揭示地壳应力状态及其作用规律，尤其是关键构造部位的地壳应力状态，对于研究解决诸如断裂失稳滑动、区域地壳稳定性以及重大工程规划建设过程中的岩爆、软岩大变形等重大工程地质问题等具有重要的作用.长期以来，人们对认识地壳应力具有强烈的需求，如何获取地壳应力状态也成为地球科学研究的重要内容.不同的需求和条件催生了不同的地应力测试方法，包括基于岩芯、基于钻孔、地质学、地球物理学等方法(Zang and Stephansson, 2010).但多数方法仅能得到应力作用方向，虽然利用特定条件可以对应力值进行约束从而锁定范围，例如安德森断层在摩擦强度、断层活动性质、孔隙压力、上覆岩层容重等条件下，能够估算主应力的范围，限定条件越多，估算范围越小，数值越精确(Zoback, 2007).但原地应力测量法，如基于钻孔孔壁岩石劈裂的水压致裂法，以及基于套芯弹性应变松弛的钻孔解除法等，则可以直接获得地壳应力状态，包括应力量值及应力方向.因此，原地应力测量被广泛应用在矿山开采、工程建设、地下硐室变形、核废料等处置场址选址、油气资源勘探、构造活动研究等领域(Wu et al., 2009; 陈群策等, 2012; 孟文等, 2012; Zhao et al., 2013; 秦向辉等, 2013; 赵星光等, 2014; Meng et al., 2015a, 2015b; 张春山等, 2016).

受印度板块持续北东向挤压，晚新生代以来，青藏高原持续隆起，现今构造活动强烈，是当前地质学界研究的热点.近年来，许多学者研究了青藏高原的隆升机制，开展了地质构造研究和数值模拟研究，利用大地测量、震源机制解资料，结合青藏高原地质构造、地球物理等方面的研究，反演青藏高原构造应力场，取得了很多重要认识(谢富仁等, 2004; 朱守彪和石耀霖, 2005; 徐纪人和赵志新, 2006).但目前该区原地应力测量工作相对匮乏，缺少实测地应力资料.随着西部大开发建设的向西推入，包括大型水利水电工程、川藏铁路和拉萨—林芝高等级公路等重大工程在该区规划建设，更亟需获得区内应力状态及其特征.2014年和2015年，中国地质科学院地质力学研究所“川藏铁路活动断裂调查与地质灾害效应评价”项目组沿雅鲁藏布江断裂带，在西藏林芝县、朗县和乃东县分别开展了水压致裂原地应力测量工作，获得了地壳浅表层的应力状态及分布特征，为该区大陆动力学及地壳稳定性研究提供了基础数据，同时也对铁路、公路、水电开发等工程建设具有重要的指导意义.

青藏高原是特提斯洋盆多期扩张与消减和期间陆块多期俯冲-碰撞作用的产物(董昕等, 2013).印度板块自始新世与欧亚大陆发生碰撞后，至今仍以40~50 mm·a^-1的速率向北运动(Yin and Harrison, 2000; USGS, 2013).青藏高原东西两端(喜马拉雅东西构造结)是印度板块与欧亚板块汇聚时挤压应力最为集中的部位，造成地壳的强烈变形及变质和岩浆作用的发生.与喜马拉雅造山带广泛分布倾滑断层不同，东西构造结以走滑构造为主(Burg et al., 1998; 王二七等, 2001; Ding et al., 2001).其中，东构造结系指喜马拉雅弧形山系东部弧顶部位，是欧亚板块与印度洋板块碰撞、汇聚的南缘地区，也是多元地质构造的错综交错部位.它在青藏高原隆升，两陆-陆板块碰撞、汇聚中占有重要地位，对其周边地域的构造运动、深部物质流展及其动力过程均有着重要作用(滕吉文等, 2006).东喜马拉雅构造结内主要构造单元有喜马拉雅、拉萨和羌塘块体(图 1a).拉萨块体位于欧亚板块的最南缘，它在新生代与印度大陆的碰撞形成了青藏高原和喜马拉雅造山带(董昕等, 2013).块体基底主要由元古代变质岩组成，沉积盖层由古生代、中生代和少量的新生代岩层组成(王二七等, 2001)(图 1b).块体构造变形晚侏罗世以走滑挤压为特征，晚白垩世以挤压为特征，新近纪以走滑挤压为特征，晚第四纪以一系列近南北向正断裂-地堑系和断续的北西西走向的右旋走滑断裂相互组合为主要特征(唐方头等, 2010).

