地形陡峭的邊緣不同，青藏高原東南緣地形寬廣，坡度平緩，地勢(shì)從高原中部向云南南部緩慢降低(圖1b)，而地殼厚度卻急劇變化，從高原中部的約60km迅速向云南南部降低，降低至約30km(圖1a)。此外，GPS觀測證實(shí)，地殼物質(zhì)正在向東南方向移動(dòng)，并在東喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)(圖1c)。這些特征揭示了青藏高原東南緣在印度-歐亞大陸碰撞過程中經(jīng)歷了強(qiáng)烈的構(gòu)造變形。受印度板塊向北俯沖的影響，緬甸微板塊向東俯沖和東部四川盆地的剛性阻力的共同作用，該地區(qū)發(fā)育一系列大型走滑斷層，如鮮水河斷裂帶、金沙江斷裂帶、紅河斷裂帶、小江斷裂等。這些斷裂將青藏高原東南緣劃分為多個(gè)活動(dòng)地塊，包括川滇菱形地塊、巴顏喀拉地塊、滇西地塊等。由于塊體間、塊體與斷裂帶間的相互作用復(fù)雜，不同的地區(qū)可能受到不同的應(yīng)力場控制。謝富仁等(2004)基于區(qū)域應(yīng)力性狀(方向、結(jié)構(gòu)、模式等)分布的一致性原則，對(duì)于中國大陸及鄰區(qū)現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場進(jìn)行了劃分。根據(jù)劃分結(jié)果，青藏高原東南緣跨越青藏高原南部應(yīng)力區(qū)和青藏高原北部及北東應(yīng)力區(qū)2個(gè)3級(jí)應(yīng)力區(qū)，包含5個(gè)4級(jí)應(yīng)力區(qū)：巴顏喀拉山應(yīng)力區(qū)(BY)、龍門山-松潘應(yīng)力區(qū)(LS)、墨脫-昌都應(yīng)力區(qū)(MC)，川滇應(yīng)力區(qū)(CD)、滇西南應(yīng)力區(qū)(WD)。構(gòu)造應(yīng)力場分區(qū)與活動(dòng)地塊具有一定的相關(guān)性，分區(qū)邊界與分割塊體的斷裂帶幾乎一致，進(jìn)一步表明青藏高原東南緣各活動(dòng)地塊應(yīng)力場的非均勻分布，也反映了該區(qū)域構(gòu)造作用的復(fù)雜性。

本研究收集整理了900余組水壓致裂法、鉆孔應(yīng)力解除法等方法得到的實(shí)測地應(yīng)力數(shù)據(jù)，主要來自于鐵路、公路、水利水電等工程以及一些科學(xué)鉆孔，如某公路、水電站等，限于篇幅，在此不一一列舉。數(shù)據(jù)覆蓋了青藏高原東南緣的各個(gè)應(yīng)力分區(qū)，數(shù)據(jù)的鉆孔位置及方向的分布情況如圖1所示。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)背景與應(yīng)力數(shù)據(jù)分布

1.2 數(shù)據(jù)處理

為使研究結(jié)果能夠更好地反映研究區(qū)整體特征，采用楊樹新等(2012)實(shí)測數(shù)據(jù)優(yōu)化處理方法：(1)去掉水平應(yīng)力量值、主應(yīng)力信息和深度不完整的數(shù)據(jù)；(2)由于數(shù)據(jù)易受局部地質(zhì)條件和工程建設(shè)的影響，難免產(chǎn)生異常數(shù)據(jù)。因此，先將全部數(shù)據(jù)通過回歸方程進(jìn)行擬合，然后以擬合的直線為中心在兩側(cè)分別做一條直線，使95%的數(shù)據(jù)落在兩條對(duì)稱線內(nèi)側(cè)；其余數(shù)據(jù)由于偏離回歸線較大，予以剔除，如圖2所示，圖中數(shù)據(jù)點(diǎn)代表實(shí)測的最大水平應(yīng)力σH、最小水平應(yīng)力σh。數(shù)據(jù)優(yōu)化后，得到深度范圍為13～1150m 的實(shí)測數(shù)據(jù)834組。

