胡東生

湖南師范大學資源環(huán)境科學學院， 湖南長沙 410081

長江三峽工程的地質構造環(huán)境及地球動力學演變分析

胡東生

湖南師范大學資源環(huán)境科學學院， 湖南長沙 410081

根據衛(wèi)星遙感影像特征和區(qū)域地質調查與地球應力分析的綜合材料， 運用遙感地質學和地球動力學及地質環(huán)境演變的分析方法， 對長江三峽工程的背景構造（區(qū)域構造）-巖塊構造（體域構造）-壩區(qū)構造（局域構造）進行了多層次的系統(tǒng)研究， 查清了地質構造環(huán)境演變過程及其變化規(guī)律， 發(fā)現了多級構造序次及多級構造應力場之間的相互轉變關系， 提出區(qū)域應力場與庫區(qū)荷載應力場和周邊采礦卸載應力場的共振效應，是對工程安全運行和長周期工程壽命的最大潛在威脅， 為大型工程優(yōu)化管理和工程災害風險預防及國家建設合理決策等方面提供科學依據。

三峽工程地質構造環(huán)境； 構造域（區(qū)域-塊體-壩區(qū)）控制及轉化； 構造應力場共振效應； 工程管理和災害預防及決策

中國長江三峽工程（三斗坪壩址）， 壩高185 m，控制流域面積180×106km2（上游100×106km2、下游80×106km2）， 正常蓄水位175 m， 總庫容39.3×109m3，是當今世界引人矚目的人類大型工程之一， 也是我國歷史上首次由全國最高權力機構（全國人民代表大會）審議通過的國家大型重點工程。從中國民主先驅孫中山“建國方略——實業(yè)計劃”（1919年）提出設想延伸到新中國“全國人大”（1992年）審議通過直至攔江大壩建成正式蓄水（2003年）一直達到設計最高水位175 m （2010年）整整經歷了90余年， 在這個漫長的歷史時期“設想了70年， 調查了50年， 勘測了40年， 爭論了30年， 建設了10年， 考驗了10年， 也質疑了10年”， 足見長江三峽工程的宏偉龐大和錯綜復雜與重要戰(zhàn)略地位。

長江三峽工程令世人無限贊嘆感慨的同時， 這個國之重器的安全運行和工程效應等問題一直是全體國人心頭之上的懸天之劍。在最近數年的國際沖突危機和地區(qū)突發(fā)事件中也屢屢被提到受人掣肘的位置， 蓄水之后地質災害頻發(fā)險象環(huán)生， 工程安全隸屬千年大計， 系之國家命脈。在現代先進工程技術條件之下， 影響大壩工程安全的主要控制因素依然是地質構造環(huán)境， 現代地球科學理論認為， 地質過程在漫長的演化中存在漸變與突變的雙重性質特征， 漸變現象和突變現象在其歷史發(fā)展過程中都能夠形成致災能力， 而且這兩種地質現象也是能夠相互轉變的， 漸變現象積累到運動臨界點可以誘發(fā)突變過程， 突變現象暴發(fā)后能量消減轉入較為平靜的漸變過程。

本文基于地球衛(wèi)星遙感監(jiān)測分析與區(qū)域地質調查成果等方面的綜合研究， 討論長江三峽工程的地質構造環(huán)境及地球動力學演化等問題， 為工程健康安全運行和避免重大災害風險及良性工程效應轉化提供新的科學基礎依據（圖1）。

圖1　長江三峽工程的地球衛(wèi)星遙感影像（2009-03-14）Fig. 1 Earth satellite remote sensing image of the Yangtze Gorges engineering （2009-03-14）

1 區(qū)域地質構造演變

根據中國大地構造位置（劉光鼎， 2007）的分布狀態(tài)及演化關系， 長江三峽工程的區(qū)域構造環(huán)境處于大巴山構造弧—方斗山構造弧—黃陵構造結等相互聯合的特殊部位， 這個區(qū)域是中國大陸構造環(huán)境最為復雜的地區(qū)之一， 其范圍涉及到四川盆地東部—陜南川北山地—渝東鄂西山地及其發(fā)育其中的川江（長江在四川盆地之間的江段）—峽江（長江在川渝鄂峽谷之間的江段）等水系流網。

本地區(qū)的區(qū)域構造環(huán)境呈現為發(fā)育歷史悠久和分布范圍廣大的復雜的聯合構造型式（李四光， 1996），其構造變形形跡展布跡象表明具有復雜多重地質邊界的“弧形聯合構造”的特征（樂光禹等， 1986）， 從區(qū)域地質演化歷史判明該地區(qū)地殼結構具有流變學“立交橋”式三維空間格架（張國偉等， 1996； 吳樹仁等，2006）， 也被地球物理探測（重力、電測等）資料證實，基底構造呈南北向展布， 淺層構造呈東西向展布， 組成了獨立發(fā)育及發(fā)展演化的巖石圈地體構造式樣（中科院地質所， 1974； 常印佛等， 1996）。

