青藏高原构造变形圈-岩体松动圈-地表冻融圈-工程扰动圈互馈灾害效应

Interaction Disaster Effects of the Tectonic Deformation Sphere, Rock Mass Loosening Sphere, Surface Freeze-Thaw Sphere and Engineering Disturbance Sphere on the Tibetan Plateau

摘要

青藏高原板块强烈碰撞和持续变形的本质是地球圈层作用，地壳浅表关键带圈层作用研究是探索持续构造变形与浅表响应、巨灾孕育机制的关键.在简要分析青藏高原圈层作用动力背景的基础上，从工程地质视角，将地壳浅表关键带划分为四类圈层：构造变形圈、岩体松动圈、地表冻融圈和工程扰动圈，并分析研究了圈层岩土体变形破坏形式、圈层岩体稳定状态与工程安全性、圈层灾害行为与机制. 研究表明，四类圈层的互馈作用深刻影响着不同尺度地质体的稳定性和灾害动力学机制. 即：板块构造动力作用形成构造变形圈，制约区域地质体稳定性，控制灾害的孕育；高原隆升动力形成岩体松动圈，制约工程地质体稳定性，控制灾害的形成；气候变化动力形成地表冻融圈，制约工程岩土体稳定性，控制灾害链的演化；人类工程营力形成工程扰动圈，制约工程结构体稳定性，控制工程灾变发生. 下级圈层对上级圈层具有包容性，且自下而上存在递进演化规律，使得岩体结构更加复杂，工程地质问题及灾害效应更加显著. 上述认识为重大工程建设的地质安全风险防范提供了新思路.

关键词

青藏高原 / 圈层作用 / 灾害效应 / 重大工程 / 地质安全 / 工程地质

Key words

Tibetan Plateau / sphere interaction / disaster effect / major project / geosafety / engineering geology

0 引言

青藏高原是世界上最年轻的高原，是全球研究陆地板块构造和圈层作用最重要的地区之一（彭建兵等，2004；丁林和钟大赉，2013）. 由于地形地貌和地质构造复杂、新构造活动强烈、内外动力地质作用活跃，高原山区地质灾害不仅数量多、规模大，而且机理复杂、危害严重、防治难度高，青藏高原成为全球公认的地质灾害研究天然试验场和热点地区（张永双等，2016；陈发虎等，2022）. 从地球系统科学角度看，板块强烈碰撞和持续变形作用的本质是地球圈层作用，其不仅涉及物质和能量流的空间组合，还有着不同地质过程在时间和空间尺度上的复杂关系（汪品先，2009）. 地球圈层如何相互作用并产生什么样的环境灾害效应，是一个全新的课题（陈德亮等，2015；Clair et al.， 2015；郭正堂，2019；彭建兵和兰恒星，2022），也是探索持续构造变形与浅表响应、巨灾孕育机制的关键（彭建兵等，2020）. 作为圈层作用的驱动者，构造持续变形作用怎样控制地质地表过程和巨灾的孕育过程？目前尚未明晰. 以往研究主要集中在单体灾害的定量模拟和定性解释上，传统的灾害理论模型难以与青藏高原复杂的地质演化过程完全匹配；工程地质研究仍主要集中在工程范围内的断裂、节理裂隙、褶皱与孕灾机制研究上，缺乏宏观的浅表岩层松弛变形规律与灾害孕育关系的综合研究；构造持续变形作用究竟如何孕生巨型灾害和灾变行为，国内外尚无这方面的系统研究成果，个别零星的研究也仅处于探索阶段，尚未找到其地质根源.

近年来，随着“一带一路”倡议和西部地区高质量发展、美丽中国与平安中国等国家发展战略相继实施，青藏高原重大铁路、高速公路、水电开发、国家水网等一大批重大工程陆续规划建设. 这些重大工程在改善当地基础设施条件和人居环境的同时，也面临着一系列重大工程地质问题和巨型地质灾害风险，给重大工程的建设和安全运营带来巨大隐患，也对工程地质与灾害研究提出了新的挑战. 本文从地球系统科学理论出发，借助多学科交叉融合的思维，以工程地质的视角，着重阐述青藏高原构造变形、岩体松动、地表冻融、工程扰动对工程地质环境与灾害的影响及其相互作用机制，旨在揭示强构造活动区深部-浅部耦合过程以及浅表岩层松弛变形规律与灾害孕育机制，为我国重大工程规划建设的地质安全风险防控提供科学指导.

