地殼應力場

《地殼應力場》是關於岩石應力的書，適合於地球科學和岩石工程領域的學生，可以拓寬有關地殼應力場研究的視野。《地殼應力場》包括有關應力基本概念的介紹，使學生能夠在不用擔心練習中的矩陣變換情況下掌握柯西應力原理。對數學、物理、工程感興趣的學生能夠學會套芯解除法中通過應變計來測量原地應力。《地殼應力場》還展示了如四元封隔器、凱瑟效應等地應力測量前沿技術，以及如水壓致裂等地應力測量傳統技術。此外，《地殼應力場》還對地應力測量的鑽孔技術（鑽孔崩落）和基於岩芯的方法（非彈性應變恢復法）進行了解釋。關於應力數據方面，我們選取了科學超深鑽項目（德國，KTB）、核廢料儲存工程（奧爾基洛托，芬蘭）和地震活動斷層監測（SAFOD，美國）三個工程實例進行了詳細的說明。世界應力圖項目所產生的應力彙編也在《地殼應力場》中給出，並通過板塊構造理論進行了解釋。《地殼應力場》包括相關的練習以及由17個視頻講座構成的DVD光碟。視頻講座包括實驗測試、現場用的技術設備以及對岩石應力領域著名專家的採訪。世界應力圖資料庫也包含在DVD光碟內。

基本介紹

• 中文名：地殼應力場
• 外文名：Grustal Stress Field
• 學科：構造地質學
• 出版社：地震出版社
• 頁數：359頁
• 開本：16
• 作者：阿爾諾·贊格 (Zang A.)
• 出版日期：2013年10月1日
• 語種：簡體中文

基本介紹

內容簡介

《地殼應力場》第一部分開始從連續介質力學角度介紹應力的物理概念，緊接著從經典理論到材料強度和現代斷裂力學角度介紹了岩石的破壞，然後從材料科學和岩石工程角度介紹了岩石應力術語，最後，給出描述地殼應力大小隨深度變化的簡單物理模型。《地殼應力場》第二部分首先介紹了應力測量中的物理學方法，這些方法利用材料科學領域的標準實驗物理技術確定殘餘應力，緊接著針對地應力測量方法。《地殼應力場》分為基於鑽孔的技術（如套芯解除法、水壓致裂法、鑽孔崩落法）和基於岩芯的方法（如非彈性應變恢復法、凱瑟效應法）這兩章分別來介紹：“區域應力數據”這一章重點論述綜合應力測量策略的方方面面以及在科學深鑽計畫（KTB，德國）、核廢料儲存工程（奧爾基洛托，芬蘭）和地震活動斷層監測（SAFOD，美國）中的套用；在“通用應力數據”這一章主要報導應力大小剖面和應力方向圖的一般趨勢，其中應力狀態尺度關係被用來建立最佳應力估算模型。最後一章依據板塊構造概念，從熱自平衡行星地球角度來解釋歐洲和世界應力圖。

作者簡介

作者：（德國）阿爾諾·贊格（Zang A.） （德國）奧韋·斯特凡松（Stephansson O.） 譯者：田家勇 王成虎
阿爾諾·H.W.贊格，地球物理學家，現任德國地球科學研究中心正式職員和波茨坦大學私人講師，於美因河畔法蘭克福歌德大學獲得自然哲學博士學位，于波茨坦大學獲得自然科學教授資格。研究領域包括岩石物理學、實驗斷裂力學、裂紋擴展、地球科學中的地殼應力和尺度問題。他大部分時間都在德國地球科學研究中心工作，期間曾在科羅拉多博爾德環境科學合作研究所任訪問學者、KTB項目應力任務組成員、美國紐約州立大學石溪分校博士後。
奧韋·J.斯特凡松，德國地球科學研究中心訪問教授、瑞典皇家理工學院工程地質學榮譽退休教授，於瑞典烏普薩拉大學獲得博士學位並在該校任講師。研究領域包括岩石應力及測量、岩石斷裂力學、岩石力學模擬、岩石工程。他大部分時間都在瑞典呂勒奧理工大學和瑞典皇家理工學院工作，期間曾在科羅拉多礦業大學和赫爾辛基工業大學任訪問教授、澳大利亞聯邦科學與工業研究組織礦物物理研究部博士後。