圖2　長江三峽工程區(qū)域地質及衛(wèi)星遙感影像Fig. 2 Regional geology and earth satellite remote sensing image of the Yangtze Gorges EngineeringA-區(qū)域構造環(huán)境的地球衛(wèi)星遙感影像（2001年8月）； B-區(qū)域地質構造分布圖A-satellite remote sensing image （August， 2001） of region structure environment； B-distribution curve of geological structure of the region

這個地體的基底是在太古代—元古代古構造運動（晉寧期）形成的古地臺—陸核（中國科學院院地質研究所， 1974）， 其后經歷了古生代（加里東期—華力西期）—中生代（燕山期）—新生代（喜馬拉雅山期）的多期地殼構造運動的影響， 由地槽轉化到準地臺并出現陸緣活化等（熊成云等， 2004）長期演化形成了復雜的構造域， 隸屬于中國大陸江南地體構造（常印佛等， 1996）的一部分。

1.1 區(qū)域構造格架

根據地球衛(wèi)星遙感影像解譯和綜合地質調查資料的分析成果， 這一地區(qū)的區(qū)域構造型式的基本格架由4部分組成： （1）北東部陜南川北弧形構造帶； （2）南西部渝東鄂西弧形構造帶； （3）西部四川盆地東部線形構造帶； （4）東部鄂西環(huán)形構造結。區(qū)域構造的這4部分構造組分的物質組成不一和孕育時間各異及走向有別， 但在多重地質邊界條件下出現相互影響的構造域及其應力場， 組成一個具有成因聯系的統(tǒng)一的復雜聯合構造體系（圖2）。

（1）北東部陜南川北弧形構造帶

由大巴山斷裂褶皺帶組成， 西接米倉山斷裂褶皺帶， 東連神農架斷塊及黃陵廟斷塊， 北以漢水為界與秦嶺山地毗鄰， 南與四川盆地接壤。呈現為向南西方向突出的弧形構造形跡， 地層建造為寒武紀及前寒武紀高變質流變變形巖系， 褶皺緊閉， 斷裂發(fā)育， 巖漿活動劇烈， 出現多重弧形褶皺-斷裂組合的構造系統(tǒng)。

（2）南西部渝東鄂西弧形構造帶

由方斗山斷裂褶皺帶組成， 南接大婁山， 北連黃陵廟斷塊， 東以澧水為界與武陵山毗鄰， 西沿峽江為界與渝東山地接壤。呈現為向北西方向突出的弧形構造形跡， 地層建造為古生代中變質塑變變形巖系， 褶皺發(fā)育， 斷裂次之， 無大規(guī)模巖漿活動，出現多重箱狀褶曲伴生線性斷裂的構造系統(tǒng)。

（3）西部四川盆地東部線形構造帶

由華鎣山—明月山斷裂褶皺帶組成， 向北延展到宣漢盆地， 往南延伸至瀘州長江谷地。呈現為北北東—北東向的線性構造形跡， 地層建造為中生代低變質塑變變形巖系-未變質脆性變形巖系。線性構造形跡在內側（東側）由北北東方向轉向北東方向， 表現為多重梳狀褶曲及線性斷裂的構造系統(tǒng)； 在外側（西側）其延展方向為北北東向， 表現為階梯狀的斷陷構造系統(tǒng)， 其斷陷中心沿渠江谷地展布。

（4）東部鄂西環(huán)形構造結

由神農架斷塊和黃陵廟斷塊組成， 神農架斷塊為近東西（S75°—80°W）向展布， 黃陵廟斷塊為近南北（S5°—10°W）向展布， 二者相交為75°～80°， 總體呈現為向南西（S55°W）方向開口的喇叭狀。地層建造為寒武紀包絡的前震旦紀高變質流變變形巖系，呈圈閉狀的多重環(huán)形構造型式， 黃陵廟斷塊其中心發(fā)育重熔性侵入巖體及混合巖體（中國科學院院地質研究所， 1974； 常印佛等， 1996； 熊成云等， 2004），褶皺緊閉破裂繁密； 神農架斷塊主要由碎屑-碳酸鹽巖系組成夾雜多期火山巖系（蔡雄威， 2006； 甘金水， 1996； 秦正永等， 1988； 胡寧， 1997）， 褶皺舒緩破裂發(fā)育。神農架斷塊與黃陵廟斷塊在寒武紀以前為同一個較大的地質塊體其總軸方向為南西向展布，在寒武紀末期沿中軸（S55°W）分裂成為兩個單獨的構造塊體。

1.2 區(qū)域構造演化

（1）區(qū)域地層構造層

根據中國大地構造位置（中國科學院地質研究所， 1974）、區(qū)域地質調查（常印佛等， 1996）與遙感地質解譯的成果， 本地區(qū)地質歷史演化（中國地質科學院， 1972）過程中發(fā)育4個完善的構造層， 由早期到晚期依次展布如下。

