在断裂构造活动强烈部位的深孔地应力测量中，断裂活动导致地应力解耦的表现通常为测量得到的最大主应力方向与区域构造应力场相比经常发生角度不等的偏转。这种现象在国内外诸多典型活动断裂带附近或重要大陆科学钻探地应力测孔中均有所体现^[1-5]。

对于规模较大、活动性较强的断裂带而言，断裂活动导致最大主应力方向偏转除在深度上有体现外，在断裂带展布区域内也有表现，如青藏高原东缘的龙门山断裂带。2008年汶川M_S8.0地震前，龙门山断裂带附近水压致裂地应力测量结果表明，由断裂带东北端至西南端的广元、平武、茂县-北川、汶川-映秀和宝兴-泸定等地浅表层最大主应力平均方向分别为N25°W、N60°W、N55°W、N60°W和N60°W，与区域构造应力场主压应力方向NW~NWW基本一致(图 1(a)) ^[6]。汶川地震之后，沿龙门山断裂及邻区再次开展的水压致裂地应力测量工作结果表明，广元、平武、北川-江油、汶川-映秀和宝兴等地最大主压应力平均方向分别为N50°W、N60°E、N56°E、N56°W和N59°W (图 1(b)) ^{[5, 7]}。可以看出，汶川M_S8.0地震后，龙门山断裂带西南端至东北端的宝兴、映秀、汶川、北川、平武及广元地区地壳浅表层平均最大水平主应力方向与震前相比分别逆时针偏转了约1°、4°、4°、69°、60°和25°(图 2)。进一步分析认为，大致以茂县-绵竹一线为界，西南侧最大主应力方向偏转角度很小，基本没有发生变化，即与区域构造应力场一致，东北则发生较大角度的偏转。

汶川M_S8.0地震主破裂带沿映秀-北川断裂西南端向NE方向单侧扩展，地表破裂长度近240 km，且具有明显的分段特征。具体表现为：都江堰-绵竹段约在15 km以上深度为纯逆冲错动，以下为逆冲兼具右旋走滑活动; 绵竹-青川段主要表现为右旋走滑错动，且从绵竹起向青川方向错动量逐渐降低(图 1(b))^[8]。由此看来，汶川M_S8.0地震沿龙门山中央断裂产生的逆冲错动并未明显导致断裂带附近汶川、映秀等地最大主应力方向的偏转，反而是断裂带东北段的右旋走滑活动直接导致了北川、江油、平武及广元地区地壳浅层最大主应力方向的解耦。由于断裂带东北段右旋走滑位移在青川-广元一带逐渐减小，以致广元地区最大主应力方向偏转的角度也最小。

为解释汶川M_S8.0地震后龙门山断裂带附近地壳浅层最大主应力方向解耦现象，本文首先依据二维有限元数值模拟方法，采用ANSYS有限元模拟软件，建立龙门山断裂带二维简化地质模型; 其次，基于其弹性非线性接触分析模块，选用“面-面”接触单元表征断裂滑动行为，以汶川M_S8.0地震沿断裂带东北段同震右旋走滑位移为边界条件，模拟计算龙门山中央断裂右旋走滑活动引起的扰动应力场; 然后，结合断裂带附近典型钻孔地震前水压致裂地应力测量结果，合理确定断裂带附近不同构造部位(宝兴、映秀、汶川、北川、平武及广元等)地壳浅表层区域应力场(或初始应力场)，在此基础上，叠加已模拟得到的扰动应力作用，获得受扰动后的“局部应力场”; 最后，通过对比分析对龙门山断裂带附近最大主应力方向解耦现象进行定量解释。

1 走滑断裂活动导致地应力解耦的机理研究 1.1 基本原理

走滑断裂活动导致地应力异常变化(或解耦)主要是通过断裂局部滑动产生的扰动应力对区域应力场的影响来实现的^[9]，表述为：

(1)