图 1

Fig. 1

图 1 测点分布及周边地质构造背景 HM：喜马拉雅块体; LS：拉萨块体; QT：羌塘块体; BY-SG：巴颜喀拉—松潘—甘孜块体; WHS：喜马拉雅西构造结; EHS：喜马拉雅东构造结. Fig. 1 Simplified tectonic setting of each test borehole and surrounding regions HM: Himalaya terrane; LS: Lhasa terrane; QT: Qiangtang terrane; BY-SG: Bayan Har-songpan-Garzê terrane; WHS: western Himalayan syntaxes; EHS: eastern Himalayan syntaxis.

本次开展地应力测试的测点主要分布于拉萨块体南部边界雅鲁藏布江断裂带，该断裂带东、西两端分别终止于东、西喜马拉雅构造结附近，几乎贯穿整个高原内部，是晚侏罗世以来新特提斯洋演化、大陆碰撞和高原隆升造山运动综合作用而成的(刘志飞等, 2000)，以蛇绿混杂岩为主的雅鲁藏布江缝合带的北界，并构成了特提斯喜马拉雅和拉萨块体的边界带.张培震等(2003)认为雅鲁藏布江断裂具有现今活动性，运动方式以右旋走滑为主，活动速率为5.0±3.0 mm·a^-1.张永双等(2009)通过地表调查，得到雅鲁藏布江断裂为以逆冲断层作用为主的渐新世-中新世强烈挤压逆冲变形带，特别是朗县一带逆断层作用和岩石变形作用非常显著，而上新世以来地表无复活迹象.彭小龙和王道永(2013)则认为雅鲁藏布江断裂最新活动以正断或右旋走滑-正断为主，米林以东活动性较强，为全新世活动断裂，米林以西断裂活动性较弱，最新活动时代为中-晚更新世.

本研究利用水压致裂地应力测试方法分别沿雅鲁藏布江断裂带林芝县、朗县和乃东县开展地应力测量工作，以获取浅层地壳应力状态，各测点测试概况如表 1所示.林芝测点(LZ)位于林芝地区八一镇，东南邻近尼洋曲，钻孔揭露岩性为黑云母二长花岗岩，钻探深度内岩芯完整性有差异，在深度253 m左右揭露一断层破碎带.朗县测点(LX)位于山南地区加查县，钻孔揭露岩体为花岗岩，岩芯完整.乃东测点(ND)位于山南地区乃东县，钻孔揭露岩性为花岗闪长岩，岩芯总体完整，部分深度段较破碎.

表 1(Table 1)

表 1 各测点地应力测试概况 Table 1 General conditions of the test boreholes

表 1 各测点地应力测试概况 Table 1 General conditions of the test boreholes

水压致裂法(Hydraulic fracturing)是一种有效的获得垂直钻孔横截面上二维平面地应力状态的测试方法，国际岩石力学学会把其作为一种主要的应力测试方法来推荐(Haimson and Cornet, 2003).该方法利用一对可膨胀的橡胶封隔器在选定的测量深度封隔一段钻孔(压裂段)，然后通过泵入流体对封隔段加压直至在孔壁周围产生裂缝(图 2a)，压裂过程中同时记录压力随时间的变化曲线(图 2b).由实测曲线可得破裂压力P_b(第一次压力循环中得到的峰值)，瞬时闭合压力P_s(裂隙闭合时的压力值)，重张压力P_r(裂隙闭合后再次张开的压力值).利用这些关键压力参数，根据相关公式可计算得到水平最大、最小主应力.水压致裂法应力测量初始破裂发生在孔壁切向应力最小的部位，即平行于最大主应力的方向，因此由破裂方向即可获得最大水平主应力的方向.裂隙破裂方向则根据测试过程中记录的基线方位及裂隙印痕(图 2c, d)的相对位置推得.

