張 寧 蘭恒星 李郎平 孫巍鋒 劉世杰 林 感 田朝陽

(①長安大學地質工程與測繪學院，西安 710054，中國)(②中國科學院地理科學與資源研究所，資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 100101，中國)

0 引 言

地殼的應力狀態(tài)是巖石圈構造活動最為直接的因素之一，其大小、方向及其時空變化與巖石圈的各種地質構造現(xiàn)象及其伴生作用密切相關，因而是地球動力學研究的重要參數(shù)之一。了解地殼的應力狀態(tài)是深入理解板塊運動、構造變形、地震活動等地球力學行為的重要基礎(Zoback，1992)。同時，地應力也是巖體行為預測、隧道開挖評價、支護設計的重要數(shù)據(jù)(Martin et al.，1999)。因此，地殼的應力狀態(tài)及其分布特征是地學界和工程學界重點關注的問題。

在印度-歐亞板塊碰撞的影響下，青藏高原東南緣成為內(nèi)外動力耦合作用最為顯著的地區(qū)，具有顯著的地形高差、強烈的板塊活動、密集的深大斷裂、頻發(fā)的山地災害等惡劣的地質環(huán)境(蘭恒星等，2021)。獨特的構造和地球物理環(huán)境使青藏高原東南緣成為研究巖石圈結構、地殼應力場、形變特征、演化和隆升過程及其動力學機制等大陸動力學問題的天然實驗室(Chen et al.，2013；Chen et al.，2014；Luo et al.，2016；Li et al.，2017；Yang et al.，2019)。同時，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)域研究地殼應力狀態(tài)及其分布特征具有重要的科學與現(xiàn)實意義，不僅有助于了解青藏高原東南緣構造變形、地震孕育機理等特征，也可以為重大工程規(guī)劃建設、風險評價提供重要的力學依據(jù)。

原位地應力測量是獲取地殼應力特征最直接的途徑，相對于震源機制解和斷層滑動資料反演應力場等間接方法而言，具有可直接獲得應力絕對大小和方向的優(yōu)勢。在青藏高原東南緣區(qū)域，國內(nèi)外學者開展了大量的原地應力實測與地應力特征分析工作。吳滿路等(2010)基于映秀、寶興及康定地區(qū)的水壓致裂原地應力測量結果，發(fā)現(xiàn)2008年汶川地震后，該區(qū)域的地應力水平仍然較高，仍存在地震危險性；陳群策等(2012)基于龍門山斷裂帶東北段實測地應力測量，分析了龍門山斷裂帶上下盤應力賦存狀態(tài)的不均衡性及現(xiàn)今地應力作用方向的分段性特征；豐成君等(2014)基于跨度近30年的實測地應力數(shù)據(jù)，分析了青藏高原東南緣麗江—劍川地區(qū)的構造應力場變化特征及其動力學指示意義；孟文等(2017)基于水壓致裂原地應力測量，獲得了西藏林芝縣、朗縣和乃東縣的地殼淺層的應力特征；張重遠等(2022)采用水壓致裂法在喜馬拉雅東構造結西緣開展了20個鉆孔的原地應力測量，為某交通線路色季拉山、魯朗、拉月3座超長深埋隧道的應力量值、方向等關鍵參數(shù)提供了重要的定量分析數(shù)據(jù)?？傮w上，他們出色而扎實的工作為青藏高原東南緣地應力狀態(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，這些實測數(shù)據(jù)相對于整個青藏高原東南緣來說，仍然相對匱乏，空間分布也有一定的局部性，難以全面反映整個區(qū)域的應力分布特征。而在區(qū)域尺度地應力特征分析方面，Zoback(1992)匯集了全球范圍各種應力資料，編制了“世界應力圖”，分析了全球巖石圈應力場的總體與分區(qū)特征。謝富仁等(2004)匯集了各種實測地應力資料，根據(jù)應力性狀和力源特征，將中國大陸現(xiàn)代構造應力場劃分為4級應力區(qū)。景鋒等(2008)根據(jù)中國大陸地區(qū)400多個實測地應力數(shù)據(jù)，得到了我國地應力沿埋深分布規(guī)律。楊樹新等(2012)基于大量實測地應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)地殼淺層地應力量值、方位特征。姚瑞等(2017)將實測地應力數(shù)據(jù)扣除重力影響，給出了青藏高原及周緣的構造應力隨深度變化的統(tǒng)計特征。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，導致區(qū)域內(nèi)部各個塊體內(nèi)部的應力狀態(tài)，尤其是應力量值在各個塊體間的分布特征認識仍然不足，亟需對青藏高原東南緣的區(qū)域應力狀態(tài)分析進一步細化。