圖2 實(shí)測地應(yīng)力隨深度變化與數(shù)據(jù)優(yōu)化示意圖

2 實(shí)測地應(yīng)力量值特征分析

2.1 應(yīng)力梯度隨深度變化規(guī)律

地應(yīng)力隨深度的分布情況有助于了解區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場的縱向分布特征。應(yīng)力隨深度的變化規(guī)律通常采用線性回歸方程進(jìn)行量化表征，通過回歸方程得到的斜率和截距來反映不同應(yīng)力分區(qū)實(shí)測地應(yīng)力的大小。截距的大小代表地表處地應(yīng)力的大小，斜率表征了應(yīng)力梯度，反映了應(yīng)力隨深度變化的速率。梯度值越大，代表構(gòu)造作用越強(qiáng)。

研究區(qū)各個(gè)應(yīng)力分區(qū)的3個(gè)主應(yīng)力值隨深度變化的變化規(guī)律如圖3所示。由圖3可知，垂直應(yīng)力的應(yīng)力梯度幾乎一致，主要是由于垂直應(yīng)力的大小是通過上覆巖體重度計(jì)算得到(McGarr et al.，1978；Zoback，1983)。然而，對(duì)于最大水平主應(yīng)力的應(yīng)力梯度，5個(gè)應(yīng)力分區(qū)呈現(xiàn)明顯的不同。σH梯度值由高到低依次為巴顏喀拉山應(yīng)力區(qū)37.71MPa·km-1、龍門山-松潘應(yīng)力區(qū)28.9MPa·km-1、墨脫-昌都應(yīng)力區(qū)26.30MPa·km-1，川滇應(yīng)力區(qū)22.36MPa·km-1、滇西南應(yīng)力區(qū)22.03MPa·km-1。而σH地表值(σH擬合曲線常數(shù)項(xiàng))由高到低依次為川滇應(yīng)力區(qū)、滇西南應(yīng)力區(qū)、龍門山-松潘應(yīng)力區(qū)、墨脫-昌都應(yīng)力區(qū)、巴顏喀拉山應(yīng)力區(qū)。從各區(qū)域應(yīng)力梯度的相對(duì)大小與空間分布可以看出，應(yīng)力梯度從西部向東部先減小后增大。而在南北方向，應(yīng)力梯度從北向南逐漸減小?？傮w來看，呈現(xiàn)明顯的“北強(qiáng)南弱”的應(yīng)力特征，即位于北部的3個(gè)應(yīng)力區(qū)(巴顏喀拉山應(yīng)力區(qū)，龍門山-松潘應(yīng)力區(qū)、墨脫-昌都應(yīng)力區(qū))應(yīng)力量值大，而南部的兩個(gè)應(yīng)力區(qū)(川滇應(yīng)力區(qū)、滇西南應(yīng)力區(qū))應(yīng)力量值小。