I期構造層： 包括Ar-Pt及AnZ-Z地層（中國地質科學院， 1972）， 主要受晉寧運動的影響是中國古陸的形成發(fā)育時期（中國科學院地質研究所， 1974；常印佛等， 1996）， 出現了以神農架—黃陵廟為中心的江南古陸， 是一套元古代—太古代的陸緣-淺海建造， 其北部較新、南部較老， 北部神農架地塊較完整， 南部黃陵廟地塊殘存古老陸核（太古代）的碎片， 經歷晉寧構造運動及古構造變動形成黃陵廟（中國科學院地質研究所， 1974； 熊成云等， 2004）二元結構的變質核雜巖系和神農架穹隆構造碳酸鹽沉積及火山巖（蔡雄威， 2006； 甘金水， 1996； 秦正永等，1988； 胡寧， 1997）淺變質巖系。

II期構造層： 包括∈-O-S-D-C-P地層（中國地質科學院， 1972）， 早古生代以海浸-海退地層旋回為主，晚古生代以海陸交互相地層為主， 其間經歷加里東—華力西等構造運動的影響， 地質構造環(huán)境由地槽向準地臺轉化（熊成云等， 2004）。

III期構造層： 包括T-J-K地層（中國地質科學院，1972）， 這一時期結束中國南海北陸的局面， 使中國南北陸地連成一片， 主要地層逐漸由海相、海陸交互相轉變?yōu)殛懴嘟ㄔ欤?受燕山構造運動的影響發(fā)生陸緣活化（熊成云等， 2004）現象， 最終完成中國大陸的造貌運動。

IV期構造層： 包括R-Q地層（中國地質科學院，1972）， 這一期間表現為區(qū)域地層地質景觀的侵蝕作用強化， 僅在山間峽谷和河流谷地及低洼盆地有堆積作用的發(fā)生， 受喜馬拉雅構造運動的影響， 本區(qū)域內處于隆升作用持續(xù)發(fā)展過程之中（向芳等，2009）。

（2）區(qū)域構造旋回程式：

區(qū)域地質構造層的形成受構造運動及構造演化周期的控制， 在其地質演化歷史中表現為構造旋回的發(fā)展程式： I期構造層主要表現古構造運動的影響， 以晉寧構造旋回為代表， 奠定了這一地區(qū)地殼地質結構的基本格架過程； II期構造層主要表現加里東—華力西構造運動的影響， 以加里東—華力西構造旋回為代表， 呈現了這一地區(qū)地殼物質轉換及地體加積發(fā)展的演化過程； III期構造層主要表現燕山運動的影響， 以燕山構造旋回為代表， 反映了這一地區(qū)大地構造疊加及多重地質邊界的相互影響過程； IV期構造層主要表現喜馬拉雅構造運動的影響， 以喜山（喜馬拉雅）構造旋回為代表， 表現了這一地區(qū)新構造時期的動態(tài)變化及演化趨向過程。

（3）區(qū)域構造演化過程：

太古代—元古代遭受晉寧構造旋回的影響。區(qū)域地質調查（熊成云等， 2004； 孫煥章， 1985； 羅志立等， 1980）資料表明， 本區(qū)最早的地層年齡為3 290 Ma， 為一套中基性-中酸性的火山巖建造， 表明早期地體巖石建造是以地幔上涌巖漿增積作用為主， 是構成早期陸核的主體， 組成了華夏古海洋中南方古島弧的一部分。繼之隨著全球氣候的變化發(fā)生“雪球地球”事件（Holffrman et al.， 1998）的影響，根據同時期地層沉積δ13C和δ18O的測定（陳孝紅等， 2003）中國南方發(fā)生冰期活動， 出現冷干的氣候環(huán)境， 后來氣候回春經歷晉寧運動末期華夏古海洋板塊出現東西向對沖， 南方古陸發(fā)生裂解并形成近南北向展布的古構造格架。

古生代遭受加里東—華力西構造旋回的影響。晉寧運動在元古代末期結束了中國大陸的泛地槽環(huán)境， 從古生代初期開始發(fā)生轉化到準地臺環(huán)境。早古生代經歷了華夏淺海的多次的海浸-海退的影響（汪嘯風等， 1999； 丁道桂等， 2007）， 晚古生代華夏陸地不斷擴大并有局部海浸發(fā)生（中國地質科學院，1972； 丁道桂等， 2007）， 受加里東—華力西運動的影響江南陸殼抬升線性構造發(fā)育， 區(qū)域構造主軸線沿南西方向展布。

中生代遭受燕山構造旋回的影響。古生代加里東—華里西構造旋回結束后， 研究區(qū)尚處于陸塊及邊緣海相間展布的環(huán)境。受燕山運動的影響（熊成云等， 2004； 中國地質科學院， 1972）， 中生代早期南方邊緣海（古特提斯海）逐漸退出， 中生代后期南方大陸脫離海水的影響廣泛發(fā)育陸相沉積， 構造變形強烈， 區(qū)域構造主軸線轉向近東西向展布。

新生代遭受喜山構造旋回的影響。研究區(qū)新生代總體處于抬升剝蝕的變形階段（向芳等， 2009）， 其構造變形的主軸方向繼承燕山運動的影響保持東西向展布（馬宗晉等， 2006）。

1.3 區(qū)域構造動力學

基礎地質調查與遙感影像解譯和區(qū)域構造分析的成果一致表明， 本研究區(qū)大地構造演化過程中出現幾次重大的轉換時期， 不同的轉換時期發(fā)育不同規(guī)模的構造旋回， 即從晉寧構造旋回—加里東—華里西構造旋回—燕山構造旋回—喜山構造旋回等逐次發(fā)生轉化， 每一個構造時期都有不同的地質構造應力場和地球動力學機制。