图 2

Fig. 2

图 2 水压致裂测试系统概要图(a)；典型压力-时间曲线(b)；基线与裂隙方位相对位置示意图(c)及诱发裂隙印痕照片(d) Fig. 2 Schematic illustration of the hydraulic fracturing system (a); Typical pressure-time curves of hydraulic fracturing (b); Schematic diagram showing hydraulic fracturing traces on the borehole wall and interpreted orientations of the fracture (red solid line) and the marker line (dashed lines) (c) and Fracture trace impressed on the packer (d)

利用水压致裂地应力测试技术，获得了雅鲁藏布江沿线LZ、LX、ND三个测点的地应力信息.为保证测试数据的准确性，试验过程中每个压裂段均进行5次加泄压循环，各循环曲线标准，重复测量的规律性强(图 3)，同时剔除个别测试曲线不标准的测段.由于浅部岩体(约100 m以浅)抗拉强度及摩擦强度较低，构造应力很小，并且受非构造活动影响较大(Zoback, 2007)，因此我们仅保留百米以深的测试数据.此外，受地形等因素扰动，浅部应力作用方向往往离散于深部，不宜用于应力场的分析，此类数据也被排除.

图 3

Fig. 3

图 3 各钻孔典型压力-时间曲线及印模结果图 Fig. 3 Typical test-interval pressure-time curves and impressed results measured from each borehole

水压致裂法经典理论定义水平主应力计算公式如式(1)—(2) 所示.

(1)

(2)

其中，P_o为孔隙压力，在地壳浅部低渗透率岩石中，被近似认为与水柱静压力大致相等，在此我们也采用该近似取值标准.关闭压力P_s取值依据国际岩石力学测试技术委员会(ISRM)于2003年发布的标准(Haimson and Cornet, 2003)，采用单切线法，dt/dP法及dP/dt法三种方法，并取三种方法的平均值作为最终的关闭压力值参与主应力值的计算，以林芝测点182.30 m测段为例，采用不同方法进行P_s取值示意图如图 4(a—c)所示.参与求解最大水平主应力的压力参数P_r的取值争议较大，例如测试系统的柔性及测试深度、孔径等都会对P_r产生明显的影响，从而影响S_H的计算结果(Ito et al., 1999; Rutqvist et al., 2000).本研究中，高压流体传输通道为高强度高硬度的钻杆，且测试孔径较小(76 mm和91 mm)，测试深度不超过500 m，因而重张压力的真实值与读值之间差值较小.同时，为了提高数据的精确度，每一压裂段均进行至少4次重张试验，并取最后三次的平均值参与计算.

图 4

Fig. 4

图 4 Ps取值的不同方法 单切线法(a)；dP/dt vs. P法(b)；dt/dP vs. P法(c)；由岩石力学实验得到的岩石密度数据(d). Fig. 4 Graphs showing three different methods proposed by the ISRM The inflection point method (a); The dP/dt vs. P method (b); The dt/dP vs. P method (c) for determining the shut-in pressure; Rock densities obtained by rock mechanics tests (d).

垂向应力值近似等于上覆岩层的重力.对选取的钻孔岩芯样品进行岩石力学实验，得到其平均密度为2.65 g·cm^-3(图 4d)，因此，本文计算垂向应力值公式如式(3) 所示，其中上覆岩体厚度单位为m.

(3)

水平最大主应力作用方向根据式(4) 求得，如图 5所示.

(4)

图 5

Fig. 5

图 5 水平最大主应力方向统计图 Fig. 5 Variation in the orientations of the maximum horizontal stresses with depth and rose statistical graph of SH orientations

根据以上数据处理标准，各测点地应力测试结果如表 2所示.