圖3 實(shí)測地應(yīng)力分布隨深部分布圖

此外，在不同應(yīng)力分區(qū)中，3個(gè)方向主應(yīng)力的梯度值不同，導(dǎo)致三者之間的相對(duì)大小將隨深度逐漸變化。根據(jù)Anderson斷裂理論(Anderson，1951)，3個(gè)主應(yīng)力的相對(duì)大小可以確定地殼中的主要應(yīng)力模式，即正斷層應(yīng)力模式(σv>σh>σH)，逆斷層應(yīng)力模式(σH>σh>σv)，走滑斷層應(yīng)力模式(σH>σv>σh)。由圖3可知，在實(shí)測數(shù)據(jù)深度范圍內(nèi)(0～1km)，隨著深度的增加，5個(gè)應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)從逆斷型應(yīng)力變?yōu)樽呋蛻?yīng)力模式。但值得注意的是，根據(jù)應(yīng)力數(shù)據(jù)回歸方程向更深處的外推，川滇應(yīng)力區(qū)和滇西南應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)有逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檎龜嘈蛻?yīng)力模式的趨勢(shì)，即深部的應(yīng)力場以垂直應(yīng)力為主。巴顏喀拉山應(yīng)力區(qū)，龍門山-松潘應(yīng)力區(qū)、墨脫-昌都應(yīng)力區(qū)在印度板塊與歐亞板塊持續(xù)碰撞的作用下，現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力以水平擠壓作用為主，而在川滇應(yīng)力區(qū)和滇西南應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力模式與這種以水平擠壓作用為主的構(gòu)造應(yīng)力特征呈相反的特點(diǎn)。此外，根據(jù)震源機(jī)制分布的特征顯示：川滇應(yīng)力區(qū)北部與西邊界的應(yīng)力狀態(tài)為EW-SE-SSE的正斷層類型(王曉山等，2015；Lou et al.，2016)，這些特征反映了隨著應(yīng)力場向南部延伸，水平構(gòu)造應(yīng)力的作用逐漸變?nèi)?，也進(jìn)一步顯示了宏觀構(gòu)造作用的差異性。應(yīng)力狀態(tài)對(duì)宏觀構(gòu)造作用的指示意義將在4.1節(jié)討論。

2.2 側(cè)壓力系數(shù)隨深度變化

一般情況下，水平向與垂直向主應(yīng)力比值可以反映水平應(yīng)力相對(duì)于垂直應(yīng)力大小的特征，同時(shí)也便于分析不同區(qū)域水平應(yīng)力在相同深度處(或相同豎向應(yīng)力處)的大小。本文采用Brown et al.(1978)提出的側(cè)壓力系數(shù)，即Kav=(σH+σh)/2σv，來表征各個(gè)應(yīng)力分區(qū)側(cè)壓力系數(shù)特征，如圖4所示。由圖可知，當(dāng)埋深較小時(shí)，受地形差異，地表剝蝕等因素的影響，側(cè)壓力系數(shù)十分離散，隨著深度的增加，波動(dòng)范圍迅速減小，逐漸趨近恒定值。恒定值從大到小分別為：龍門山-松潘應(yīng)力區(qū)1.23、墨脫-昌都應(yīng)力區(qū)1.19、巴顏喀拉山應(yīng)力區(qū)1.12、川滇應(yīng)力區(qū)0.95和滇西南應(yīng)力區(qū)0.67。側(cè)壓力系數(shù)Kav>1，表明應(yīng)力狀態(tài)由水平構(gòu)造應(yīng)力主控；Kav<1，表明應(yīng)力狀態(tài)由垂直應(yīng)力主控。川滇應(yīng)力區(qū)和滇西南應(yīng)力區(qū)的Kav<1，這可能進(jìn)一步表明：歐亞板塊與印度板塊碰撞以水平構(gòu)造應(yīng)力為主的遠(yuǎn)程效應(yīng)逐漸變?nèi)酢?/p>