在太古代—元古代陸核島弧形成時期， 這一時期地殼處于膨脹階段海洋發(fā)育， 受地球運動軌道及地球自轉離心力的驅動海洋板塊發(fā)生東西向匯聚運動， 形成南北向的島弧帶及地幔柱增生體組成的陸核地帶（謝竇克等， 1997）， 奠定了華夏古海洋中漂移的揚子陸核的基礎； 繼后區(qū)域構造運動的產生使得陸核增生和擴大形成南方古陸， 當時南方古陸整體的長軸方向可能沿著近東西向展布， 至晉寧運動末期南方古陸發(fā)生裂解在區(qū)內形成神農架—黃陵廟古陸碎塊， 其長軸方向呈北西方向展布。

在古生代隨著太平洋板塊和歐洲板塊對華夏陸塊的相向運動， 華夏地槽回返和地殼抬升等活動加劇， 構造垂直振蕩也比較頻繁導致形成神農架—黃陵廟古陸的分解（加里東運動）； 由于地質邊界條件的改變， 至古生代末期沿南西方向發(fā)生大規(guī)模擠壓作用， 形成古生代地層的強烈褶皺（華力西運動）及古地塊的裂解出現神農架斷塊與黃陵廟斷塊。構造驅動力主要來自華南地塊和康滇地軸對中央地塊的相向（北西—南東向）擠壓， 在全球構造應力場上來源于太平洋（菲律賓）板塊斜向（北西向）對中國大陸的對沖和擠壓作用。

在中生代隨著古特提斯海由北向南的退縮， 龍門山以西的華西地塊也露出水面， 研究區(qū)陸相沉積盆地發(fā)育， 并出現完善的盆-山構造系統(tǒng)， 以四川盆地為中心， 其北西方向為龍門山隆起帶， 其北東方向為秦嶺隆起帶， 其南東方向為雪峰山隆起帶， 至中生代末期經歷燕山運動最后完成區(qū)內復雜的三角狀弧形聯合構造體系（圖3）。三角狀弧形聯合構造體系的地質構造邊界由龍門山—秦嶺—雪峰山等古生代隆起帶所構成， 在應力傳遞過程中由于三個主應力方向的相互匹配和適應調整， 北西方向邊界由早期的龍門山一帶適應性調整到晚期的川中盆地南江—蓬溪—內江—宜賓等一線其應力方向基本保持不變， 北東方向秦嶺一帶以其南部大巴山古生代褶皺帶一線為邊界， 南東方向雪峰山一帶以川東渝北山地古生代褶皺帶為邊界， 后二者應力作用方向基本未有改變。這個三角弧形聯合構造的中和線以宣漢盆地（白堊紀）為中心， 其北西方向（秦嶺與川中）和南西方向（雪峰山與川中）呈閉合的中和線特征， 其近東西方向（秦嶺與雪峰山）呈半封閉和半開放的狹窄的帶狀特征， 由其中心向東依次發(fā)育宣漢盆地（白堊紀）—平皋盆地（晚侏羅紀）—秭歸盆地（早侏羅紀）。北東方向（秦嶺）與南東方向（雪峰山）主應力聯合的中和線呈為宣漢盆地（白堊紀）—平皋盆地（晚侏羅紀）—秭歸盆地（早侏羅紀）帶狀特征， 顯然與黃陵廟斷塊作為二者主應力所夾持的砥柱作用有關，而且說明三角狀弧形聯合構造的發(fā)育是由邊部向中心逐步發(fā)展的。

在新生代區(qū)域構造應力場有繼承早期構造（燕山運動）特點之外， 遭受喜山運動的影響研究區(qū)呈現緩慢抬升現象整體處于侵蝕剝蝕階段（向芳等，2009）。根據地球定位系統(tǒng)（GPS）（李延興等， 2003）和衛(wèi)星重力場（黃培華等， 1982）的分析資料， 研究區(qū)現代構造應力場主要受到西部和東部兩種不同的作用力的影響， 西部受到青藏板塊向東擴展滑脫作用力的影響在區(qū)內表現為南東方向分布， 東部受到太平洋板塊向西俯沖作用力的影響在區(qū)內表現為近北西方向分布。

圖3　長江三峽工程區(qū)域構造應力場及構造期次演化Fig. 3 The regional structural stress fields and structural sequence evolvement in the Yangtze Gorges Engineering

2 工程塊體地質構造動力學

三峽工程處于黃陵廟斷塊的南部， 黃陵廟斷塊在區(qū)域構造位置中屬于次一級構造單元（圖4）， 是一種相對獨立的工程塊體范圍——體域構造應力場范圍。黃陵廟斷塊在中國大地構造單元中一般習慣稱為“黃陵穹窿”或“黃陵背斜”， 總體呈圈閉的橢圓狀， 長軸為南北向展布約123 km， 短軸為東西向展布約75 km。其核部地層為震旦紀及前震旦紀（元古代—太古代）的變質核雜巖系， 其翼部地層為早古生代（∈-O-S）復理石式巖系， 其外圍局部有晚古生代（D-C-P）海陸交互相地層分布和中生代—新生代陸相地層的零星分布， 呈現為翼部較窄陡、核部較寬平的拱箱狀的褶皺構造， 故亦稱黃陵穹窿或黃陵背斜。