1 地壳浅表关键带“四圈”的内涵

印度-欧亚板块碰撞是新生代以来最壮观的地质事件，导致喜马拉雅山脉的崛起、青藏高原的隆升、巨厚地壳的形成、高原物质向东-东南的大逃逸、2 000 km 范围亚洲大陆内部的弥散变形（Gao et al.， 2016； 李廷栋等，2022）；青藏高原及其周边地区强烈的新生代构造变形和山脉隆升，使其成为现今地球构造活动最为活跃的区域之一，并对东亚地区地貌格局的形成和环境演化产生了重要影响（王成善，1998；郑度和姚檀栋，2006；许志琴等，2022）. 然而，青藏高原地质地表过程并非在孤立的单一圈层孕育发生，而是地球深部地质过程与表层系统、大气圈及人类活动之间互馈作用的产物 （李吉均，1999；崔鹏等，2015；兰恒星等，2021），青藏高原深部地质构造的地壳浅表圈层响应是控制重大地质灾害发生和链生演化的动力源（图1）. 在此背景下，与人类密切的地壳浅表关键带圈层结构及其互馈作用有着重要的研究价值与意义，它们的相互作用严重影响着重大战略的安全实施与保障.

由于青藏高原构造挤压、地貌隆升、气候变化和工程扰动等内外动力作用，地壳浅表关键带大致分为4个圈层（图2），即：构造变形圈、岩体松动圈、地表冻融圈和工程扰动圈. 构造变形圈是指板块构造动力作用在侵蚀基准面以下1 000 m以浅形成的构造变形松驰带；岩体松动圈是指高原隆升动力作用下在构造变形圈浅表部形成的岩体卸荷松动带；地表冻融圈是指气候变化作用下地表形成的岩体冻融破裂带；工程扰动圈是指人类工程营力作用下地表或近地表形成的岩体变形失稳带.

上述4个圈层具有较好的动力机制联系：印度板块和欧亚板块的碰撞引发了下地壳低粘度物质的大规模流动和横向挤压（Guo et al.， 2009），形成了青藏高原构造变形圈. 岩体松动圈的形成源于高原的快速隆升，并在地质地表过程中不断塑造地貌格局. 气候变化是地表冻融圈的主要驱动力，温度升高和降水量变化（频率、强度和丰度变化、极端降水事件的增多）是主要外在表现（Liu et al.， 2021），循环冻融引发的冰-水-岩作用则是深刻改造岩土体力学行为的重要动因. 工程扰动圈主要反映了人类工程营力对浅表层的扰动，是引发地质灾害不可忽视的重要因素（图3）. 当然，各圈层并非独立存在，而是相互作用、相互依存的，上部圈层的形成受其下部圈层的影响，构造变形圈为岩石松动圈提供了内在动力，在构造变形影响下的活动断层、活动褶皱及软弱夹层或结构面等成为岩体松动圈的主要组成部分. 地表冻融圈及工程扰动圈层主要受外动力影响，但其物质结构及作用范围仍受构造变形圈和岩体松动圈的制约.

2 圈层岩土体变形破坏形式

2.1　构造变形圈与地质体变形破坏

在印度与欧亚板块持续俯冲-碰撞作用下，青藏高原地质体经历了复杂的区域性褶皱、岩体变质变形、深部韧性剪切、地壳流变、壳幔拆沉、板片撕裂、岩浆底辟上涌及浅部脆性破裂等过程，形成了区域性复式背（向）斜、逆掩推覆构造、切割壳幔的深大断裂、高压变质带等（吴福元等，2015；多吉等，2017；侯增谦等，2021），并在多次构造运动中形成不整合接触带、呈现变形叠加效应等，构造形态更加复杂. 在不同地块之间，从北至南发育了5条板块缝合带，其变质变形作用极为强烈，在构造应力调整过程中转化为区域性活动断裂带，这些断裂多具有继承性，如喀喇昆仑走滑断裂带、哀牢山-红河走滑断裂带和鲜水河-小江走滑断裂带等（张培震等，2003）. 在地块内部，构造作用形成的不连续面控制了地质体的完整性，呈现出结构与运动的差异性特征.

