喜馬拉雅造山帶工程效應(yīng)及中尼鐵路工程地質(zhì)分區(qū)*

黃藝丹 姚令侃 譚 禮 郭沉穩(wěn) Lalu Prasad Paudel

(①西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 成都 610031， 中國(guó)) (②高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610031， 中國(guó)) (③抗震工程技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室道路與鐵道工程抗震技術(shù)研究所， 成都 610031， 中國(guó)) (④四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司， 成都 610041， 中國(guó)) (⑤尼泊爾特里布文大學(xué)中央地質(zhì)系， 加德滿都 44618， 尼泊爾)

0 引 言

自始新世以來(lái)，印度板塊向北俯沖，沿雅魯藏布江縫合帶向亞洲大陸南緣俯沖擠壓，褶皺隆升和斷塊擠壓上升共同作用使喜馬拉雅山快速隆起，成為世界上海拔最高的山脈(Gansser， 1964; Li et al.，1979; Harrion et al.，1992; Yin， 2006)。它不僅是東亞大陸與南亞次大陸的天然界山，也是目前中國(guó)與印度、尼泊爾、巴基斯坦和不丹諸國(guó)國(guó)界的基本輪廓。“一帶一路”倡議的優(yōu)先領(lǐng)域是鐵路的互聯(lián)互通，在我國(guó)2016年7月頒布的《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》中，面向“一帶一路”國(guó)際通道的喀什—紅其拉甫(中巴鐵路國(guó)內(nèi)段)、日喀則—吉隆(中尼鐵路國(guó)內(nèi)段)、日喀則—亞?wèn)|等口岸鐵路均列入其中。在喜馬拉雅造山帶修建鐵路將是人類(lèi)鐵路建設(shè)史上新的挑戰(zhàn)，國(guó)、內(nèi)外均無(wú)經(jīng)驗(yàn)可借鑒，前期研究工作亟需開(kāi)展(姚令侃等， 2012)。

在干線工程的可行性研究階段，為了查明鐵路所經(jīng)地區(qū)的工程地質(zhì)條件，一般是通過(guò)收集與研究已有資料，如地形圖、區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報(bào)告、地震烈度區(qū)劃圖等，概略了解擬建交通走廊的地形、地貌、地質(zhì)、水文、氣象、地震等自然條件，進(jìn)行沿線工程地質(zhì)分區(qū)。但在復(fù)雜艱險(xiǎn)、構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈山區(qū)，地貌可能在鐵路百年服務(wù)期內(nèi)就發(fā)生顯著變化，加之大量深埋長(zhǎng)隧工程的修建，使得鐵路越來(lái)越多的希望在建設(shè)前期就獲得區(qū)域動(dòng)力地質(zhì)現(xiàn)象、地貌演變規(guī)律、地應(yīng)力狀態(tài)等信息。而目前常規(guī)資料難以滿足這種需求，甚至，對(duì)跨境鐵路而言，有些資料境外路段根本就沒(méi)有。

造山帶作為獨(dú)特的構(gòu)造單元，一直是國(guó)內(nèi)外研究地殼結(jié)構(gòu)和地球動(dòng)力學(xué)的熱點(diǎn)地區(qū)，長(zhǎng)期以來(lái)許多學(xué)者和專(zhuān)家在此完成了多方面的課題研究，取得了大量的研究成果。然而，造山帶地區(qū)的工程地質(zhì)研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于造山帶理論的進(jìn)展。隨著我國(guó)大型工程建設(shè)不斷向地質(zhì)條件復(fù)雜地區(qū)延伸，不少學(xué)者如王思敬(2013)、黃潤(rùn)秋等(2017)、許強(qiáng)(2012)紛紛呼吁應(yīng)將新的地學(xué)基礎(chǔ)理論引入到工程地質(zhì)領(lǐng)域，更進(jìn)一步，部分學(xué)者已開(kāi)展了一些先導(dǎo)性工作。彭建兵(2001a，2001b)在其提出的區(qū)域穩(wěn)定動(dòng)力學(xué)中，論述了3種類(lèi)型造山帶(逆沖推覆型、伸展型和走滑型)各構(gòu)造部位的區(qū)域穩(wěn)定性特征，建議作為工程選址的原則； 張永雙等(2004)以秦嶺造山帶為例，提出造山帶形成演化過(guò)程對(duì)工程地質(zhì)問(wèn)題的制約作用，介紹了造山帶常見(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害類(lèi)型和工程地質(zhì)問(wèn)題。但總體上看，現(xiàn)有文獻(xiàn)仍多以提出命題或倡導(dǎo)為主，將造山帶理論深入到工程實(shí)踐的研究甚少。