表 2(Table 2)

表 2 水压致裂地应力测量结果 Table 2 In situ stress measurement results using hydraulic fracturing method

表 2 水压致裂地应力测量结果 Table 2 In situ stress measurement results using hydraulic fracturing method

地应力随深度的分布情况可以帮助我们了解区域构造应力场的纵向分布特征.图 6给出了三个测试钻孔主应力值随深度的分布规律.可以看出，主应力值随深度增加而整体呈现增大的趋势，且水平主应力值的增加梯度要大于垂向应力(S_H，S_h和S_v随深度变化的梯度值分别为每千米54 MPa, 33.2 MPa和26.5 MPa)，说明该区浅表层构造应力场由水平应力主控.从Anderson断层理论(Anderson，1951)定义的应力结构来看，LX及ND测点都属于典型的逆断型，即S_H＞S_h＞S_v，这种应力结构有利于发生逆断层活动.LZ测点三个主应力之间的关系在测试深度范围内并不稳定，岩体结构的影响应该是其主要原因，表现在破碎带、裂隙发育带附近深度的应力局部释放，并且存在释放的应力向完整坚硬岩层迁移的情况，导致坚硬、致密、完整测段的应力值增大，产生局部应力集中.例如，250.20 m测段上下深度岩石均较为破碎，而压裂段附近岩石则非常完整(图 7)，岩心长达2 m.该测段应力值明显较高，属于局部应力集中段.

图 6

Fig. 6

图 6 主应力值深度剖面图 Fig. 6 Variation of the principal stresses with depth

图 7

Fig. 7

图 7 林芝钻孔岩芯完整段及破碎段对比 Fig. 7 Intact and cracked rock core in the LZ borehole

此外，由主应力比值定义的参数也可以表征应力作用特征，例如，最大主应力与垂向应力的比值K_Hv=S_H/S_v，以及平均水平应力与垂向应力的比值K_av=(S_H+S_h)/2S_v被称为测压系数，能够指示水平面内应力作用形态.如图 8所示，由于测试深度较浅且测点空间分布较广，K_Hv及K_av随深度分布较为离散，且没有表现出明显的拟合特征，比值主要分布于1~3之间，平均值分别为1.91和1.56，显示出水平应力主导作用显著.最大水平剪应力K_f=(S_H-S_h)/2随深度的增加而增大，一方面显示水平面内应力作用的方向性逐渐明显，另一方面，与深部岩石物性如弹性模量等较大也有一定的关系.

图 8

Fig. 8

图 8 由主应力值得到的不同应力比值随深度变化规律 Fig. 8 Variation of in-situ stress ratios determined from the principal stress magnitudes

Zoback和Townend(2001)通过分析世界范围内深孔揭示的地壳应力状态，提出现今脆性地壳处于一种破裂临界状态，正因为如此，应力场较小程度的改变就有可能触发地震等构造活动的发生.这种临界状态可由式(5) 定义(Jaeger and Cook, 1979; Townend and Zoback, 2000; Zoback and Townend, 2001).

(5)

其中，μ为断层面摩擦系数，S₁为最大主应力，S₂为中间主应力，S₃为最小主应力.对于不同的应力结构，S₁，S₂，S₃与S_H，S_h，S_v的对应关系不同.例如对于正断型应力结构，S₁，S₂，S₃分别对应S_v，S_H，S_h.

图 9为三个测点最大剪应力与平均主应力的相对关系，基本满足由高压岩石剪切试验得到的μ的一般范围(0.6~1.0) 所限定的临界状态(Byerlee, 1978).特别是LX和ND测点的应力强度已经逼近上限值，两测点周边均发育逆断层(图 1)，当应力累积达到岩体破裂条件时，很有可能沿已有断层释放能量，导致地震的发生.

图 9

Fig. 9

图 9 最大剪应力与平均主应力相对关系 Fig. 9 Dependence of the maximum shear stress on the effective mean principal stress

最大水平主应力方向随深度分布特征如图 5所示，LX测点最大水平主应力优势作用方向为近SN向，LZ和ND测点则集中于NNE向，标准差为16.72°，一致性较好(Zoback, 1992; Heidbach, 2010).从区域范围看，通过原地应力测试得到的最大主应力方向与背景应力场相吻合(图 10a)，表明该区应力状态主要受控于印度板块NE向欧亚大陆碰撞的构造背景.中国现代构造应力场数据库中，测点周边应力数据多通过间接方法得到，本项研究的开展补充了该研究区原地应力测量数据.同时也表明，通过原地应力测量直接获得的地壳浅表层应力场特征与根据震源机制解等方法获得的地壳深部应力场特征具有统一性(Zoback, 1992), 而震源深度的应力场特征往往不易获得，这样，在关键构造部位开展地应力测量，即便测量深度相对较浅，对于研究地壳应力场特征及地震活动等仍具有重要的意义.

