地质构造应力场分析方法与原则
地质构造应力场分析方法与原则
地质构造应力场分析方法与原则摘要：构造应力场是地球动力学重要组成部分，是地壳动力学的主体部分，其研究对于构造分析研究、地震分析预报、工程抗震等领域都有着十分重要的理论和实践意义。
本次研究针对地质构造应力场的测量方法水力压裂法、井壁崩落法、磁组构法进行分析，并对地质构造应场力分析原则进行阐述，继而进一步丰富构造应力场的理论。
关键词：地质构造；构造应场力；应场力引言：构造应力场就是在一个空间范围内构造应力的分布。
构造应力场是作用在地壳某一地区内部的和由于这一地区某种变形的构造单元的发育而出现的应力总和。
应力场是一种物理场，它和其他物理场，如重力场、电滋场、位势场等一样，也是物质存在的一种形式。
场不是空间，而是在空间范围内某个物理量的按势分布。
随着时间的变化，场内各点的强度和方向也将发生变化。
构造应力场是地球动力学重要组成部分，是地壳动力学的主体部分，其研究对于构造分析研究、地震分析预报、工程抗震等领域都有着十分重要的理论和实践意义。
1.地质构造应力场概述构造应力场概念是由我国地质学家李四光率先提出的。
1947年李四光提出用构造形迹反推构造应力场，并研究各种不同力学性质的构造形迹与应力方向、应力作用方式之间的相互关系。
1940年格佐夫斯基也提出研究构造应力场，并把用赤平投影求主应力轴方向的方法引进构造应力场的研究。
1950年一1996年国内外地质工作者结合地震地质的研究工作开展了构造应力测量，经多年努力，通过野外与室内实测证实了构造应力的存在，并探索、研究了行之有效的构造应力测量技术方法，完善了构造应力测量的理论基础，建立了可靠的测量技术方法和数据处理系统。
万天丰（1999）、武红岭（1999，2003）等将矿场构造应力场研究的方法延伸到盆地构造研究领域，取得了人量的研究认识和资料，极大地丰富了构造应力场研究理论，也为盆地构造应力场研究积累了丰富的地质认识和方法。
1970年构造应力场的研究有长足进展，逐渐深入到地质学的多个领域。
地应力
分层地应力分析评价技术用于油气田开发分层地应力分析评价技术可有效地指导压裂设计、注水方案设计等工作,有重要的研究意义。
目前,人们已提出了多种地应力模式,本文在理论分析和资料调研的基础上,提出了一新的地应力模式。
利用理论研究成果,开发了分层地应力分析评价软件,介绍了软件的主要功能模块,软件的计算精度满足了工程设计的需要,与测试结果吻合程度较高,对方案设计具有一定的指导意义。
地应力的研究与分析分析地应力的成因和确定的方法,确保重大土木工程前期和施工的安全进行。
地质力学模型试验技术的进展根据长江科学院2 0多年来地质力学模型试验的经验和国内外的发展现状,分别从相似原理、模型材料选择、关键模拟技术和在不同工程地质问题中的应用等方面介绍了地质力学模型试验技术的特点及发展趋势。
认为地质力学模型试验技术应向深度(即模拟和量测技术)和广度方向发展,在发现新的力学机理和验证数学模型等方面有广泛的应用前景。
地质力学模型试验技术的进展根据长江科学院2 0多年来地质力学模型试验的经验和国内外的发展现状,分别从相似原理、模型材料选择、关键模拟技术和在不同工程地质问题中的应用等方面介绍了地质力学模型试验技术的特点及发展趋势。
认为地质力学模型试验技术应向深度(即模拟和量测技术)和广度方向发展,在发现新的力学机理和验证数学模型等方面有广泛的应用前景。
地应力测量方法研究综述对于深埋岩石工程,岩体的地应力状态直接关系到工程和区域的稳定性.通过收集大量的国内外有关地应力的研究资料,回顾了地应力测量的发展历程,总结了各种地应力测量方法的适用范围,基于今后岩石工程所呈现的新特点和新问题,探讨了地应力测量的发展趋势.岩体地应力及其测量方法综述岩体中的地应力场是一个具有三维空间的复杂应力场,它的大小和分布规律受岩体自重、地质构造运动、地形地貌及剥蚀作用等多种因素的影响,选择合理有效的地应力测量方法对地应力场的测量至关重要。
作者对地应力的分布规律、影响因素、地应力测量前后应考虑的问题进行分析,对几种常用的地应力测量方法进行对比,对地应力测量研究中的主要问题进行分析。
构造地质学04应力分析基础
应力场的扰动