圖4 各應(yīng)力區(qū)側(cè)壓力系數(shù)隨深度變化

2.3 應(yīng)力積累特征

根據(jù)Anderson斷裂理論，主應(yīng)力的相對(duì)大小反映了地殼破壞的模式，而最大剪切力的相對(duì)大小可以反映地殼破壞的可能性，是地殼破壞狀態(tài)相關(guān)的參數(shù)(王成虎等，2014)。在不考慮孔隙水壓力的情況下，通常采用最大剪切應(yīng)力(S1-S2)/2與平均主應(yīng)力(S1+S2)/2的比值μm表示，μm表示一個(gè)區(qū)域應(yīng)力的積累水平，μm越大說明應(yīng)力積累程度高，反之亦然。當(dāng)應(yīng)力水平積累到一定程度，通過斷層活動(dòng)將應(yīng)力釋放，從而維持地殼的穩(wěn)定。Townend et al.(2000)分析世界范圍內(nèi)6個(gè)深孔應(yīng)力測試數(shù)據(jù)所得到的結(jié)果，認(rèn)為μm為 0.5～0.7時(shí)，應(yīng)力積累水平較高，地殼處于極限應(yīng)力狀態(tài)，其穩(wěn)定性也處于臨界狀態(tài)，一旦超過0.7 時(shí)，斷層很容易發(fā)生滑動(dòng)失穩(wěn)；μm為 0.3～0.5 時(shí)，應(yīng)力積累水平中等，地殼相對(duì)穩(wěn)定；μm小于 0.3 時(shí)，應(yīng)力積累水平較低，地殼處于穩(wěn)定狀態(tài)。圖5分別給出了各個(gè)應(yīng)力分區(qū)的應(yīng)力積累水平，由圖可知，墨脫-昌都應(yīng)力區(qū)和滇西南區(qū)的μm值分別為0.28和0.23，相對(duì)于其他3個(gè)區(qū)域較低。巴顏喀拉山應(yīng)力區(qū)，龍門山-松潘區(qū)和川滇應(yīng)力區(qū)的μm值分別為0.37，0.39和0.34。由上文可知，相對(duì)于巴顏喀拉山應(yīng)力區(qū)和龍門山-松潘區(qū)而言，川滇應(yīng)力區(qū)的最大水平較小，但是三者的應(yīng)力積累水平相差不大，這主要是由與應(yīng)力積累水平由最大應(yīng)力差決定，川滇應(yīng)力區(qū)的最小主應(yīng)力相對(duì)于其他應(yīng)力區(qū)，具有更小的應(yīng)力特征。較高的應(yīng)力積累水平，意味著發(fā)生地震的可能性較大。根據(jù)中國地震臺(tái)網(wǎng)提供的歷史地震數(shù)據(jù)，在1900年到2019年之間，龍門山應(yīng)力區(qū)和川滇應(yīng)力區(qū)發(fā)生地震(MS>3.0)的次數(shù)達(dá)到約3362次，占整個(gè)研究總數(shù)量的65%，這也從側(cè)面證明了本文的分析。

圖5 最大差應(yīng)力與平均有效應(yīng)力的關(guān)系

3 實(shí)測應(yīng)力方向特征分析

圖6分別給出了各個(gè)應(yīng)力分區(qū)實(shí)測地應(yīng)力最大水平方向的方位玫瑰花圖和基于震源機(jī)制得到最大水平應(yīng)力方向的方位玫瑰花圖。在相應(yīng)的應(yīng)力分區(qū)內(nèi)，實(shí)測地應(yīng)力的最大水平應(yīng)力的優(yōu)勢(shì)方向與震源機(jī)制具有一致性。實(shí)測地應(yīng)力數(shù)據(jù)埋深淺，代表了淺層地殼的應(yīng)力狀態(tài)。震源機(jī)制數(shù)據(jù)分布在深度10～20km范圍，代表了中上地殼的應(yīng)力狀態(tài)，這意味著從縱向上看，中上地殼與淺層地殼的應(yīng)力來源可能是一致的。然而，在水平方向上看，不同應(yīng)力區(qū)的最大水平方向顯著不同，顯示出青藏高原東南緣應(yīng)力場的空間非均勻性。墨脫-昌都應(yīng)力區(qū)和巴顏喀拉山應(yīng)力區(qū)最大水平應(yīng)力方向均呈NNE-SSW方向；龍門山-松潘應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力方向呈近E-W向；川滇應(yīng)力區(qū)有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)方向，一組呈NE-SW向，另一組為SE-NW向；滇西南應(yīng)力區(qū)優(yōu)勢(shì)方向?yàn)镹E-SW向。整體而言，青藏高原東南緣的最大水平應(yīng)力的優(yōu)勢(shì)方向呈圍繞喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。構(gòu)造應(yīng)力場往往與地殼運(yùn)動(dòng)場具有耦合關(guān)系，而最大水平主應(yīng)力的方向也與運(yùn)動(dòng)矢量表現(xiàn)一致。青藏高原東南緣的最大水平應(yīng)力方向的分布特征與GPS觀測的速度場，均呈現(xiàn)明顯的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)(圖1)。

