青藏高原东南缘实测地应力特征及意义分析*

张 宁 兰恒星 李郎平 孙巍锋 刘世杰 林 感 田朝阳

(①长安大学地质工程与测绘学院，西安 710054，中国)(②中国科学院地理科学与资源研究所，资源与环境信息系统国家重点实验室，北京 100101，中国)

0 引 言

地壳的应力状态是岩石圈构造活动最为直接的因素之一，其大小、方向及其时空变化与岩石圈的各种地质构造现象及其伴生作用密切相关，因而是地球动力学研究的重要参数之一。了解地壳的应力状态是深入理解板块运动、构造变形、地震活动等地球力学行为的重要基础(Zoback，1992)。同时，地应力也是岩体行为预测、隧道开挖评价、支护设计的重要数据(Martin et al.，1999)。因此，地壳的应力状态及其分布特征是地学界和工程学界重点关注的问题。

在印度-欧亚板块碰撞的影响下，青藏高原东南缘成为内外动力耦合作用最为显著的地区，具有显著的地形高差、强烈的板块活动、密集的深大断裂、频发的山地灾害等恶劣的地质环境(兰恒星等，2021)。独特的构造和地球物理环境使青藏高原东南缘成为研究岩石圈结构、地壳应力场、形变特征、演化和隆升过程及其动力学机制等大陆动力学问题的天然实验室(Chen et al.，2013；Chen et al.，2014；Luo et al.，2016；Li et al.，2017；Yang et al.，2019)。同时，在西部大开发过程中，一系列的重大工程纷纷上马，包括滇藏铁路和众多的水利水电工程等。因此，围绕该区域研究地壳应力状态及其分布特征具有重要的科学与现实意义，不仅有助于了解青藏高原东南缘构造变形、地震孕育机理等特征，也可以为重大工程规划建设、风险评价提供重要的力学依据。

原位地应力测量是获取地壳应力特征最直接的途径，相对于震源机制解和断层滑动资料反演应力场等间接方法而言，具有可直接获得应力绝对大小和方向的优势。在青藏高原东南缘区域，国内外学者开展了大量的原地应力实测与地应力特征分析工作。吴满路等(2010)基于映秀、宝兴及康定地区的水压致裂原地应力测量结果，发现2008年汶川地震后，该区域的地应力水平仍然较高，仍存在地震危险性；陈群策等(2012)基于龙门山断裂带东北段实测地应力测量，分析了龙门山断裂带上下盘应力赋存状态的不均衡性及现今地应力作用方向的分段性特征；丰成君等(2014)基于跨度近30年的实测地应力数据，分析了青藏高原东南缘丽江—剑川地区的构造应力场变化特征及其动力学指示意义；孟文等(2017)基于水压致裂原地应力测量，获得了西藏林芝县、朗县和乃东县的地壳浅层的应力特征；张重远等(2022)采用水压致裂法在喜马拉雅东构造结西缘开展了20个钻孔的原地应力测量，为某交通线路色季拉山、鲁朗、拉月3座超长深埋隧道的应力量值、方向等关键参数提供了重要的定量分析数据。总体上，他们出色而扎实的工作为青藏高原东南缘地应力状态及其分布特征的定量分析提供了宝贵的数据。尽管如此，这些实测数据相对于整个青藏高原东南缘来说，仍然相对匮乏，空间分布也有一定的局部性，难以全面反映整个区域的应力分布特征。而在区域尺度地应力特征分析方面，Zoback(1992)汇集了全球范围各种应力资料，编制了“世界应力图”，分析了全球岩石圈应力场的总体与分区特征。谢富仁等(2004)汇集了各种实测地应力资料，根据应力性状和力源特征，将中国大陆现代构造应力场划分为4级应力区。景锋等(2008)根据中国大陆地区400多个实测地应力数据，得到了我国地应力沿埋深分布规律。杨树新等(2012)基于大量实测地应力资料采用等深度段分组法分析了中国大陆与各研究区地壳浅层地应力量值、方位特征。姚瑞等(2017)将实测地应力数据扣除重力影响，给出了青藏高原及周缘的构造应力随深度变化的统计特征。从区域尺度上看，上述研究涵盖了青藏高原东南缘，然而由于所划分的区域过大，导致区域内部各个块体内部的应力状态，尤其是应力量值在各个块体间的分布特征认识仍然不足，亟需对青藏高原东南缘的区域应力状态分析进一步细化。

