地壳应力场

　　《地壳应力场》是关于岩石应力的书，适合于地球科学和岩石工程领域的学生，可以拓宽有关地壳应力场研究的视野。《地壳应力场》包括有关应力基本概念的介绍，使学生能够在不用担心练习中的矩阵变换情况下掌握柯西应力原理。对数学、物理、工程感兴趣的学生能够学会套芯解除法中通过应变计来测量原地应力。《地壳应力场》还展示了如四元封隔器、凯瑟效应等地应力测量前沿技术，以及如水压致裂等地应力测量传统技术。此外，《地壳应力场》还对地应力测量的钻孔技术（钻孔崩落）和基于岩芯的方法（非弹性应变恢复法）进行了解释。关于应力数据方面，我们选取了科学超深钻项目（德国，KTB）、核废料储存工程（奥尔基洛托，芬兰）和地震活动断层监测（SAFOD，美国）三个工程实例进行了详细的说明。世界应力图项目所产生的应力汇编也在《地壳应力场》中给出，并通过板块构造理论进行了解释。《地壳应力场》包括相关的练习以及由17个视频讲座构成的DVD光盘。视频讲座包括实验测试、现场用的技术设备以及对岩石应力领域著名专家的采访。世界应力图数据库也包含在DVD光盘内。

　　基本介绍内容简介

　　《地壳应力场》第一部分开始从连续介质力学角度介绍应力的物理概念，紧接着从经典理论到材料强度和现代断裂力学角度介绍了岩石的破坏，然后从材料科学和岩石工程角度介绍了岩石应力术语，最后，给出描述地壳应力大小随深度变化的简单物理模型。《地壳应力场》第二部分首先介绍了应力测量中的物理学方法，这些方法利用材料科学领域的标准实验物理技术确定残余应力，紧接着针对地应力测量方法。《地壳应力场》分为基于钻孔的技术（如套芯解除法、水压致裂法、钻孔崩落法）和基于岩芯的方法（如非弹性应变恢复法、凯瑟效应法）这两章分别来介绍：“区域应力数据”这一章重点论述综合应力测量策略的方方面面以及在科学深钻计划（KTB，德国）、核废料储存工程（奥尔基洛托，芬兰）和地震活动断层监测（SAFOD，美国）中的应用；在“通用应力数据”这一章主要报道应力大小剖面和应力方向图的一般趋势，其中应力状态尺度关系被用来建立最佳应力估算模型。最后一章依据板块构造概念，从热自平衡行星地球角度来解释欧洲和世界应力图。1

　　作者简介

　　作者：（德国）阿尔诺·赞格（Zang A.） （德国）奥韦·斯特凡松（Stephansson O.） 译者：田家勇 王成虎

　　阿尔诺·H.W.赞格，地球物理学家，现任德国地球科学研究中心正式职员和波茨坦大学私人讲师，于美因河畔法兰克福歌德大学获得自然哲学博士学位，于波茨坦大学获得自然科学教授资格。研究领域包括岩石物理学、实验断裂力学、裂纹扩展、地球科学中的地壳应力和尺度问题。他大部分时间都在德国地球科学研究中心工作，期间曾在科罗拉多博尔德环境科学合作研究所任访问学者、KTB项目应力任务组成员、美国纽约州立大学石溪分校博士后。

　　奥韦·J.斯特凡松，德国地球科学研究中心访问教授、瑞典皇家理工学院工程地质学荣誉退休教授，于瑞典乌普萨拉大学获得博士学位并在该校任讲师。研究领域包括岩石应力及测量、岩石断裂力学、岩石力学模拟、岩石工程。他大部分时间都在瑞典吕勒奥理工大学和瑞典皇家理工学院工作，期间曾在科罗拉多矿业大学和赫尔辛基工业大学任访问教授、澳大利亚联邦科学与工业研究组织矿物物理研究部博士后。