圖4　黃陵斷塊區(qū)域演化（遙感影像-構造解譯）Fig. 4 Regional evolution of the Huangling break mass （ the geological investigation-remote sensing image-structure translation）A-美國landsat-7TM遙感影像（N-49-30-2000）； B-黃陵斷塊構造遙感解釋譯A-remote sensing image （N-49-30-2000） of U.S. Landsat-7TM； B-remote sensing expounding for the fault block structure of Huangling

近年來對于這一特殊構造單元的形成時代爭議較多， 從晚元古代（熊成云等， 2004）， 到古生代—中生代（張或丹， 1986）， 直至新生代（葛肖虹等，2010）的論述都有， 主要是對黃陵廟斷塊的發(fā)育、定型及發(fā)展、改造的階段性的定位認識不同。從另一個意義而言也說明了黃陵廟斷塊作為相對獨立的次一級的構造單元的重要性， 而且對其所包容的大型工程的穩(wěn)定及安全性而言這一構造單元的構造型式和運動圖像是至關重要的（梅應堂，1992）。區(qū)域構造演化程式的分析表明， 黃陵廟斷塊的發(fā)育階段在晉寧構造旋回時期是江南古陸的一部分， 其定型階段在加里東—華力西構造旋回時期是由較完整的神農架—黃陵廟古陸塊體分裂而來成為獨立的一個微地塊（加里東構造旋回）并形成較完善的穹隆狀背斜（華力西構造旋回）構造單元， 其發(fā)展階段在燕山構造旋回時期作為川東—渝北—鄂西三角弧形聯合構造的砥柱發(fā)生進一步的變形， 并且卷入到了淮陽山字形構造的西翼反射弧及砥柱結構之中， 其改造階段則處于喜山構造旋回時期發(fā)育侵蝕及次生堆積是構造強烈變形的地帶。

由于黃陵廟斷塊的長期發(fā)育和復雜演化其構造變形非常劇烈， 其外圍由多重圈閉的橢環(huán)狀壓性斷裂構造所組成， 西部邊界由北北東向的直線性斷裂穿過并與秭歸向斜構造相分隔， 其內緣發(fā)育圈閉（半圈閉）的圓環(huán)狀張性斷裂構造， 在中央地段以梅坪地區(qū)為砥柱形成一個完善的旋扭構造并在其南部發(fā)育幾個小型圓環(huán)構造， 三峽工程正處于其南緣小型圓環(huán)構造的邊緣地帶。

根據巖石變形力學（Somerton， 1970）和構造動力學（Sitter， 1964）的綜合分析， 黃陵廟斷塊屬于穹窿式背斜構造型式， 在起初形成時期產生了外圍及兩翼壓性封閉狀橢環(huán)性斷裂， 由于其核部較平緩寬闊并以圈閉（半圈閉）狀的張性圓環(huán)性斷裂為界， 這條圈閉（半圈閉）狀的張性圓環(huán)性斷裂是穹窿式背斜由兩翼向核部的轉換邊界， 受到巖塊結構應力分布狀態(tài)的影響其兩翼擠壓而其核部拉張， 其核部巖塊在內部調整及其后的構造運動的影響下發(fā)育旋扭構造； 依據旋扭構造的旋臂（4條）呈現張扭性結構的特征表示核部巖塊運動方向為逆時針旋轉。在核部巖塊旋轉（逆時針）的過程中， 由于巖塊的早期破碎使得其內部產生多個質量中心， 形成了以梅坪地區(qū)為中心砥柱形成較大規(guī)模的旋扭構造（圖4）， 并在其南部形成多個（至少約有6個）較小的旋扭構造（圓環(huán)形構造）。

3 壩區(qū)地質構造破裂網絡

壩區(qū)工程構筑部位是與地球物質相連接的復合體， 在地質構造級別中隸屬于局域構造范圍。三峽工程壩區(qū)處于長江峽江西陵峽地段“V”型江段是一個小型構造侵蝕盆地， 屬于黃陵廟斷塊的中南部， 其大壩上下游及主庫區(qū)的基巖巖石為混合巖化斜長花崗巖（熊成云等， 2004）。在大壩工程地基揭露開挖地表以下70～80 m深度仍發(fā)育緊閉狀的巖石構造裂隙（肖詩榮， 2002）， 這種巖體淺層構造裂隙的形成主要遭受黃陵廟地塊及內部巖塊調整的應力過程的影響。

在以往的地質工程實踐中，三峽工程壩體地段的主流認識認為尚處于巖體（黃陵背斜）整塊穩(wěn)定結構上， 對現今構造應力場的分析也是建立在這個基礎之上，并構建出來多種巖塊穩(wěn)定假說（李細光等，2006）以“雙力偶”、“純剪切”、“壓力影”模型等為主； 對壩區(qū)斷裂（楊森楠等， 1996）的分析也是建立在這個基礎上的， 并且認為處于張性應力場的影響之中（李細光等， 2006）。