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)的實測地應力數(shù)據(jù)逐步豐富，也有助于地殼應力狀態(tài)進一步細化。因此，本文廣泛收集整理了900余組實測地應力數(shù)據(jù)，利用統(tǒng)計分析的方法，對青藏高原東南緣實測地應力總體特征展開了深入分析，結合中國大陸及其鄰區(qū)的構造應力場分區(qū)，進而對青藏高原東南緣各應力區(qū)的應力狀態(tài)進行了詳細的分析與比較，揭示各應力分區(qū)應力特征的差異，為研究應力場、構造運動模式、地震活動之間的關系提供基礎資料，同時也可為重大工程的設計提供重要參考。

1 地應力數(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，地殼物質正在向東南方向移動，并在東喜馬拉雅東構造結順時針旋轉(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)歷了強烈的構造變形。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活動地塊，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雜，不同的地區(qū)可能受到不同的應力場控制。謝富仁等(2004)基于區(qū)域應力性狀(方向、結構、模式等)分布的一致性原則，對于中國大陸及鄰區(qū)現(xiàn)代構造應力場進行了劃分。根據(jù)劃分結果，青藏高原東南緣跨越青藏高原南部應力區(qū)和青藏高原北部及北東應力區(qū)2個3級應力區(qū)，包含5個4級應力區(qū)：巴顏喀拉山應力區(qū)(BY)、龍門山-松潘應力區(qū)(LS)、墨脫-昌都應力區(qū)(MC)，川滇應力區(qū)(CD)、滇西南應力區(qū)(WD)。構造應力場分區(qū)與活動地塊具有一定的相關性，分區(qū)邊界與分割塊體的斷裂帶幾乎一致，進一步表明青藏高原東南緣各活動地塊應力場的非均勻分布，也反映了該區(qū)域構造作用的復雜性。

本研究收集整理了900余組水壓致裂法、鉆孔應力解除法等方法得到的實測地應力數(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應力分區(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)地質背景與應力數(shù)據(jù)分布

1.2 數(shù)據(jù)處理

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

圖2 實測地應力隨深度變化與數(shù)據(jù)優(yōu)化示意圖

2 實測地應力量值特征分析

2.1 應力梯度隨深度變化規(guī)律

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

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

圖3 實測地應力分布隨深部分布圖

此外，在不同應力分區(qū)中，3個方向主應力的梯度值不同，導致三者之間的相對大小將隨深度逐漸變化。根據(jù)Anderson斷裂理論(Anderson，1951)，3個主應力的相對大小可以確定地殼中的主要應力模式，即正斷層應力模式(σv>σh>σH)，逆斷層應力模式(σH>σh>σv)，走滑斷層應力模式(σH>σv>σh)。由圖3可知，在實測數(shù)據(jù)深度范圍內(nèi)(0～1km)，隨著深度的增加，5個應力區(qū)的應力狀態(tài)從逆斷型應力變?yōu)樽呋蛻δＪ?。但值得注意的是，根?jù)應力數(shù)據(jù)回歸方程向更深處的外推，川滇應力區(qū)和滇西南應力區(qū)的應力狀態(tài)有逐漸轉變?yōu)檎龜嘈蛻δＪ降内厔?，即深部的應力場以垂直應力為主。巴顏喀拉山應力區(qū)，龍門山-松潘應力區(qū)、墨脫-昌都應力區(qū)在印度板塊與歐亞板塊持續(xù)碰撞的作用下，現(xiàn)今構造應力以水平擠壓作用為主，而在川滇應力區(qū)和滇西南應力區(qū)的應力模式與這種以水平擠壓作用為主的構造應力特征呈相反的特點。此外，根據(jù)震源機制分布的特征顯示：川滇應力區(qū)北部與西邊界的應力狀態(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力場向南部延伸，水平構造應力的作用逐漸變?nèi)?，也進一步顯示了宏觀構造作用的差異性。應力狀態(tài)對宏觀構造作用的指示意義將在4.1節(jié)討論。