喜馬拉雅山是陸陸碰撞的典型地區(qū)，造山帶地質(zhì)演化和殼幔深部動(dòng)力學(xué)過(guò)程與表面地殼運(yùn)動(dòng)之間的相互作用，無(wú)疑會(huì)在地表工程圈得到體現(xiàn)。若能利用造山帶理論直接獲取工程地質(zhì)特性，不僅可望為鐵路大范圍方案比選階段，高效低成本地獲取信息提供新途徑，還有可能獲得常規(guī)方法難以獲取的信息。本文即從造山機(jī)制出發(fā)，結(jié)合GIS技術(shù)和相關(guān)地學(xué)理論，對(duì)喜馬拉雅山由構(gòu)造劃分的3個(gè)地塊進(jìn)行對(duì)比分析，揭示不同地塊工程地質(zhì)特性和災(zāi)害效應(yīng)受內(nèi)動(dòng)力制約的普適性規(guī)律，并以中尼鐵路為例，提出一種以構(gòu)造線作為分區(qū)界線的工程地質(zhì)分區(qū)方法。

1 喜馬拉雅造山帶主要地塊及內(nèi)動(dòng)力機(jī)制

從廣義上講，喜馬拉雅造山帶由喜馬拉雅弧和東、西構(gòu)造結(jié)-擠壓轉(zhuǎn)換帶組成(許志琴等， 2007)，其中喜馬拉雅弧是造山帶的主體，長(zhǎng)達(dá)2000多公里，是碰撞造山作用最強(qiáng)烈的區(qū)域(圖 1)，為本文的主要研究區(qū)。

圖 1 喜馬拉雅造山帶構(gòu)造簡(jiǎn)圖Fig. 1 Simplified tectonic map of the Himalayan orogen

雖然構(gòu)造地質(zhì)學(xué)家對(duì)印度與歐亞大陸碰撞方式和過(guò)程有諸多爭(zhēng)議，但普遍達(dá)成共識(shí)是，印度板塊與歐亞板塊發(fā)生碰撞后，在印度河—雅魯藏布縫合帶(ITSZ)以南，由南向北依次形成了一系列的逆沖型斷層，主要有主前鋒斷裂(MFT)、主邊界斷裂(MBT)、主中央斷裂(MCT)； 此外，還有一條以拆離張拉作用為主的藏南拆離斷裂(STDS)(Burchfiel et al.， 1985; Tapponnier et al.，1986; Yin， 2006)(圖 2)。

圖 2 喜馬拉雅造山帶構(gòu)造剖面示意Fig. 2 Schematic geologic cross sections across the Himalayan orogen

圖 3 喜馬拉雅造山帶主要構(gòu)造單元平面圖Fig. 3 The major tectonic subdivisions of the Himalayan orogen

這些構(gòu)造線將整個(gè)喜馬拉雅地體分割成為特提斯喜馬拉雅、高喜馬拉雅、低喜馬拉雅和次喜馬拉雅4個(gè)部分(Brookfield， 1993; Lefort， 1996; Ding et al.， 2017)(圖 3)(構(gòu)造線的確定主要依據(jù)我國(guó)青藏高原 1︰25萬(wàn)的區(qū)域地質(zhì)報(bào)告，并參考了尼泊爾 1︰25萬(wàn)地質(zhì)圖)。其中次喜馬拉雅基本屬于丘陵和平原地貌區(qū)，不作為本文研究對(duì)象。

特提斯喜馬拉雅位于ITSZ和STDS之間。STDS是世界上最大的正斷層體系(Burg et al.， 1984; Burchfield et al.， 1992)，在拆離滑脫作用下，高喜馬拉雅(下盤(pán))和特提斯喜馬拉雅(上盤(pán))的最大差異性隆升達(dá)3imm·a-1以上，因此，特提斯喜馬拉雅處于相對(duì)沉陷狀態(tài)。巖片主要形成于地殼中、上部的淺層冷環(huán)境，多是特提斯洋消亡后的海相沉積層，并在STDS附近存在低級(jí)變質(zhì)作用，主要巖性為砂巖、砂泥巖、白云巖、灰?guī)r和頁(yè)巖。