上述构造变形决定了构造变形圈具有以下变形破坏特征：不同块体间的缝合带、断裂破碎带、蚀变岩带、劈理-片理化带是地质体强度的薄弱带，是松弛破裂岩体的集中发育区. 在挤压作用下，常沿着缓倾软弱带产生拉张机制的滑脱或挤压机制的逆掩推覆，并在区域性褶皱的核部或转折端出现破裂松弛带（图4）. 同时，还常出现与挤压方向一致的拉张裂陷带，如喜马拉雅北侧的错那裂谷、谷露裂谷等，成为强震的频发带. 可见，构造变形圈是以内动力为特色的构造作用形成的深部圈层，初始状态极少有外动力的干预，因而岩体结构通常较完整，大型结构面与不同期次的构造应力场有着较明显的对应关系.

2.2　岩体松动圈与山体变形破坏

岩体松动圈是基于构造变形圈地质体发展演化而来的. 青藏高原构造隆升导致河流下切，山脉发生显著剥蚀作用，形成了高山峡谷及峡谷、宽谷相间的地貌格局. 在此过程中，区域性的山体浅表层应力条件发生改变或重分布，形成卸荷回弹带（李杭州和廖红建， 2010）. 在内外动力耦合作用下，山体浅表部节理裂隙等结构面进一步发育，不断加剧岩体松动破碎，形成岩体松动圈. 谷坡岩体结构及其松动变形破坏与其受力状态、物理力学性质、所处环境等因素密切有关.

在长期构造隆升和外部营力改造作用下，高原山体浅表部松动通常具有明显的垂向和横向分带性. 在垂向上，越接近于地表，岩体结构面越发育，破碎程度越高；在横向上，离山体临空面越近，岩体破裂松动越强烈，特别是沟谷斜坡岩体卸荷作用最强烈（图5）. 由于浅表部岩体受到内外营力共同作用的制约，常表现出明显的松动累积叠加效应，岩体结构面类型多样、组构复杂，具有空间分布上的有序和排列组合上的无序特征.

2.3　地表冻融圈与浅表层岩土体变形破坏

青藏高原的隆升改变了大气动力和热力条件（曲建升等，2013），显著影响了大气环流和季风气候，进一步控制了地表冻融圈的形成演化. 高原冬季主要受控于西风带，冰线、雪线下移，地表岩土体冻胀加剧；夏季主要受控于南亚季风和东亚季风带，空气温暖湿润，冰线、雪线上移，地表岩土体消融加剧. 高原长期持续隆升还增强了夏季热源和冬季冷源作用，放大了季节对比（崔鹏等， 2015；程国栋等，2019），增强了地表岩土体冻胀消融的循环往复作用. 这种季节性的冻融循环作用，加之近年来青藏高原极高温、极低温频发造成的大温差，导致岩体出现冻胀、酥裂，岩土体结构面扩张，形成显著的地表冻融损伤带（彭建兵等，2020）.

在全球变暖背景下，青藏高原冰川冻土加速消融，冰川平衡线、雪线高度逐年递增（段克勤等，2022；秦大河等，2022），由此造成“气候-水文-岩土体”之间发生强烈的相互作用，导致地表冻融圈岩体破裂，加剧岩土体风化剥蚀. 随着温度的升高，“气候-水文-岩土体”互馈作用不断加剧，地表冻融圈岩土体渗透性增强、转化为透水层或含水层，改变了区域水文地质结构（图6）. 由于高原隆起具有区域气候分异特征，表现为高原东、南侧变湿，西、北侧变干，因此，高原西侧和北侧地表冻融圈的“气候-水文-岩土体”互馈作用弱于东侧和南侧，但冰岩冻胀作用更为显著. 总体上，地表冻融圈受控于内动力抬升和外动力气候系统的共同作用，是叠加在岩体松动圈之上的浅表岩土体的进一步松动变形，并且呈现出显著的空间分异特征和季节性特征. 由此形成的地表冻融圈岩土体极为破碎，结构面更加发育，通常呈现酥裂化、似劈理化的无序特征，如循环冻融作用下花岗岩的破坏（图7）.

