“保护地球 精彩地质”作品选登——地 应 力

我们通过以下几个概念来了解地应力的含义。

应力——力学中对应力的定义是受力物体截面上内力的集度，即单位面积上的内力。考虑物体内部处于稳定热平衡状态下的一个均匀微元体，其中分子之间由相互排斥和相互吸引的力保持一定的相对位置。在热平衡状态下，这种相互作用的内力抵消而为零。但如果由于周围介质的作用，改变了分子间的相对位置，它们将产生要求回到原来平衡位置上去的力。这些力将通过微元体和周围介质的接触面上的力来表示。而应力就是接触面上力的集度。

应力状态——通过一个微元体的所有平面上的应力的总体称为该点的应力状态。一般情形下，不同方向面上的应力是不同的,不过它们相互间存在着内在的联系。实际上只需三个不同方向的面上的应力就可以表示这个总体，通常取三个垂直于坐标轴的平面上的应力来表示一点的应力状态。

地应力——地球内部应力的统称，是地壳在各种运动过程中和自重作用下，岩体在天然条件下产生的内部应力。地应力的形成主要与地球的各种动力运动过程有关，其中重力作用和构造运动是引起地应力的主要原因。

地应力场——地壳内各点的应力状态在空间分布的总合，称为地应力场。其中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。

获得地应力最直接的方法就是地应力测量，地应力测量具有非常重要的意义。地壳中的构造现象是地应力作用的结果，开展地应力探测是地质力学研究工作的一个重要方面。它对地质构造、地球动力学研究，地震预报以及矿山、水利、国防等工程中相关问题的解决具有理论和实际意义。地应力测量是确定工程岩体力学属性、进行围岩稳定性分析、实现沿途工程开挖设计和决策科学化的前提。

人们最初对地应力概念的认识以及地应力测量技术的发展都源于早期的矿山工程建设。最早的原位地应力测量起始于20世纪30年代。1932年，美国人劳伦斯在胡佛大坝下面的一个隧道中采用岩体表面应力解除法首次成功地进行了原岩应力的测量。此后，地应力测试技术一直停留在岩体表面应力测量上，发展十分缓慢，在20世纪50年代，哈斯特采用应力解除法和压磁变形计在现场进行了大规模的地应力测量，并于1958年首次公布了他于1952～1953年在瑞典拉伊斯瓦尔铅矿和斯堪的纳维亚半岛四个矿区的地应力测量结果。此后，地应力测量工作在加拿大、美国、南非、澳大利亚、瑞典等国均得到较为广泛的开展。

我国地应力测量研究起于20世纪50年代末，李四光和陈宗基为主要创始人，首次于1962～1964年在三峡平善坝址获得了岩体表面应力实测结果。1964年在大冶铁矿进行了国内首次应力解除法测量。70年代后，我国地应力测量得到了快速发展。

到目前为止，地应力测量方法有二十多种，主要分为直接法和间接法两大类：其中直接法主要包括扁千斤顶法、刚性包体应力计、水压致裂法和声发射法等；间接法包括套孔应力解除法、局部应力解除法、松弛应变测量法和地球物理探测法等。

水压致裂法有着独特的优点和广泛的应用，下面我们以漫画的形式简洁明了的给出水压致裂地应力测试的过程。

测试前，先根据钻探岩芯了解地层岩性和节理裂隙的发育、分布情况，以选取适合进行测试试验的区段。

由于钻探技术造成的取芯率低或无岩芯钻进的钻孔情况，就要借助超声波钻孔成像技术获得钻孔孔壁结构，了解岩体完整性，裂隙发育程度及位置等情况。

根据岩芯或超声波成像结果，我们选取岩体完整、原生节理/裂隙不发育的区段作为试验压裂段。封隔器的材料是可膨胀的橡胶筒套，当向其中注水加压时，封隔器会膨胀从而与孔壁紧密接触，将压裂段隔离，形成一个密闭的试验段。继续向压裂段注水加压时，当压力不断加大，由于应力集中，岩体将会在垂直于最小水平主应力的方向开裂。由于高压泵系统中装有压力传感器，试验过程中将记录下压力随时间的变化曲线。

压裂试验完成以后，将接有定向仪的印模器放置到压裂段的深度，然后用高压泵加压使印模器膨胀以紧贴孔壁，将压裂产生的裂隙复刻在印模器胶筒上。

取出印模器后，利用计算机和定向仪获得印模器基线方位值。同时用透明塑料薄膜绘下印模器上的裂缝痕迹和基线。根据基线方位值和印痕与基线之间的关系就可计算出破裂面的方位，即最大水平主压应力的方向。

取回钻孔岩心样品开展岩石力学实验，通过对岩石所处的地质环境的模拟来近似获得岩石真实的力学性质。

测试结束后，在钻孔中放置监测仪器进行地应力实时监测，这就像在地球体内放了一个听诊器。利用监测仪中传感器输出的信号，经过分析获得水位、水温，地应力实时变化，钻孔应变固体潮汐，地震应变波，同震应变阶等数据。

我们生活在一个美丽、神秘的星球——地球。她承载着亿万生命的重量，孕育着古今文明的兴盛，补给着人类精神的传承；然而，她也见证着一个又一个自然灾害带来的破坏和毁灭，低温、干旱、洪涝、飓风、暴雪、地震……彰显着生命的微小和无助。

从字面上讲，地震就是地面的震动，它是地球内部运动引起的地表震动的一种自然现象。描述地震的基本参数是震源、震中、震中距以及震级。地球内部岩层破裂引起振动的地方称为震源，是地震能量积聚和释放的地方。震源在地球表面上的垂直投影，称为震中。震中到地面任意一点的直线距离称为震中距。震级是表征地震强弱的量度，是通过测量地震波中的某个震相的振幅来衡量地震相对大小的一个量。 

自有文字记载以来，有关地震给人类造成的危害不绝于史册。尤其是中国，西部依崇山峻岭而走、蜿蜒起伏，东临大海、饱受海陆变迁的冲击。只有亲历地震的人才会终身记得这种死亡逼近的感觉：刹那之间天昏地暗、日月无光、山崩地裂，令人窒息的晃动后面是更为持久的悲戚，死亡的气息笼罩全身……

人类在大自然面前是渺小的，但人类的智慧也是无穷的，我们虽然不能操控自然的力量，但随着文明的发展和进步，相信我们终可发挥智慧的极限，与自然和平共处。长久以来，人类用自己的智慧对抗着大自然的无情和残酷，并且获得了很大的成功。然而遗憾的是，对于地震，尽管人们一直很努力的研究以试图预测它，但是直到今天为止，人类对地震孕育过程的基本规律仍然没有完全掌握，仍在不断的探索中。

地壳内部发生的各种构造及其伴生的地球物理与地球化学现象都与地应力的作用密切相关。各种褶皱、断裂是地应力作用的结果。地下流体（石油、天然气、含矿流体、地下水）在地应力的作用下运移、聚集，形成可供开采的资源。同样，地应力作用也造成多种地质灾害，如地震、矿震、煤瓦斯突出、岩爆、坑道突水、巷道变形、油井套损等。地震的发生是由于地应力的长期积累、集中、加强，同时地壳板块的应变逐渐积累，最终在应力集中区应变能突然释放的结果。

虽然地震的预报工作还没有取得振奋人心的成果，但地质工作者不会气馁，更不会“听天由命”。

李四光教授早在20世纪40年代就提出，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，值得予以重视”。地应力和地震具有密切的联系，地应力的研究也必将是地震研究甚至地震预报的一项重要内容。