高喜馬拉雅位于MCT和STDS之間。由于沿著MCT的逆沖和沿著STDS的拆離同時(shí)發(fā)生，促使高喜馬拉雅快速擠出，形成以高級(jí)變質(zhì)巖、普遍的深熔反應(yīng)以及高溫韌性變形為主要特征的“熱碰撞造山”特點(diǎn)(Godin et al.，2006)。現(xiàn)今高喜馬拉雅的隆升速度約為4～6imm·a-1(Jackson et al.， 1994)。巖片來(lái)自于地殼下部，受高溫高壓變質(zhì)作用影響，巖石以片麻巖、花崗巖和片巖為主。

低喜馬拉雅位于MBT和MCT之間，系印度板塊俯沖至歐亞板塊之下，印度板塊表層物質(zhì)被歐亞板塊刮擦剝離而成，并伴隨著低級(jí)變質(zhì)作用，表現(xiàn)出“冷碰撞造山”特點(diǎn)(Law et al.，2006)?，F(xiàn)今局部隆升速度約為2～3imm·a-1(Jackson et al.， 1994)，巖片來(lái)自于地殼中、上部，以頁(yè)巖、泥巖、石英砂巖及其變質(zhì)巖等堆積而成的混雜巖為主(許志琴等， 2013)。

從宏觀角度，人們習(xí)慣于將喜馬拉雅造山帶統(tǒng)一按擠壓隆升區(qū)域處理，但若按構(gòu)造劃分的3個(gè)地塊細(xì)化分析，各地塊的內(nèi)動(dòng)力機(jī)制截然不同，并直接表現(xiàn)出各地塊地層巖性的差異。我們認(rèn)為，內(nèi)動(dòng)力機(jī)制不同的構(gòu)造單元，工程地質(zhì)特性也應(yīng)存在差異，以下將對(duì)比分析各地塊的其他工程地質(zhì)特性和災(zāi)害效應(yīng)。

2 各地塊工程效應(yīng)分析

2.1 地震分析

地震是巖石圈表層的構(gòu)造動(dòng)力學(xué)效應(yīng)主要表現(xiàn)之一。喜馬拉雅造山帶是世界上地震活動(dòng)最強(qiáng)烈、大地震頻繁發(fā)生的地震帶之一。3個(gè)地塊內(nèi)動(dòng)力機(jī)制的差異應(yīng)能直接在地震上得到體現(xiàn)。

2.1.1 地震類(lèi)型

根據(jù)中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所提供的中、強(qiáng)地震震源機(jī)制解，將喜馬拉雅造山帶1947年7月～2007年5月期間，震源深度0～100ikm的80個(gè)巖石圈地震按地塊分別統(tǒng)計(jì)地震類(lèi)型(圖 4，表 1)。

圖 4 喜馬拉雅造山帶地震類(lèi)型Fig. 4 Earthquake types of the Himalayan orogen NF. 正斷型； NS. 正斷-走滑型； SS. 走滑型； TF. 逆沖型； TS. 逆沖-走滑型； UD. 應(yīng)力狀態(tài)未知

表 1 各地塊地震類(lèi)型占比Table 1 Proportion of earthquake types in different blocks

由表 1可知，特提斯喜馬拉雅所發(fā)生的地震大部分為正斷型，其次為走滑型，未見(jiàn)逆沖型； 而高、低喜馬拉雅絕大部分為逆沖型，其次為走滑型。

2.1.2 地震活動(dòng)性

按照我國(guó)現(xiàn)行概率地震危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)規(guī)范，b值和v4是反映地震活動(dòng)性的主要參數(shù)(高孟潭， 2015)。b值是統(tǒng)計(jì)區(qū)地震震級(jí)-頻度關(guān)系(G-R模型)中的斜率，反映了大、小地震發(fā)生的比例關(guān)系。b值越大，表示大震占的比例越小，反之，b值越小，大震占的比例越大(Gutenberg et al.， 1956)。v4是地震年平均發(fā)生率，其值越大，代表這個(gè)地區(qū)4.0級(jí)以上地震越頻繁，地震活動(dòng)性水平越高。