圖6 各個(gè)研究區(qū)最大水平應(yīng)力方位特征

4 討論與分析

4.1 應(yīng)力狀態(tài)對(duì)構(gòu)造動(dòng)力學(xué)特征的指示意義

目前關(guān)于青藏高原東南緣的地殼變形與動(dòng)力學(xué)過程主要包含兩個(gè)模型，即塊體側(cè)向擠壓模型(Tapponnier et al.，2001)和下地殼流模型(Royden et al.，2008)。前者認(rèn)為：地殼形變是由印度-歐亞大陸碰撞產(chǎn)生的水平構(gòu)造應(yīng)力驅(qū)動(dòng)的，將地殼形變描述為一系列剛性或微變形塊體沿著大型走滑斷裂側(cè)向擠出(Calais et al.，2006)。而后者的觀點(diǎn)則認(rèn)為：地殼形變是由印度-歐亞大陸碰撞引起的地殼增厚產(chǎn)生的重力勢(shì)能所驅(qū)動(dòng)(Molnar et al.，1997)。在重力勢(shì)能作用下，在中、下地殼中產(chǎn)生一種黏滯性流體，從高原中部向東及東南方向運(yùn)移，驅(qū)動(dòng)著地殼的形變(Liu et al.，2014)。

動(dòng)力學(xué)模型的動(dòng)力來源和形變模式不同，將導(dǎo)致地殼分布不同的應(yīng)力狀態(tài)。相反，結(jié)合地殼中應(yīng)力狀態(tài)，也可進(jìn)一步對(duì)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證。如上文所述：青藏高原東南緣的應(yīng)力狀態(tài)的空間分布并不是均勻的，以主要斷裂帶分割而成的各個(gè)應(yīng)力分區(qū)或者塊體間的應(yīng)力量值特征和應(yīng)力方向特征均有很大差異，呈現(xiàn)出明顯的“北強(qiáng)南弱”特征。因此，從應(yīng)力狀態(tài)分布的異質(zhì)性上看，青藏高原東南緣的動(dòng)力學(xué)模式可能與塊體側(cè)向擠壓模型相符合。但是，值得注意的是：由于塊體側(cè)向擠壓模型的動(dòng)力源來自印度-歐亞大陸碰撞產(chǎn)生的水平構(gòu)造應(yīng)力，各個(gè)塊體的應(yīng)力場應(yīng)以走滑或逆斷型應(yīng)力類型為主，墨脫-昌都應(yīng)力區(qū)和巴顏喀拉山應(yīng)力區(qū)為以最大水平應(yīng)力方向?yàn)镹NE-SSW向的走滑型應(yīng)力場(圖3c和圖3a)和龍門山-松潘應(yīng)力區(qū)為最大水平應(yīng)力方向?yàn)镋-W向的逆斷型應(yīng)力場(圖3b)與上述應(yīng)力狀態(tài)相符，而在川滇應(yīng)力區(qū)和滇西南應(yīng)力區(qū)，應(yīng)力狀態(tài)呈現(xiàn)相反的應(yīng)力狀態(tài)，以最大水平應(yīng)力方向?yàn)镹W-SE和NE-SW向的正斷型應(yīng)力為主(圖3d～圖3e)，這可能表明印度-歐亞板塊碰撞產(chǎn)生水平擠壓的效應(yīng)從高原中部向南(即川滇應(yīng)力區(qū)和滇西南應(yīng)力區(qū))逐漸減弱。另外，地殼內(nèi)低速帶(Royden et al.，1997; Wu et al.，2019)，高導(dǎo)電率(Bai et al.，2010)和高泊松比(Chen et al.，2013)等觀測結(jié)果均表明，川滇地區(qū)及滇西南地區(qū)的下地殼可能存在大范圍的從北西向東南流動(dòng)的黏滯性流體，這種流體可能對(duì)上地殼產(chǎn)生NW-SE拖拽作用(Bai et al.，2010)，與川滇地區(qū)和滇西南地區(qū)實(shí)測應(yīng)力和震源機(jī)制的最大水平應(yīng)力方向具有較好的一致性(圖6)。此外，根據(jù)下地殼流模型，黏滯性流體的驅(qū)動(dòng)力為上覆地殼的重力勢(shì)能，因此區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)為正斷型(重力勢(shì)能為最大主應(yīng)力)，這與川滇和滇西南應(yīng)力區(qū)實(shí)測地應(yīng)力的正斷型應(yīng)力狀態(tài)相一致(圖3d～圖3e)，因此該區(qū)的形變可能受下地殼流模型控制。