式中，σ_ijL为活动断裂附近地应力测量结果，即局部应力场; σ_ijP为断裂滑动引起的扰动应力场; σ_ij∞为区域应力场或初始应力场。

1.2 龙门山断裂带东北段右旋走滑活动产生的扰动应力场模拟分析 1.2.1 简化地质模型与边界条件

为重点讨论龙门山中央断裂右旋走滑活动导致地应力解耦的显著效应，对计算模型进行简化(图 3)：1)断裂带两盘岩体为均质、各向同性、线弹性体，且介质材料的力学性质相同，弹性模量E为20 GPa，泊松比为0.22^[9]，用二维4节点四边形单元(Plane42)模拟断裂两盘围岩; 2)考虑汶川M_S8.0地震发生在映秀-北川断裂上，且地震破裂带主要沿中央断裂(大致沿映秀-青川一线)展布^{[8, 10]}，故模型中仅考虑龙门山中央断裂，断裂走向N50°E，长度近600 km，其中，茂县-绵竹沿线西南段(OA段)为逆冲活动，绵竹-广元段(AB-BC-CD段)为右旋走滑活动，广元-勉县段(DE段)同样为右旋走滑活动，但活动性很弱; 3)为尽可能减小边界效应对模拟结果的影响，在确定模型尺寸时, 根据经验将模型的长、宽均设定为600 km; 4)用二维“面-面”接触单元(TARGE169和CONTA171)表征龙门山中央断裂上下盘接触面，断裂两盘接触面的摩擦系数取0.6，内聚力为0，参考《ANSYS基本过程分析手册》中经验公式，接触面的法向刚度K_n=2 GPa/m，切向刚度K_t=20 MP/m，可保证在计算过程中收敛; 5)计算模型中共有58 322个节点、58 080个单元。

依据汶川M_S8.0地震断裂面上的同震静态位移分布特征^[11]，将龙门山中央断裂近地表同震右旋走滑位移作为边界条件，分别施加在计算模型中断裂两盘对应的接触单元节点上，进而模拟断裂两盘之间的相对滑动行为。在模拟过程中不考虑断裂逆冲活动，只分析其右旋走滑活动特征，其中, OA段断裂两盘相对走滑位移为0 m、AB段为2 m、BC段为6 m、CD段为2.2 m、DE段为0 m(图 3)，同时将模型的4个边界法向位移进行约束，可模拟得到龙门山中央断裂东北段右旋走滑活动引起的扰动应力场。

1.2.2 同震水平位移模拟结果

图 4为模拟得到的龙门山中央断裂及邻区近地表同震水平位移分布。可以看出，沿龙门山中央断裂近地表同震水平位移最大值大致分布在北川-青川一线(BC段)，主要在4.0~6.4 m之间，且向断裂两端延伸逐渐减低，具体分布特征表现为：汶川及邻区0.8~1.6 m、茂县-绵竹及邻区1.6~2.4 m、北川及邻区2.4~4.0 m、平武-青川及邻区2.4~4.8 m、映秀镇以南基本为0，该模拟结果与野外调查和前人研究认识基本一致。

1.2.3 扰动应力场特征

基于有限元数值模拟结果，获得龙门山中央断裂东北段右旋走滑活动引起的扰动应力场特征(图 5)。从龙门山断裂带西南端至东北端，分别选取宝兴、映秀、汶川、北川、平武和广元作为观察点，各观察点附近扰动应力场中二维应力张量σ_xx^P、σ_yy^P和σ_xy^P模拟结果见表 1，表中正表示压应力，负表示拉应力。

1.3 最大主应力方向解耦的定量分析 1.3.1 初始应力场的确定

参考汶川M_S8.0地震前沿龙门山断裂带附近典型钻孔水压致裂地应力测量结果^{[6-7, 12]}，近似确定6个观察点近地表(0~200 m)初始应力场，并由弹性力学中二维平面应力分量坐标转换公式求解该初始应力在xoy坐标系下(见图 3)的应力分量(表 2)，结果如下：

1) 宝兴硗碛水电站厂区在180~280 m深度范围内，最大水平主应力(σ_H^∞)值为15.47~21.86 MPa，最小水平主应力(σ_h^∞)值为8.19~11.68 MPa，σ_H^∞方向为N60°W，依据水平主应力随深度变化曲线，计算宝兴观察点在200 m深度σ_H^∞为17.00 MPa、σ_h^∞为9.00 MPa。

2) 汶川地区在400 m深度内σ_H^∞、σ_h^∞分别为14.00 MPa、10.00 MPa，σ_H^∞方向为N60°W，由于缺少汶川、映秀等地更详细的地应力实测数据，不妨将该应力结果作为汶川、映秀两个观察点地壳浅表层初始应力场。

3) 茂县地区约230 m深度内σ_H^∞、σ_h^∞分别为14.00 MPa、8.00 MPa，σ_H^∞方向为N50°~60°W，平均为N55°W，考虑北川地区在汶川M_S8.0地震之前无公开发表的地应力实测资料，且北川距离茂县较近，直线距离约80 km，故近似将茂县地区地应力测量结果代表北川观察点。

4) 平武观察点在200 m深度内σ_H^∞、σ_h^∞分别为9.00 MPa、7.00 MPa，σ′_H^∞方向为N60°W。

5) 广元地区在310~420 m深度内最大水平主应力值为12.22~21.87 MPa，最小水平主应力值为8.48~12.83 MPa，σ_H^∞方向为N25°W，基于该区水平主应力随深度线性关系，估算广元观察点在200 m深度σ′_H^∞、σ_h^∞分别为6.70 MPa和6.00 MPa。