除了以上兩個(gè)參數(shù)，我們還定義了地震能量密度(統(tǒng)計(jì)區(qū)內(nèi)歷史地震的總能量除以面積)作為表征地震強(qiáng)度的指標(biāo)； 此外，震源深度是體現(xiàn)地震對(duì)工程影響程度的重要指標(biāo)，震源深度越淺，對(duì)工程影響越不利。根據(jù)USGS(美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局)公布的歷史地震目錄，對(duì)喜馬拉雅造山帶1958～2018年期間，震源深度為0～100ikm的1545個(gè)3.0級(jí)以上的巖石圈地震，分地塊統(tǒng)計(jì)上述參數(shù)列于表 2～表 4。

表 2 各地塊地震活動(dòng)性參數(shù)Table 2 Seismic activity parameters of different blocks

表 3 各地塊地震能量密度Table 3 Seismic energy density of different blocks

表 4 各地塊4級(jí)及以上震源深度Table 4 Focal depths of earthquakes with 4 magnitude and above in different blocks

由表 2～表4可看出，從地震活動(dòng)性和地震能量密度來(lái)看，高喜馬拉雅最高，其次是低喜馬拉雅，最低是特提斯喜馬拉雅； 從震源深度來(lái)看，低喜馬拉雅最淺，其次是高喜馬拉雅，最深是特提斯喜馬拉雅。

造山機(jī)制決定了地震類(lèi)型，地震類(lèi)型又決定了地震強(qiáng)度，以上分析表明，3個(gè)地塊內(nèi)動(dòng)力機(jī)制的差異確實(shí)在地震指標(biāo)上得到體現(xiàn)。此外，根據(jù)造山帶理論，在地殼隆起區(qū)一般為高水平應(yīng)力區(qū)，而現(xiàn)代沉降區(qū)則為低應(yīng)力水平區(qū)(陳彭年等， 1987)。高喜馬拉雅隆升速度最快，低喜馬拉雅其次，而特提斯喜馬拉雅處于相對(duì)沉陷，由此可推測(cè)高喜馬拉雅相對(duì)水平地應(yīng)力最大，低喜馬拉雅其次，特提斯喜馬拉雅水平地應(yīng)力最小。更進(jìn)一步，b值越大，說(shuō)明該地區(qū)巖體非均勻性和破裂程度越高(Mogi， 1962； 楊百存等， 2017)。按照表 2中3個(gè)地塊b值大小的排序，可推測(cè)高喜馬拉雅巖體均勻性最好，破裂程度較輕，其次是低喜馬拉雅，而特提斯喜馬拉雅巖體的非均勻性和破裂程度都最高。該推論在有關(guān)3個(gè)地塊巖性與成因的基礎(chǔ)上，又增加了巖體相對(duì)破裂程度的信息。

2.2 構(gòu)造應(yīng)力方向分析

在造山帶區(qū)域，地應(yīng)力方向也是選線與隧道工程設(shè)計(jì)需要獲取的重要參數(shù)，一般通過(guò)物理鉆探手段獲取，在構(gòu)造地貌顯著地區(qū)，用地質(zhì)證據(jù)分析地應(yīng)力的方法具有優(yōu)勢(shì)(許忠淮， 1990)。喜馬拉雅造山帶是世界上內(nèi)動(dòng)力塑造地貌效應(yīng)最強(qiáng)烈的地區(qū)，若能由地貌反推內(nèi)動(dòng)力特征，無(wú)疑是獲取地應(yīng)力信息的一種低成本的手段。

20世紀(jì)70年代末，瑞士學(xué)者Scheidegger提出了地表發(fā)育形態(tài)的對(duì)抗性原理，成為地球表面動(dòng)力學(xué)的基本理論之一(Scheidegger， 1979)。根據(jù)對(duì)抗性原理，在新構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的作用下，巖體內(nèi)部會(huì)形成一對(duì)共軛的剪裂面(X型破裂，抗侵蝕能力弱)。此剪裂面在外營(yíng)力的風(fēng)化或侵蝕作用下，易破壞形成斷裂帶，而河流多沿構(gòu)造節(jié)理及破裂面發(fā)育。因此沿節(jié)理破裂發(fā)育的水系優(yōu)勢(shì)方向可以反映新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以來(lái)的應(yīng)力分布狀態(tài)。根據(jù)莫爾強(qiáng)度理論，新構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的主壓應(yīng)力方向即為共軛剪節(jié)理的銳角角平分線。若將區(qū)域內(nèi)的河流看作一組共軛剪節(jié)理，則節(jié)理的銳角角平分線則為構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的主應(yīng)力方向(Scheidegger， 2004)。