2.4　工程扰动圈与工程岩土体变形破坏

随着国家重大工程规划建设不断向西部复杂艰险山区延伸，青藏高原高山峡谷区浅表层岩土体的工程扰动比以往任何时期都强烈. 现阶段的主要工程类型有长大深埋隧道、高陡边坡、超深桥桩、超长桥梁和大量临辅工程等（黄润秋，2007；郭长宝等，2017；谢和平等，2022）. 这些工程的施工建设势必严重破坏岩土体结构、改变局部应力场、影响水文地质结构和地下水流场变动，形成工程扰动圈.

工程扰动圈的影响范围一般具有以下特点：一类是地下工程建设造成的扰动，不仅可以改变地下工程附近的岩体结构，造成岩体松动破坏，而且可能影响工程上方的水文地质结构和补径排条件，涉及工程所在位置到地表的区间；另一类是地表或斜坡开挖造成的扰动，以改变岩土体结构为主，突出表现为加剧斜坡浅表层卸荷带的发展演化，为浅表生工程地质问题或地质灾害的发生创造条件. 与前3类圈层相比，工程扰动圈的影响范围相对较小，但与工程联系最直接最紧密.

综上可以看出，在青藏高原地壳浅表关键带的四类圈层中，自下而上存在递进演化规律，下部圈层对上部圈层具有逐级包容性，并制约着上部圈层的递进变化，使得岩体结构更加复杂，变形破坏形式更加多样.

3 圈层岩体稳定状态与工程安全性

3.1　构造变形圈的地质体稳定性与工程安全

构造变形分为塑性变形和断裂变形两种类型，塑性变形是指岩石受到外力作用或内部应力变化后，会发生弯曲、折叠和蠕变等永久性变形，而不会破裂或断裂；断裂变形则是指岩石因外力作用或内部应力变化导致破裂或断裂. 强烈的构造变形不仅可导致地质体出现变形和断裂，而且会引起区域构造应力场的变化，使得不同构造部位的应力状态有所差异，甚至沿着活动断裂带诱发地震（图8），相应地影响了区域地质体稳定性，威胁工程安全.

构造变形带来的岩体稳定性问题对工程安全性产生较大影响，主要体现在：（1）高地应力会导致地下工程岩体出现岩爆和软岩大变形；（2）活动断裂不仅会引发工程错断，而且断裂剧烈活动诱发的地震会导致地下、地面构筑物破坏；（3）燕山期以来的岩浆岩分布区及活动断裂带常伴生高地温异常，引起地下工程高温热害问题（崔鹏等，2017；潘桂棠等，2020；张永双等，2022）；（4）在构造作用和热液作用下，可能衍生系列特殊岩土体（膨胀性蚀变软岩、腐蚀性岩土等），为工程安全带来风险. 因此，在构造作用强烈的地区进行工程规划建设，须密切关注构造变形圈的地质体稳定性.

3.2　岩体松动圈的山体稳定性与工程安全

前已述及，岩体松动圈的形成与青藏高原的快速隆升息息相关，快速隆升使得山体不可避免地承受更多的地质营力作用，如剥蚀、切割、风化、卸荷等浅表生作用，不仅可能导致沟谷坡脚部位出现局部地应力异常（局部应力集中），而且可能在岩体内部发生应力调整（图9），使得岩体力学性能出现变化，在其内部产生不同尺度的结构面，对山体稳定性（谷坡岩体稳定性）造成不良影响，可能带来工程安全隐患（彭建兵等，2022）.

岩体松动圈主要通过以下方面对山体稳定性和工程安全产生影响：（1）岩体松动变形破坏会改变岩体的物理力学特性，如抗压强度、剪切强度等，从而降低山体稳定性；（2）形成各种不规则的裂隙和节理，进一步削弱岩体的完整性，甚至改变其渗流特性，影响山体稳定性；（3）导致岩体内部的应力分布发生变化，最终改变岩体稳定性；（4）在岩体软弱层、劈理化带、蚀变岩带、构造混杂岩带、沟谷斜坡的卸荷带等部位，通常岩体松动强烈，岩体稳定性较差. 以上4个方面的岩体松动破坏，不仅严重制约地基、桥基、坝基、坝肩等工程场地的稳定性，还可能给地下工程的施工和运行带来了诸多不确定因素，是冒顶、塌方、涌水突泥的多发区.

