构造应力场模拟在区域工程地质研究中具有重要的作用，其宗旨在于从“场”的角度去分析工程地质问题。通过构造应力场模拟，可以帮助解决地壳稳定性评价中的重要问题，诸如研究地震、断裂、地裂缝等地质灾害的展布规律及其危险地段等，从而对区域地壳稳定性的认识获得深化和证实。构造应力场分为古构造应力场和现今构造应力场，古构造应力场模拟研究的对象是地质时期地质作用形成的各种宏观和微观构造现象，首先对它们的成因和力学机制进行分析推测，然后用构造应力场模拟去证实。现今构造应力场的模拟研究主要是对现今构造活动及其发展演化进行模拟分析，对于预测今后工程使用年限内的地壳稳定性具有十分重要的意义。
一、构造应力场数值模拟的技术流程
有限元法（Finite Element Method，FEM）已经广泛应用于地学研究中的多个领域，并已经得到长足发展。本次研究在系统分析滇藏铁路沿线活动断裂、地壳结构、工程地质岩组和现今地壳运动GPS观测结果的的基础上，运用有限元模拟通用的ANSYS软件，模拟分析了滇藏铁路沿线地壳现今运动变形场和地壳运动形成的构造应力场变化规律。构造应力场数值模拟的技术流程如下：
（1）通过野外地质调查和地质资料收集，分析滇藏铁路沿线活动断裂的运动学和地震活动特征，根据地质特征划分工程地质岩组，收集前人在该地区完成的现今地壳运动的GPS观测结果，为建立地质模型提供依据。
（2）搜集各种材料的参数数据，包括工程地质岩组、断裂带和蛇绿岩带的弹性模量及泊松比等，为建立几何模型提供数据。
（3）建立几何模型和数学模型，综合考虑研究区重要断裂两侧的地块运动特征及GPS位移监测数据，确定模型的边界条件。鉴于研究区开展了较为系统的GPS位移监测，获得了比较详细的地表位移方向和速率方面的监测数据，故本项模拟研究采用了位移边界。
（4）通过对数值模拟结果分析，定量地研究滇藏铁路沿线位移和应力等方面的变化特征及其对铁路建设的影响，提出相应的工程防治建议。
二、地质模型的建立
地质模型的原点选在研究区的左下角，坐标为：90°5′E，25°20′N。X轴方向为EW方向，向东为正，Y轴方向为SN方向，向北为正。所确定的模型长度为1152 km（EW向，为最长边），宽度为603 km（南北向，为最长边）。考虑到印度洋板块处于此次模拟范围之外，且拟选用的边界条件为位移边界，故此次模拟计算没有将印度洋板块包括在内。
根据研究区的地质发育特征和不同地质体的岩石力学性质进行了工程地质岩组的划分和简化，划分出11种材料类型，包括花岗岩类、火山岩类、沉积岩类（按岩性分为4个亚类）、片麻岩类（按岩性分为2个亚类）、蛇绿岩带、混杂岩带和断裂带等。为尽量接近模拟的真实性，在模型中断裂带的宽度设定为4 km（图7-7）。
三、数学模型的建立
1.网格的划分
本次模拟计算采用的单元是PLANE42单元，此单元可以作为平面应力单元，能满足模拟计算的要求。为了提高模拟的精度，在划分网格时，将单元格的大小尽量减小，但网格太小，在计算过程中又过大地消耗计算机资源。经过不断尝试，最终将断裂带的网格边长定为4 km，其余地块的网格边长定为10 km，采用计算机自由方式自动划分网格，本模型共计划分单元格9487个，节点9089个（图7-8）。
图7-7 滇藏铁路沿线二维地质模型示意图
图7-8 网格划分及GPS位移荷载位置图
2.地质体岩石力学参数的选取
根据岩石力学试验结果并参照前人所采用的经验数据，对研究区各种地质单元进行岩石力学参数的筛选和赋值，所采用的岩石力学参数如表7-2所示。
表7-2 计算模型材料参数表
3.模型约束及荷载的确定
青藏高原现今变形速度场及其GPS观数据为滇藏铁路沿线构造应力场及速度场的模拟提供了极好的约束条件和检验标准。在模拟计算过程中，采用已有的GPS测点位移（相对欧亚板块）作为初始位移荷载（东西方向和南北方向分别施加位移荷载），具体的做法是将GPS监测获得的位移速率值乘以1.0万年（相当于全新世以来产生的位移）。模型中GPS观测点位置和位移荷载分布如图7-8所示，计算所采用的GPS位移值（EW方向和SN方向的位移分量）如表7-3所示。
表7-3 模拟计算所用的GPS测点位移速率
四、计算结果分析
1.位移场特征
青藏高原沿主要走滑断裂向东的运动作为“大陆逃逸”地球动力学模型的重要证据而被提出，并得到了近期GPS观测结果的验证，以GPS观测结果作为边界条件模拟计算的滇藏铁路沿线地壳位移速度场再现了地壳物质绕东喜马拉雅构造结发生的涡旋运动（图7-9）。
图7-9 研究区位移矢量图（单位：m）