图 10

Fig. 10

图 10 青藏高原现今构造应力场图(a) (改自谢富仁等，2015)；相对于稳定欧亚参考框架下的青藏高原现今地壳运动速度场(b)(牛之俊等, 2005). Fig. 10 Compressive stress map in the Tibetan Plateau and test boreholes (a) (modified from Xie et al., 2015); velocity field of current crustal motion in the Tibetan Plateau (b) (Niu et al., 2005)

拉萨块体南部现今以SN-NE向挤压作用为主，其力源即是印度板块与欧亚板块的持续碰撞.雅鲁藏布江断裂带是两板块俯冲、碰撞界面，本研究沿其分布的三个测点的应力状态均体现出构造应力场格局受制于板块动力学作用的特征.此外，我们还收集了青藏高原中部17个测点的实测应力数据(Liao et al., 2003; Wu et al., 2013; 廖椿庭等, 2002; 吴满路等, 2005)，测试方法主要为水压致裂法和压磁应力解除法，应力作用方向以天蓝色符号标注在图 10a中，结合中国大陆地壳应力环境基础数据库中收录的区域内的其他数据，可以看出，从印度板块与欧亚大陆板块的碰撞边界至青藏高原北部，应力场表现为从近SN向到NEE向的顺时针旋转趋势，在青藏高原东缘则表现为近EW向.应力场的影响因素很多，现今地壳构造运动则是主要的控制因素之一.因此，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，图 10比较明显的表现出了这种特征.青藏高原东缘是高原物质东流受四川盆地阻挡的前缘地带，此构造运动背景是高原东缘应力作用方向的主要动因，因此，中国西部现今应力场格局不仅受板块作用控制，还受制于版块内块体之间的相互作用(谢富仁等，2004).

同时，地应力受局部构造等因素的影响，在空间上的分布常表现为不均一性，以及小尺度区域内的不连续性.在相同的深度范围内，LX测点应力作用强度最高，而LZ测点最低，LX测点的水平主应力值约是林芝测点的1.5~3.0倍.应力强度往往与区内断裂密度及其活动性成负相关关系.根据彭小龙和王道永(2013)的研究成果，雅鲁藏布江断裂带在米林以东为全新世活动断裂且活动性较强，米林以西为中-晚更新世活动断裂且活动性较弱，这可能是导致朗县及乃东测点应力强度高于林芝测点的主要原因.此外，各测点地应力作用方向虽然集中在近SN-NNE向之间，但具体来讲，LX测点优势方向为SN向，而LZ和ND测点反应的都是NNE向应力作用.LX测点附近发育一近SN向展布的早-中更新世右旋走滑活动断裂(图 1)，与该测点近SN向的应力作用相耦合.以上现象从局部范围内体现出了应力状态的不均一性，这与各测点所处的构造位置及其周边构造分布特征相关.

前述分析中指出拉萨块体现今水平应力作用强度较高.水平应力普遍大于垂直应力是地壳浅部地应力分布的基本规律之一，这是由于水平方向的构造运动如板块移动、碰撞等对地壳浅层地应力的形成起到控制作用(苏生瑞, 2002).然而由于水平应力随深度变化速度普遍小于垂向应力，随着深度的增加，垂向应力作用将逐渐增强，达到深度转换点后转而成为主导应力作用.而水平应力与垂向应力主导地位转换的深度，在构造活动强度不同的地区是不一样的，并且可能相差很大.应力状态转换深度反映了不同深度范围内岩体与断层、裂隙、节理等所处力学状态的转变(杨树新等, 2012).