圖 5 研究區(qū)水系折線化Fig. 5 Drainage linearization of study region

首先提取研究區(qū)河網(wǎng)，用直線連接河流的自由端或交匯點(diǎn)，湖泊則取其長(zhǎng)軸方位，得到3個(gè)地塊水系折線圖(圖 5)。然后取5°為一個(gè)單元，統(tǒng)計(jì)河段總長(zhǎng)度，并繪制各地塊水系方向玫瑰圖(圖 6)。再采用密集度方法(余慶余等， 1983)，得到第一優(yōu)勢(shì)走向(圖 6中紅線)，在第一優(yōu)勢(shì)方向兩側(cè)30°以外的區(qū)域?qū)ふ业诙?yōu)勢(shì)走向(圖 6中藍(lán)線)。最后以兩個(gè)優(yōu)勢(shì)方向相交的銳角等分線(圖 6紅色箭頭)作為主應(yīng)力方向。

圖 6 各地塊水系方向分布玫瑰圖及主應(yīng)力方向Fig. 6 Rose diagram of water system distribution and direction of field stress in different blocks

表 5 各地塊地貌指標(biāo)Table 5 Landform indices of different blocks

由圖 6可知，高喜馬拉雅第一優(yōu)勢(shì)方向?yàn)?2.5°，第二優(yōu)勢(shì)方向?yàn)?7.5°，主應(yīng)力方向?yàn)?5°； 同理，低喜馬拉雅主應(yīng)力方向?yàn)?2.5°； 特提斯喜馬拉雅主應(yīng)力方向?yàn)?15°。從宏觀角度，受印度板塊向北東向擠壓歐亞板塊的影響，喜馬拉雅造山帶的廣大地區(qū)，均在一個(gè)廣闊的北東—南西向擠壓應(yīng)力場(chǎng)的作用范圍內(nèi)，根據(jù)上述分析，按照水系推求應(yīng)力場(chǎng)方向，高、低喜馬拉雅主應(yīng)力方向基本與這一結(jié)論相符； 但在特提斯喜馬拉雅，主應(yīng)力方向?yàn)闁|偏南25°，與宏觀結(jié)論不一致，說(shuō)明這一地塊的巖石圈應(yīng)力場(chǎng)受近東西向的水平擴(kuò)張應(yīng)力控制。

2.3 地貌特征

地殼擠壓作用越強(qiáng)烈，山地隆升的速度越快，形成的褶皺山、斷塊山發(fā)育越快，向著增強(qiáng)地勢(shì)的趨向發(fā)展； 同時(shí)河流下切作用越強(qiáng)烈，切割深度越大，河流縱斷面越陡峻。反之，當(dāng)山地上升減弱或趨于穩(wěn)定，風(fēng)化、剝蝕、搬運(yùn)與沉積作用等相對(duì)占優(yōu)勢(shì)，山地就會(huì)剝蝕降低，向著減弱地勢(shì)的趨向發(fā)展。高喜馬拉雅隆升最快，低喜馬拉雅其次，特提斯喜馬拉雅相對(duì)沉陷，這種隆升狀態(tài)的差異也應(yīng)在地貌上得到反映。下面按3個(gè)地塊對(duì)地貌進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，列于表 5。

從表5可看出，地形起伏度、地表切割深度和坡度這3個(gè)表征地形陡峻程度指標(biāo)的排序與3個(gè)地塊隆升速度的排序完全一致。

河流縱坡也是對(duì)構(gòu)造活動(dòng)響應(yīng)最敏感的地貌參數(shù)。分布在喜馬拉雅山脈南北向的主要河流有16條，其中源于特提斯喜馬拉雅，而后流經(jīng)高喜馬拉雅和低喜馬拉雅3個(gè)地塊的河流有9條(圖 7)，為了方便起見(jiàn)，將9條河流由西至東，分別以R1～R9命名，分別是阿勒格嫩達(dá)河(R1)、Mahakali河(R2)、Bheri河(R3)、Kali-Gangdaki(R4)、Marsyangdi河(R5)、Budhi-Gandaki河(R6)、吉隆藏布河(R7)、波曲-Sun koshi河(R8)和朋曲—阿倫河(R9)。提取出這9條主要河流的縱剖面，并計(jì)算每條河流位于不同地塊河段的河流縱坡列于表 6。