3.3　地表冻融圈的浅表层岩土体稳定性与工程安全

地表冻融圈在青藏高原分布区域较广，气候变暖引起的地表冻融圈变化，主要表现为冰川退缩加剧，冰湖扩大、永久性冻土退化，由此带来的浅表层岩土体稳定性问题凸显（孙鸿烈等，2012）. 在全球变暖的大背景下，青藏高原平均气温增加约0.2~0.4 °C，多年冻土的高程下限上升40~80 m，未来几十年的地表冻融作用将不断加剧（姚檀栋，2019；段克勤等，2022）. 随着岩体松动破坏的加剧，冻胀、冻融作用更加显著，强烈的冰-水-岩作用造成岩体结构劣化和强度弱化（Ni et al.， 2017； 程国栋等，2019；段克勤等，2022）.

地表冻融圈对岩体稳定状态和工程安全性的影响主要表现在以下方面：（1）冻结深度的变化影响岩体内部的应力状态，导致岩体中存在的裂隙扩大或者出现新的微裂隙，从而加剧岩体的破坏进程；（2）反复的冻胀融缩作用势必引起岩体裂隙加大贯通、岩桥断裂，岩体结构不断劣化，强度降低，进而发生岩石破碎和剥落；（3）引起地下水位波动和渗流路径改变，导致水文地质问题更加复杂，严重影响工程岩土和支护结构的稳定性，例如，冻土融化导致浅表层岩土体内水分流动，进而引起岩土体变形甚至是流动，一定程度上影响水工堤坝、挡土墙等工程结构的稳定性，尤其会对地下管道、隧道等地下工程安全产生影响（申艳军等，2022）.

3.4　工程扰动圈的工程岩土体稳定性与工程安全

青藏高原重大工程的扰动作用，如爆破振动、开挖卸荷、工程堆载、库水位波动等，可造成工程岩土体应力环境改变（杨强等，2022；冯夏庭，2019），原有结构劣化甚至破坏，岩体的力学性质改变，渗透性显著降低，从而影响工程岩土体稳定性，给工程安全性带来威胁（图10）. 另外，工程扰动也可改变工程岩土体内部水文地质结构，地下水流动的速度和方向发生改变，从而影响渗流压力、水物理和水化学作用过程，相应地诱发边坡失稳、隧道涌水突泥、地面塌陷等工程安全问题等. 在应力环境、岩体结构和岩土体类型大体相同的条件下，不同的施工方式和作业行为可能引发不同的灾变效果.

4 圈层灾害行为与机制

通过前述圈层内部动力驱动与地质体稳定性相关分析可以看出，青藏高原的地质灾害效应并非在单一圈层中孕育发生，而是深部地质作用对浅表层制约的地质地表过程，这一过程中还叠加了外部营力（气候变化、工程扰动等）. 因此，青藏高原地质灾害行为与孕灾-成灾-链灾动力学机制仍然取决于不同圈层间的耦合互馈作用（崔鹏等，2015；兰恒星等，2021）.

4.1　构造变形圈的孕灾机制

构造变形圈是联系中下地壳的纽带，塑造了浅表岩体构造变形格局，是深部地质作用传递到浅部的第一圈层. 构造变形圈在制约地质体稳定性的同时，塑造了青藏高原特殊的孕灾地质基因，具体反映在浅表层地质结构、地形地貌和水动力条件等方面（图11），因而具有独特的孕灾机制.

（1）青藏高原板块构造结合带是构造变形圈中最重要的变形带，成为工程地质条件复杂多变、巨型地质灾害最发育的关键区带（潘桂棠等，2020；张永双等，2022）. 其特殊性通常表现为强烈的内外动力地质作用交织，具有新构造活动强烈、深切河谷发育、气候变化敏感、巨型滑坡泥石流等重大地质灾害（链）频发等特征.

