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。
含义
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。
特征
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。
研究
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。
测量
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。
应用
三维地应力回归分析方法与工程应用
初始地应力是岩土工程设计与施工所要考虑的重要因素之一,根据实测地应力资料,采取三维有限元回归分析方法,充分考虑岩体自重与构造应力的影响,利用多元线性回归原理,可得到计算区域的初始地应力场.对某高速公路隧道的地应力回归分析结果表明,计算结果与实测值吻合较好,可作为工程设计与施工的依据.
卫星摄动
地下岩层突然发生断裂,在极短时间内释放出大量的能量,产生了地面位移和错动并辐射出
地震波,构造地震就是这样产生的。这叫做地震的断层成因论。多数
地震学专家对此都无异议,差不多已成定论。至于
断层的产生,一般都假设是由于
构造运动使地球内部的
切应力慢慢积累并在某些地区集中。当积累的应力超过一定的限度时,便产生了断裂。
可见地应力是地震孕育过程中的重要因素,全面而连续地监测地应力的变化,是探讨、检验各种理论假说的基础条件,也是
地震预测的基础条件。
邢台地震后,李四光提出:一要调查研究地下发震层以上地层岩层的力学性质及
破裂强度;二是要抓
地应力场及其变化,并研究两者的关系。
人们尚无法取得
震源区的岩石介质的性质、破裂强度、
应力状态和积累速度,以及其随时间的区域演化状态。再者,整个地壳都在运动,应力存在于地壳的每一点上,尚不能取得一个地区的应力图像及其随时间的变化,更无法取得更多地区的应力图像和变化,以及它们可能破裂发生地震的顺序,以及震后应力调整、重新分配的过程与状态。
影响
地应力活动会影响或产生地质构造。剧烈的地应力活动会引起地震。地应力活动还可影响地壳内岩石﹑矿物的
物理性质和
化学性质。因此﹐也可以利用这种物理和化学性质的改变来分析地应力的活动情况。
地应力是引起采矿、水利水电、土木建筑、铁道、公路、军事和其他各种地下或露天
岩土开挖工程变形和破坏的根本作用力,是确定工程
岩土力学属性,进行围岩稳定性分析,实现岩土工程开挖设计和决策科学化的必要前提。
地应力状态对地震预报、
区域地壳稳定性评价、油田油井的稳定性、
核废料的储存、
岩爆、煤和
瓦斯突出的研究以及
地球动力学的研究等也具有重要意义。