－均匀应力场 －非均匀应力场 由于岩块或地块内部 的局部不均匀性和不连续性等，可造成 应力场的局部变化．即称为应力场的扰 动． 圆孔附近的应力场扰动－ 断裂尖端的应力场扰动－ 等等
平行于AB面的剪切作用力Pt 为 Pt =P1 sin － P2 cos 则，剪应力为 = Pt / AB = 1 cos sin －2sin sin
= (1-2) / 2×sin2 „ „ (2) 从(2)式可得： 当2 = 90时，为最大 所以，最大剪应力作用面与1 和2轴 的夹角为45。
点应力状态
应力矢量（Ｐ）是与截面联系在一 起的．通过地壳岩石中的任何一点 （m），可作出无数个截面，因而存在 无数个应力矢量．故地块中某一点的应 力状态是不能用一个简单的矢量来表示 的．
一点的应力状态，在直 角坐标系中可以近似地看 成是一个无限微小的正六 面体单元体。
一 点 的 应 力 状 态
构造应力场－构造作用造成的应 力场称为构造应力场．
构造应力场的特征：是指应力分布规律（大小、 性质、方向、方式和变化）和构造形迹的总和． 研究构造应力场－从构造形迹的力学性质及空间 分布规律入手，反推形成构造形迹时的应力场的 特征。——反序法
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
应力场的表示方法： 一般地，用地质体（物 体）内各点的主应力1、2、 3，或最大或最小剪应力 的大小和方位来表示其应力 场的状态和特征。
正应力 垂直于被作用面
Ｆ的应力，用表示 剪应力 平行于被作用面 Ｆ的应力，用表示
应力的符号 约定：正应力以挤压为正、 以拉张为负；剪应力以逆时 针方向为正、以顺时针方向 为负。 （用图表示）
总应力＝正应力的平方与剪应力的平方之 和的开平方。 主应力－
构造地质学(3)地质构造分析的力学基础
• 屈服点
• 屈服极限
• 岩石在断裂前塑性变形应变达5—8%为中等韧性，超 过10%的材料性质为韧性，而脆性材料在弹性变形阶 段后，和断裂变形阶段前就没有或只有极小的塑性变 形（3—5%）
塑性变形的显微机制
• 由于岩石类型、围压条件、温度、应变速率和施加应力类型的不同，出现脆性到韧性的一系列变化现象， 在压缩和拉伸条件下，其变化有五种情况。
2. 剪应变： （1）定义：
角应变：变形前相互垂直的两条直线， 变形后其夹角偏离直角的量（ψ）
剪应变：角应变的正切（ γ ） （2）应变量计算：γ= tgψ
（右偏为正；左偏为负）
应变轴的规定及与主应力轴之关系
• 通过变形物体内部任意点总可以截取这样一个 立方体，在其三个互相垂直的面上都只有线应 变而无剪应变，即只有伸长和缩短，这三个互 相垂直的面称为主应变面，三个主应变方向称 为主应变轴。并规定：最大伸长方向为最大应 变轴（A轴），最大缩短方向为最小应变轴（C 轴），介于两者之间为中间应变轴（B轴），B 轴方向既可是拉伸，也可以是缩短
3.2 变形分析
•3.2.1 变形和应变
• 物体受到力的作用后，其内部各点间相互位置 发生改变，称为变形。变形可以是体积的改变， 也可以是形状的改变，或二者均有改变。
• 物体变形的程度用应变来量度，即以其相对变 形来量度，应变所涉及的物体形态的变化，总 是与物体的两个状况有关—初态和始态，所以 下面所指的应变，只涉及到系统的两个特定的 状态。
A.平移；B.旋转；C.形变；D.体变
物体变形的泥巴实验
Brittle Deformation Ductile Deformation
M.S. Patterson
Fig. 10.7
构造地质学-应力分析
压应力
应力莫尔圆的基本原理（stress Mohr diagram）
应力莫尔圆的基本原理（stress Mohr diagram）
应力莫尔圆的基本原理（stress Mohr diagram）
σ11 σ12 σ13
σ21 σ22 σ23
σ31 σ32 σ33
独立的应力分量实际上只有6个，可以用一个阵列表示，即： [σ]=S=[σx σy σz τxy τyz τzx ]T
过一点三个正交截面上6个应力分量就决定了一点应力状态。
任何应力状态，不论是二维 的或三维的，都由平均应力
平均应力
外力和内力