近年来随着一系列重大工程，如滇藏铁路及各类水利水电工程的开发，区域内的实测地应力数据逐步丰富，也有助于地壳应力状态进一步细化。因此，本文广泛收集整理了900余组实测地应力数据，利用统计分析的方法，对青藏高原东南缘实测地应力总体特征展开了深入分析，结合中国大陆及其邻区的构造应力场分区，进而对青藏高原东南缘各应力区的应力状态进行了详细的分析与比较，揭示各应力分区应力特征的差异，为研究应力场、构造运动模式、地震活动之间的关系提供基础资料，同时也可为重大工程的设计提供重要参考。

1 地应力数据

1.1 研究区背景及数据分布

青藏高原东南缘横跨中国西南部的四川和云南的大部分地区，属于青藏高原腹地(平均海拔4500m)与华南地块的过渡地带。与青藏高原周围其他地形陡峭的边缘不同，青藏高原东南缘地形宽广，坡度平缓，地势从高原中部向云南南部缓慢降低(图1b)，而地壳厚度却急剧变化，从高原中部的约60km迅速向云南南部降低，降低至约30km(图1a)。此外，GPS观测证实，地壳物质正在向东南方向移动，并在东喜马拉雅东构造结顺时针旋转(图1c)。这些特征揭示了青藏高原东南缘在印度-欧亚大陆碰撞过程中经历了强烈的构造变形。受印度板块向北俯冲的影响，缅甸微板块向东俯冲和东部四川盆地的刚性阻力的共同作用，该地区发育一系列大型走滑断层，如鲜水河断裂带、金沙江断裂带、红河断裂带、小江断裂等。这些断裂将青藏高原东南缘划分为多个活动地块，包括川滇菱形地块、巴颜喀拉地块、滇西地块等。由于块体间、块体与断裂带间的相互作用复杂，不同的地区可能受到不同的应力场控制。谢富仁等(2004)基于区域应力性状(方向、结构、模式等)分布的一致性原则，对于中国大陆及邻区现代构造应力场进行了划分。根据划分结果，青藏高原东南缘跨越青藏高原南部应力区和青藏高原北部及北东应力区2个3级应力区，包含5个4级应力区：巴颜喀拉山应力区(BY)、龙门山-松潘应力区(LS)、墨脱-昌都应力区(MC)，川滇应力区(CD)、滇西南应力区(WD)。构造应力场分区与活动地块具有一定的相关性，分区边界与分割块体的断裂带几乎一致，进一步表明青藏高原东南缘各活动地块应力场的非均匀分布，也反映了该区域构造作用的复杂性。

本研究收集整理了900余组水压致裂法、钻孔应力解除法等方法得到的实测地应力数据，主要来自于铁路、公路、水利水电等工程以及一些科学钻孔，如某公路、水电站等，限于篇幅，在此不一一列举。数据覆盖了青藏高原东南缘的各个应力分区，数据的钻孔位置及方向的分布情况如图1所示。

图1 研究区地质背景与应力数据分布

1.2 数据处理

为使研究结果能够更好地反映研究区整体特征，采用杨树新等(2012)实测数据优化处理方法：(1)去掉水平应力量值、主应力信息和深度不完整的数据；(2)由于数据易受局部地质条件和工程建设的影响，难免产生异常数据。因此，先将全部数据通过回归方程进行拟合，然后以拟合的直线为中心在两侧分别做一条直线，使95%的数据落在两条对称线内侧；其余数据由于偏离回归线较大，予以剔除，如图2所示，图中数据点代表实测的最大水平应力σH、最小水平应力σh。数据优化后，得到深度范围为13～1150m 的实测数据834组。

图2 实测地应力随深度变化与数据优化示意图

2 实测地应力量值特征分析

2.1 应力梯度随深度变化规律

地应力随深度的分布情况有助于了解区域构造应力场的纵向分布特征。应力随深度的变化规律通常采用线性回归方程进行量化表征，通过回归方程得到的斜率和截距来反映不同应力分区实测地应力的大小。截距的大小代表地表处地应力的大小，斜率表征了应力梯度，反映了应力随深度变化的速率。梯度值越大，代表构造作用越强。