圖 7 跨喜馬拉雅山河流Fig. 7 The rivers of the Himalayas

由表 6可看出，高喜馬拉雅河流縱坡最陡，其次是特提斯喜馬拉雅，最后是低喜馬拉雅。一般情況下，河流縱坡應(yīng)為上游陡下游緩，但在喜馬拉雅造山帶，處于中游的高喜馬拉雅河段河流縱坡最陡，我們認(rèn)為3個(gè)地塊的差異性隆升是導(dǎo)致這種反?，F(xiàn)象的主要原因。

表 6 河流縱坡Table 6 Longitudinal slopes of rivers

造山作用過(guò)程是漫長(zhǎng)的、緩變的、相對(duì)穩(wěn)態(tài)的地質(zhì)構(gòu)造動(dòng)力學(xué)演化過(guò)程，時(shí)間單位以百萬(wàn)年、千萬(wàn)年乃至億年計(jì)。各地塊地貌特征差異的現(xiàn)象是3個(gè)地塊長(zhǎng)期演變的積累效應(yīng)，可預(yù)見(jiàn)的是，起碼在百年至千年時(shí)間尺度內(nèi)，高、低喜馬拉雅地勢(shì)將繼續(xù)向著增大的方向發(fā)展，而特提斯喜馬拉雅地勢(shì)向著減小的方向發(fā)展，可以作為鐵路服務(wù)期內(nèi)地貌和孕災(zāi)環(huán)境演變預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)。例如，高、低喜馬拉雅的河流會(huì)繼續(xù)下切變陡，而特提斯喜馬拉雅的河流會(huì)持續(xù)上漲變緩，可為鐵路選擇線路高程和防洪設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2.4 氣候與冰川分布特征

造山帶的形成演化過(guò)程與環(huán)境災(zāi)害密切相關(guān)。由于青藏高原隆升，喜馬拉雅山脈異峰突起，在冬季阻擋來(lái)自北方的大陸冷空氣流入印度，同時(shí)迫使西南季風(fēng)在穿越山脈向北移動(dòng)之前拋棄大部分水分，從而造成印度一側(cè)的巨大降雨量和西藏的干旱狀況，根據(jù)印度洋暖濕氣流可以到達(dá)的前鋒線(降雨量500～1000imm·a-1，海拔3500～4000im)，可大致劃分為干旱寒冷氣候和溫帶-亞熱帶季風(fēng)氣候兩個(gè)氣候區(qū)； 在喜馬拉雅山南坡，海拔高度急劇下降，氣候則呈從寒溫帶、溫帶至亞熱帶的垂直變化，這就是喜馬拉雅造山帶氣候的基本格局(林振耀等， 1981)。

冰川按照物理性質(zhì)，可以分為大陸型冰川和海洋性冰川兩大類(lèi)。大陸型冰川是在前鋒線以北的大陸氣候條件下形成的，活動(dòng)性小，積累與消融均比較緩慢，冰湖和冰川泥石流也不發(fā)育； 在前鋒線以南，冰川得到印度洋季風(fēng)豐富的降水補(bǔ)給，發(fā)育了我國(guó)罕有的海洋性冰川類(lèi)型(施雅風(fēng)等， 2000)。海洋性冰川活動(dòng)性強(qiáng)，冰川的補(bǔ)給和消融水平高，容易形成冰湖潰決、冰川泥石流等大型災(zāi)害。因此，由前鋒線劃分出的氣候分區(qū)也決定了冰川災(zāi)害分布。

根據(jù)我國(guó)青藏高原海洋性冰川和大陸型冰川的分布界線(中國(guó)科學(xué)院青藏高原綜合科學(xué)考察隊(duì)， 1983)，我們發(fā)現(xiàn)，在相當(dāng)一部分地區(qū)，這條分界線與STDS在空間上接近甚至重合(圖 8)，呈現(xiàn)出特提斯喜馬拉雅處于干旱寒冷氣候區(qū)，而高、低喜馬拉雅處于溫帶至亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)的現(xiàn)象。因此，在這些區(qū)域選擇STDS作為區(qū)劃線，不僅可以直接體現(xiàn)巖性、氣候的差異，還可以反映地貌和災(zāi)害類(lèi)型等更加豐富的信息。

圖 8 青藏高原冰川分布Fig. 8 Distribution of glaciers on the Qinghai-Tibet Plateau 紅線為大陸型冰川和海洋性冰川的分界線， 紅線以北為大陸性冰川、以南為海洋性冰川