由图7-10可见，地壳物质向东弥散性的流动速度自西向东减慢，由藏南地区的25 mm/a～39 mm/a变化到藏东南地区的15 mm/a～18 mm/a，到滇西北地区递减为8 mm/a～11 mm/a，其衰减规律及量值与GPS观测结果一致（图7-6）。另一方面，地壳物质向东流动明显受到活动断裂的影响，在横跨断裂处位移速率发生跳跃，如巴塘断裂和理塘断裂等。这表明青藏高原的现今构造变形虽然可以用连续变形来描述，但现今活动断裂对吸收地壳变形的贡献也非常明显，断裂走向与地壳运动方向的夹角决定了断裂活动方式。通过前面活动断裂调查与分析可以发现，断裂现今运动方式在很大程度上受现今地壳运动所控制，如NE向的周城-清水断裂走向与地壳运动方向几乎垂直，所以该断裂具逆冲性质。
2.应力场特征
（1）区域应力方向特征
来自印度板块的NNE向水平挤压及地壳物质绕东喜马拉雅构造结的旋转控制了滇藏铁路沿线地壳应力场。由图7-10可见，区域应力场与构造运动特征是复杂而有规律的，在受到强烈挤压应力场控制的同时，出现局部拉张应力场，主应力方向有规律地发生偏转。
在滇西北区，近EW和NE向张应力场取代NW向主压应力而占主导地位，在红河断裂和程海断裂之间以NEE向张应力为主，大量的新生代断陷盆地及活动正断层形成于该张应力区。由模拟计算求得的该区主应力方向与断裂运动性质基本吻合，从而为滇西北地区断裂活动方式的判断找到了力学依据。
在藏东南区的西部为稳定的NW向挤压应力，向东部则NW向主压应力逐渐减弱，NE向和近SN向张应力得到加强。受巴塘断裂、金沙江断裂和理塘断裂的控制，主压应力在NW向强势背景上呈向南舌状弯曲，指示出地壳物质的向南滑移及金沙江断裂的逆冲运动和理塘断裂的左旋运动的应力场特征，而巴塘断裂则受到NW向挤压和NNE向引张应力场的控制，从断裂走向与应力场关系判断，巴塘断裂在右旋走滑的同时还可能叠加正断分量。由于地壳的南向运动，在巴塘断裂和金沙江断裂交汇地带出现近SN向引张应力，其量值已明显超过该区的最大主压应力值，周荣军等（2005）认为1989年巴塘6.7级震群属于挤压构造环境内正断层控制的地震群，SN向扩张应力场控制着该地区的地震活动，这与我们的模拟结果比较吻合。
图7-10 研究区主应力矢量图
在藏南区，错那-沃卡裂谷带以西，最大主压应力以近SN向和NNW-SSE向为主，应力值由南向北递减，亚东-谷露裂谷带和错那-沃卡裂谷带等藏南裂谷系的发育明显受到印度板块持续向北推移挤压应力控制；错那-沃卡裂谷带以东，最大主压应力突然转向EW向，在越过东喜马拉雅构造结以后又转向NW向，其方向变化规律无疑与地壳现代运动有关。另外，由于受到深大断裂的影响，作为两大板块结合带的雅鲁藏布江断裂带成为地壳现今构造应力场的分水岭。在断裂以南，EW向拉张应力占主导地位，而断裂以北为低量值的EW向压应力，沿南迦巴瓦峰向北突出地带出现NNE向的透入性张应力。构造应力变化急剧的地段通常是构造活动和地震活动强烈地区，而应力状态稳定区也是地壳相对稳定区。
（2）应力大小变化规律
从图7-11、图7-12和图7-13可以看出，区域最大主应力、最小主应力和剪应力均受地壳结构和断裂构造的控制。
在滇西北区，最大主应力的高值区多出现在现今活动断裂交汇处，如红河断裂与程海断裂的交汇处、红河断裂与丽江-剑川断裂的交汇处、程海断裂与甲米断裂和丽江-小金河断裂的交汇处等；最小主应力的异常区主要分布在大理的洱海盆地及其东部；在滇西北区出现多个剪应力高值区，主要分布在大理、宾川、洱源、姚安和维西等地，这些地带正是区域性活动断裂强烈活动及历史地震的多发区。
在藏东南区（三江区），最大主应力高值区和最大剪应力高值区主要出现在巴塘断裂带和理塘断裂带附近，近EW向展布，与其分布范围与现今地震强烈活动区比较接近，特别是最大剪应力分布区与1989年巴塘6.7级强震群空间位置相吻合，最大主应力主要表现为压应力，其中在巴塘-理塘断裂带附近和金沙江断裂带附近压应力比较集中，最大剪应力高值区向西延伸到EW向的八宿断裂带，这里正是现代地震活动频繁的EW向构造带。地球物理探测结果表明，在云南三江地区近SN向构造背景下存在多条与之正交的近EW向构造（管烨等，2004），这些近EW向构造呈现出隐伏或深部构造特点，它的形成可能是青藏高原碰撞后地壳物质向南东挤出的深部物质流变构造的反映，也可能是类似于藏南裂谷系的走滑拉伸环境下的伸展构造。虽然目前对EW向新生构造的成因机制还有待进一步研究，但该区高应力环境及其潜在的地震及外动力地质灾害值得重视。
图7-11 最大主应力（σ1）云图（单位：MPa）
图7-12 最小主应力（σ3）云图（单位：MPa）
图7-13 研究区主剪应力（τxy）云图（单位：MPa）
在藏南区及藏东南区西部，最大主应力高值区主要出现在通麦一带的东喜马拉雅构造结向北突出的部位及其与嘉黎断裂带结合部位、错那-沃卡裂谷带南段和亚东-谷露裂谷带北段由SN向转为NE向的转折处，这些部位为历史地震的多发区；最小主应力高值区在东喜马拉雅构造结向北突出部位与嘉黎断裂带结合部位、错那-沃卡裂谷带和嘉黎断裂带的个别段落；最大剪应力则与最大主应力和最小主应力分布相呼应，主要分布在东喜马拉雅构造结及其向北突出的部位、亚东-谷露裂谷带北段、错那-沃卡裂谷带与雅江断裂带交汇部位等，这些区域都是构造活动强烈区。