2.2 側壓力系數(shù)隨深度變化

一般情況下，水平向與垂直向主應力比值可以反映水平應力相對于垂直應力大小的特征，同時也便于分析不同區(qū)域水平應力在相同深度處(或相同豎向應力處)的大小。本文采用Brown et al.(1978)提出的側壓力系數(shù)，即Kav=(σH+σh)/2σv，來表征各個應力分區(qū)側壓力系數(shù)特征，如圖4所示。由圖可知，當埋深較小時，受地形差異，地表剝蝕等因素的影響，側壓力系數(shù)十分離散，隨著深度的增加，波動范圍迅速減小，逐漸趨近恒定值。恒定值從大到小分別為：龍門山-松潘應力區(qū)1.23、墨脫-昌都應力區(qū)1.19、巴顏喀拉山應力區(qū)1.12、川滇應力區(qū)0.95和滇西南應力區(qū)0.67。側壓力系數(shù)Kav>1，表明應力狀態(tài)由水平構造應力主控；Kav<1，表明應力狀態(tài)由垂直應力主控。川滇應力區(qū)和滇西南應力區(qū)的Kav<1，這可能進一步表明：歐亞板塊與印度板塊碰撞以水平構造應力為主的遠程效應逐漸變?nèi)酢?/p>

圖4 各應力區(qū)側壓力系數(shù)隨深度變化

2.3 應力積累特征

根據(jù)Anderson斷裂理論，主應力的相對大小反映了地殼破壞的模式，而最大剪切力的相對大小可以反映地殼破壞的可能性，是地殼破壞狀態(tài)相關的參數(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力(S1-S2)/2與平均主應力(S1+S2)/2的比值μm表示，μm表示一個區(qū)域應力的積累水平，μm越大說明應力積累程度高，反之亦然。當應力水平積累到一定程度，通過斷層活動將應力釋放，從而維持地殼的穩(wěn)定。Townend et al.(2000)分析世界范圍內(nèi)6個深孔應力測試數(shù)據(jù)所得到的結果，認為μm為 0.5～0.7時，應力積累水平較高，地殼處于極限應力狀態(tài)，其穩(wěn)定性也處于臨界狀態(tài)，一旦超過0.7 時，斷層很容易發(fā)生滑動失穩(wěn)；μm為 0.3～0.5 時，應力積累水平中等，地殼相對穩(wěn)定；μm小于 0.3 時，應力積累水平較低，地殼處于穩(wěn)定狀態(tài)。圖5分別給出了各個應力分區(qū)的應力積累水平，由圖可知，墨脫-昌都應力區(qū)和滇西南區(qū)的μm值分別為0.28和0.23，相對于其他3個區(qū)域較低。巴顏喀拉山應力區(qū)，龍門山-松潘區(qū)和川滇應力區(qū)的μm值分別為0.37，0.39和0.34。由上文可知，相對于巴顏喀拉山應力區(qū)和龍門山-松潘區(qū)而言，川滇應力區(qū)的最大水平較小，但是三者的應力積累水平相差不大，這主要是由與應力積累水平由最大應力差決定，川滇應力區(qū)的最小主應力相對于其他應力區(qū)，具有更小的應力特征。較高的應力積累水平，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，龍門山應力區(qū)和川滇應力區(qū)發(fā)生地震(MS>3.0)的次數(shù)達到約3362次，占整個研究總數(shù)量的65%，這也從側面證明了本文的分析。