　　图书目录

　　第1章 引言

　　1.1物体内部应力

　　1.2岩石应力的重要性

　　1.3对岩石应力关注的历史

　　第一部分定义与术语

　　第2章 应力定义

　　2.1应力张量

　　2.2主应力

　　2.3应力摩尔圆

　　2.4应力的可视化

　　第3章 岩石破裂准则

　　3.1宏观唯象理论

　　3.2微观机制破裂理论

　　3.3断裂力学

　　3.3.1裂纹起裂

　　3.3.2裂纹传播

　　3.3.3裂纹相互作用与贯通

　　3.4非线性断裂力学

　　第4章 岩石应力术语

　　4.1重力

　　4.2构造应力

　　4.3残余应力

　　4.4结构应力

　　4.4.1各向异性

　　4.4.2非均匀质性

　　第5章 地壳应力模型

　　5.1静岩应力

　　5.2双轴应力状态

　　5.3构造应力场

　　5.4有效应力

　　5.5实验室应力深度剖面

　　第二部分应力测量

　　第6章 应力测量的物理学方法

　　6.1力学方法

　　6.2应变计和套芯解除

　　6.3衍射方法

　　6.4光学方法

　　6.5超声波速法

　　6.6微磁方法

　　第7章 地壳应力测量：基于钻孔的方法

　　7.1测量技术分类

　　7.2水压致裂法

　　7.2.1水压致裂的理论基础

　　7.2.2水压致裂应力测量实践

　　7.3钻孔崩落

　　7.3.1钻孔崩落的相关理论

　　7.3.2钻孔崩落分析的应用

　　第8章 地壳应力测量：基于岩芯的方法

　　8.1非弹性应变恢复法

　　8.1.1流变学基础

　　8.1.2松弛观测仪器

　　8.2凯瑟效应

　　8.2.1凯瑟效应三轴应力法

　　8.2.2单轴凯瑟应力法

　　8.2.3岩芯损伤与凯瑟应力

　　8.2.4微物理模型

　　第三部分应力数据解释

　　第9章 区域应力数据

　　9.1德国大陆深钻场地（KTB）

　　9.2核废料场地（芬兰奥尔基洛托）

　　9.3美国圣安德烈斯断层深部观测网络

　　第10章 通用应力数据分析

　　10.1应力大小的深度剖面

　　10.2应力方向图和迹线平滑

　　10.3应力状态与尺度相关性

　　10.4最佳应力估算模型

　　10.4.1数据提取与干扰

　　10.4.2应力测量方法

　　10.4.3综合应力分析和模拟

　　10.4.4最终岩石应力模型

　　第11章 全球地应力

　　11.1欧洲应力数据

　　11.2世界应力图

　　11.3板块构造解释

　　结束语

　　参考文献

　　光盘内容

　　理论发展历史

　　地质力学家李四光从20世纪20年代开始，最早研究了中国的地壳构造应力场。他分析了各种地质构造形态，并辅以泥巴实验，反推了形成构造形态的作用力。他首先注意到许多构造形态 “主要起源于水平力的作用”。

　　20世纪60年代后，地震震源机制分析成为研究地球构造应力场的一种主要手段。60年代初，郭增建和张诚 （1962）首次分析了中国境内22个大地震的震源机制。1972年国家地震局组织震源机制研究小组（王妙月、宋惠珍等人），分析研究了中国1933～1971年间发生的200余次大地震的震源机制解，发现中国大陆现代构造应力场的一个基本特征是最大和最小主压应力的 “水平分量大于垂直分量”（国家地震局震源机制研究小组，1973）。以后，阚荣举（1977）发现川、滇地区引起地震的最大主压应力方向以NW-SE向为主，李钦祖（1980）发现华北地区地壳现代构造应力场的主应力方向相当均一。

