喜马拉雅造山带工程效应及中尼铁路工程地质分区*

2020-05-25黄艺丹姚令侃郭沉稳LaluPrasadPaudel

工程地质学报 2020年2期

黄艺丹姚令侃谭礼郭沉稳 Lalu Prasad Paudel

(①西南交通大学土木工程学院，成都 610031，中国) (②高速铁路线路工程教育部重点实验室，成都 610031，中国) (③抗震工程技术四川省重点实验室道路与铁道工程抗震技术研究所，成都 610031，中国) (④四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，成都 610041，中国) (⑤尼泊尔特里布文大学中央地质系，加德满都 44618，尼泊尔)

0 引言

自始新世以来，印度板块向北俯冲，沿雅鲁藏布江缝合带向亚洲大陆南缘俯冲挤压，褶皱隆升和断块挤压上升共同作用使喜马拉雅山快速隆起，成为世界上海拔最高的山脉(Gansser， 1964; Li et al.，1979; Harrion et al.，1992; Yin， 2006)。它不仅是东亚大陆与南亚次大陆的天然界山，也是目前中国与印度、尼泊尔、巴基斯坦和不丹诸国国界的基本轮廓。“一带一路”倡议的优先领域是铁路的互联互通，在我国2016年7月颁布的《中长期铁路网规划》中，面向“一带一路”国际通道的喀什—红其拉甫(中巴铁路国内段)、日喀则—吉隆(中尼铁路国内段)、日喀则—亚东等口岸铁路均列入其中。在喜马拉雅造山带修建铁路将是人类铁路建设史上新的挑战，国、内外均无经验可借鉴，前期研究工作亟需开展(姚令侃等， 2012)。

在干线工程的可行性研究阶段，为了查明铁路所经地区的工程地质条件，一般是通过收集与研究已有资料，如地形图、区域地质调查报告、地震烈度区划图等，概略了解拟建交通走廊的地形、地貌、地质、水文、气象、地震等自然条件，进行沿线工程地质分区。但在复杂艰险、构造活动强烈山区，地貌可能在铁路百年服务期内就发生显著变化，加之大量深埋长隧工程的修建，使得铁路越来越多的希望在建设前期就获得区域动力地质现象、地貌演变规律、地应力状态等信息。而目前常规资料难以满足这种需求，甚至，对跨境铁路而言，有些资料境外路段根本就没有。

造山带作为独特的构造单元，一直是国内外研究地壳结构和地球动力学的热点地区，长期以来许多学者和专家在此完成了多方面的课题研究，取得了大量的研究成果。然而，造山带地区的工程地质研究远远滞后于造山带理论的进展。随着我国大型工程建设不断向地质条件复杂地区延伸，不少学者如王思敬(2013)、黄润秋等(2017)、许强(2012)纷纷呼吁应将新的地学基础理论引入到工程地质领域，更进一步，部分学者已开展了一些先导性工作。彭建兵(2001a，2001b)在其提出的区域稳定动力学中，论述了3种类型造山带(逆冲推覆型、伸展型和走滑型)各构造部位的区域稳定性特征，建议作为工程选址的原则；张永双等(2004)以秦岭造山带为例，提出造山带形成演化过程对工程地质问题的制约作用，介绍了造山带常见的地质灾害类型和工程地质问题。但总体上看，现有文献仍多以提出命题或倡导为主，将造山带理论深入到工程实践的研究甚少。

喜马拉雅山是陆陆碰撞的典型地区，造山带地质演化和壳幔深部动力学过程与表面地壳运动之间的相互作用，无疑会在地表工程圈得到体现。若能利用造山带理论直接获取工程地质特性，不仅可望为铁路大范围方案比选阶段，高效低成本地获取信息提供新途径，还有可能获得常规方法难以获取的信息。本文即从造山机制出发，结合GIS技术和相关地学理论，对喜马拉雅山由构造划分的3个地块进行对比分析，揭示不同地块工程地质特性和灾害效应受内动力制约的普适性规律，并以中尼铁路为例，提出一种以构造线作为分区界线的工程地质分区方法。