研究区各个应力分区的3个主应力值随深度变化的变化规律如图3所示。由图3可知，垂直应力的应力梯度几乎一致，主要是由于垂直应力的大小是通过上覆岩体重度计算得到(McGarr et al.，1978；Zoback，1983)。然而，对于最大水平主应力的应力梯度，5个应力分区呈现明显的不同。σH梯度值由高到低依次为巴颜喀拉山应力区37.71MPa·km-1、龙门山-松潘应力区28.9MPa·km-1、墨脱-昌都应力区26.30MPa·km-1，川滇应力区22.36MPa·km-1、滇西南应力区22.03MPa·km-1。而σH地表值(σH拟合曲线常数项)由高到低依次为川滇应力区、滇西南应力区、龙门山-松潘应力区、墨脱-昌都应力区、巴颜喀拉山应力区。从各区域应力梯度的相对大小与空间分布可以看出，应力梯度从西部向东部先减小后增大。而在南北方向，应力梯度从北向南逐渐减小。总体来看，呈现明显的“北强南弱”的应力特征，即位于北部的3个应力区(巴颜喀拉山应力区，龙门山-松潘应力区、墨脱-昌都应力区)应力量值大，而南部的两个应力区(川滇应力区、滇西南应力区)应力量值小。

图3 实测地应力分布随深部分布图

此外，在不同应力分区中，3个方向主应力的梯度值不同，导致三者之间的相对大小将随深度逐渐变化。根据Anderson断裂理论(Anderson，1951)，3个主应力的相对大小可以确定地壳中的主要应力模式，即正断层应力模式(σv>σh>σH)，逆断层应力模式(σH>σh>σv)，走滑断层应力模式(σH>σv>σh)。由图3可知，在实测数据深度范围内(0～1km)，随着深度的增加，5个应力区的应力状态从逆断型应力变为走滑型应力模式。但值得注意的是，根据应力数据回归方程向更深处的外推，川滇应力区和滇西南应力区的应力状态有逐渐转变为正断型应力模式的趋势，即深部的应力场以垂直应力为主。巴颜喀拉山应力区，龙门山-松潘应力区、墨脱-昌都应力区在印度板块与欧亚板块持续碰撞的作用下，现今构造应力以水平挤压作用为主，而在川滇应力区和滇西南应力区的应力模式与这种以水平挤压作用为主的构造应力特征呈相反的特点。此外，根据震源机制分布的特征显示：川滇应力区北部与西边界的应力状态为EW-SE-SSE的正断层类型(王晓山等，2015；Lou et al.，2016)，这些特征反映了随着应力场向南部延伸，水平构造应力的作用逐渐变弱，也进一步显示了宏观构造作用的差异性。应力状态对宏观构造作用的指示意义将在4.1节讨论。

2.2 侧压力系数随深度变化

一般情况下，水平向与垂直向主应力比值可以反映水平应力相对于垂直应力大小的特征，同时也便于分析不同区域水平应力在相同深度处(或相同竖向应力处)的大小。本文采用Brown et al.(1978)提出的侧压力系数，即Kav=(σH+σh)/2σv，来表征各个应力分区侧压力系数特征，如图4所示。由图可知，当埋深较小时，受地形差异，地表剥蚀等因素的影响，侧压力系数十分离散，随着深度的增加，波动范围迅速减小，逐渐趋近恒定值。恒定值从大到小分别为：龙门山-松潘应力区1.23、墨脱-昌都应力区1.19、巴颜喀拉山应力区1.12、川滇应力区0.95和滇西南应力区0.67。侧压力系数Kav>1，表明应力状态由水平构造应力主控；Kav<1，表明应力状态由垂直应力主控。川滇应力区和滇西南应力区的Kav<1，这可能进一步表明：欧亚板块与印度板块碰撞以水平构造应力为主的远程效应逐渐变弱。