图 11给出了不同区域范围的应力值深度变化趋势.世界范围地应力分布特征显示在678 m以浅，水平主应力占主导地位，应力结构为逆断型，678 m以深至统计最深处为走滑型(朱焕春和陶振宇，1994).中国大陆的统计数据表明垂向应力超过最小水平主应力的转换深度大致在181~251 m之间，超过最大水平主应力的转换深度在1102~1233之间(景峰等，2007；杨树新等，2012).由浅至深应力状态由逆断型向走滑型转变，最终为正断型.在测试深度内(100~500 m)，拉萨块体垂向应力始终表现为最小主应力，应力结构为逆断型，显示出研究区内高水平应力强度的特征，进一步反映了拉萨块体所处构造背景下强烈的水平构造运动.该应力分布特征在青藏高原东缘也有体现(Meng et al., 2015b).同时我们也应注意，用以表征拉萨块体应力随深度分布特征的数据均来自于本研究开展应力测量的三个测点，相比于其他区域范围的统计数据，无论是数量还是测试深度，样本数均较少和较浅, 可能并不能代表整个拉萨块体的应力分布特征.通过开展水压致裂地应力测试，本文对研究区构造应力坏境得到了初步认识，但未来如果能在该区开展更多的地应力测试工作，无疑将会对该区构造应力环境的深刻认识提供更多帮助.

图 11

Fig. 11

图 11 不同区域范围应力类型值随深度变化特征(世界范围数据朱焕春和陶振宇(1994)；中国大陆(a)数据杨树新等(2012)；中国大陆(b)数据景峰等(2007)).RF为逆断型应力结构，SS为走滑行应力结构，NF为正断型应力结构 Fig. 11 Variation characteristics in stress regimes with depth in different areas (data of worldwide is cited from Zhu and Tao (1994); data of Chinese mainland (a) is cited from Yang et al.(2012); data of Chinese mainland (b) is cited from Jing et al.(2007)). RF, SS, and NF refer to normal, strike-slip, and reverse faulting stress enironments

利用水压致裂地应力测量方法，在西藏林芝县、朗县和乃东县等地区的3个钻孔中开展了原地应力测量试验，获得了现今地壳浅表层的应力状态及分布特征.本项研究的开展补充了该研究区原地应力测量的空白，扩充了中国现代构造应力场数据库，对区域应力场的综合认识具有重要的意义.

(1) 拉萨块体内地应力测量结果表明该区水平应力作用占主导地位，体现出强烈的水平构造运动.测试深度内最大、最小水平主应力和垂向应力随深度的增加梯度分别为每千米54 MPa, 33.2 MPa和26.5 MPa.朗县、乃东测点应力作用强度较高，林芝测点相对较低.

(2) 最大主应力与垂向应力的比值K_Hv=S_H/S_v以及平均水平应力与垂向应力的比值K_av=(S_H+S_h)/2S_v，随深度的增加没有表现出明显的拟合特征，平均比值分别为1.91和1.56，反映出本区水平构造应力的主导作用.最大水平剪应力K_f=(S_H-S_h)/2随深度增加梯度较大，体现出水平应力作用的方向性随深度的增加而愈发明显，同时也可能受深部岩体强度的影响.

(3) 应力结构大多属于逆断型，且本区地壳强度基本处于破裂临界状态，特别地，LX和ND测点周边均有逆断层分布，当应力持续积累，很可能超出地壳强度所能维持的平衡状态而沿已有断层面释放能量，导致断层活动.

(4) 三个测点最大水平主应力优势作用方向集中于SN-NNE向，与区域构造应力场特征一致，并且与地壳运动的矢量方向一致，反映出该区应力状态主要受控于印度板块北向欧亚大陆持续挤压碰撞的构造背景.本研究中三个测点所反映的应力状态相近，又存有差别，体现了区域应力背景的统一性及局部应力场的差异性.

本项测试研究工作得到了中铁二院工程集团有限责任公司蒋良文副总工程师、杜宇本教授级高工、中国地震局地壳应力研究所郭啟良研究员、包林海高工，以及中国地质科学院地质力学研究所汪西海教授级高工、赵金生副研究员等的支持和帮助，在此一并表示感谢.