1 喜马拉雅造山带主要地块及内动力机制

从广义上讲，喜马拉雅造山带由喜马拉雅弧和东、西构造结-挤压转换带组成(许志琴等， 2007)，其中喜马拉雅弧是造山带的主体，长达2000多公里，是碰撞造山作用最强烈的区域(图 1)，为本文的主要研究区。

图 1 喜马拉雅造山带构造简图Fig. 1 Simplified tectonic map of the Himalayan orogen

虽然构造地质学家对印度与欧亚大陆碰撞方式和过程有诸多争议，但普遍达成共识是，印度板块与欧亚板块发生碰撞后，在印度河—雅鲁藏布缝合带(ITSZ)以南，由南向北依次形成了一系列的逆冲型断层，主要有主前锋断裂(MFT)、主边界断裂(MBT)、主中央断裂(MCT)；此外，还有一条以拆离张拉作用为主的藏南拆离断裂(STDS)(Burchfiel et al.， 1985; Tapponnier et al.，1986; Yin， 2006)(图 2)。

图 2 喜马拉雅造山带构造剖面示意Fig. 2 Schematic geologic cross sections across the Himalayan orogen

图 3 喜马拉雅造山带主要构造单元平面图Fig. 3 The major tectonic subdivisions of the Himalayan orogen

这些构造线将整个喜马拉雅地体分割成为特提斯喜马拉雅、高喜马拉雅、低喜马拉雅和次喜马拉雅4个部分(Brookfield， 1993; Lefort， 1996; Ding et al.， 2017)(图 3)(构造线的确定主要依据我国青藏高原 1︰25万的区域地质报告，并参考了尼泊尔 1︰25万地质图)。其中次喜马拉雅基本属于丘陵和平原地貌区，不作为本文研究对象。

特提斯喜马拉雅位于ITSZ和STDS之间。STDS是世界上最大的正断层体系(Burg et al.， 1984; Burchfield et al.， 1992)，在拆离滑脱作用下，高喜马拉雅(下盘)和特提斯喜马拉雅(上盘)的最大差异性隆升达3imm·a-1以上，因此，特提斯喜马拉雅处于相对沉陷状态。岩片主要形成于地壳中、上部的浅层冷环境，多是特提斯洋消亡后的海相沉积层，并在STDS附近存在低级变质作用，主要岩性为砂岩、砂泥岩、白云岩、灰岩和页岩。

高喜马拉雅位于MCT和STDS之间。由于沿着MCT的逆冲和沿着STDS的拆离同时发生，促使高喜马拉雅快速挤出，形成以高级变质岩、普遍的深熔反应以及高温韧性变形为主要特征的“热碰撞造山”特点(Godin et al.，2006)。现今高喜马拉雅的隆升速度约为4～6imm·a-1(Jackson et al.， 1994)。岩片来自于地壳下部，受高温高压变质作用影响，岩石以片麻岩、花岗岩和片岩为主。

低喜马拉雅位于MBT和MCT之间，系印度板块俯冲至欧亚板块之下，印度板块表层物质被欧亚板块刮擦剥离而成，并伴随着低级变质作用，表现出“冷碰撞造山”特点(Law et al.，2006)。现今局部隆升速度约为2～3imm·a-1(Jackson et al.， 1994)，岩片来自于地壳中、上部，以页岩、泥岩、石英砂岩及其变质岩等堆积而成的混杂岩为主(许志琴等， 2013)。

从宏观角度，人们习惯于将喜马拉雅造山带统一按挤压隆升区域处理，但若按构造划分的3个地块细化分析，各地块的内动力机制截然不同，并直接表现出各地块地层岩性的差异。我们认为，内动力机制不同的构造单元，工程地质特性也应存在差异，以下将对比分析各地块的其他工程地质特性和灾害效应。