图4 各应力区侧压力系数随深度变化

2.3 应力积累特征

根据Anderson断裂理论，主应力的相对大小反映了地壳破坏的模式，而最大剪切力的相对大小可以反映地壳破坏的可能性，是地壳破坏状态相关的参数(王成虎等，2014)。在不考虑孔隙水压力的情况下，通常采用最大剪切应力(S1-S2)/2与平均主应力(S1+S2)/2的比值μm表示，μm表示一个区域应力的积累水平，μm越大说明应力积累程度高，反之亦然。当应力水平积累到一定程度，通过断层活动将应力释放，从而维持地壳的稳定。Townend et al.(2000)分析世界范围内6个深孔应力测试数据所得到的结果，认为μm为 0.5～0.7时，应力积累水平较高，地壳处于极限应力状态，其稳定性也处于临界状态，一旦超过0.7 时，断层很容易发生滑动失稳；μm为 0.3～0.5 时，应力积累水平中等，地壳相对稳定；μm小于 0.3 时，应力积累水平较低，地壳处于稳定状态。图5分别给出了各个应力分区的应力积累水平，由图可知，墨脱-昌都应力区和滇西南区的μm值分别为0.28和0.23，相对于其他3个区域较低。巴颜喀拉山应力区，龙门山-松潘区和川滇应力区的μm值分别为0.37，0.39和0.34。由上文可知，相对于巴颜喀拉山应力区和龙门山-松潘区而言，川滇应力区的最大水平较小，但是三者的应力积累水平相差不大，这主要是由与应力积累水平由最大应力差决定，川滇应力区的最小主应力相对于其他应力区，具有更小的应力特征。较高的应力积累水平，意味着发生地震的可能性较大。根据中国地震台网提供的历史地震数据，在1900年到2019年之间，龙门山应力区和川滇应力区发生地震(MS>3.0)的次数达到约3362次，占整个研究总数量的65%，这也从侧面证明了本文的分析。

图5 最大差应力与平均有效应力的关系

3 实测应力方向特征分析

图6分别给出了各个应力分区实测地应力最大水平方向的方位玫瑰花图和基于震源机制得到最大水平应力方向的方位玫瑰花图。在相应的应力分区内，实测地应力的最大水平应力的优势方向与震源机制具有一致性。实测地应力数据埋深浅，代表了浅层地壳的应力状态。震源机制数据分布在深度10～20km范围，代表了中上地壳的应力状态，这意味着从纵向上看，中上地壳与浅层地壳的应力来源可能是一致的。然而，在水平方向上看，不同应力区的最大水平方向显著不同，显示出青藏高原东南缘应力场的空间非均匀性。墨脱-昌都应力区和巴颜喀拉山应力区最大水平应力方向均呈NNE-SSW方向；龙门山-松潘应力区的应力方向呈近E-W向；川滇应力区有两个优势方向，一组呈NE-SW向，另一组为SE-NW向；滇西南应力区优势方向为NE-SW向。整体而言，青藏高原东南缘的最大水平应力的优势方向呈围绕喜马拉雅东构造结顺时针旋转。构造应力场往往与地壳运动场具有耦合关系，而最大水平主应力的方向也与运动矢量表现一致。青藏高原东南缘的最大水平应力方向的分布特征与GPS观测的速度场，均呈现明显的顺时针旋转(图1)。

图6 各个研究区最大水平应力方位特征

4 讨论与分析

4.1 应力状态对构造动力学特征的指示意义

目前关于青藏高原东南缘的地壳变形与动力学过程主要包含两个模型，即块体侧向挤压模型(Tapponnier et al.，2001)和下地壳流模型(Royden et al.，2008)。前者认为：地壳形变是由印度-欧亚大陆碰撞产生的水平构造应力驱动的，将地壳形变描述为一系列刚性或微变形块体沿着大型走滑断裂侧向挤出(Calais et al.，2006)。而后者的观点则认为：地壳形变是由印度-欧亚大陆碰撞引起的地壳增厚产生的重力势能所驱动(Molnar et al.，1997)。在重力势能作用下，在中、下地壳中产生一种黏滞性流体，从高原中部向东及东南方向运移，驱动着地壳的形变(Liu et al.，2014)。