基于以上定性分析，塊體側(cè)向擠出和下地殼流的復(fù)合作用可能共同控制青藏高原東南緣的地殼應(yīng)力場。青藏高原東南緣北部的3個(gè)應(yīng)力區(qū)，即墨脫-昌都應(yīng)力區(qū)，巴顏喀拉山應(yīng)力區(qū)和龍門山-松潘應(yīng)力區(qū)的地殼形變以側(cè)向擠出為主，其應(yīng)力場可能主要受印度-歐亞大陸碰撞產(chǎn)生的水平構(gòu)造應(yīng)力控制。而南部的兩個(gè)應(yīng)力區(qū)主要受地殼流模型控制，其應(yīng)力場可能受由印度-歐亞大陸碰撞引起的地殼增厚產(chǎn)生的重力勢(shì)能控制。此外，這進(jìn)一步解釋了北部的3個(gè)應(yīng)力區(qū)的梯度值、側(cè)壓力系數(shù)等量值特征大于南部兩個(gè)應(yīng)力區(qū)的梯度值、側(cè)壓力系數(shù)等值的原因。

4.2 地應(yīng)力狀態(tài)對(duì)重大地下工程穩(wěn)定性分析

近年來，隨著一系列重大工程，如滇藏鐵路及各類水利水電工程的開發(fā)，往往要設(shè)計(jì)大量深埋長大隧道。以某交通線路為例，某交通線路全長約1000km，隧道占比90%以上。在隧道開挖過程中不可避免地會(huì)遇到高地應(yīng)力(巖爆、大變形)等問題，進(jìn)而產(chǎn)生地下工程穩(wěn)定性問題(黃藝丹等，2021)。限于篇幅，本文以巖爆問題為例，分析了各個(gè)應(yīng)力區(qū)應(yīng)力狀態(tài)對(duì)地下工程穩(wěn)定性的影響。

在巖爆風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測方法中，巖石強(qiáng)度應(yīng)力比法因其參數(shù)少，應(yīng)用方便等特征在地下工程設(shè)計(jì)階段廣泛應(yīng)用(谷佳誠等，2022)，因此本文主要考慮了巖石強(qiáng)度應(yīng)力比法(表1)探討巖爆風(fēng)險(xiǎn)問題。此外，青藏高原東南緣出露的硬質(zhì)類巖石包括花崗巖、片麻巖、閃長巖、石英砂巖等(陳興強(qiáng)，2020)，由于各類巖石的單軸抗壓強(qiáng)度范圍變化比較大，因此選用兩個(gè)極限值作為巖爆風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測的單軸抗壓強(qiáng)度，以分析巖爆風(fēng)險(xiǎn)最高和最低的極限狀態(tài)。各類巖石的密度和單軸抗壓強(qiáng)度(陳興強(qiáng)，2020)及選用的極限值如表2所示。