2 各地块工程效应分析

2.1 地震分析

地震是岩石圈表层的构造动力学效应主要表现之一。喜马拉雅造山带是世界上地震活动最强烈、大地震频繁发生的地震带之一。3个地块内动力机制的差异应能直接在地震上得到体现。

2.1.1 地震类型

根据中国地震局地壳应力研究所提供的中、强地震震源机制解，将喜马拉雅造山带1947年7月～2007年5月期间，震源深度0～100ikm的80个岩石圈地震按地块分别统计地震类型(图 4，表 1)。

图 4 喜马拉雅造山带地震类型Fig. 4 Earthquake types of the Himalayan orogen NF. 正断型； NS. 正断-走滑型； SS. 走滑型； TF. 逆冲型； TS. 逆冲-走滑型； UD. 应力状态未知

表 1 各地块地震类型占比Table 1 Proportion of earthquake types in different blocks

由表 1可知，特提斯喜马拉雅所发生的地震大部分为正断型，其次为走滑型，未见逆冲型；而高、低喜马拉雅绝大部分为逆冲型，其次为走滑型。

2.1.2 地震活动性

按照我国现行概率地震危险性评价规范，b值和v4是反映地震活动性的主要参数(高孟潭， 2015)。b值是统计区地震震级-频度关系(G-R模型)中的斜率，反映了大、小地震发生的比例关系。b值越大，表示大震占的比例越小，反之，b值越小，大震占的比例越大(Gutenberg et al.， 1956)。v4是地震年平均发生率，其值越大，代表这个地区4.0级以上地震越频繁，地震活动性水平越高。

除了以上两个参数，我们还定义了地震能量密度(统计区内历史地震的总能量除以面积)作为表征地震强度的指标；此外，震源深度是体现地震对工程影响程度的重要指标，震源深度越浅，对工程影响越不利。根据USGS(美国地质调查局)公布的历史地震目录，对喜马拉雅造山带1958～2018年期间，震源深度为0～100ikm的1545个3.0级以上的岩石圈地震，分地块统计上述参数列于表 2～表 4。

表 2 各地块地震活动性参数Table 2 Seismic activity parameters of different blocks

表 3 各地块地震能量密度Table 3 Seismic energy density of different blocks

表 4 各地块4级及以上震源深度Table 4 Focal depths of earthquakes with 4 magnitude and above in different blocks

由表 2～表4可看出，从地震活动性和地震能量密度来看，高喜马拉雅最高，其次是低喜马拉雅，最低是特提斯喜马拉雅；从震源深度来看，低喜马拉雅最浅，其次是高喜马拉雅，最深是特提斯喜马拉雅。

造山机制决定了地震类型，地震类型又决定了地震强度，以上分析表明，3个地块内动力机制的差异确实在地震指标上得到体现。此外，根据造山带理论，在地壳隆起区一般为高水平应力区，而现代沉降区则为低应力水平区(陈彭年等， 1987)。高喜马拉雅隆升速度最快，低喜马拉雅其次，而特提斯喜马拉雅处于相对沉陷，由此可推测高喜马拉雅相对水平地应力最大，低喜马拉雅其次，特提斯喜马拉雅水平地应力最小。更进一步，b值越大，说明该地区岩体非均匀性和破裂程度越高(Mogi， 1962；杨百存等， 2017)。按照表 2中3个地块b值大小的排序，可推测高喜马拉雅岩体均匀性最好，破裂程度较轻，其次是低喜马拉雅，而特提斯喜马拉雅岩体的非均匀性和破裂程度都最高。该推论在有关3个地块岩性与成因的基础上，又增加了岩体相对破裂程度的信息。

2.2 构造应力方向分析

在造山带区域，地应力方向也是选线与隧道工程设计需要获取的重要参数，一般通过物理钻探手段获取，在构造地貌显著地区，用地质证据分析地应力的方法具有优势(许忠淮， 1990)。喜马拉雅造山带是世界上内动力塑造地貌效应最强烈的地区，若能由地貌反推内动力特征，无疑是获取地应力信息的一种低成本的手段。

