嘉黎断裂中段重大工程区地质力学分析*

刘世杰 兰恒星②③ 张 宁

(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) (③生态地质与灾害防控自然资源部重点实验室， 西安 710054， 中国)

0 引 言

大型走滑断层在印度板块和欧亚板块之间碰撞中起着重要作用，嘉黎断裂带作为青藏高原NWW向走滑断裂系中最南端的主要断裂之一(图 1a)，是了解青藏高原东南缘构造格局和地壳变形过程的最佳靶区(Armijo et al.，1989; Harrison， et al.，1992; Lee et al.，2003; Lin et al.，2009)。受多期次重大地质事件和印度-欧亚板块间复杂运动过程的影响，嘉黎断裂成为青藏高原东南缘南北挤压、东西向伸展塌陷变形最强烈的部位(黄汲清等， 1984； 钟大赉， 1998； 王国灿等， 2011； 丁林等， 2017； 侯增谦等， 2020； 许志琴等， 2021)。

自青藏高原逃逸运动这一高原晚新生代重要变形模式被提出以来(Tapponnier et al.，1976)，嘉黎断裂作为高原南部系列右旋剪切断裂带中诸多调节断裂体系的重要一环(Ratschbacher et al.，1992)，引起了国内外学者的高度关注。Armijo et al. (1989)提出了以喀喇昆仑—嘉黎断裂为代表的高原南部右旋剪切断裂体系(图 1b)。任金卫等(1999， 2000)和沈军等(2003)认为嘉黎断裂的西段是高原南部一系列伸展构造间的转换断层，具有较高的右旋走滑速率。Lee et al. (2003)和Lin et al. (2009)调查了嘉黎断裂内部的糜棱岩和片麻岩，推测该断裂最初是左旋剪切，但在20～18Ma以右旋剪切作用模式被重新激活。唐方头等(2010)和宋键等(2011)通过GPS观测，认为嘉黎断裂并非呈整体性的右旋走滑特征，其在东构造结以西为右旋走滑运动，向东至东构造结附近呈弱右旋挤压性质，至东构造结东南部则转变为左旋走滑运动。Zhang et al. (2020)利用年代学和运动学指标，推断嘉黎断裂在晚渐新世为左旋运动，并与哀牢山红河剪切带相连在东构造结周围形成一个巨大的共轭走滑剪切对。Zhang et al. (2021)基于二维弹性位错模型及小地震分布推断嘉黎断裂东段围绕东构造结顺时针水平旋转。黄星等(2022)利用InSAR与GPS观测数据对嘉黎—崩错断裂进行研究，认为嘉黎断裂西段剪切应变率低，目前可能处于完全闭锁状态。赵远方等(2021)认为嘉黎断裂晚新生代以来仍有活动迹象，并具有多期构造叠加特征，从早到晚依次为左旋走滑、正倾滑和右旋走滑。李鸿儒等(2021)认为嘉黎断裂现今的构造变形主要表现为右旋走滑，并在不同段具有显著差异，新生的西兴拉-达木分支是地震最活跃的区域。

图 1 嘉黎断裂带大地构造纲要图(修改自Tapponnier et al.，(2001)， 宋键等(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

综上所述，当前针对于嘉黎断裂的研究主要集中在构造演化、变形特征以及第四纪活动性方面，从区域工程地质和工程地质力学角度开展的嘉黎断裂工程地质特征的研究尚显不足。早在1957年，刘国昌先生在《中国区域工程地质学纲要》中就提出了针对青藏高原的雅鲁藏布江深谷地区开展工程地质研究的重要性(刘国昌， 1957)。近年来，众多大型线路工程和水利水电工程在藏东南开展(Lan et al.，2022a)，嘉黎断裂孕育的多种工程地质灾害对这些重大工程的建设和运维带来了的巨大挑战(兰恒星等， 2021)。

本文选取嘉黎断裂带腹地的重大工程活动区为研究区域，按照区域工程地质力学的基本理论，基于野外地质调查数据，从工程地质力学分析的角度出发，系统梳理了断层带地形地貌、岩石组合、岩体结构、地应力场、剪切带特征和第四纪活动性等工程地质力学条件，获得了嘉黎断裂的分段差异性，提出嘉黎断裂区域工程地质力学模式，为解决嘉黎断裂区域重大工程建设面临的地质灾害问题提供理论参考。