（2）构造活动控制着地震活动的性质和空间展布，强震释放的巨大能量不仅造成地壳变位和山体开裂，而且是大型-巨型滑坡形成演化过程中的关键环节，为青藏高原重大地质灾害的孕育发生提供了重要驱动力.

（3）强烈的构造运动使得青藏高原活动断裂非常密集，区域构造应力场极其复杂，宏观上呈现一定规律，局部呈现不协调. 伴随板块的碰撞挤压、地壳变形，区域尺度上的活动断裂及其相邻地体之间的构造应力会明显增大，导致高原山区出现多个构造应力高值区，在地形因素叠加条件下，还可能引起山体局部应力集中，使得重大斜坡灾害频发，地下工程地质问题复杂.

（4）构造活动塑造的地形地貌为地质灾害的孕育提供了重要条件. 一方面，在构造活动和地表侵蚀、剥蚀作用下形成的高山峡谷、盆岭等地形地貌，是高陡斜坡孕生巨型地质灾害的必要条件；另一方面，高原隆升控制着冰川积雪分布，是导致冰岩崩、冰湖溃决、泥石流灾害的根源. 此外，多因复合是青藏高原的孕灾特色，也是巨灾孕育的重要背景.

4.2　岩体松动圈的成灾机制

岩石松动圈的形成演化与青藏高原的隆升密切相关，不同时期的隆升运动深刻影响着区域地形地貌的塑造、大江大河的发育和岩体结构面的演化，是大型地质灾害形成的载体（彭建兵等，2020）. 在深切河谷区，岩体松动圈的地质灾害效应主要在于形成易滑地质结构，从而控制着高陡斜坡起滑机制和成灾模式. 例如，2018年10月发生的白格滑坡位于强烈构造变形的金沙江上游右岸，岩体松动圈不仅完整性降低，而且深部地质作用形成的特殊岩土体（黏土化蚀变岩）在斜坡演化过程中发挥了显著的促滑作用，导致斜坡稳定性更差，在长期重力作用和后期外动力作用下易形成特大型高位滑坡-碎屑流，此类滑坡在金沙江上游比较多见（图12）. 再如，1933年的叠溪地震导致一定范围内的山体震裂和岩体震松，在后续内外动力作用下岩体破裂加剧，于2017年6月24日突发茂县新磨村巨型滑坡（许强等，2017）.

当然，不同区域的差异升降及其变形方式有所不同，造成岩体破裂方式和程度也存在一定差异，从而影响着重大地质灾害的形成演化，并在一定程度上控制着重大地质灾害的空间分布.

4.3　地表冻融圈的链灾机制

地表冻融圈的岩体在冻融循环作用下性能劣化，岩体稳定性快速变差，为高位滑坡、岩崩、冰崩、冰湖溃决等地质灾害频发提供了重要条件（图13）. 气候动力还控制着灾害链的演化过程，一旦发生灾害就有可能产生联级放大效应（吴青柏等，2021；Yin et al.， 2023）. 加之气候变暖驱动下，冰川融化后会在前缘形成冰湖，使冰湖容积增加而引起溃决链式灾害. 此外，永久冻土的退化和埋藏在湖坝中的冰融化会降低大坝的稳定性，进一步加剧了冰湖溃决风险，并导致高山峡谷区暴发冰湖溃决泥石流（Allen et al.， 2016）.

例如，雅鲁藏布江左岸色东普沟的冰川在过去40年内退缩了46%，自2014年起发生了8次冰崩碎屑流灾害事件，其中有4次导致雅鲁藏布江大规模的堵塞（童立强等，2018）. 2021年2月7日，印度查莫利发生由高位冰岩崩引发的一系列泥石流洪水灾害事件. 初始高位崩滑体失稳、解体溃散后，叠加融雪、冻融等产生的液态水在沟谷上以碎屑流形式向坡下高速运动切断河流后堆积形成堰塞坝，而后堰塞坝体溃决形成山洪灾害，严重威胁上下游区域（殷跃平等，2021）. 过去的观测已经证实，高海拔地区冰冻圈的退化和冰岩作用加剧改变了地质灾害发生的频率、位置和规模，使得滑坡、冰岩崩等灾害有沿海拔向上发展的可能（Li et al.， 2019； Jiang et al.， 2021）.

