关于地应力介绍

[拼音]：diyingli

[外文]：crustal stress

存在于地壳中的应力，即由于岩石形变而引起的介质内部单位面积上的作用力。它一般包括两部分：

（1）由覆盖岩石的重量引起的应力；

（2）由邻近地块或底部传递过来的构造应力。前者是由引力和地球自转惯性离心力引起的应力。设以Z轴垂直于地表向下，其垂直分量σZ一般就等于单位面积上覆岩石的重量（以压应力为正）

σZ=ρgZ，

式中ρg 是上覆岩石的平均容重，Z为深度。其水平分量按照d性理论应为：

σX =σY=[v/(1-v)]σZ，

式中V为岩石的泊松比，在0.15～0.30之间。然而由于地球介质在长时间应力作用下发生流变，使水平与垂直应力分量之间的应力差逐渐消失，所以一般认为重力引起的是一个各向均等的静应力状态，即

σX =σY =σZ =ρgZ，

在构造地质学中称为标准状态。构造应力是指与标准状态差异的部分，它除了包括由邻近地块或底部传来的现代构造应力外，还可能包括过去构造运动残留下来而尚未完全松弛掉的残留应力，以及附近人为工程（如隧洞、开采面）引起的应力变化。在工程界也有人取地应力垂直分量和水平分量公式为标准应力状态，来考虑偏离它的应力部分。

构造应力直接反映地壳运动的动力源，它是造成地震的一个重要因素。在构造应力强烈的地区开挖隧洞，由于洞壁成为自由表面，这里就容易变形，使洞体逐渐缩小或造成坍塌。因此研究地应力具有重要的意义。

寻求地应力的方法有：

现场应力测定

大致可分3种方法：

（1）应力解除法

在地表或井巷壁（图1a，开导孔）上钻一个直径几厘米的孔（图1b），在其中安装几个在不同方向测量孔径变化的元件（图1c），然后在孔周围几倍孔径的地方挖一个解除槽（图1d），使岩心与周围岩体隔开，不再受周围地应力的作用，这时元件将反映孔径的变化。假定这是一个d性变化过程，就可以据此反过来算出在应力解除前作用在这个岩体上的应力。

（2）应力恢复法 在要测应力的地点周围先安放测量变形的仪器，记下读数，然后在这里挖一解除槽。在槽内垫入一个或几个可充气压的压力枕，增加其中的气压使周围测形变的仪器恢复原有读数，压力枕中的气压就是垂直于解除槽的正应力。这个方法不需假定岩体是d性。

以上两种方法一般只能测出地壳浅层的应力，最深曾在2400米以下的井巷中采用过。

（3）水压致裂法 利用深石油钻井，在某一深度处将其上下封住，增加中间段的水压，当水压突然下降时，说明井壁开裂，由此可推算垂直于裂缝的主应力大小，通过井下照相或印模法可定出它的方向，这个方法可测得较深处的地应力，例如曾到达5100米深处，但精度不及前两种方法。

震源机制解求应力方向

根据不同地震台站接收到的P波初动是向上或向下，可以定出震源处的两个节面和主应力的方向。虽然它和震源深度处的构造主应力方向还有差别，不过一般认为，在一个地区多次地震机制解的统计平均方向接近构造主应力的方向。这个方法不能定出主应力的大小。

地应力场的反演

根据从地质学、大地测量学、地震学得到的地壳运动特征和本地区的岩性，假设一组作用在此地区的外力，就可以进行应力场和形变场的计算。将计算结果与实测数据比较，若符合不好就在合理范围内调整参数重新计算，由此，通过反演可以得出一个区域的或全球的应力场。这个方法必须对深部结构、岩性、外力的分布和残留应力场作一定假设，所得的解不是唯一的。解的精度有赖于所用资料的精度。

20世纪70年代，根据全球现场应力测量的结果，对于地壳上部（最深达2500米）的应力有如下认识：

（1）在结晶基底岩石和许多褶皱带中，平均水平应力通常超过覆盖压力。哈斯特(N.Hast)曾于1969年建议：

Z单位为米，σx、σy单位为兆帕。

（2）在沉积盖层区和节理岩体中，平均水平应力小于覆盖压力，布林(Bulin)于1971年建议：

（3）两个水平主应力通常是不相等的，最大剪应力随深度而增加（图2），表明存在现代构造应力。

（4）古老岩石中存在着残留应力，表明地壳岩石具有一定屈服强度，d性应变能可以保存至少107年，甚至可能达109年。

如何更好地测定深部的应力状态和更好地反演地应力场，都是研究中的重要问题。

参考书目

1. 耶格和库克著，中国科学院工程力学研究所译：《岩石力学基础》，第3版，科学出版社，北京，1981。(J.C.Jaeger and N.G.W. Cook， Fundamentals of Rock Mechanics，3rd ed.，Chapman and Hall，London，1979.)
2. 中国地质科学院地质力学研究所及国家地震局地震地质大队编著：《地应力测量的原理和应用》，地质出版社，北京，1981。
3. A.McGarr and N.C.Gay，State of Stress in the Earth Crust，Annual Review Earth Planetary Sciences，No.6，pp.405～436，1978.