1 地质背景

嘉黎断裂是指喀喇昆仑—嘉黎断裂带的东段，位于青藏高原东南印度板块与欧亚板块碰撞的前缘，是喜马拉雅造山带的东部界限。嘉黎断裂总体呈NW-SE向，自西向东，沿易贡藏布和帕隆藏布穿过那曲、嘉黎、八盖、易贡、波密、然乌，延伸至察隅附近后转为N-S向展布，并入缅甸境内的石阶断裂(Wang et al.，1997)，总长度约600km、宽约3～7km。作为藏东南走滑断裂系中一条非常重要的调节断裂，嘉黎断裂影响和制约着高原内部物质流动、块体逃逸和应力场转换。开展嘉黎断裂区域工程地质力学研究对该地区在建的诸多水利水电工程和铁路工程的地质安全具有重要意义。

2 工程地质力学分析范围与方法

2.1 分析范围

针对嘉黎断裂，现有研究根据空间展布及第四纪活动性的差异将其分为三段(图 1b)：I：北西段从那曲南东的克马尼亚至嘉黎地区； Ⅱ：中段从嘉黎至易贡、通麦地区； Ⅲ：南东段从易贡、通麦至察隅地区。其中南东段在易贡至通麦之间在南北方向上分成两个分支：北部为帕隆藏布分支，南部为贡日嘎布曲分支(任金卫等， 2000； 丁林等， 2003； 宋键等， 2013)。而嘉黎断裂带中的忠玉—然乌段，因其相对较高的人口密度，以及近年来多个交通、水利重大工程的相继开工建设，受到了学者的高度关注(Lan et al.，2022b)。本文按照与东构造结的相对距离与工程地质力学特征，将其分为3段：东构造结西北部Ⅱ1忠玉—易贡段，长约89km； 东构造结北部Ⅱ2易贡—波密段，长约130km； 东构造结东南部Ⅱ3波密—然乌段，长约128km(图 1b)。

2.2 分析方法

工程地质力学分析是运用工程地质力学的原理和方法，解决工程设计和施工中的各种工程地质力学问题(谷德振， 1979)。工程地质力学理论以岩石组合与岩体结构控制变形破坏规律的观点为基础(王思敬等， 1987)，分析工程地质力学指标的变化规律(王思敬， 2004)。本文对嘉黎断裂中段开展工程地质力学研究，重点进行了地质作用和过程的力学分析。研究关于地形地貌、岩石组合、岩体结构所揭示的地质发展历史，通过力学分析认识和概括沿着断裂带的地质因子展布规律，从而分析地质力学作用的物理机制和动力过程。对忠玉—然乌段嘉黎断裂带沿线进行详细的工程地质调查与分析，调查线路总长365.5km，调查点47处，其中具有错段标志，可观察断裂带工程地质特征并开展力学分析的露头点19处(图 1b)。

3 工程地质力学分段特征

3.1 断裂地貌

嘉黎断裂中段沿易贡藏布和帕隆藏布展布，形成了一系列的断裂河谷地貌(Lan et al.，2022c)，其形态主要为“V型”和“U型”谷两种(严钦尚等， 1985)。本文理清了嘉黎断裂地貌的NW-SE向变化规律。东构造结西北部Ⅱ1忠玉—易贡段为典型的高山“V型”峡谷区，因断裂带物质碎散而产生的断层垭口和负地形也呈现尖“V型”(图 2a)； 东构造结北部Ⅱ2易贡—波密段，“U型”谷的宽度最高可达3.4km(桃花谷)(图 2b)； 东构造结东南部Ⅱ3波密—然乌段，也属于典型的高山“V型”峡谷区(图 2c)，但相较Ⅱ1忠玉—易贡段沟谷宽度更宽，“V型”尖角也更小。总体上，嘉黎断裂中段由北西向南东，断裂谷的地貌形态呈现显著的“V型-U型-V型”的变化规律。

图 2 嘉黎断裂地貌形态变化规律Fig. 2 Transformation law of geomorphic morphology along Jiali fault a. 忠玉—易贡段Ⅱ1的典型“V”型断裂谷地貌； b. 易贡—波密段Ⅱ2的典型“U”型断裂谷地貌； c. 波密—然乌段Ⅱ3的典型“V”型断裂谷地貌

图 3 嘉黎断裂中段岩石组合及岩体结构分布图(修改自Zeitler et al.(2014))Fig. 3 Distribution of rock group and rock mass in middle segment of Jiali fault