表1 強(qiáng)度應(yīng)力比法巖爆風(fēng)險(xiǎn)判據(jù)和分級(jí)

表2 青藏高原東南緣主要巖性參考值(陳興強(qiáng)，2020)

根據(jù)上述方法及參數(shù)，基于5個(gè)應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力回歸方程計(jì)算了在Rc=70～130MPa的情況下，深度范圍為0～2km內(nèi)可能的巖爆風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，如圖7所示。由圖可知：除了巴顏喀拉山應(yīng)力區(qū)在埋深2km左右時(shí)，且當(dāng)Rc接近于70MPa時(shí)可能產(chǎn)生極強(qiáng)巖爆，其余4個(gè)應(yīng)力分區(qū)在0～2km深度范圍內(nèi)產(chǎn)生極強(qiáng)巖爆的可能性較小。當(dāng)Rc=70MPa時(shí)，5個(gè)應(yīng)力區(qū)發(fā)生輕微巖爆的最小埋深較為接近，在170m左右。而中等巖爆埋深差異較為明顯，當(dāng)5個(gè)應(yīng)力區(qū)埋深分別超過374m(巴顏喀拉山應(yīng)力區(qū))、428m(龍門山應(yīng)力區(qū))、464m(昌都-墨脫應(yīng)力區(qū))、445m(川滇應(yīng)力區(qū))、527m(滇西南應(yīng)力區(qū))，可以達(dá)到中等巖爆。在800m左右，巴顏喀拉山應(yīng)力區(qū)可以達(dá)到強(qiáng)烈?guī)r爆；在1000m左右，龍門山應(yīng)力區(qū)和墨脫昌都應(yīng)力區(qū)達(dá)到強(qiáng)烈?guī)r爆，而在1200m左右，川滇應(yīng)力區(qū)和滇西南應(yīng)力區(qū)達(dá)到強(qiáng)烈?guī)r爆，此外，在川滇應(yīng)力區(qū)和滇西南應(yīng)力區(qū)由于在1200m左右處，垂直應(yīng)力大于最大水平主應(yīng)力，其巖爆發(fā)生主要受控于垂直地應(yīng)力。而當(dāng)Rc=190MPa時(shí)，5個(gè)應(yīng)力區(qū)均不會(huì)在深度范圍內(nèi)發(fā)生強(qiáng)烈?guī)r爆與極強(qiáng)烈?guī)r爆，而同一等級(jí)巖爆的埋深范圍要大于當(dāng)Rc=70MPa時(shí)所對(duì)應(yīng)埋深范圍，這主要是由于巖石強(qiáng)度造成的。此外，需要注意的是，由于局部應(yīng)力的差異性及巖體強(qiáng)度的差異性，可能會(huì)導(dǎo)致局部區(qū)域發(fā)生巖爆的實(shí)際情況較預(yù)測結(jié)果更為劇烈。

圖7 巖爆風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測評(píng)價(jià)結(jié)果

總之，基于強(qiáng)度應(yīng)力比法計(jì)算的5個(gè)應(yīng)力分區(qū)的巖爆風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果表明，從區(qū)域尺度上看，青藏高原東南緣在0～2km范圍內(nèi)巖爆風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)以輕微巖爆、中等巖爆和強(qiáng)烈?guī)r爆為主，局部區(qū)域存在極強(qiáng)巖爆。同時(shí)各個(gè)應(yīng)力分區(qū)巖爆等級(jí)埋深存在差異性，因此在重大工程大面積選線和初步勘察階段需要注意各個(gè)應(yīng)力區(qū)中等及以上巖爆等級(jí)所對(duì)應(yīng)埋深的隧道工程。