4.4　工程扰动圈的灾变机制

工程扰动会影响局部地质体的地形地貌和岩土体应力状态，导致原有平衡状态被打破，引发工程灾变（Wang et al.， 2021a， 2021b）. 工程扰动圈的灾变效应一方面表现为工程扰动引发地质灾害，例如，隧道在穿越断层和破碎带施工时，不仅会引起原岩应力重分布，影响隧道围岩稳定性，还会加剧断裂带的岩体结构破坏，导致地下水沿断裂带涌入隧道（Xia et al.， 2019）；边坡开挖会导致坡体损伤、节理裂隙强度弱化、临空面附近一定深度产生卸荷回弹等，导致边坡稳定性快速降低，甚至失稳破坏（图14a）；另一方面表现为工程扰动导致工程结构灾变（王成虎等，2019；Huang et al.， 2022； 谢和平等，2022），如引起边坡防治工程、隧道衬砌支护结构等会出现不同程度的破坏和失效现象（图14b、图14c）.

应当指出，不同圈层对于地质体和岩体稳定性的制约具有时空差异性，其致灾效应的时间尺度也跨越多个数量级（Li et al.， 2013； 兰恒星等，2021）. 虽然人们已经公认，不同圈层的互馈作用可导致不同灾种之间在一定条件下相互激发和转换，并形成灾害链效应，然而地质过程（百万年计）-地表过程（十万年计）-气候过程（万年计）-人类活动过程（千年计）是如何演化和互馈影响的，如何孕育形成大型-巨型地质灾害（链），仍然需要工程地质与地质灾害领域持续不断的研究.

5 讨论与展望

5.1　四类圈层的递次演进和互馈影响机制

青藏高原地质条件复杂，生态环境脆弱，已成为我国重大地质灾害易发区，且呈现出分布类型广、规模大、种类多、危害严重等特点. 特别是近年来受全球气候变化影响，高原峡谷区冰-岩崩滑灾害频现，可能成为青藏高原地质灾害研究的焦点. 要厘清区域重大地质灾害的动力学机制及其空间分布规律，必须宏观分析不同圈层间的耦合互馈作用，在此基础上进行巨型地质灾害风险的多动力演化过程研究.

通过前文地壳浅表圈层内部动力驱动与地质体稳定性、灾害效应分析，可将四类圈层的互馈作用机制概括为：板块构造动力作用形成构造变形圈，制约区域地质体稳定性，控制灾害的孕育；高原隆升动力形成岩体松动圈，制约工程地质体稳定性（山体稳定性），控制灾害的形成；气候变化动力形成地表冻融圈，制约工程岩土体稳定性，控制灾害链的演化；人类工程营力形成工程扰动圈，制约工程结构体稳定性，控制工程灾变发生（图15）. 其中，下级圈层对上级圈层具有包容性，且自下而上存在递进演化规律，使得岩体结构更加复杂，工程地质问题及灾害效应更加显著. 构造变形圈的地质体稳定性是青藏高原工程建设的“基石”，关乎区域场址稳定性；岩体松动圈的山体稳定性是青藏高原工程建设的“桩筏”，关乎局部场地稳定性；地表冻融圈的岩土体稳定性是青藏高原地区工程建设的“防渗”，关乎浅表层岩土体稳定性；工程扰动圈的工程岩土体稳定性是青藏高原工程建设的“衬砌”，关乎场地工点稳定性. 这一规律性认识为青藏高原重大工程和山区城镇规划建设的地质安全风险防范提供了新思路.