3.2 岩石组合

由于青藏高原东南缘的强构造运动带来的动力变质作用对于嘉黎断裂内部的岩石组合影响巨大。导致该断裂内部的岩石组合产生明显的空间分段性(图 3)。东构造结西北部Ⅱ1忠玉—易贡段的嘉黎断裂，出露的岩石组合主要为低-中级变质的C1P1构造片岩、板岩(图 4a)，片岩的片理面平行于断层面，其上可见明显的断层擦痕。露头点边坡顶部受较薄的片理控制，出现典型的倾倒破坏。东构造结北部Ⅱ2易贡—波密段出露的岩石组合主要为中-高级变质片麻岩(Xu et al.，2013; Zeitler et.，2014)(图 4b， 图4c)，在露头处可以观察到片麻理倾向垂直于断层面，倾角近直立。东构造结东南部Ⅱ3波密—然乌段，出露的岩石组合主要为低-中级变质的C1P1构造片岩(图 4d)； 相较Ⅱ1忠玉—易贡段的岩石组合，该段构造片岩的变质程度稍高，层厚较厚，并在软弱夹层中可见韧性变形特征的出露。总体上，嘉黎断裂中段由北西向南东，断裂带内部的岩石组合主要为变质岩建造，但其变质程度呈现显著的“低-高-低”的变化规律。

图 4 嘉黎断裂岩石组合的变化规律Fig. 4 Transformation law of metamorphic grade of rock combination along Jiali fault a. 忠玉—易贡段Ⅱ1的低变质程度构造片岩(远离构造结)； b. 易贡—波密段Ⅱ2的高变质程度片麻岩(构造结附近)； c. 易贡—波密段Ⅱ2片麻岩细节特征(位置见图 4b); d. 波密—然乌段Ⅱ3的低变质程度构造片岩(远离构造结)

3.3 岩体结构

岩体的结构类型主要根据结构体的组合特征划分为3种类型：块状结构(节理状结构)，层状结构及碎裂结构(孙玉科， 1997； 王思敬， 2004)。嘉黎断裂内部岩石组合的空间分段性也体现在其岩体结构上。该断裂及周边区域的岩体结构分布图(图 3)，展示了岩体结构由断裂两侧向构造结核心区不断破碎的分布规律。

东构造结西北部Ⅱ1忠玉—易贡段，出露的岩体结构主要为薄层结构(图 5a)，薄层状结构岩体相对均一，但层面极为发育。一般来说，这类薄层状结构的岩体比较软弱，形成片状或板状结构体。由于结构面紧密闭合，岩体渗透性微弱，呈现强各向异性。由于密集的、但呈闭合状的结构面的影响，岩体弹性模量折减系数KE=0.3～0.5，而强度折减系数KR=0.1～0.3，岩体沿主结构面(即层面或片理面)抗剪强度较低(Lan et al.，2022d)。

图 5 嘉黎断裂岩体结构的变化规律Fig. 5 Transformation law of rock mass type along Jiali fault a. 忠玉—易贡段Ⅱ1的薄层状岩体结构(远离构造结)； b. 易贡—波密段Ⅱ2的碎裂状岩体结构(构造结附近)； c. 波密—然乌段Ⅱ3的薄层状岩体结构(远离构造结)

东构造结北部Ⅱ2易贡—波密段出露的岩体结构主要为碎裂结构(图 5b)，碎裂结构是岩体受到强烈的构造变形或次生演化作用而形成的。东构造结东南部Ⅱ3波密—然乌段，出露的岩体结构主要为薄层结构(图 5c)。相较Ⅱ1忠玉—易贡段的岩石组合，该段岩体层厚较厚，但仍属于薄层结构。总体上，嘉黎断裂断裂带内部的岩体结构呈“薄层状-碎裂-薄层”的变化规律。

3.4 地应力场

嘉黎断裂中段由于长期地壳变动的结果，构造体系十分复杂，导致地应力方向变化不一(王成虎等， 2019)。对嘉黎断裂中段实测地应力、震源机制解反演地应力、典型微构造分析表明，受东构造结的影响，不同分段的应力场特征并不相同。分析所采用的实测地应力来自张宁等(2020a)，实测地应力数据主要集中在易贡—波密段。因此其他两段采用震源机制解反演地应力，分析采用的震源机制解数据来自Shao et al. (2009)和李鸿儒等(2021)。

图 6 嘉黎断裂地应力场分段特征及历史地震Fig. 6 Sectional characteristic of stress field and historical earthquakes along Jiali fault (地震数据来自USGS地震目录https：∥earthquake.usgs.gov/)