　　70年代初期以后，全国许多区域地震台网相继建立，积累了大量中、小地震的记录资料。80年代期间，许忠淮等根据多个地震初至波振动方向推断了全国主要地震区的主应力方向分布，揭示出中国大陆现代构造应力场存在统一性的特征，即青藏高原外围广大地区，最大和最小主压应力轴是水平的，处于易发生走滑断层运动的应力状态，最大主压应力方向从青藏高原向外呈辐射状分布，最小主压应力方向（相对伸张变形方向）围绕青藏高原呈环状分布，青藏高原东南侧主应力方向从北到南显示明显的顺时针转动。后来的研究指出，青藏高原周边处于逆断层型应力状态，最大主压应力方向基本垂直于高原边界; 高原内部多处于近东西方向受张的正断层型应力状态。叶义雄等对中国台湾地区构造应力场的研究结果表明，该区最大主压应力轴是水平的，主要取NW——SE方向，从北到南呈现出一定的向大陆方向散开的 “扇形”分布特征。

　　用地震震源机制分析法无法了解地应力的绝对大小。20世纪60年代后，中国发展了可测量地应力绝对大小的现场地应力测量方法，国家地震局地壳应力研究所、中国地质科学院地质力学研究所等单位先后在国内上百个地点用应力解除法（套心法）测量了主压应力方向和大小。这些测量多限于地表下几十米以内的深度，发现许多地区近地表处水平应力比垂直应力大得多。1980年以后，一些学者在华北、云南、四川三峡等地开展了水压致裂地应力测量，最大测量深度达地下800米左右。这些测量发现地下普遍存在水平剪切应力的作用，在地下几百米范围内，剪应力大小多为几兆帕至十几兆帕。到90年代，水压致裂法地应力测量已成为水库、矿山等重大工程需要的基本地应力测量手段。研究人员还从油田井孔水压致裂施工资料中分析出地下深达4000余米处地应力大小的信息，发现华北地区沉积盆地多处于SH>Sv>Sh的应力状态，SH和Sh分别为最大和最小水平主压应力，Sv是由岩石自重计算的垂直主应力。

　　中国自80年代中期以后广泛开展了用井孔孔壁崩落资料研究地应力场的工作，除对少量井孔用井下电视方法测量过孔壁崩落外，大多数研究利用油田地层倾角测井记录中的井径测量资料。研究结果不断揭示了地壳浅层应力场的空间不均匀性，发现了应力方向和差应力大小随深度的复杂变化。分析了南黄海和东海地区井孔崩落资料后，许忠淮和吴少武（1997）发现东海地区水平差应力较弱水平最大主压应力方向是NE-SW方向。利用直立井孔崩落资料一般只能研究水平主应力方向，在有倾斜方向变化的斜井井孔崩落资料时，也可能提取应力大小信息，反演出地下的应力张量。

　　断层是在应力作用下发生滑动的，由多个断层滑动方向数据可反演控制断层滑动的平均应力场。80年代中后期，中国研究人员用此法研究了多个地区的应力场。谢富仁等（1993）用断层滑动方向反演法得到川、滇地区第四纪构造应力场主应力方向的分布，其特征与由震源机制解推断的结果相当一致，说明该地区处于走滑断层型应力状态，并存在应力方向的系统转动。谢富仁和刘光勋（1989）还用此法发现了阿尔金断裂带中段上新世以来构造应力场的两期变化。

　　60年代以后，中国研究人员还通过形变测量资料分析、水系走向分析、岩石节理统计、岩石声发射探测（凯撒效应）、地震横波分裂观测、岩石矿物晶格错位的X射线探测等多种方法研究了中国不同地区的现代和古代构造应力场，尽管这些作为研究地下应力场的方法还不够成熟或精度不高，但在发展方法和了解中国地壳应力场特征方面做出了贡献。有不少人做过许多物理和数值模拟试验研究。有大量以工程应用为目的的地应力研究，为解决生产实际问题做出了贡献。

　　本词条内容贡献者为:

　　郭亮 - 副教授 - 中国海洋大学