根據地球衛(wèi)星遙感影像的多時相多層次篩選分析， 選定法國Spot-5衛(wèi)星遙感影像的進行精細解譯， 發(fā)現 長江三峽壩區(qū)地段巖塊的斷裂構造網絡由圓環(huán)狀斷裂和交叉狀斷裂所組成， 主要成分有直線型的壓扭及扭性破裂面、弧形及圓環(huán)形的旋扭及壓扭性破裂面、鋸齒及折線狀的張扭及張性拉伸破裂面（圖5）。根據壩區(qū)地段斷裂構造巖中發(fā)育的同期石英-方解石巖脈的包體測溫分析， 巖脈溫度數值為99～200℃（李江風等， 1998）， 在自然地質作用過程中屬于低溫環(huán)境， 表明壩區(qū)斷裂構造是在低溫地質條件下形成的， 工程地基揭露也證實壩區(qū)斷裂構造多數為巖石淺層構造（圖5）。從工程巖體整體結構分析而言， 壩區(qū)巖塊地段不是孤立的巖塊運動， 應屬于黃陵廟斷塊中央塊體運動的一部分， 亦即黃陵背斜核部巖塊運動的一部分。

根據遙感地質分析資料和應力連續(xù)介質傳遞原理的綜合研究， 黃陵廟斷塊的中央巖塊在穹隆式背斜的隆升斷裂和內部應力調整過程中， 最先圍繞著中心較大巖塊以梅坪地區(qū)為樞紐（砥柱）形成逆時針張扭型旋轉構造， 在其南部由于地質邊界條件的改變出現多個較小的巖塊相繼發(fā)生轉動形成環(huán)狀構造， 壩區(qū)地段南岸存在2個環(huán)狀構造、北岸存在2～3個環(huán)狀構造， 由于后期構造的改造均被交叉斷裂所切割使得巖塊支離破碎， 而且廣泛發(fā)育共軛狀剪切破裂裂隙（索書田等， 2000）， 并經長期流水侵蝕作用最終形成不規(guī)則菱形盆地。這些大小不同的旋轉構造在形成發(fā)展和活動過程中， 具有聯動運動及應力連續(xù)傳遞的特點， 由黃陵背斜長軸呈南北向展布標示其形成時則遭受東西向主應力作用， 在其內部巖塊調整時外圍應力出現松弛并發(fā)生逆時針旋轉， 這種次級應力作用是由區(qū)域應力場所派生的， 巖塊調整形成的旋轉構造系列受到梁彎曲應力分布中和面的控制僅發(fā)育在巖層上部和淺部， 結合工程開挖地基的裂隙分布資料推測其影響深度可能要達到100～200 m。

圖5　三峽大壩庫區(qū)遙感影像構造解譯Fig. 5 The remote sensing image structural explain translation in the reservoir area of Yangtze Gorges EngineeringA-三峽大壩庫區(qū)法國SP-5遙感影像（2007-02-25）； B-三峽大壩庫區(qū)構造遙感解譯圖A-SP-5 remote sensing image（2007-02-25） of France in the Gorges Dig Dam reservoir area；B-remote sensing solution of the reservoir area structure in Gorges Dig Dam

現代應力的長期監(jiān)測（杜瑞林等， 2004； 李延興等， 2004）分析表明， 三峽工程庫區(qū)及黃陵廟斷塊的現代構造應力場主應力方向為近東西向（北東東—南西西）延展。利用衛(wèi)星熱紅外技術提取的地殼熱應力（強祖基等， 2009）狀態(tài)表明， 在四川盆地及外圍地帶存在環(huán)狀應力場及雙核熱旋扭運動結構， 根據其結構方式內旋為順時針、外旋為逆時針其整體作用方式為左旋運動。依照地殼熱應力環(huán)狀旋扭場的分布其長軸方向為北東方向， 意味著其主應力方向應為北西—南東方向展布， 即地塊驅動力來源為青藏高原—西伯利亞板塊（北西向）與太平洋（菲律賓）板塊（南東向）的對沖擠壓作用， 依據應力分解在黃陵廟斷塊一帶則發(fā)育近南北向的左旋扭動（半弧形）運動。根據這種地殼應力狀態(tài)的結果， 長江三峽工程庫區(qū)及黃陵廟斷塊所處的大地構造應力場為北西—南東向、其區(qū)域構造應力場為近南北向展布的左旋扭動（半弧形）作用， 其工程壩區(qū)則處于近北北東—南南西方向展布的剪切作用之下。

4 大地構造環(huán)境演變過程

大地構造演化歷史及地殼構造應力場分析的研究成果說明， 長江三峽工程所處的地質構造環(huán)境是非常復雜的， 根據地質歷史構造演化序次及其發(fā)展過程階段性可以將其劃分為如下程式： 一級構造域（背景構造即區(qū)域構造）， 二級構造域（塊體構造即體域構造）， 三級構造域（壩區(qū)構造即局域構造）； 在大地構造應力場演變過程中這些級別不同的構造域是逐次轉變、逐次控制和逐次影響的。