忠玉—易贡段Ⅱ1，震源机制解显示的最大主应力方向为NNE-SSW(图 6)，与微型剪切条带和不对称石英透镜体(图 7a)的指示一致，主要表现嘉黎断裂的右旋走滑特征； 易贡—波密段Ⅱ2，实测地应力数据显示最大主应力方向为NEE-SWW(图 6)。震源机制解的反演地应力与实测地应力有方向偏差，这可能是由于本段反演地应力所用的地震数据震级较小(均小于5级)。但由于本段实测地应力数据充足，足够判断主应力方向。同时石香肠构造具有显著的挤压-膨胀结构(图 7b)，指示出了强大的压溶作用和后期的逆冲变形，可能对应东构造结地区北部的高岩石隆起率(Yang et al.，2018)； 波密—然乌段Ⅱ3，受华南板块阻挡嘉黎断裂的运动性质也发生了转变，震源机制解显示最大主应力方向转换为NW-SE向(图 6)拉张应力场(Lan et al.，2019)，与现场调查发现的解理和拉张裂纹系统一致(图 7c)，由逆冲变形转换回右旋走滑兼逆冲运动，这是对嘉黎断裂北侧物质沿断裂挤出的响应。这与跨断层GPS速度剖面一致，反映了东构造结向北东方向推进过程中区域应力场及方向的转换(唐方头等， 2010)。总体上，嘉黎断裂中段由北西向南东，应力场依次表现为右旋走滑、逆冲和右旋走滑兼逆冲，分别显示NNE-SSW向挤压、NEE-SWW向挤压和NW-SE向拉张的区域应力场方向。

图 7 嘉黎断裂区域应力场的转换规律Fig. 7 Transformation law of region stress field along Jiali fault a. 忠玉—易贡段Ⅱ1的NNE-SSW向挤压区域应力场； b. 易贡—波密段Ⅱ2的NEE-SWW向挤压区域应力场； c. 波密—然乌段Ⅱ3的NW-SE向拉张区域应力场

3.5 剪切带类型

脆性和韧性剪切带是剪切带序列中的两个端元，其变形机制各不相同(Fossen， 2016)。嘉黎断裂的脆韧性有着明显的空间分段性。东构造结西北部Ⅱ1忠玉—易贡段的嘉黎断裂具有脆性向半脆性转换的特质，其中：北部忠玉乡附近的标志层表现出典型的脆性剪切带破坏特征(图 8a)，石英条带标志层被直接剪断，断距32mm，具有明确的剪切带边界和准确的厚度，具有脆性状态下的应变局部化构造； 在该段南部八盖乡附近，标志层则表现出典型的半脆性剪切带破坏特征(图 8b)，石英条带标志层沿中心方向有一定的断层拖曳，断距120mm，属于连续变形与不连续变形相结合的特征。东构造结北部Ⅱ2易贡—波密段的标志层表现出典型的韧性剪切带破坏特征(图 8c)，在露头处可以观察到云母鱼、不对称褶皱、S型弯曲等连续变形的指示标志。东构造结东南部Ⅱ3波密—然乌段，标志层也表现出典型的半脆性剪切带破坏特征(图 8d)，相较Ⅱ1忠玉—易贡段的半脆性剪切带，其不连续变形占据主导，以滑移面和伸展破裂为主，韧性变形相对较少，但在一些层间软弱带仍可观察到糜棱岩带。总体上，嘉黎断裂中段由北西向南东，剪切带内部标识层说明其脆韧性呈现显著的“脆性”-“脆韧性”-“韧性”-“脆性”的变化规律。

3.6 第四纪活动性

青藏高原内的大多数区域断裂都被认为是全新世活动断层(张培震等， 2013； 邓启东等， 2014)，而嘉黎断裂的第四纪活动性特征仍然存在争议。由于1950年8月15日突发的察隅大地震(MS=8.7)，嘉黎断裂曾被认为是喜马拉雅构造带北部最显著的活动断层(Molnar et al.，1984)(图 2)。而近期研究则表明察隅地震的发震断层为喜马拉雅主前冲断裂，并不能证实嘉黎断裂的第四纪活动(Coudurier et al.，2020)。Chung(2014)没有发现嘉黎断裂第四纪地层的变形证据，认为嘉黎断裂可能不是全新世活动的，而Wang et al. (2020)则在嘉黎断裂沿线发现了两次第四纪地表破裂古地震事件。嘉黎断裂特殊的活动性及潜在的危险性对周边的工程建设和城镇安全有着深远的影响(Lan et al.，2022b)，确定其第四纪活动性特征非常重要。本文结合嘉黎断裂活动性的现有研究以及野外调查，发现嘉黎断裂的第四纪活动性特征也有着明显的空间分段性(图 9)。