2.5 山地災(zāi)害分布特征

現(xiàn)對(duì)3個(gè)地塊山地災(zāi)害的形成條件分析如下：

(1)特提斯喜馬拉雅以沉積巖為主，具備崩塌滑坡發(fā)生的地形條件； 處于寒冷的半干旱高原氣候區(qū)，常年少雨，冬季降雪量較大，不利于泥石流形成，平均海拔4785im，山峰終年積雪，在外力作用下容易發(fā)生雪崩，成為該地塊的主要災(zāi)害類(lèi)型之一。地塊處于相對(duì)沉陷狀態(tài)，河流下切速率減緩，鐵路百年服務(wù)期內(nèi)山地災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境變化不大。

(2)高喜馬拉雅以硬巖為主，地形最為陡峻，滑坡，特別是崩塌容易發(fā)生，處于溫帶-亞熱帶半溫潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，具備泥石流形成的降雨條件，其中的海洋性冰川覆蓋區(qū)容易引發(fā)特殊冰川災(zāi)害。受地塊強(qiáng)烈隆升的影響，河流下切速率加大，崩塌滑坡災(zāi)勢(shì)加?。?尤其在全球氣候變暖的背景下，鐵路百年服務(wù)期內(nèi)要考慮冰川萎縮導(dǎo)致冰川泥石流、冰湖潰決災(zāi)害加劇的問(wèn)題。

(3)低喜馬拉雅以混雜巖為主，巖性最差，地形陡峻，崩塌，特別是滑坡容易發(fā)生； 處于亞熱帶半溫潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，降水量最大，有利于降雨泥石流發(fā)生。受地塊隆升的影響，山地災(zāi)害有增強(qiáng)趨勢(shì)。

據(jù)此得到各地塊災(zāi)害的主要類(lèi)型及發(fā)展趨勢(shì)見(jiàn)表 7。

表 7 各地塊山地災(zāi)害的主要類(lèi)型及發(fā)展趨勢(shì)Table 7 Main types and trend of mountain hazards in different blocks

3 中尼鐵路交通廊道工程地質(zhì)分區(qū)

利用對(duì)喜馬拉雅造山帶各地塊工程效應(yīng)的宏觀分析結(jié)論，以中尼鐵路為例，參照鐵路大范圍方案比選階段工程地質(zhì)分區(qū)的技術(shù)要求，提出一種以構(gòu)造線作為分區(qū)界線的工程地質(zhì)分區(qū)方法。

中尼鐵路是“一帶一路”倡議中的重要工程，線路起點(diǎn)由我國(guó)拉日鐵路日喀則站引出，沿國(guó)道 G318 向西布線，經(jīng)拉孜后折向南，途經(jīng)薩迦、定結(jié)、定日縣向南，過(guò)吉隆縣至吉隆口岸，出境后至尼泊爾首都加德滿都，線路全長(zhǎng)約 666ikm，采用吉隆藏布廊道方案穿越喜馬拉雅山(姚志勇等， 2019)(圖 9)。線路沿吉隆藏布河行走，從青藏高原急促下降至恒河平原，是典型的單面大下坡段。現(xiàn)以STDS和MCT作為工程地質(zhì)分區(qū)的界線，將中尼鐵路吉隆藏布廊道劃分為3個(gè)分區(qū)類(lèi)型，并給出分區(qū)常用的7個(gè)指標(biāo)，工程地質(zhì)分區(qū)圖見(jiàn)圖 10，工程地質(zhì)分區(qū)表見(jiàn)表 8。

圖 9 中國(guó)至尼泊爾鐵路示意圖Fig. 9 Schematic of China-Nepal Railway

圖 10 中尼鐵路吉隆藏布廊道工程地質(zhì)分區(qū)圖Fig. 10 Engineering geology zoning map of China-Nepal Railway along Gyirong river