圖5 最大差應力與平均有效應力的關系

3 實測應力方向特征分析

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

圖6 各個研究區(qū)最大水平應力方位特征

4 討論與分析

4.1 應力狀態(tài)對構造動力學特征的指示意義

目前關于青藏高原東南緣的地殼變形與動力學過程主要包含兩個模型，即塊體側向擠壓模型(Tapponnier et al.，2001)和下地殼流模型(Royden et al.，2008)。前者認為：地殼形變是由印度-歐亞大陸碰撞產(chǎn)生的水平構造應力驅動的，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向擠出(Calais et al.，2006)。而后者的觀點則認為：地殼形變是由印度-歐亞大陸碰撞引起的地殼增厚產(chǎn)生的重力勢能所驅動(Molnar et al.，1997)。在重力勢能作用下，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移，驅動著地殼的形變(Liu et al.，2014)。

動力學模型的動力來源和形變模式不同，將導致地殼分布不同的應力狀態(tài)。相反，結合地殼中應力狀態(tài)，也可進一步對動力學模型進行驗證。如上文所述：青藏高原東南緣的應力狀態(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應力分區(qū)或者塊體間的應力量值特征和應力方向特征均有很大差異，呈現(xiàn)出明顯的“北強南弱”特征。因此，從應力狀態(tài)分布的異質性上看，青藏高原東南緣的動力學模式可能與塊體側向擠壓模型相符合。但是，值得注意的是：由于塊體側向擠壓模型的動力源來自印度-歐亞大陸碰撞產(chǎn)生的水平構造應力，各個塊體的應力場應以走滑或逆斷型應力類型為主，墨脫-昌都應力區(qū)和巴顏喀拉山應力區(qū)為以最大水平應力方向為NNE-SSW向的走滑型應力場(圖3c和圖3a)和龍門山-松潘應力區(qū)為最大水平應力方向為E-W向的逆斷型應力場(圖3b)與上述應力狀態(tài)相符，而在川滇應力區(qū)和滇西南應力區(qū)，應力狀態(tài)呈現(xiàn)相反的應力狀態(tài)，以最大水平應力方向為NW-SE和NE-SW向的正斷型應力為主(圖3d～圖3e)，這可能表明印度-歐亞板塊碰撞產(chǎn)生水平擠壓的效應從高原中部向南(即川滇應力區(qū)和滇西南應力區(qū))逐漸減弱。另外，地殼內(nèi)低速帶(Royden et al.，1997; Wu et al.，2019)，高導電率(Bai et al.，2010)和高泊松比(Chen et al.，2013)等觀測結果均表明，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的黏滯性流體，這種流體可能對上地殼產(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)實測應力和震源機制的最大水平應力方向具有較好的一致性(圖6)。此外，根據(jù)下地殼流模型，黏滯性流體的驅動力為上覆地殼的重力勢能，因此區(qū)域的應力狀態(tài)為正斷型(重力勢能為最大主應力)，這與川滇和滇西南應力區(qū)實測地應力的正斷型應力狀態(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，塊體側向擠出和下地殼流的復合作用可能共同控制青藏高原東南緣的地殼應力場。青藏高原東南緣北部的3個應力區(qū)，即墨脫-昌都應力區(qū)，巴顏喀拉山應力區(qū)和龍門山-松潘應力區(qū)的地殼形變以側向擠出為主，其應力場可能主要受印度-歐亞大陸碰撞產(chǎn)生的水平構造應力控制。而南部的兩個應力區(qū)主要受地殼流模型控制，其應力場可能受由印度-歐亞大陸碰撞引起的地殼增厚產(chǎn)生的重力勢能控制。此外，這進一步解釋了北部的3個應力區(qū)的梯度值、側壓力系數(shù)等量值特征大于南部兩個應力區(qū)的梯度值、側壓力系數(shù)等值的原因。

4.2 地應力狀態(tài)對重大地下工程穩(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)，往往要設計大量深埋長大隧道。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遇到高地應力(巖爆、大變形)等問題，進而產(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，分析了各個應力區(qū)應力狀態(tài)對地下工程穩(wěn)定性的影響。

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

表1 強度應力比法巖爆風險判據(jù)和分級

表2 青藏高原東南緣主要巖性參考值(陳興強，2020)