嘉黎县城及以西的断裂带西段，沉积物的热释光测年年龄约34.7±2.71ka(图 9)(任金卫等， 2000)。在嘉黎县城南部，冰水湖相沉积物的热释光测年年龄约22.0±1.8ka(图 9)(宋键等， 2013)。而在通麦大桥东侧，受到断层扰动的河流阶地砂砾层指示的热释光年龄为11.06±0.94ka(钟宁等， 2021)。可见，嘉黎断裂的第四纪活动性自北西向构造结方向逐渐增加。由于嘉黎断裂易贡—波密段主要沿易贡藏布和帕隆藏布河谷展布，河谷河流阶地并不发育，这导致缺乏能够保存全新世变形证据的年轻地貌和沉积物。因此诸多学者认为本段的嘉黎断裂第四纪活动性并不显著(Chung， 2014； 李鸿儒等， 2021)。

但最新研究发现了嘉黎断裂错断第四纪冲洪积扇的证据(Wang et al.，2020)，断层扰动的沉积物放射性碳测年年龄约2.160±0.030ka 以及2.680±0.030ka。同样，我们在古乡湖附近也发现了近期表面破裂的证据(29°54′N， 95°28′E)，在清理后的古乡湖相沉积物中嘉黎断裂的错断迹象清晰可见(图 10)。走向NW-SE向的逆冲断层穿越了韵律沉积的粉细砂层(图 10b)，然后被后期沉积的卵砾石层和粉砂层覆盖(图 10c和图10d)。变形特征表明，断层变形时间应该发生在未错断的粉砂层和下部细砂层之间。河湖相韵律沉积使得断层上下盘具有类似沉积岩层的对应关系，通过分析沙砾粒径，颗粒胶结和含水量可以判断其对应关系。原本水平沉积的粉细砂层在断面附近倾角急剧增大，表现出强烈的剪切变形。将沉积物样品送往美国Beta实验室利用加速计质谱仪(AMS)进行放射性碳同位素年龄测定。断层扰动的最上层细砂放射性碳测年年龄约5.830±0.030ka(图 10 b)。多处断裂错断全新世沉积物的野外证据表明，嘉黎断裂带易贡—波密段第四纪活动性是显著的。

波密县城以南的断裂带南段，在嘎隆寺附近，断裂扰动的冰碛物的光释光年龄为28.96±2.60ka和29.74±2.54ka(图 9)(李鸿儒等， 2021)。在松宗镇阶地砾石层的细砂层中采集的样品OSL测年结果分别为23.7±2.0和20.4±2.7ka(图 9)，表明至少在近2.3万年以来，阶地未受到断错变形的影响(Chen et al.， 2014)。

综上所述，嘉黎断裂中段由北西向南东，野外调查及沉积物年代学测定结果说明其第四纪活动性呈现由断裂两端向构造结方向逐渐增加的变化规律。

4 工程地质力学“脆韧性”转换模式

嘉黎断裂中段的断裂地貌、岩石组合、岩体结构、应力场等工程地质力学指标以及剪切带类型、第四纪活动性等断裂特征都具有典型的三段式分布规律。据此，基于工程地质力学思想提出嘉黎断裂分段“脆韧性”工程地质力学模式。

4.1 “韧性”工程地质力学模式

临近东构造结的嘉黎断裂易贡—波密段是典型的韧性工程地质力学模式。工程地质力学因子逐一表现为：岩石组合以片麻岩为代表的高级变质岩为主； 构造体系以连续变形的走滑剪切带为主(Fossen， 2016)； 地应力场方向受多期次构造运动的影响转换快速且地应力相对较高； 浅层岩体结构以有断裂交叉破碎岩体、断层破碎带为代表的碎裂结构为主，受构造运动、热弱化、表生作用的共同影响，力学性质较差。韧性工程地质力学模式最直观的证据为该段嘉黎断裂的内部标识层表现出显著的连续剪切变形特征(图 8)。典型的“韧性”断层剖面(图 11a)指出，在韧性模式下，原生岩石将遭受更为强烈的变质作用，多期构造运动的叠加使得剪切带特征更为复杂。加之这一区域的快速隆起剥蚀(King et al.，2016)和强烈卸荷作用(Larsen et al.，2012)使得岩体中裂隙纵横交错，温度梯度较高导致热蚀变加剧，岩体剥蚀出露后更易风化弱化。韧性带作为吸收脆性区域抬升和差异变形的主要载体，应力累积最为快速。新生代以来东构造结的NE向挤压加速了这一过程(Yang et al.，2018)，从而导致了密度、波速、电阻率、温度梯度等物理性质异常(Hu et al.，2018; Kang et al.，2019)，其存在也为一定深度的脆-韧性过渡提供了证据(Craw et al.， 2005)。