动力学模型的动力来源和形变模式不同，将导致地壳分布不同的应力状态。相反，结合地壳中应力状态，也可进一步对动力学模型进行验证。如上文所述：青藏高原东南缘的应力状态的空间分布并不是均匀的，以主要断裂带分割而成的各个应力分区或者块体间的应力量值特征和应力方向特征均有很大差异，呈现出明显的“北强南弱”特征。因此，从应力状态分布的异质性上看，青藏高原东南缘的动力学模式可能与块体侧向挤压模型相符合。但是，值得注意的是：由于块体侧向挤压模型的动力源来自印度-欧亚大陆碰撞产生的水平构造应力，各个块体的应力场应以走滑或逆断型应力类型为主，墨脱-昌都应力区和巴颜喀拉山应力区为以最大水平应力方向为NNE-SSW向的走滑型应力场(图3c和图3a)和龙门山-松潘应力区为最大水平应力方向为E-W向的逆断型应力场(图3b)与上述应力状态相符，而在川滇应力区和滇西南应力区，应力状态呈现相反的应力状态，以最大水平应力方向为NW-SE和NE-SW向的正断型应力为主(图3d～图3e)，这可能表明印度-欧亚板块碰撞产生水平挤压的效应从高原中部向南(即川滇应力区和滇西南应力区)逐渐减弱。另外，地壳内低速带(Royden et al.，1997; Wu et al.，2019)，高导电率(Bai et al.，2010)和高泊松比(Chen et al.，2013)等观测结果均表明，川滇地区及滇西南地区的下地壳可能存在大范围的从北西向东南流动的黏滞性流体，这种流体可能对上地壳产生NW-SE拖拽作用(Bai et al.，2010)，与川滇地区和滇西南地区实测应力和震源机制的最大水平应力方向具有较好的一致性(图6)。此外，根据下地壳流模型，黏滞性流体的驱动力为上覆地壳的重力势能，因此区域的应力状态为正断型(重力势能为最大主应力)，这与川滇和滇西南应力区实测地应力的正断型应力状态相一致(图3d～图3e)，因此该区的形变可能受下地壳流模型控制。

基于以上定性分析，块体侧向挤出和下地壳流的复合作用可能共同控制青藏高原东南缘的地壳应力场。青藏高原东南缘北部的3个应力区，即墨脱-昌都应力区，巴颜喀拉山应力区和龙门山-松潘应力区的地壳形变以侧向挤出为主，其应力场可能主要受印度-欧亚大陆碰撞产生的水平构造应力控制。而南部的两个应力区主要受地壳流模型控制，其应力场可能受由印度-欧亚大陆碰撞引起的地壳增厚产生的重力势能控制。此外，这进一步解释了北部的3个应力区的梯度值、侧压力系数等量值特征大于南部两个应力区的梯度值、侧压力系数等值的原因。

4.2 地应力状态对重大地下工程稳定性分析

近年来，随着一系列重大工程，如滇藏铁路及各类水利水电工程的开发，往往要设计大量深埋长大隧道。以某交通线路为例，某交通线路全长约1000km，隧道占比90%以上。在隧道开挖过程中不可避免地会遇到高地应力(岩爆、大变形)等问题，进而产生地下工程稳定性问题(黄艺丹等，2021)。限于篇幅，本文以岩爆问题为例，分析了各个应力区应力状态对地下工程稳定性的影响。

在岩爆风险预测方法中，岩石强度应力比法因其参数少，应用方便等特征在地下工程设计阶段广泛应用(谷佳诚等，2022)，因此本文主要考虑了岩石强度应力比法(表1)探讨岩爆风险问题。此外，青藏高原东南缘出露的硬质类岩石包括花岗岩、片麻岩、闪长岩、石英砂岩等(陈兴强，2020)，由于各类岩石的单轴抗压强度范围变化比较大，因此选用两个极限值作为岩爆风险预测的单轴抗压强度，以分析岩爆风险最高和最低的极限状态。各类岩石的密度和单轴抗压强度(陈兴强，2020)及选用的极限值如表2所示。

表1 强度应力比法岩爆风险判据和分级

表2 青藏高原东南缘主要岩性参考值(陈兴强，2020)