從表 8來(lái)看，3個(gè)分區(qū)的指標(biāo)確實(shí)反映了同一分區(qū)自然條件相近，不同分區(qū)差異明顯的原則。

根據(jù)吉隆藏布流域地貌指標(biāo)的計(jì)算，第Ⅰ區(qū)平均起伏度787im，地表切割深度362im，坡度21.3°，河流縱坡20.6‰； 第Ⅱ區(qū)平均起伏度1141im，地表切割深度525im，坡度27.3°，河流縱坡35.1‰； 第Ⅲ-1區(qū)平均起伏度831im，地表切割深度385im，坡度22.5°，河流縱坡15.2‰，與2.3節(jié)歸納的各地塊地貌特征相符。根據(jù)中國(guó)科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所的調(diào)查資料，第Ⅰ區(qū)有崩塌6處，泥石流2條，雪崩10處； 第Ⅱ區(qū)有崩塌9處，滑坡2處，泥石流8條(其中冰川泥石流4條)，雪崩2處； 第Ⅲ-1區(qū)有崩塌10處，滑坡9處，泥石流7條。根據(jù)中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)研究所和國(guó)際山地綜合開(kāi)發(fā)中心(ICIMOD)提供的冰川、冰湖數(shù)據(jù)，第Ⅰ區(qū)有冰湖42個(gè)，第Ⅱ區(qū)有冰湖212個(gè)。這些數(shù)據(jù)均與表 7歸納的各地塊災(zāi)害的主要類(lèi)型相符?？梢哉J(rèn)為本文提出以構(gòu)造劃分作為工程地質(zhì)分區(qū)的方法具有合理性，可為鐵路選線設(shè)計(jì)提供依據(jù)。如可提出3個(gè)地塊的選線原則：特提斯喜馬拉雅地塊基本沒(méi)有對(duì)線路方案起控制作用的災(zāi)害類(lèi)型，選線時(shí)可盡量利用有利地形，多走明線，降低橋隧比，節(jié)省工程造價(jià)； 高喜馬拉雅地塊只能采用高橋長(zhǎng)隧克服地形障礙，且需注意規(guī)避冰川泥石流、冰湖潰決等冰川引發(fā)災(zāi)害； 低喜馬拉雅地塊氣候地質(zhì)條件均有利于山地災(zāi)害發(fā)育，必須開(kāi)展加深地質(zhì)勘察工作，以規(guī)避大型山地災(zāi)害為原則選擇線路方案。

表 8 中尼鐵路吉隆藏布廊道工程地質(zhì)分區(qū)表Table 8 Engineering geology zoningTable of China-Nepal Railway along Gyirong river

4 結(jié) 論

(1)本文從造山機(jī)制出發(fā)，分析了喜馬拉雅造山帶內(nèi)動(dòng)力機(jī)制不同的3個(gè)地塊地層巖性、地震類(lèi)型、地震活動(dòng)性、地應(yīng)力、地貌、災(zāi)害分布等工程地質(zhì)特性。提出以構(gòu)造劃分作為工程地質(zhì)分區(qū)的建議，以中尼鐵路為案例的研究表明，該方法具有合理性。

(2)造山帶理論研究的最小單位是由構(gòu)造劃分的地塊單元，這代表了造山帶理論能夠解釋的最小空間尺度。本文以構(gòu)造線作為分區(qū)界線，對(duì)中尼鐵路的分區(qū)尺度為幾十公里，這種精度能夠滿足鐵路方案比選階段工程地質(zhì)分區(qū)的要求，表明將造山帶理論應(yīng)用于工程實(shí)踐，可望取得有意義的成果。

(3)利用造山帶理論可獲得常規(guī)方法不能獲取的信息。如鐵路百年服務(wù)期內(nèi)河流演變的趨勢(shì)、山地災(zāi)害的發(fā)育趨勢(shì)，在內(nèi)動(dòng)力描述方面，可以判定地震類(lèi)型、地震相對(duì)活動(dòng)性以及地應(yīng)力的相對(duì)大小等特殊信息。因此，本文方法在鐵路領(lǐng)域更具應(yīng)用前景。

最后，對(duì)于新生的造山帶，構(gòu)造作用塑造的地貌占主導(dǎo)成分。若能根據(jù)內(nèi)動(dòng)力與地貌之間的因果關(guān)系，由地貌現(xiàn)象反推內(nèi)動(dòng)力狀態(tài)，獲得不使用鉆探手段就能得到的地應(yīng)力信息，是值得進(jìn)一步深化研究的方向。

致 謝感謝中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所、中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所和國(guó)際山地綜合開(kāi)發(fā)中心(ICIMOD)在數(shù)據(jù)方面提供的幫助和支持。感謝中國(guó)科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所的蘇立君研究員、張偉峰博士和伍純昊博士的熱情幫助和指教，在此一并感謝。