4.2 “脆性”工程地质力学模式

远离东构造结的忠玉—易贡段和波密—然乌段则是脆性工程地质力学模式。工程地质力学因子逐一表现为：岩石组合以低变质岩石为主； 构造体系以具有显著破裂标识的非连续变形走滑断层或逆冲断层为主； 地应力场方向变化小且地应力相对较低； 由于原岩为成层性强的沉积岩，变质后形成的片岩也保持了成层性，岩体结构以层状为主，其力学性质表现出明显的方向性(包含等， 2022)。脆性区域工程地质力学模式在野外直观表现为该段嘉黎断裂的非连续变形特征(图 8)，在地球物理成像上则表现为高密度、低速度、高电阻率异常(Lin et al.，2017)。上地壳硬度高、密度大属于典型脆性区域，在抬升过程中会在边界区域形成应力集中，当局部应力-应变调整时即成为发震构造。历史强震的震中分布(Coudurier et al.，2020)也证明了这一点(图 6)。

图 8 嘉黎断裂剪切带标志层的变化规律Fig. 8 Transformation law of shear zone marker layers along Jiali fault a. 忠玉—易贡段Ⅱ1典型脆性剪切带标识(远离构造结)； b. 忠玉—易贡段Ⅱ1典型脆韧性剪切带标识(靠近构造结)； c. 易贡—波密段Ⅱ2典型韧性剪切带标识(构造结附近)； d. 波密—然乌段Ⅱ3典型脆韧性剪切带标识(远离构造结)

图 9 嘉黎断裂带活动性分段特征(任金卫等， 2000; Lin et al.，2009; 宋键等， 2013; Chen et al.， 2014; Wang et al.，2020; 李鸿儒等， 2021； 钟宁等， 2021)Fig. 9 Segmentation activity characteristics of Jiali fault

图 10 嘉黎断裂全新世活动性的现场证据Fig. 10 Field evidence of Holocene activity of Jiali fault a. 古乡湖湘沉积物露头显示的断裂照片，白色虚线框表示后续照片b-d的位置； b. 断层变形位置的特写； c. 卵砾石层； d. 断裂未错断的粉砂层

图 11 嘉黎断裂典型的“脆-韧性”剖面 (修改自Zhang et al.(2020))Fig. 11 Typical brittle and ductile section of Jiali fault a. 临近东构造结地区的韧性剖面； b. 远离东构造结地区的脆性剖面

图 12 地壳波速成像揭示“脆韧性”转换模式成因机制 (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. 靠近构造结的嘉黎断裂波速成像； b. 远离构造结的嘉黎断裂波速成像

4.3 “脆韧性”转换模式的成因机制

嘉黎断裂带的分段“脆-韧-脆”特征和转换机制可能受高原南部下地壳广泛分布的通道流的控制(Clark et al.， 2000； Beaumont et al.，2001)。Bai et al. (2010)的青藏高原东南缘大地电磁成像表明，中、下地壳弱物质流的韧性变形和上地壳沿边界断层的走滑构造变形在青藏高原变形动力学机制中起着核心作用。Lin et al. (2017)基于东构造结地区的地球物理学证据，提出东构造结上地壳存在的脆性层和韧性层。东构造结从西北向东南的大地电磁成像、剪切波速成像、重力异常成像均证明了东构造结下部地壳的分区特征及流变性(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壳和中地壳中，还拍摄到深度为8～30km的陡峭西北倾斜低电阻率带(<80 Ωm)(Lin et al.，2017)，这种弱区可被解释为快速减压熔融形成的大型地幔逆流系统(Koons et al.，2013)。地表以下13～17km深度之间的400～550℃等温线估计值表明，这一区域深部可能具有强烈的变质反应并进行含水熔融(Craw et al.，2005)。对Peng et al. (2016)的P波速成像的重新分析表明靠近东构造结的嘉黎断裂下部地壳明显处于韧性区(图 12a)，而远离构造结的嘉黎断裂下部地壳则为塑性区(图 12b)。由此可见，嘉黎断裂中段工程地质模式表现为“脆-韧-脆”性变化规律的原因，显然是受到东构造结下伏热地幔流产生的高温高压强变质作用带的影响。

在距离东构造结较远的忠玉—易贡段Ⅱ1和波密—然乌段Ⅱ3，由于热地幔流产生的强变质带的影响范围距离嘉黎断裂较远，受热地幔流影响作用小，以动力变质作用为主，因此岩石组合表现为以构造片岩为主的低级变质岩，岩体结构为成层脆性岩体，剪切带类型为脆性或半脆性剪切带的“脆性”区域工程地质模式。同时由于断裂带内的碎裂岩体宽度较窄，两侧受到完整岩石的挟持，河流的侧蚀作用明显弱于发生在断裂带内的下蚀作用，因此河床快速地下切，河谷的加深速度大于其拓宽速度，断裂谷的地貌形态呈现“V型”。