根据上述方法及参数，基于5个应力区的应力回归方程计算了在Rc=70～130MPa的情况下，深度范围为0～2km内可能的岩爆风险等级，如图7所示。由图可知：除了巴颜喀拉山应力区在埋深2km左右时，且当Rc接近于70MPa时可能产生极强岩爆，其余4个应力分区在0～2km深度范围内产生极强岩爆的可能性较小。当Rc=70MPa时，5个应力区发生轻微岩爆的最小埋深较为接近，在170m左右。而中等岩爆埋深差异较为明显，当5个应力区埋深分别超过374m(巴颜喀拉山应力区)、428m(龙门山应力区)、464m(昌都-墨脱应力区)、445m(川滇应力区)、527m(滇西南应力区)，可以达到中等岩爆。在800m左右，巴颜喀拉山应力区可以达到强烈岩爆；在1000m左右，龙门山应力区和墨脱昌都应力区达到强烈岩爆，而在1200m左右，川滇应力区和滇西南应力区达到强烈岩爆，此外，在川滇应力区和滇西南应力区由于在1200m左右处，垂直应力大于最大水平主应力，其岩爆发生主要受控于垂直地应力。而当Rc=190MPa时，5个应力区均不会在深度范围内发生强烈岩爆与极强烈岩爆，而同一等级岩爆的埋深范围要大于当Rc=70MPa时所对应埋深范围，这主要是由于岩石强度造成的。此外，需要注意的是，由于局部应力的差异性及岩体强度的差异性，可能会导致局部区域发生岩爆的实际情况较预测结果更为剧烈。

图7 岩爆风险预测评价结果

总之，基于强度应力比法计算的5个应力分区的岩爆风险结果表明，从区域尺度上看，青藏高原东南缘在0～2km范围内岩爆风险等级以轻微岩爆、中等岩爆和强烈岩爆为主，局部区域存在极强岩爆。同时各个应力分区岩爆等级埋深存在差异性，因此在重大工程大面积选线和初步勘察阶段需要注意各个应力区中等及以上岩爆等级所对应埋深的隧道工程。

同时应注意到，上述研究结果与分析是基于现有统计的实测数据得到的初步认识，所采用的数据仍具有一定的局限性，相对于其他区域范围的统计分析，无论是数量还是测试深度，样本数均较少和较浅。随着各类重大工程与科学研究的开展，未来获得更多，更深的地应力测试数据，将对该区域构造应力环境和重大地下工程稳定性的深刻认识提供更多帮助。

5 结 论

本文广泛收集整理了近900组实测地应力数据，基于中国大陆地应力分区，通过统计回归分析的方法，揭示了青藏高原东南缘的总体应力特征以及区域内不同应力分区的应力量值和应力方向特征。对区域的构造演化过程和区域重大工程稳定性的综合认识具有重要意义。主要的结论如下：

(1)青藏高原东南缘各个应力分区的梯度值应力梯度从西部向东部先减小后增大，而在南北方向，应力梯度从北向南逐渐减小，区域内的应力分布呈现明显的非均质性。随着深度的增加，巴颜喀拉山应力区、龙门山-松潘应力区、墨脱-昌都应力区应力模式从逆断型变为走滑型；而川滇应力区和滇西南应力区应力模式从逆转型变为走滑型，并且根据回归方程向深处的外推，具有向正断型发展的趋势，可能表明随着应力场向南部延伸，水平构造应力的作用逐渐变弱。

(2)根据平均差应力和平均有效应力之比μm的大小表明，巴颜喀拉山应力区、龙门山-松潘应力区域与川滇应力区的应力积累水平较高，更接近摩擦极限平衡状态，发生地震的可能更大。基于强度应力比所反映的岩爆风险预测结果表明，在2km深度范围内的岩爆等级主要有轻微岩爆、中等岩爆和强烈岩爆，局部区域可能出现极强烈岩爆，在重大地下工程设计与建设过程中需要重点关注。

(3)青藏高原东南缘最大水平应力优势方向表现为围绕喜马拉雅东构造结成顺时针旋转，与地表GPS速度场与中下地壳的震源机制得到最大水平方向的优势方向具有一致性，可能受控同一构造作用或应力来源。墨脱-昌都应力区，巴颜喀拉山应力区和龙门山-松潘应力区的地壳应力场可能由块体侧向挤出控制，但川滇应力区和滇西南应力区的应力状态和应力方向与下地壳流模型所反映的应力特征具有一致性，该区的应力场可能是由下地壳流模型控制。