1.3.2 最大主应力方向偏转的定量分析

依据应力张量叠加原理(式(1))，将龙门山中央断裂东北段右旋走滑活动引起的扰动应力场σ^P (表 1)和断裂带邻区由西南至东北6个观察点近地表初始应力场σ^∞(表 2)进行叠加，得到6个观察点位置地壳浅表层受扰动后的局部应力场σ′^L (表 3)，局部应力场中最大水平主应力σ_H^L大小、方向均可由弹性力学中平面应力状态下主应力计算公式计算得到。

由表 3可以得出，宝兴、映秀和汶川及邻区基本没有发生偏转; 北川-平武一带偏转角度最大，在52°~62°之间，最大值主要位于北川、江油等地; 广元及邻区最大主应力方向远低于北川、平武及邻区。以上模拟结果与各观察点地应力测量结果反映出的最大主应力方向偏转角度分布规律基本一致(图 6)，充分证实了断裂走滑活动产生的扰动应力确实会导致区域构造应力场最大主压应力方向的解耦，且最大主应力方位偏转角度与活动断裂的走滑位移呈正比。

2 讨论

1) 活动断裂附近地应力解耦，特别是区域最大主应力方向发生偏转主要是通过断裂滑动产生的扰动应力对区域应力场的附加影响实现的。

2) 在固定的断裂活动长度和摩擦强度下，走滑断裂活动导致区域最大主应力方向偏转角度基本与活动断裂的走滑位移(或走滑速率)呈正比。

3) 受汶川M_S8.0地震活动的影响，龙门山断裂带由西南至东北附近的宝兴、映秀、汶川、北川、平武、广元及邻区地壳浅表层最大主应力方向偏转角度有差异。实测与模拟结果均表明，大致以茂县-绵竹为界，其西南侧的宝兴-映秀-汶川一带最大主应力方向偏转角度很小，基本没有发生变化; 而该界线东北侧的北川-平武-广元一带则发生角度不等的偏转，北川、平武和广元地区最大主应力平均偏转角度分别为65°、56°和29°; 与此同时，沿龙门山断裂走向最大主应力方向偏转角度与龙门山断裂带东北段同震右旋走滑位移量呈正相关分布。

3 结语

始新世末印度板块与欧亚板块发生碰撞，其后继续向北东方向推挤，青藏高原快速隆升，受北西向强烈挤压作用，至早更新世末川西高原及龙门山区也剧烈抬升，山前成都平原地块则强烈拗陷，北部形成岷山隆起; 从中更新世起，受青藏高原深部地壳物质向东扩展、川西高原等次级块体整体向东南侧滑影响，龙门山构造带再次遭受强烈挤压。由于岷山构造带走向近南北，与川西高原次级块体运动方向斜交，以致岷山、虎牙断裂等表现为左旋走滑的逆冲运动。本区现今构造应力场主压应力方位为北西西向，印度板块向北东推挤进而导致川西高原块体南东向运动是龙门山逆冲推覆构造带形成和活动的主要动力来源^[13]。然而，本文研究初步揭示了2008年汶川M_S8.0地震后龙门山断裂带东北段地壳浅层最大主应力方向发生偏转这一现象，地震后断裂带东北段附近最大主压应力方向偏转为北东东向，与区域主压应力方向不一致。

青藏高原深部地壳物质向东扩展，受到四川盆地强硬地壳阻挡，中下地壳物质以塑性流变的方式在龙门山及其以西川西高原之下堆积，可能向四川盆地以北和以南的地区“流出”，导致川西高原中下地壳显著增厚、并对上部脆性地壳施加隆升作用，进而在垂向上造成龙门山和川西高原的隆升、水平方向上则向北东方向运动，表现为平行于龙门山断裂带的右旋剪切和垂直于龙门山断裂带的挤压缩短^[14]。与此同时，岷山隆起对龙门山推覆构造带东北段起屏障作用，以致龙门山断裂带东北段活动减弱，活动强度由东北向西南逐渐增强，断裂带右旋走滑活动远小于其逆冲活动，而岷山构造带主体边界的岷江、虎牙断裂第四纪活动强烈^[15]。

汶川M_S8.0地震主破裂带沿映秀-北川断裂西南端向北东方向单侧扩展，且具有明显的分段特征，其中绵竹-茂县一线西南侧以逆冲为主、东北侧以右旋走滑为主。鉴于此，是否可以推测汶川M_S8.0地震活动使得龙门山断裂带东北段突破了岷山地块的屏障作用？川西高原震后是否转变为向沿龙门山东北段产生右旋走滑运动？高原深部地壳塑性流变物质是否会向北东东向侧向流出？这些问题有待进一步研究。

致谢: 感谢中国地质科学院地质力学研究所王连捷研究员、裴军令、李滨、孙玉军和辛鹏副研究员、中国地质环境监测院张永双研究员、中国地震局地壳应力研究所雷建设研究员、中国地震局地球物理勘探中心赵成彬研究员在本文写作过程中提供的帮助。谨以此文怀念中国地质科学院地质力学研究所王连捷先生。