一級構造域： 即背景構造域（亦稱區(qū)域構造域），表現為川陜渝鄂三角狀弧形聯合構造， 其發(fā)育、形成及演化歷史悠久， 從太古代—元古代的古地塊形成（晉寧運動）到古生代的地槽回返轉向準地臺形成南西方向的褶皺系（加里東運動—華力西運動）直至中生代的陸緣活化形成復雜的三角狀弧形聯合構造系（燕山運動）， 最后在新生代新構造運動時期（喜山運動）處于改造及剝蝕狀態(tài)。

二級構造域： 即塊體構造域或斷塊構造域（亦稱體域構造域）， 亦即黃陵廟斷塊構造， 其構造基本型式則表現為復雜的構造結， 由古老的地塊（太古代—元古代）經歷了長期的構造變形承擔著區(qū)域構造域的變動樞紐（古生代）和雙重砥柱（中生代）的作用， 并具有相對清晰獨立的地質邊界， 其邊部及翼部為緊閉的橢圓弧形斷裂構造， 其中部及核部為多重旋扭構造， 其運動方式和活動規(guī)律對大壩工程結構影響非常大。

三級構造域： 即壩區(qū)構造域（亦稱局域構造域），是黃陵廟斷塊的中部及核部多重旋扭構造的一部分，是中生代（燕山運動）以來形成及發(fā)育的， 工程壩區(qū)及庫區(qū)的北岸由2～3個環(huán)狀構造組成、南岸由2個環(huán)狀構造組成， 其間又有交叉構造（斷裂及裂隙）的發(fā)育， 它們的形成和活動受斷塊中心梅坪旋扭構造的控制， 在新構造運動（喜山運動）中處于活躍時期，它在現代應力場中積累和發(fā)展是極其重要的。特別引起注意的是， 長江三峽壩基方向正處于一組北北東向斷裂的延伸方向， 它的活動性對大壩的安全性的影響是非常重要的。

在地球構造應力場（謝富仁等， 2003）的分布狀態(tài)上， 不同級次的構造域處于逐次控制及影響的相互關系之中。一級構造域川陜渝鄂三角狀弧形聯合構造反映中國大陸中央地帶的受力狀態(tài)， 主應力分別為龍門山、秦嶺、雪峰山等一線的相向擠壓作用，其驅動力方向來自印度板塊、西伯利亞板塊、太平洋板塊對中國大陸的“品”字型受力結構。二級構造域黃陵廟斷塊構造是一級構造域應力場的派生構造， 是川陜渝鄂三角狀弧形聯合構造中的構造結及砥柱構造， 即具有區(qū)域構造的特征又有斷塊構造的特點， 其外圍及翼部構造受區(qū)域應力場的影響， 而中央及核部構造則受派生應力場的影響， 這兩者之間處于再次或依次驅動的關系。三級構造域壩區(qū)環(huán)狀及交叉構造是黃陵廟斷塊中央及核部構造的一部分， 其實質由黃陵斷塊內部的應力松弛及張力驅動之下引發(fā)的巖塊調整而產生的旋轉應力作用， 是由梅坪旋扭構造為中心的左旋應力作用下產生的多重轉動構造， 具有聯動和消減的相關成因聯系。

上述三個級次的構造域代表三次逐次控制的應力驅動關系， 也是全球應力場在構造地質邊界條件下發(fā)生逐次轉變的過程。根據第四紀以來（近300 Ma）的地極遷移路線編制的全球切變應力網絡（阿德里安·夏德格， 1977）， 中國大陸的主應力方向處于近東西向或北西—南東向延伸， 這種關系也在四川龍門山汶川大地震（2008-05-12 M8.0級）的震前地殼熱應力傳遞過程（強祖基等， 2009）中得到證實。長江三峽工程的構造域在現代應力場作用的表現及變化是值得進行長期監(jiān)控的。

5 討論與結語

長江三峽工程大壩蓄水以后庫區(qū)地球質量大幅增加可以產生人工附加應力場， 它對一級構造域即區(qū)域構造應力場的影響作用甚微， 但對二級構造域即黃陵廟斷塊應力場的影響是明顯的也許長期作用將改變巖塊質量中心的變化， 特別注意地對三級構造域即壩區(qū)構造應力場的影響是強烈的有可能誘發(fā)或強化巖塊旋轉應力作用。壩區(qū)多重環(huán)狀構造的活動受中心巖塊梅坪旋扭構造的聯動控制， 意味著人工附加應力場只有長期積累（數十年至幾百年）才能夠引起壩區(qū)構造的顯著活動。同時長江三峽工程周邊地區(qū)采礦誘發(fā)地震（胡毓良等， 1998）的發(fā)生比較頻繁而且都是超淺源地震（震中深度約為1 km以下）， 這是又一個人工附加應力場并且是更加危險的人類構造應力作用。這些人工附加應力場及其活動性對工程蓄水和壩區(qū)安全及穩(wěn)定運行是最大的潛在威脅。

