2018年05月23日 星期三
中国矿业报订阅

地应力观测研究是地质力学理论体系精髓之一

2018-1-19 9:31:29 来源:中国矿业报 作者:秦向辉 陈群策 彭华 张重远 李振

李四光教授创立的地质力学理论涉及构造地质学、力学(固体力学、岩石力学、断裂力学)、地球物理学、天文学、地震学等,是一门跨诸多学科的边缘性学科。继承和发展李四光教授的地质力学理论,不仅需要深厚的地质学功底,可以准确鉴别各类构造形迹,还需要具备构造运动的直接驱动力——地应力方面的知识,以便可以从力学角度建立最优的构造演化模型,准确揭示构造演化的过程,有效预测构造演化过程中的成矿、致灾效应。

地应力的外在表现

地应力是我们研究地壳构造活动时,把经典弹性力学理论引入而形成的抽象概念,虽然看不到、摸不着,但是它的作用不容忽视,与你我的生活也息息相关。在漫长的地质过程中,在地应力的作用下,发生的板块运动、火山活动、地层变形褶皱、地震以及形成的巨型断裂等都是地应力的直接表现;人类为了获取资源能源,开采地下深部矿产和油气资源,遭遇的巷道变形破坏、岩爆等也都是地应力直接作用的结果(图1)。

地应力观测的应用

地应力观测研究包括地应力绝对值测量和相对变化实时监测,已成为地球动力学、内动力地质灾害研究、地壳稳定性评价的重要内容之一,同时也在工程建设中得到了应用,解决了一些重大工程难题,获得广泛认可。

在地球动力学领域,地应力绝对值测量已成为揭示板块驱动机制、块体相互作用机制及灾害效应、断裂活动性评价等的重要方法之一。在德国于1977年提出的大陆深钻计划KTB项目中,探测地壳应力状态是其重要的研究内容之一,并已于1993年获得了地下9066米处的实测地应力数据和注水诱发地震试验数据,为深部地球动力学研究提供了宝贵数据;美国的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,通过收集和解释岩石圈中构造应力场的方位和相对大小,绘制了世界应力图,为全球板块构造运动研究提供了支持;美国的圣安德烈斯深部探测计划(SAFOD)、我国的汶川地震断裂带科学钻探计划(WFSD),都以发震断裂为探测目标,其中重要的研究内容之一即为地应力观测。

地应力作用表现:褶皱(1)、坑道变形(2)、地震(3)和断裂(4)

在减灾防灾领域,地应力相对变化实时监测作用逐渐被发掘。1966年邢台地震后,李四光教授在河北省隆尧县尧山建立了第一个地应力监测台站,开始连续地进行应力监测,研究地应力相对变化与地震的关系,后来,由于各种原因,全国性的地应力相对变化实时监测并未全面展开,仅进行了一些试点工作。进入21世纪,地应力相对变化实时监测在地震地质研究、减灾防灾领域的作用受到广泛重视,并取得了一些具有重要意义的成果,如汶川地震后沿龙门山地区的地应力实时监测工作,为震后该地区的地震地质灾害预测等提供了重要的参考数据;日本2011年3·11大地震后,北京地区的地应力实时监测数据为华北地区对日本大地震进行响应研究、首都圈地区地质环境安全保障等提供了重要支持(图5)。目前,国土资源系统先后在全国建立了一大批地应力相对变化实时监测站点,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揭示内动力地质灾害机理的同时,也有效保障了重要城市群的地质环境安全。

世界应力图(WSM2008年发布)

在工程建设领域,地应力观测(尤其是绝对值测量)在水利水电、交通工程、油气田开发中得到了广泛的应用。20世纪30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,其通过实测对坝区地应力状态的认识使工程师创造性地设计了大坝;金川镍矿通过系统的地应力测量查明了矿区地壳应力状态,科学调整了行道截面设计方案,成功解决了矿山行道大变形问题(图6)。

目前,地应力测量已经是重要工程勘察设计中必不可少的环节,已被列入部分工程勘察设计规范中。

结语

地壳应力观测不仅仅是所谓方法技术的东西,而是以完善的理论体系为支撑的,是李四光教授地质力学理论及实践中的重要组成部分,在地壳稳定性评价、地震地质研究中已经发挥了十分重要的作用,取得了显著的效益。地球深部探测、海洋地质调查、城市地质调查等地质行业新领域又为地壳应力观测研究提供了新战场,地壳应力观测研究在这些新领域取得的成果和效益,对于新的历史条件下继承和发展地质力学理论有着十分重要的作用,是新一代地质力学人奋斗的方向和目标。□

(作者单位:中国地质科学院地质力学研究所)

SAFOD计划示意图

WFSD计划中ASR法地应力测量

图5为2011年3月9日14日北京平谷地应力实时监测综合台站最大主应力大小相对变化图

图6为金川二矿巷道修复前后对比(上图为修复前,下图为修复后)

矿业报官方微博

返回新闻