根據(jù)上述方法及參數(shù)，基于5個應力區(qū)的應力回歸方程計算了在Rc=70～130MPa的情況下，深度范圍為0～2km內(nèi)可能的巖爆風險等級，如圖7所示。由圖可知：除了巴顏喀拉山應力區(qū)在埋深2km左右時，且當Rc接近于70MPa時可能產(chǎn)生極強巖爆，其余4個應力分區(qū)在0～2km深度范圍內(nèi)產(chǎn)生極強巖爆的可能性較小。當Rc=70MPa時，5個應力區(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5個應力區(qū)埋深分別超過374m(巴顏喀拉山應力區(qū))、428m(龍門山應力區(qū))、464m(昌都-墨脫應力區(qū))、445m(川滇應力區(qū))、527m(滇西南應力區(qū))，可以達到中等巖爆。在800m左右，巴顏喀拉山應力區(qū)可以達到強烈?guī)r爆；在1000m左右，龍門山應力區(qū)和墨脫昌都應力區(qū)達到強烈?guī)r爆，而在1200m左右，川滇應力區(qū)和滇西南應力區(qū)達到強烈?guī)r爆，此外，在川滇應力區(qū)和滇西南應力區(qū)由于在1200m左右處，垂直應力大于最大水平主應力，其巖爆發(fā)生主要受控于垂直地應力。而當Rc=190MPa時，5個應力區(qū)均不會在深度范圍內(nèi)發(fā)生強烈?guī)r爆與極強烈?guī)r爆，而同一等級巖爆的埋深范圍要大于當Rc=70MPa時所對應埋深范圍，這主要是由于巖石強度造成的。此外，需要注意的是，由于局部應力的差異性及巖體強度的差異性，可能會導致局部區(qū)域發(fā)生巖爆的實際情況較預測結果更為劇烈。

圖7 巖爆風險預測評價結果

總之，基于強度應力比法計算的5個應力分區(qū)的巖爆風險結果表明，從區(qū)域尺度上看，青藏高原東南緣在0～2km范圍內(nèi)巖爆風險等級以輕微巖爆、中等巖爆和強烈?guī)r爆為主，局部區(qū)域存在極強巖爆。同時各個應力分區(qū)巖爆等級埋深存在差異性，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應力區(qū)中等及以上巖爆等級所對應埋深的隧道工程。

同時應注意到，上述研究結果與分析是基于現(xiàn)有統(tǒng)計的實測數(shù)據(jù)得到的初步認識，所采用的數(shù)據(jù)仍具有一定的局限性，相對于其他區(qū)域范圍的統(tǒng)計分析，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研究的開展，未來獲得更多，更深的地應力測試數(shù)據(jù)，將對該區(qū)域構造應力環(huán)境和重大地下工程穩(wěn)定性的深刻認識提供更多幫助。

5 結 論

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

(1)青藏高原東南緣各個應力分區(qū)的梯度值應力梯度從西部向東部先減小后增大，而在南北方向，應力梯度從北向南逐漸減小，區(qū)域內(nèi)的應力分布呈現(xiàn)明顯的非均質性。隨著深度的增加，巴顏喀拉山應力區(qū)、龍門山-松潘應力區(qū)、墨脫-昌都應力區(qū)應力模式從逆斷型變?yōu)樽呋停欢ǖ釕^(qū)和滇西南應力區(qū)應力模式從逆轉型變?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，可能表明隨著應力場向南部延伸，水平構造應力的作用逐漸變?nèi)酢?/p>

(2)根據(jù)平均差應力和平均有效應力之比μm的大小表明，巴顏喀拉山應力區(qū)、龍門山-松潘應力區(qū)域與川滇應力區(qū)的應力積累水平較高，更接近摩擦極限平衡狀態(tài)，發(fā)生地震的可能更大?；趶姸葢Ρ人从车膸r爆風險預測結果表明，在2km深度范圍內(nèi)的巖爆等級主要有輕微巖爆、中等巖爆和強烈?guī)r爆，局部區(qū)域可能出現(xiàn)極強烈?guī)r爆，在重大地下工程設計與建設過程中需要重點關注。

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