同時(shí)應(yīng)注意到，上述研究結(jié)果與分析是基于現(xiàn)有統(tǒng)計(jì)的實(shí)測數(shù)據(jù)得到的初步認(rèn)識(shí)，所采用的數(shù)據(jù)仍具有一定的局限性，相對(duì)于其他區(qū)域范圍的統(tǒng)計(jì)分析，無論是數(shù)量還是測試深度，樣本數(shù)均較少和較淺。隨著各類重大工程與科學(xué)研究的開展，未來獲得更多，更深的地應(yīng)力測試數(shù)據(jù)，將對(duì)該區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境和重大地下工程穩(wěn)定性的深刻認(rèn)識(shí)提供更多幫助。

5 結(jié) 論

本文廣泛收集整理了近900組實(shí)測地應(yīng)力數(shù)據(jù)，基于中國大陸地應(yīng)力分區(qū)，通過統(tǒng)計(jì)回歸分析的方法，揭示了青藏高原東南緣的總體應(yīng)力特征以及區(qū)域內(nèi)不同應(yīng)力分區(qū)的應(yīng)力量值和應(yīng)力方向特征。對(duì)區(qū)域的構(gòu)造演化過程和區(qū)域重大工程穩(wěn)定性的綜合認(rèn)識(shí)具有重要意義。主要的結(jié)論如下：

(1)青藏高原東南緣各個(gè)應(yīng)力分區(qū)的梯度值應(yīng)力梯度從西部向東部先減小后增大，而在南北方向，應(yīng)力梯度從北向南逐漸減小，區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力分布呈現(xiàn)明顯的非均質(zhì)性。隨著深度的增加，巴顏喀拉山應(yīng)力區(qū)、龍門山-松潘應(yīng)力區(qū)、墨脫-昌都應(yīng)力區(qū)應(yīng)力模式從逆斷型變?yōu)樽呋停欢ǖ釕?yīng)力區(qū)和滇西南應(yīng)力區(qū)應(yīng)力模式從逆轉(zhuǎn)型變?yōu)樽呋?，并且根?jù)回歸方程向深處的外推，具有向正斷型發(fā)展的趨勢(shì)，可能表明隨著應(yīng)力場向南部延伸，水平構(gòu)造應(yīng)力的作用逐漸變?nèi)酢?/p>

(2)根據(jù)平均差應(yīng)力和平均有效應(yīng)力之比μm的大小表明，巴顏喀拉山應(yīng)力區(qū)、龍門山-松潘應(yīng)力區(qū)域與川滇應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力積累水平較高，更接近摩擦極限平衡狀態(tài)，發(fā)生地震的可能更大。基于強(qiáng)度應(yīng)力比所反映的巖爆風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測結(jié)果表明，在2km深度范圍內(nèi)的巖爆等級(jí)主要有輕微巖爆、中等巖爆和強(qiáng)烈?guī)r爆，局部區(qū)域可能出現(xiàn)極強(qiáng)烈?guī)r爆，在重大地下工程設(shè)計(jì)與建設(shè)過程中需要重點(diǎn)關(guān)注。

(3)青藏高原東南緣最大水平應(yīng)力優(yōu)勢(shì)方向表現(xiàn)為圍繞喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)成順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，與地表GPS速度場與中下地殼的震源機(jī)制得到最大水平方向的優(yōu)勢(shì)方向具有一致性，可能受控同一構(gòu)造作用或應(yīng)力來源。墨脫-昌都應(yīng)力區(qū)，巴顏喀拉山應(yīng)力區(qū)和龍門山-松潘應(yīng)力區(qū)的地殼應(yīng)力場可能由塊體側(cè)向擠出控制，但川滇應(yīng)力區(qū)和滇西南應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力方向與下地殼流模型所反映的應(yīng)力特征具有一致性，該區(qū)的應(yīng)力場可能是由下地殼流模型控制。