20世纪70年代末，瑞士学者Scheidegger提出了地表发育形态的对抗性原理，成为地球表面动力学的基本理论之一(Scheidegger， 1979)。根据对抗性原理，在新构造应力场的作用下，岩体内部会形成一对共轭的剪裂面(X型破裂，抗侵蚀能力弱)。此剪裂面在外营力的风化或侵蚀作用下，易破坏形成断裂带，而河流多沿构造节理及破裂面发育。因此沿节理破裂发育的水系优势方向可以反映新构造运动以来的应力分布状态。根据莫尔强度理论，新构造应力场的主压应力方向即为共轭剪节理的锐角角平分线。若将区域内的河流看作一组共轭剪节理，则节理的锐角角平分线则为构造应力场的主应力方向(Scheidegger， 2004)。

图 5 研究区水系折线化Fig. 5 Drainage linearization of study region

首先提取研究区河网，用直线连接河流的自由端或交汇点，湖泊则取其长轴方位，得到3个地块水系折线图(图 5)。然后取5°为一个单元，统计河段总长度，并绘制各地块水系方向玫瑰图(图 6)。再采用密集度方法(余庆余等， 1983)，得到第一优势走向(图 6中红线)，在第一优势方向两侧30°以外的区域寻找第二优势走向(图 6中蓝线)。最后以两个优势方向相交的锐角等分线(图 6红色箭头)作为主应力方向。

图 6 各地块水系方向分布玫瑰图及主应力方向Fig. 6 Rose diagram of water system distribution and direction of field stress in different blocks

表 5 各地块地貌指标Table 5 Landform indices of different blocks

由图 6可知，高喜马拉雅第一优势方向为82.5°，第二优势方向为47.5°，主应力方向为65°；同理，低喜马拉雅主应力方向为72.5°；特提斯喜马拉雅主应力方向为115°。从宏观角度，受印度板块向北东向挤压欧亚板块的影响，喜马拉雅造山带的广大地区，均在一个广阔的北东—南西向挤压应力场的作用范围内，根据上述分析，按照水系推求应力场方向，高、低喜马拉雅主应力方向基本与这一结论相符；但在特提斯喜马拉雅，主应力方向为东偏南25°，与宏观结论不一致，说明这一地块的岩石圈应力场受近东西向的水平扩张应力控制。

2.3 地貌特征

地壳挤压作用越强烈，山地隆升的速度越快，形成的褶皱山、断块山发育越快，向着增强地势的趋向发展；同时河流下切作用越强烈，切割深度越大，河流纵断面越陡峻。反之，当山地上升减弱或趋于稳定，风化、剥蚀、搬运与沉积作用等相对占优势，山地就会剥蚀降低，向着减弱地势的趋向发展。高喜马拉雅隆升最快，低喜马拉雅其次，特提斯喜马拉雅相对沉陷，这种隆升状态的差异也应在地貌上得到反映。下面按3个地块对地貌进行统计，列于表 5。

从表5可看出，地形起伏度、地表切割深度和坡度这3个表征地形陡峻程度指标的排序与3个地块隆升速度的排序完全一致。

河流纵坡也是对构造活动响应最敏感的地貌参数。分布在喜马拉雅山脉南北向的主要河流有16条，其中源于特提斯喜马拉雅，而后流经高喜马拉雅和低喜马拉雅3个地块的河流有9条(图 7)，为了方便起见，将9条河流由西至东，分别以R1～R9命名，分别是阿勒格嫩达河(R1)、Mahakali河(R2)、Bheri河(R3)、Kali-Gangdaki(R4)、Marsyangdi河(R5)、Budhi-Gandaki河(R6)、吉隆藏布河(R7)、波曲-Sun koshi河(R8)和朋曲—阿伦河(R9)。提取出这9条主要河流的纵剖面，并计算每条河流位于不同地块河段的河流纵坡列于表 6。

