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地應力是存在於地殼中的未受工程擾動的天然應力,也稱岩體初始應力、絕對應力或原岩應力,廣義上也指地球體內的應力。它包括由地熱﹑重力﹑地球自轉速度變化及其他因素產生的應力。地質力學認為﹐地殼內的應力活動是使地殼克服阻力﹑不斷運動發展的原因﹔地殼各處發生的一切形變﹐如褶皺﹑斷裂等都是地應力作用的結果。

地應力地應力分佈規律示意圖

地應力是存在於地殼中的未受工程擾動的天然應力,也稱岩體初始應力、絕對應力或原岩應力。廣義上也指地球體內的應力。它包括由地熱﹑重力﹑地球自轉速度變化及其他因素產生的應力。地質力學認為﹐地殼內的應力活動是使地殼克服阻力﹑不斷運動發展的原因﹔地殼各處發生的一切形變﹐如褶皺﹑斷裂等都是地應力作用的結果。

1 地應力 -概述

通常﹐地殼內各點的應力狀態不盡相同﹐並且應力隨(地表以下)深度的增加而線性地增加。由於所處的構造部位和地理位置不同﹐各處的應力增加的梯度也不相同。地殼內各點的應力狀態在空間分佈的總合,稱為地應力場。與地質構造運動有關的地應力場,稱為構造應力場,通常指導致構造運動的地應力場。

2 地應力 -研究

在地質力學中,構造應力場是指形成構造體系和構造型式的地應力場,包括構造體系和構造型式所展布的地區,連同它內部在形成這些構造體系和構造型式時的應力分佈狀況。

現今存在的或正在活動的地應力場稱為現今構造應力場。現在構造應力場的研究﹐既要實地考察挽近地質時期﹐特別是第四紀以來﹐岩石﹑地層發生的構造變形以及地區的升降﹐也要用適當的儀器裝置及其他方法﹐直接測量現今地應力的活動。進行地應力測量時要根據活動的構造體系﹑活動的構造帶(如地震帶)和重大工程建設要求來布置測點﹐同時配合相應的地質工作。 

3 地應力 -特徵

新構造期和在它之前的喜馬拉雅構造期的最大不同,在於應力作用的主應力方向出現了全新的特徵。在喜馬拉雅構造期,中國岩石圈的主應力方向總體來說是南北向的,其中中國西部的主應力方向是北北東-南南西走向,中國東部則為北南走向至北北西-南南東走向。

到新構造期,主應力方向發生了重大變化,除青藏高原西部和新疆大部仍主要為北北東-南南西走向外,中國北方大部已經變為北東東-南西西走向至東西走向,而中國南方大部則變為北西-南東走向,三者合起來呈現出放射狀散布的特點,這種構造應力場是以前的地史上不曾有過的,它說明印度板塊向北碰撞造成的影響已經較喜馬拉雅期為弱,而西太平洋俯衝帶的影響又開始顯現出來,二者勢均力敵的結果便是這种放射狀應力場的形成。

4 地應力 -測量

李四光教授是中國地應力測量的創始人。早在20世紀40年代就提出地殼中水平運動為主,水平應力起主導作用。他提出,地殼內的應力活動是以往和現今使地殼克服阻力,不斷運動發展的原因;地殼各部分所發生的一切變形,包括破裂,都是地應力作用的反映;劇烈的地應力活動會引起地震。因此,「地應力的探測是地質力學具有重大實際意義的一個新方面,是值得予以重視的」。

新豐江水庫地震和邢台地震后,更加重視地應力測量工作。提出,地應力測量是實現地震預報的重要途徑。他將近八十高齡還親自參加野外地應力解除試驗工作,親自分析研究由邢台地應力觀測站發回的地應力變化曲線。

在他的領導下,中國的地應力研究與測量工作得到迅速發展。現在已具備了完善的理論,多種測試儀器、手段,廣泛應用於地質、油田、礦山、水工、電站、地震等各個領域。他特別注重從活動地帶里尋找穩定地區,提出了「安全島」理論,為建廠選址提供了依據,為國民經濟建設做出了重大貢獻。

5 地應力 -與衛星軌道攝動

地下岩層突然發生斷裂,在極短時間內釋放出大量的能量,產生了地面位移和錯動並輻射出地震波,構造地震就是這樣產生的。這叫做地震的斷層成因論。多數地震學專家對此都無異議,差不多已成定論。至於斷層的產生,一般都假設是由於構造運動使地球內部的切應力慢慢積累並在某些地區集中。當積累的應力超過一定的限度時,便產生了斷裂。

可見地應力是地震孕育過程中的重要因素,全面而連續地監測地應力的變化,是探討、檢驗各種理論假說的基礎條件,也是地震預測的基礎條件。邢台地震后,李四光提出:一要調查研究地下發震層以上地層岩層的力學性質及破裂強度;二是要抓地應力場及其變化,並研究兩者的關係。

人們尚無法取得震源區的岩石介質的性質、破裂強度、應力狀態和積累速度,以及其隨時間的區域演化狀態。再者,整個地殼都在運動,應力存在於地殼的每一點上,目前尚不能取得一個地區的應力圖像及其隨時間的變化,更無法取得更多地區的應力圖像和變化,以及它們可能破裂發生地震的順序,以及震后應力調整、重新分配的過程與狀態。

6 地應力 -影響作用

地應力活動會產生或影響地質構造。劇烈的地應力活動會引起地震。地應力活動還可影響地殼內岩石﹑礦物的物理性質和化學性質。因此﹐也可以利用這種物理和化學性質的改變來分析地應力的活動情況。

地應力是引起採礦、水利水電、土木建築、鐵道、公路、軍事和其他各種地下或露天岩土開挖工程變形和破壞的根本作用力,是確定工程岩土力學屬性,進行圍岩穩定性分析,實現岩土工程開挖設計和決策科學化的必要前提。

地應力狀態對地震預報、區域地殼穩定性評價、油田油井的穩定性、核廢料的儲存、岩爆、煤和瓦斯突出的研究以及地球動力學的研究等也具有重要意義。

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