圖書目錄

第1章 引言
1.1物體內部應力
1.2岩石應力的重要性
1.3對岩石應力關注的歷史
第一部分定義與術語
第2章 應力定義
2.1應力張量
2.2主應力
2.3應力摩爾圓
2.4應力的可視化
第3章 岩石破裂準則
3.1巨觀唯象理論
3.2微觀機制破裂理論
3.3斷裂力學
3.3.1裂紋起裂
3.3.2裂紋傳播
3.3.3裂紋相互作用與貫通
3.4非線性斷裂力學
第4章 岩石應力術語
4.1重力
4.2構造應力
4.3殘餘應力
4.4結構應力
4.4.1各向異性
4.4.2非均勻質性
第5章 地殼應力模型
5.1靜岩應力
5.2雙軸應力狀態
5.3構造應力場
5.4有效應力
5.5實驗室應力深度剖面
第二部分應力測量
第6章 應力測量的物理學方法
6.1力學方法
6.2應變計和套芯解除
6.3衍射方法
6.4光學方法
6.5超音波速法
6.6微磁方法
第7章 地殼應力測量：基於鑽孔的方法
7.1測量技術分類
7.2水壓致裂法
7.2.1水壓致裂的理論基礎
7.2.2水壓致裂應力測量實踐
7.3鑽孔崩落
7.3.1鑽孔崩落的相關理論
7.3.2鑽孔崩落分析的套用
第8章 地殼應力測量：基於岩芯的方法
8.1非彈性應變恢復法
8.1.1流變學基礎
8.1.2鬆弛觀測儀器
8.2凱瑟效應
8.2.1凱瑟效應三軸應力法
8.2.2單軸凱瑟應力法
8.2.3岩芯損傷與凱瑟應力
8.2.4微物理模型
第三部分應力數據解釋
第9章 區域應力數據
9.1德國大陸深鑽場地（KTB）
9.2核廢料場地（芬蘭奧爾基洛托）
9.3美國聖安德烈斯斷層深部觀測網路
第10章 通用應力數據分析
10.1應力大小的深度剖面
10.2應力方向圖和跡線平滑
10.3應力狀態與尺度相關性
10.4最佳應力估算模型
10.4.1數據提取與干擾
10.4.2應力測量方法
10.4.3綜合應力分析和模擬
10.4.4最終岩石應力模型
第11章 全球地應力
11.1歐洲應力數據
11.2世界應力圖
11.3板塊構造解釋
結束語
參考文獻
光碟內容

理論發展歷史

地質力學家李四光從20世紀20年代開始，最早研究了中國的地殼構造應力場。他分析了各種地質構造形態，並輔以泥巴實驗，反推了形成構造形態的作用力。他首先注意到許多構造形態 “主要起源於水平力的作用”。

20世紀60年代後，地震震源機制分析成為研究地球構造應力場的一種主要手段。60年代初，郭增建和張誠 （1962）首次分析了中國境內22個大地震的震源機制。1972年國家地震局組織震源機制研究小組（王妙月、宋惠珍等人），分析研究了中國1933～1971年間發生的200餘次大地震的震源機制解，發現中國大陸現代構造應力場的一個基本特徵是最大和最小主壓應力的 “水平分量大於垂直分量”（國家地震局震源機制研究小組，1973）。以後，闞榮舉（1977）發現川、滇地區引起地震的最大主壓應力方向以NW-SE向為主，李欽祖（1980）發現華北地區地殼現代構造應力場的主應力方向相當均一。