根據全球地震斷裂面解（阿德里安·夏德格，1977）的統(tǒng)計資料， 中國大陸發(fā)生的淺源（＜140 km）地震中， 壓力地震為23.9％， 張力地震為6.5％， 不規(guī)則（扭力）地震為69.6％； 其發(fā)生的深源（＞140 km）地震中， 壓力地震為33.3％， 張力地震為33.3％， 不規(guī)則（扭力）地震為33.3％。中國大陸尚未發(fā)生震源深度超過140 km的地震， 屬于大陸板塊的板內地震活動（鄧啟東等， 2003）， 以不規(guī)則（扭力）及壓力地震為主， 這與中國大陸所處的全球應力場的分布狀態(tài)是相一致的。按這種觀測及結果分析目前長江三峽工程的應力場狀態(tài)， 庫區(qū)荷重人工附加應力場隸屬于壓力應力場對區(qū)域應力場具有疊加作用， 周邊采礦卸載人工附加應力場隸屬于張力應力場對區(qū)域應力場具有誘變及激發(fā)作用， 由于與區(qū)域主應力的方向不一致， 并不存在簡單的物理消減關系。如果這三個應力場——區(qū)域應力場、庫區(qū)荷重人工附加應力場、周邊采礦卸載人工附加應力場， 同步活動可以產生共振效應便能夠形成較大的地震活動和劇烈的破壞作用。根據過去區(qū)域地震活動＜M6.5級（孫葉等， 1996； 李坪等， 2004）和破壞烈度為VI度（李興唐， 1991）的背景分析， 應力場共振效應誘發(fā)的地震活動及發(fā)展趨向可能得到較大的增強， 經初步計算其震級可能達到7～8級和其破壞烈度可能達到X～XII度， 這是工程管理及國家決策等部門不能不慎重考慮的問題。

值得注意的是壩區(qū)應力的積累及發(fā)展引起的地質災害鏈效應的影響， 尤其是庫區(qū)荷重人工附加應力場和周邊采礦卸載人工附加應力場的激變影響，二者既可以單獨嬗變， 也可以聯動運行。任何一種災害事件都有可能激發(fā)區(qū)域應力場的臨界閥值而產生共振效應， 對這種事件的防御和避險不能存在僥幸和輕視， 應極力消除激發(fā)和嬗變的地質邊界條件，清除庫區(qū)表層作用的影響徹底杜絕滑坡、崩岸、泥石流等事件， 消除外圍人工作用的影響防止開礦采空塌陷事件的發(fā)生等， 研發(fā)局部消減巖石應力高（應力集中）的實驗技術。三管齊下從表層作用-淺部作用-基巖作用及其相互影響進行應力場的轉化，削弱及消除區(qū)域構造應力場共振效應產生的激發(fā)因素， 將工程安全風險降至最低范疇讓其永續(xù)為人類造福。

利用遙感地質學原理及其地球動力學分析對大型工程進行地質構造環(huán)境的系統(tǒng)研究， 隸屬于跨學科的新興邊緣科學研究， 也是科技界長期開拓探索和為國家建設服務的有力舉措， 這個路程還非常漫長尚有無數艱難險阻等待克服， 科技工作者擔負國家振興責任和抱定世上無難事只要肯登攀的決心，也將繼續(xù)針對國家大型重點工程做出進一步的追蹤關注和深入研究。

Acknowledgements:

This study was supported by the State Key laboratoty of Continental Dynamics of Northwest University （No. DL2006001）， and Key Subject Building Project of Hunan Province （No. ZRDL01101）.

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An Analysis of the Geodynamical Evolution and Geological Structural Environment in the Yangtze Gorges Project

HU Dong-sheng
College of Resources Environment Sciences， Hunan Normal University， Changsha， Hunan 841001

Based on comprehensive data composed of remote sensing images， regional geological survey and earth stress analysis and using the analytical method of remote sensing geology， earth dynamics and geological environment evolution， the authors carried out multilayered systematic research on background structures（regional structures） - rock mass structures （partial structures） - dam area structures （local structures） of the Yangtze Gorges project， ascertained the evolution process of geological structural environment and its variation regularity， discovered the mutual transition relationship between multi-level structural sequence and multi-level structural stress field， and pointed out that the resonance effect caused by regional stress field， reservoir load stress field and peripheral mining uninstall stress field seems to be the greatest latent throat to engineering safe running and long-periodic engineering life-span. The results obtained by the authors provide a scientific basis for such aspects as large-scale engineering optimized management， engineering disaster risk prevention and rational policy-making for national construction.

geological structural environment of Three Gorges； structural field （region-block body-dam area）control and transform process； resonance effect of the structural stress field； engineering management and disaster prevention and policy-making

P642.2； P553

A

10.3975/cagsb.2016.05.10

本文由西北大學大陸動力學國家重點實驗室開放基金項目（編號： DL2006001）和湖南省重點學科建設項目（編號： ZRDL01101）聯合資助。

2016-03-25； 改回日期： 2016-05-20。責任編輯： 魏樂軍。

胡東生， 男， 1951年生。教授。從事地球資源環(huán)境與遙感地質學和地球動力學及全球變化研究。通訊地址： 410081， 湖南師范大學資源環(huán)境科學學院。E-mail： hudsh@hunnu.edu.cn。