1.地应力是什么

1.1 概念

地应力，看不到摸不着的东西，似乎是很神秘，其实，只要换一个角度，我们就容易理解了。大家知道，在弹性力学中，应力定义为作用于物体内横截面上的平均内力，把这种定义拿来研究地壳时，很自然就能引出了地应力概念。本质上来将，地应力是我们研究地壳运动等构造活动时，把经典弹性力学理论引入的结果，一般情况下，你读到的地壳应力、原地应力实质都是地应力，是瑞典人海姆（A. Heim）1912年提出的地应力的概念。

1.2地质表现

地应力看不到，摸不着，从概念上讲，是这样，但是他的作用也许就在你的身边。长期地质过程，如板块构造运动，在不同机制驱动下，在地壳内部产生不同种类的应力，这种应力的外在表现是什么的，那就是各种地质现象，如褶皱、坑道变形、地震、断层等（图1），而这些地质现象我们还是比较容易见到的。

图1 地壳应力表现-褶皱

（（左上）、坑道变形（右上）、地震（左下）和断裂（右下））

2. 地应力有用吗？

固体地壳的应力状态是地壳的最重要的性质之一，地壳浅表层和内部发生的各种构造现象（包括地震、火山）及其伴生的各种地质灾害都与地壳应力的作用密切相关，地应力也广泛的应用于这些领域中。

在工程领域，地应力得到了广泛的应用。如二十世纪三十年代美国人R.S. Lieurace在胡佛大坝下面的一个隧道中开展了世界上最早的地应力测量，其通过实测对地应力状态的认识，使工程师创造性的设计了大坝。我国的金川镍矿，通过系统的地应力测量，查明了矿区地应力状态，科学调整了行道界面设计方案，成功解决了威胁矿山安全开的行道大变形问题（图2）。目前，地应力已经是重要工程勘察设计中必不可少工程参数，已被列如各类工程勘察设计规范中。

图2 金川二矿巷道修复前后对比（左修复前，右修复后）

在地球动力学领域，地应力已成为揭示板块驱动机制、块体相互作用关键因素之一。德国于1977年提出了大陆深钻计划KTB项目中，地应力是其重要的研究内容之一，并已获得了9066m最深的实测地应力数据，以及注水诱发地震试验数据，为深部地球动力学提供了宝贵数据。美国M. L. Zoback博士领导的全球性合作项目世界应力图计划于1986年启动，项目旨在收集和解释岩石圈中构造应力场的方位和相对大小，为全球板块构造运动研究提供支持，形成了世界应力图（图3）。美国“圣安德烈斯深部探测（SAFOD）”计划，以主要活动断裂为探测目标，地应力研究也是其中重要的内容之一（图4）。

图3 世界应力图（WSM2008年发布）

图4 SAFOD计划示意图

在减灾防灾方面，地应力作用在逐渐被发掘。1966年发生邢台地震后，李四光教授在河北省隆尧县尧山建立第一个地应力监测台站，首先开始连续地应力监测，研究地应力相对变化与地震的关系。虽然后来地应力研究用于地震地质、内动力地质灾害机制研究方面未全面开展，但是随地质学科发展，地应力在减灾防灾领域的作用已受到广泛的重视和认可，如汶川地震后龙门山地区的地应力观测，就为我们科学预报地震提供了重要的数据参考，日本3.11大地震后北京地区地应力观测数据，为我们研究华北地区对日本地震响应、减灾防灾工作、首都圈地质环境安全保障等提供了重要支持。目前，国土资源系统先后在全国建立了一大批地应力观测站点，初步构建了京津冀、南北地震带等区域性地应力观测网络，在探索基于地应力观测数据研究内动力地质灾害机理研究同时，也有效的保障了重要城市群的地质环境安全。

3. 地应力能测量吗

地应力和弹性力学中应力一样，都是假设的术语，看不到，摸不着，哪地应力能测量吗，能计算吗？严格来说绝不可能直接测量得到，但是我们可以通过打孔、开槽、取芯等扰动岩石的方式推测出来。但是，岩石的复杂性使我们不可能准确地确定地应力张量分量的大小和方向，从而使我们不得不接受测量结果很大的变化和不确定性。通过近百年的发展，我们建立了一套较为完善的地应力测量理论体系、形成了一系列地应力测量方法技术，目前，我们可用的测量地应力的方法主要有表1给出的这些。

表1 常用地应力测量方法

上述方法给出的是单个测点地应力结果，在一个区域内大量的地应力测量数据，可以使我们通过数学方法来表征某个区域的地应力状态，我们称之为地应力状态是因为这个定义包含了地应力的大小、方向、结构，如同我们在弹性力学中定义的那样，尽管这种基于数学统计的结果可能并不完全的准确，也真是这样，我们并不说计算地应力，而是说基于某种或者多种方法评价某一地区的地应力场。

4. 结语

地应力不仅仅是所谓的方法技术的东西，是有着完善的理论体系的，更是李四光教授地质力学理论及实践中的重要部分，在地壳稳定性评价、地震地质研究中都要十分重要的作用。地应力测量与监测在地震地质研究的作用及获得成果，以被认可和接收，继承和发扬地质力学理论，地应力方面的研究和实践至关重要。

向地球深部进军，使我们对认识地壳深部的应力状态有了更为迫切的需求，恰恰也是这种需求，推动着地应力及实践的发展，激励着我们不断进步。