5.2　有待深入研究的关键问题

近年来，我国在青藏高原规划建设了多项世纪性重大工程，这些工程修建规模大、跨越复杂地质单元多、建设周期长，如何保障工程的顺利实施及安全运营、如何确保人类工程扰动保持在合理范围且最大限度减少对高原生态地质环境造成破坏，迫切需要深入研究以下关键问题：

5.2.1　多圈层跨尺度内外动力耦合作用的巨型地质灾害响应机制及其链生演化规律

多圈层地质作用及其互馈效应是近年来地学界关注的热点，其核心是深部地质过程在浅表响应的孕灾和致灾过程. 开展跨尺度研究是进行巨灾超前识别和精准预测预警的前提. 目前这两方面的研究还非常欠缺，仍存在很多未能很好阐明的问题. 例如，深部构造运动如何影响浅表地质地貌的演变，除了深部过程-浅表构造的耦合机理、内外动力耦合作用机制需要破解之外，还必须回答巨灾的发生与深部-浅表地质过程的时空关系及灾害链的主控因素，以及在巨型地质灾害链形成演化过程中岩体结构和不良地质岩性的联合控灾规律，这是进行青藏高原高山峡谷区巨灾超前识别、智能化预警的关键.

5.2.2　高寒高海拔构造活跃山区不良地质体的灾变力学行为与工程互馈效应机理

青藏高原高山峡谷区既是全球地质最复杂、构造最活跃、河谷切割最深的地区，也是构造缝合带、区域性断裂带发育区，在冻融循环、卸荷等作用下的不良地质体灾变力学行为和灾变机制极其复杂. 如何聚焦圈层作用过程中复杂的内外动力地质过程，开展卸荷、冻融循环和渗流等复杂应力环境条件下岩体松动圈、地表冻融圈不良岩土体的工程地质特性研究，揭示其宏-细-微观力学行为与时效变形规律，揭示复杂地质条件下的强度弱化和灾变演化过程及其工程效应，是厘清复杂工程地质条件并科学预测重大工程地质安全风险的关键.

5.2.3　基于地质地表过程-工程环境协调的巨灾风险防范与重大工程地质安全动态评价方法

重大工程规划建设必须符合人与自然协调规律. 以往工程实践表明，随着工程建设等人类活动的加强，常伴生出现地质环境危机，这在青藏高原地质环境脆弱区尤为明显. 因此，在开展大规模工程规划建设的同时，需要首先认知地质地表过程-工程环境的协调机制，进行重大工程地质安全风险动态评估和潜在巨灾风险. 然而，由于高原山区地质地貌条件复杂，尚有不少人迹罕至的无人区，人类工程活动与地质地貌过程的互馈机理不清、地质地表过程-工程环境的协调机制及其巨灾风险防控缺乏深入的研究，因而导致巨灾超前识别和监测预警不准、风险防控不力问题突出，亟待开展系统的巨灾风险防控与地质安全动态评价方法研究，构建适于高寒、高海拔构造活跃山区的巨灾风险防控理论体系.

6 结论

本文在简要分析青藏高原圈层作用动力背景的基础上，从工程地质视角，剖析了青藏高原圈层互馈作用及其灾害效应，为青藏高原重大工程和山区城镇规划建设的地质安全风险防范提供了新的思路. 取得如下主要认识：

（1）青藏高原板块强烈碰撞和持续变形的本质是地球圈层作用，地壳浅表关键带的圈层作用深刻影响着不同尺度的地质稳定性和灾害动力学机制，是探索持续构造变形与浅表响应、巨灾孕育机制的关键.

（2）地壳浅表关键带可分为四类圈层，即构造变形圈、岩体松动圈、地表冻融圈和工程扰动圈，分别制约着区域地质体稳定性、工程地质体（山体）稳定性、岩土体稳定性和工程结构体稳定性，这四类圈层自下而上存在递进演化规律，下级圈层对上级圈层具有包容性，使得岩体结构更加复杂，工程地质问题及灾害效应更加显著.

（3）近年来，我国在青藏高原规划建设了多项世纪性重大工程，迫切需要深入研究多圈层跨尺度内外动力耦合作用的巨型地质灾害响应机制及其链生演化规律、高寒高海拔构造活跃山区不良地质体的灾变力学行为与工程互馈效应机理，有针对性地开展重大工程地质安全动态评价并提出巨灾风险防范对策.

本文是作者多年来研究青藏高原工程地质与地质灾害问题的心得，有些方面有待进一步推敲和更多的实例验证，这还需要广大同行齐心协力，共同为国家重大工程规划建设的地质安全风险防范献计献策. 在成文过程中，中国地质调查局成都地质调查中心周洪福教授级高工、中国地质科学院地质力学研究所吴瑞安副研究员提供了部分资料，一并深表谢意！

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