地应力的定义与确定方法
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地应力是地壳内由多种因素如岩石形变、重力、构造运动及人为工程等产生的应力。其中,构造应力对地震发生有重要影响。地应力场描述了地壳内应力状态的空间分布,与地质构造运动紧密相连。中国地应力在不同地质时期呈现出多样特征,反映了板块运动的复杂性。现今对地应力场的研究结合了实地考察和仪器测量。李四光教授作为地应力测量的先驱,强调其地质力学意义,推动了地应力研究与应用。地应力研究在多个领域具有广泛应用,为国民经济建设提供了重要支撑。
地应力(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,它是由引力和地球自转惯性离心力引起的;(2)由邻近地块或底部传递过来的构造应力。这种应力是指与标准状态差异的部分,它除包括由邻近地块或底部传来的现代构造应力外,还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。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。
地应力是在漫长的地质年代里,由于地质构造运动等原因使地壳物质产生了内应力效应,这种应力称为地应力,它是地壳应力的统称。地应力是存在于地壳中的未受工程扰动的天然应力,也称岩体初始应力、绝对应力或原岩应力,广义上也指地球体内的应力。它包括由地热﹑重力﹑地球自转速度变化及其他因素产生的应力。
通常﹐地壳内各点的应力状态不尽相同﹐并且应力随(地表以下)深度的增加而线性地增加。由于所处的构造部位和地理位置不同﹐各处的应力增加的梯度也不相同。地壳内各点的应力状态在空间分布的总合,称为地应力场。与地质构造运动有关的地应力场,称为构造应力场,通常指导致构造运动的地应力场。地质力学认为﹐地壳内的应力活动是使地壳克服阻力﹑不断运动发展的原因﹔地壳各处发生的一切形变﹐如褶皱﹑断裂等都是地应力作用的结果。新构造期和在它之前的喜马拉雅构造期的最大不同,在于应力作用的主应力方向出现了全新的特征。在喜马拉雅构造期,中国岩石圈的主应力方向总体来说是南北向的,其中中国西部的主应力方向是北北东-南南西走向,中国东部则为北南走向至北北西-南南东走向。
到新构造期,主应力方向发生了重大变化,除青藏高原西部和新疆大部仍主要为北北东-南南西走向外,中国北方大部已经变为北东东-南西西走向至东西走向,而中国南方大部则变为北西-南东走向,三者合起来呈现出放射状散布的特点,这种构造应力场是以前的地史上不曾有过的,它说明印度板块向北碰撞造成的影响已经较喜马拉雅期为弱,而西太平洋俯冲带的影响又开始显现出来,二者势均力敌的结果便是这种放射状应力场的形成。在地质力学中,构造应力场是指形成构造体系和构造型式的地应力场,包括构造体系和构造型式所展布的地区,连同它内部在形成这些构造体系和构造型式时的应力分布状况。现今存在的或正在活动的地应力场称为现今构造应力场。构造应力场的研究﹐既要实地考察挽近地质时期﹐特别是第四纪以来﹐岩石﹑地层发生的构造变形以及地区的升降﹐也要用适当的仪器装置及其他方法﹐直接测量现今地应力的活动。进行地应力测量时要根据活动的构造体系﹑活动的构造带(如地震带)和重大工程建设要求来布置测点﹐同时配合相应的地质工作。李四光教授是中国地应力测量的创始人。早在20世纪20年代就提出地壳中水平运动为主,水平应力起主导作用。他提出,地壳内的应力活动是以往和现今使地壳克服阻力,不断运动发展的原因;地壳各部分所发生的一切变形,包括破裂,都是地应力作用的反映;剧烈的地应力活动会引起地震。因此,“地应力的探测是地质力学具有重大实际意义的一个新方面,是值得予以重视的”。新丰江水库地震和邢台地震后,更加重视地应力测量工作。提出,地应力测量是实现地震预报的重要途径。他将近八十高龄还亲自参加野外地应力解除试验工作,亲自分析研究由邢台地应力观测站发回的地应力变化曲线。在他的领导下,中国的地应力研究与测量工作得到迅速发展。已具备了完善的理论,多种测试仪器、手段,广泛应用于地质、油田、矿山、水工、电站、地震等各个领域。他特别注重从活动地带里寻找稳定地区,提出了“安全岛”理论,为建厂选址提供了依据,为国民经济建设做出了重大贡献。