70年代初期以後，全國許多區域地震台網相繼建立，積累了大量中、小地震的記錄資料。80年代期間，許忠淮等根據多個地震初至波振動方向推斷了全國主要地震區的主應力方向分布，揭示出中國大陸現代構造應力場存在統一性的特徵，即青藏高原外圍廣大地區，最大和最小主壓應力軸是水平的，處於易發生走滑斷層運動的應力狀態，最大主壓應力方向從青藏高原向外呈輻射狀分布，最小主壓應力方向（相對伸張變形方向）圍繞青藏高原呈環狀分布，青藏高原東南側主應力方向從北到南顯示明顯的順時針轉動。後來的研究指出，青藏高原周邊處於逆斷層型應力狀態，最大主壓應力方向基本垂直於高原邊界; 高原內部多處於近東西方向受張的正斷層型應力狀態。葉義雄等對中國台灣地區構造應力場的研究結果表明，該區最大主壓應力軸是水平的，主要取NW——SE方向，從北到南呈現出一定的向大陸方向散開的 “扇形”分布特徵。

用地震震源機制分析法無法了解地應力的絕對大小。20世紀60年代後，中國發展了可測量地應力絕對大小的現場地應力測量方法，國家地震局地殼應力研究所、中國地質科學院地質力學研究所等單位先後在國內上百個地點用應力解除法（套心法）測量了主壓應力方向和大小。這些測量多限於地表下幾十米以內的深度，發現許多地區近地表處水平應力比垂直應力大得多。1980年以後，一些學者在華北、雲南、四川三峽等地開展了水壓致裂地應力測量，最大測量深度達地下800米左右。這些測量發現地下普遍存在水平剪下應力的作用，在地下幾百米範圍內，剪應力大小多為幾兆帕至十幾兆帕。到90年代，水壓致裂法地應力測量已成為水庫、礦山等重大工程需要的基本地應力測量手段。研究人員還從油田井孔水壓致裂施工資料中分析出地下深達4000餘米處地應力大小的信息，發現華北地區沉積盆地多處於SH>Sv>Sh的應力狀態，SH和Sh分別為最大和最小水平主壓應力，Sv是由岩石自重計算的垂直主應力。

中國自80年代中期以後廣泛開展了用井孔孔壁崩落資料研究地應力場的工作，除對少量井孔用井下電視方法測量過孔壁崩落外，大多數研究利用油田地層傾角測井記錄中的井徑測量資料。研究結果不斷揭示了地殼淺層應力場的空間不均勻性，發現了應力方向和差應力大小隨深度的複雜變化。分析了南黃海和東海地區井孔崩落資料後，許忠淮和吳少武（1997）發現東海地區水平差應力較弱水平最大主壓應力方向是NE-SW方向。利用直立井孔崩落資料一般只能研究水平主應力方向，在有傾斜方向變化的斜井井孔崩落資料時，也可能提取應力大小信息，反演出地下的應力張量。

斷層是在應力作用下發生滑動的，由多個斷層滑動方向數據可反演控制斷層滑動的平均應力場。80年代中後期，中國研究人員用此法研究了多個地區的應力場。謝富仁等（1993）用斷層滑動方向反演法得到川、滇地區第四紀構造應力場主應力方向的分布，其特徵與由震源機制解推斷的結果相當一致，說明該地區處於走滑斷層型應力狀態，並存在應力方向的系統轉動。謝富仁和劉光勛（1989）還用此法發現了阿爾金斷裂帶中段上新世以來構造應力場的兩期變化。

60年代以後，中國研究人員還通過形變測量資料分析、水系走向分析、岩石節理統計、岩石聲發射探測（凱撒效應）、地震橫波分裂觀測、岩石礦物晶格錯位的X射線探測等多種方法研究了中國不同地區的現代和古代構造應力場，儘管這些作為研究地下應力場的方法還不夠成熟或精度不高，但在發展方法和了解中國地殼應力場特徵方面做出了貢獻。有不少人做過許多物理和數值模擬試驗研究。有大量以工程套用為目的的地應力研究，為解決生產實際問題做出了貢獻。