而在距离东构造结较近的易贡—波密段Ⅱ2，嘉黎断裂带内部受到热地幔流的强烈影响，以接触变质作用为主，产生部分熔体的聚集从而导致岩石组合表现为以片麻岩为主的高级变质岩，岩体结构为碎裂结构，剪切带类型也呈现显著的韧性特征。同时断裂碎裂岩较宽，河流的侧蚀作用和下蚀作用接近，叠加海洋性冰川的侵蚀作用，导致断裂谷的地貌形态也呈现“U型”。由此可见，在东构造结区域内，欧亚大陆的碰撞-隆升-拆沉模式十分复杂，既存在刚体形式向东挤出及顺时针旋转(许志琴等， 2021)，又存在地幔流驱动下的隆升和变形，从而形成了嘉黎断裂活动性质的分段性特征。

5 嘉黎断裂中段工程地质问题探讨

如前所述，在嘉黎断裂中段的“脆韧性”模式驱动下，嘉黎断裂沿线开展的水利水电、铁路、高速公路等重大工程在不同段也面临着不同的工程地质问题(图 13)。

图 13 嘉黎断裂中段重大工程地质问题Fig. 13 Major engineering geological problems in middle segment of Jiali fault

5.1 忠玉—易贡段

水利水电工程的坝体、坝肩、地面构筑物，公路铁路工程的桥梁、路基、隧道口等地表重大工程，在嘉黎断裂忠玉—易贡段面临的主要工程地质问题有高位远程滑坡体、高能洪水、大型顺层岩质边坡、高陡岸坡和危岩落石等(图 13)。高位远程滑坡在本段极为发育且典型，如易贡滑坡(殷跃平， 2000)，其隐蔽突发的特征及随后的链生灾害带来了巨大威胁。Yao et al. (2022)在忠玉乡附近采用InSAR技术与现场调查识别出两处高位远程形变体，可能对该区域的重大工程建设与安全运营构成严重威胁。现场调查也发现了疑似高能洪水的沉积证据(王昊等， 2021)，鉴于气候、水文、构造与地形条件，该区域具有发育高能洪水的潜力(兰恒星等， 2022)。

深埋隧道、水电厂房、坝基等深部地下工程，在嘉黎断裂忠玉—易贡段面临的主要工程地质问题有地下洞室软岩大变形，高压突涌水，坝基不均匀沉降等问题。本段嘉黎断裂内的薄层结构岩体，具有较低的强度和较强的各向异性，作为洞室围岩工程性质较差，软弱层面易变形且方向复杂、变化快，因此在施工中需重视地下洞室的超前预报。虽然本段嘉黎断裂的空间分布已基本清晰，但其分支断裂复杂，加之本段交通不便导致现有基础地质资料匮乏，工程建设经验较少。坝基选址时应重点关注地基稳定性问题，加强断裂特征的精细刻画等研究工作。

5.2 易贡—波密段

地表重大工程在嘉黎断裂易贡—波密段面临的主要工程地质问题有巨型泥石流及其链生灾害(冰川泥石流、冰湖溃决型泥石流、冰水混合型泥石流、雨洪型泥石流)(崔鹏等， 2003； 袁东等， 2022)，冰崩、冰湖溃决，松散层滑坡，岩屑坡、岩堆等(图 13)。巨型泥石流及冰崩冰湖溃决等灾害风险，主要分布在帕隆藏布流域的冰川冰湖集中发育区。海洋性冰川广布的同时，巨厚层冰碛物也丰富，其结构松散、强度低、遇水易滑，在不合理的工程扰动下易反复成灾，如102滑坡(李同录等， 2003)。这些致灾因子都极易形成堵江事件，危险性高，容易形成巨灾。应重视冰水链生灾害和工程灾变的发育规律与形成机制研究，开展超前识别、精准预测和高效防控等工作。

地下重大工程在嘉黎断裂易贡—波密段面临的主要工程地质问题有高地应力带来的硬岩岩爆，断层破碎带软岩大变形，高地温(水)热害及链生灾害，高压涌水突泥等。本段嘉黎断裂距离构造结较近，其东北向挤压活动带来的高地应力环境(Yang et al.，2018)，在深部洞室穿越花岗岩、花岗闪长岩等侵入岩时面临较高的岩爆风险(Liu et al.，2022; 田朝阳等， 2022)，应采取超前地应力释放与支护等措施。在断层破碎带的软岩段，针对大变形问题应采用针对性强化支护等措施。同时破碎带突涌水风险极高，应在施工中给与重点关注。深部地幔活动与浅部断裂网络体系引起的热流异常是引起高地温及链生灾害风险的关键因素(Ross et al.，2020)，在规划这一区域的深埋地下工程建设过程中需加强地质预报(张宁等， 2022b)，选择低温通道、开展热害分级防控等减灾综合防控手段。