图 7 跨喜马拉雅山河流Fig. 7 The rivers of the Himalayas

由表 6可看出，高喜马拉雅河流纵坡最陡，其次是特提斯喜马拉雅，最后是低喜马拉雅。一般情况下，河流纵坡应为上游陡下游缓，但在喜马拉雅造山带，处于中游的高喜马拉雅河段河流纵坡最陡，我们认为3个地块的差异性隆升是导致这种反常现象的主要原因。

表 6 河流纵坡Table 6 Longitudinal slopes of rivers

造山作用过程是漫长的、缓变的、相对稳态的地质构造动力学演化过程，时间单位以百万年、千万年乃至亿年计。各地块地貌特征差异的现象是3个地块长期演变的积累效应，可预见的是，起码在百年至千年时间尺度内，高、低喜马拉雅地势将继续向着增大的方向发展，而特提斯喜马拉雅地势向着减小的方向发展，可以作为铁路服务期内地貌和孕灾环境演变预测的基础。例如，高、低喜马拉雅的河流会继续下切变陡，而特提斯喜马拉雅的河流会持续上涨变缓，可为铁路选择线路高程和防洪设计提供依据。

2.4 气候与冰川分布特征

造山带的形成演化过程与环境灾害密切相关。由于青藏高原隆升，喜马拉雅山脉异峰突起，在冬季阻挡来自北方的大陆冷空气流入印度，同时迫使西南季风在穿越山脉向北移动之前抛弃大部分水分，从而造成印度一侧的巨大降雨量和西藏的干旱状况，根据印度洋暖湿气流可以到达的前锋线(降雨量500～1000imm·a-1，海拔3500～4000im)，可大致划分为干旱寒冷气候和温带-亚热带季风气候两个气候区；在喜马拉雅山南坡，海拔高度急剧下降，气候则呈从寒温带、温带至亚热带的垂直变化，这就是喜马拉雅造山带气候的基本格局(林振耀等， 1981)。

冰川按照物理性质，可以分为大陆型冰川和海洋性冰川两大类。大陆型冰川是在前锋线以北的大陆气候条件下形成的，活动性小，积累与消融均比较缓慢，冰湖和冰川泥石流也不发育；在前锋线以南，冰川得到印度洋季风丰富的降水补给，发育了我国罕有的海洋性冰川类型(施雅风等， 2000)。海洋性冰川活动性强，冰川的补给和消融水平高，容易形成冰湖溃决、冰川泥石流等大型灾害。因此，由前锋线划分出的气候分区也决定了冰川灾害分布。

根据我国青藏高原海洋性冰川和大陆型冰川的分布界线(中国科学院青藏高原综合科学考察队， 1983)，我们发现，在相当一部分地区，这条分界线与STDS在空间上接近甚至重合(图 8)，呈现出特提斯喜马拉雅处于干旱寒冷气候区，而高、低喜马拉雅处于温带至亚热带季风气候区的现象。因此，在这些区域选择STDS作为区划线，不仅可以直接体现岩性、气候的差异，还可以反映地貌和灾害类型等更加丰富的信息。

图 8 青藏高原冰川分布Fig. 8 Distribution of glaciers on the Qinghai-Tibet Plateau 红线为大陆型冰川和海洋性冰川的分界线，红线以北为大陆性冰川、以南为海洋性冰川

2.5 山地灾害分布特征

现对3个地块山地灾害的形成条件分析如下：

(1)特提斯喜马拉雅以沉积岩为主，具备崩塌滑坡发生的地形条件；处于寒冷的半干旱高原气候区，常年少雨，冬季降雪量较大，不利于泥石流形成，平均海拔4785im，山峰终年积雪，在外力作用下容易发生雪崩，成为该地块的主要灾害类型之一。地块处于相对沉陷状态，河流下切速率减缓，铁路百年服务期内山地灾害孕灾环境变化不大。