此外，本段嘉黎断裂的全新世活动性显著，具有诱发地震的潜在可能(Wang et al.，2020)，活断层的长期蠕滑错动也会带来工程体的变形开裂不均匀沉降等问题。因此，地表与地下工程均需采取柔性减震等方案综合考虑抗震设计。

综上所述，嘉黎断裂易贡—波密段相较沿线的其他分段，受东构造结北向挤压的强烈影响和深部地幔活动的控制，其面临的灾害风险更为突出，存在的工程地质问题更为复杂。

5.3 波密—然乌段

地表重大工程在嘉黎断裂波密—然乌段面临的主要工程地质问题有超高位危岩落石及链生灾害，大型崩积不稳定岩堆，冰崩、冰湖溃决及链生灾害，松散层滑坡等。受1950年察隅地震的影响，本段嘉黎断裂沿线危岩落石发育(詹慧丽等， 2022)。因此，地表工程选址应倾向于岩质坚硬、岩体完整的侵入岩地段。在难以开展工作的高陡沟谷，采用InSAR、无人机倾斜摄影、激光雷达Lidar开展现场调查，查清高位危岩落石的发育规律。对地表工程产生威胁的不稳定崩积体，应予以清除或采取适当的挡护措施。同时需要加强建设及运营期间监测预警工作。由于下游堵江灾害的频发，本段嘉黎断裂沿线广泛分布河湖相沉积物(Chen et al.，2014)，沉积组分混杂结构松散导致了两岸各种松散层滑坡的活跃。针对该段同样密集分布的冰湖，应重点开展形变长期监测的相关研究。

地下重大工程在嘉黎断裂波密—然乌段面临的主要工程地质问题有高压涌水突泥，软岩大变形，隧道、坝基不均匀形变等。帕隆藏布上游地表水量大、水压高，在大理岩、灰岩等可溶岩发育段突涌水风险大，应当重视超前探水等工作。断层内薄层结构的片岩仍然具有岩体质量差、各向异性强烈等特征，在地下洞室的施工中应重点关注其变形特征。Zhang et al. (2020)结合GPS数据和区域地震分布认为嘉黎断裂南部具有相对显著的地壳隆起和水平缩短，形变中心从东构造结向嘉黎断裂南段迁移。因此，地下工程选址应重点关注构造接触面或断层面的相对形变，加强长期监测与相关风险的预判。

6 结 论

本文对嘉黎断裂中段重大工程区开展了工程地质力学分析，系统梳理地形地貌、岩石组合、岩体结构、地应力场、剪切带、第四纪活动性等工程地质力学因子，获得了嘉黎断裂的分段差异性。

嘉黎断裂中段沿易贡藏布和帕隆藏布展布形成的断裂河谷地貌，由北西向南东形态呈现显著的“V型”-“U型”-“V型”谷的变化规律； 断裂带内部的岩石组合主要为变质岩建造，但其变质程度呈现显著的“低变质”-“高变质”-“低变质”的变化规律； 岩体结构呈现显著的“薄层”-“碎裂”-“薄层”的变化规律； 应力场表现为右旋走滑、逆冲和右旋走滑兼逆冲，分别显示NNE-SSW向挤压、NEE-SWW向挤压和NW-SE向拉张的区域应力特征； 剪切带内部标识层说明其脆韧性呈现显著的“脆性”-“半脆性”-“韧性”-“脆性”的变化规律； 野外调查及沉积物年代学测定结果说明其第四纪活动性呈现由断裂两端向构造结方向逐渐增加的变化规律。

综合嘉黎断裂中段的断裂地貌、岩石组合、岩体结构、地应力场等工程地质力学指标以及剪切带类型、第四纪活动性等断裂特征的分段规律， 本文将嘉黎断裂分段特征的工程地质力学模式分为两类。即临近东构造结地区的嘉黎断裂易贡—波密段是典型的韧性工程地质力学模式，远离东构造结地区的忠玉—易贡段、波密—然乌段则是脆性工程地质力学模式。不同工程地质模式的成因机制主要是受到东构造结下伏热地幔流产生的高温高压强变质作用带的影响。在此背景下，探讨分析了嘉黎断裂沿线开展的水利水电、铁路、高速公路等重大工程在不同段面临的不同工程地质问题，并给出了针对性的防治建议。