(2)高喜马拉雅以硬岩为主，地形最为陡峻，滑坡，特别是崩塌容易发生，处于温带-亚热带半温润季风气候区，具备泥石流形成的降雨条件，其中的海洋性冰川覆盖区容易引发特殊冰川灾害。受地块强烈隆升的影响，河流下切速率加大，崩塌滑坡灾势加剧；尤其在全球气候变暖的背景下，铁路百年服务期内要考虑冰川萎缩导致冰川泥石流、冰湖溃决灾害加剧的问题。

(3)低喜马拉雅以混杂岩为主，岩性最差，地形陡峻，崩塌，特别是滑坡容易发生；处于亚热带半温润季风气候区，降水量最大，有利于降雨泥石流发生。受地块隆升的影响，山地灾害有增强趋势。

据此得到各地块灾害的主要类型及发展趋势见表 7。

表 7 各地块山地灾害的主要类型及发展趋势Table 7 Main types and trend of mountain hazards in different blocks

3 中尼铁路交通廊道工程地质分区

利用对喜马拉雅造山带各地块工程效应的宏观分析结论，以中尼铁路为例，参照铁路大范围方案比选阶段工程地质分区的技术要求，提出一种以构造线作为分区界线的工程地质分区方法。

中尼铁路是“一带一路”倡议中的重要工程，线路起点由我国拉日铁路日喀则站引出，沿国道 G318 向西布线，经拉孜后折向南，途经萨迦、定结、定日县向南，过吉隆县至吉隆口岸，出境后至尼泊尔首都加德满都，线路全长约 666ikm，采用吉隆藏布廊道方案穿越喜马拉雅山(姚志勇等， 2019)(图 9)。线路沿吉隆藏布河行走，从青藏高原急促下降至恒河平原，是典型的单面大下坡段。现以STDS和MCT作为工程地质分区的界线，将中尼铁路吉隆藏布廊道划分为3个分区类型，并给出分区常用的7个指标，工程地质分区图见图 10，工程地质分区表见表 8。

图 9 中国至尼泊尔铁路示意图Fig. 9 Schematic of China-Nepal Railway

图 10 中尼铁路吉隆藏布廊道工程地质分区图Fig. 10 Engineering geology zoning map of China-Nepal Railway along Gyirong river

从表 8来看，3个分区的指标确实反映了同一分区自然条件相近，不同分区差异明显的原则。

根据吉隆藏布流域地貌指标的计算，第Ⅰ区平均起伏度787im，地表切割深度362im，坡度21.3°，河流纵坡20.6‰；第Ⅱ区平均起伏度1141im，地表切割深度525im，坡度27.3°，河流纵坡35.1‰；第Ⅲ-1区平均起伏度831im，地表切割深度385im，坡度22.5°，河流纵坡15.2‰，与2.3节归纳的各地块地貌特征相符。根据中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所的调查资料，第Ⅰ区有崩塌6处，泥石流2条，雪崩10处；第Ⅱ区有崩塌9处，滑坡2处，泥石流8条(其中冰川泥石流4条)，雪崩2处；第Ⅲ-1区有崩塌10处，滑坡9处，泥石流7条。根据中国科学院寒区旱区研究所和国际山地综合开发中心(ICIMOD)提供的冰川、冰湖数据，第Ⅰ区有冰湖42个，第Ⅱ区有冰湖212个。这些数据均与表 7归纳的各地块灾害的主要类型相符。可以认为本文提出以构造划分作为工程地质分区的方法具有合理性，可为铁路选线设计提供依据。如可提出3个地块的选线原则：特提斯喜马拉雅地块基本没有对线路方案起控制作用的灾害类型，选线时可尽量利用有利地形，多走明线，降低桥隧比，节省工程造价；高喜马拉雅地块只能采用高桥长隧克服地形障碍，且需注意规避冰川泥石流、冰湖溃决等冰川引发灾害；低喜马拉雅地块气候地质条件均有利于山地灾害发育，必须开展加深地质勘察工作，以规避大型山地灾害为原则选择线路方案。