物质内部－研究对象本身的所含物质称为“内部”； 物质外界－研究对象以外的物体称为“外界”； 物质边界－研究对象本身与外界直接的接触面称为“边界”； 边界条件－指外界给研究对象的边界施加的某些限制，如体力确
定之后，面理的分布和物体的几何形态决定物体内的应力分布； 外力－研究对象外的物体对被研究物体施加的作用力称为外力
附加侧向拉伸条件下简单剪切时的应力状态 A 应力等值线图；B 主应力轨迹图；C 剪应力轨迹图
End
应力－－作用于单位面积上的内力（附加内力），或称 为应力是内力在面积上分布集度（内力集度）。
应力－－理解为一种趋向于使某一种物体发生变形的作 用（Jaeger and Cook,1976）。在固体力学中，必须用面 力的分布强度来描述这种作用的分布情况。
截面上一点的应力
为了研究截面某点（m点）附近的内力强度，可以 围绕该点取一很小面积⊿F，设其面积上作用力为 ⊿P，则有：
0
地质构造的综合分析
第八章地质构造的综合分析第八章地质构造的综合分析地质构造规模不同，类型众多，成因多样，错综复杂，是多种地质作用综合作用的产物，故需进行综合分析。
一、构造综合分析中要考虑的因素空：空间位置方位、分布组合、尺度规模、透入性、连续性、纵横向变化时：原生（含同生）、次生；长期性，阶段性；多期性，性质转化力：外力，应力；力的来源，相对大小，作用方向；应力分布物：岩性、物态、岩性组合、构造岩境：背景、环境、边界条件（上，下，左，右，前，后）、构造层次、构造相。
二、构造综合分析中的认识论原则1）微观构造是宏观构造的缩影，不同尺度的构造具有自相似性，故可以“小中见大”和“据大推小”。
2）同一类构造可能形成于不同的构造应力场（故需分期），而不同类型的构造可能形成于同一构造阶段的统一构造应力场（需配套）。
3）不同应力场形成的构造可以相互影响、干扰与叠加⑴基础构造的控制作用：✧基底断裂与盖层褶皱（含基底走滑断裂与盖层雁列褶皱，基底正断层与盖层绕折带，基底逆断层与盖层背斜）；✧全方位共轭剪节理对晚期破裂的影响（据F.Adonath进行的试验，当岩石中已存在与挤压轴呈30°～60°夹角的破坏面存在时，应力将通过原有破裂面的重新活动来释放）。
⑵后期构造对先成构造的迁就：同向构造应力场构造的继承性（差异压实）。
⑶后期构造对先成构造的叠加改造：✧背斜＋背斜小型穹窿；构造地质学教案✧向斜＋向斜小型盆地；✧背（向）斜＋向（背）斜鞍状构造；✧弯转构造；✧反转构造。
⑷区域性构造应力场和大的构造环境决定地质构造的普遍性（共性），局部应力场与小的构造环境（岩性，岩相，古构造等局部因素）导致地质构造的特殊性（个性），所以“理论构造”与实际构造有一定的差异性。
⑸地球是一个高度活动的动态系统，地质构造不是一成不变的。
三、构造综合分析的基本方法——构造解析“构造地质深入研究应该包括以几何学、运动学、动力学，在研究几何学上应深入探讨型式，样式，组合，层次，级次等方面，及趋向构造解析，趋向定量化，”（朱志澄，1986）。
构造地质学——地质构造分析的力学基础
结论: 在距主应力面45°的截面
上(即a=45°的截面上), 正应 力等于主应力的一半。剪应力 值也等于主应力的一半，并且 最大。在两垂直的截面 （ α=45° 和α=-45° ）上剪 应力互等, 剪切方向相反。
结论: 在平行于单轴作用力的截
面上,既无正应力, 也无剪应力
一、 应力分析
(s1 - s2) cos2a /2 （7）
t= (s1 - s2) sin2a/2
（8）
一、 应力分析
结论: 在两个互相垂直的截面上的主应力之和为一常量, 且等 于二主应力之和 两个互相垂直的截面上的剪应力值大小相等, 剪切 方向相反, 这一关系称为剪应力互等定律 在与外力垂直的截面上, 存在最大主应力s1 , 剪应 力为零, 即没有剪应力 在与外力平行的截面上, 存在最小主应力s2, 剪应 力为零 在与外力呈45°的截面上, 正应力为二主应力之和 的一半, 剪应力为最大
1
3 2
一、 应力分析
（一）有关力的一些概念
1. 外力: 对于一个物体来说，另一个物体施加于这个物体的的 力称为外力。两种类型:
面力: 通过接触面作用于物体的力 体力: 物体内每一个质点都受到的力, 它不通过接触, 而 是相隔一定的距离相互作用, 如太空星球之间的吸引力, 物体 的重力等。 2. 内力: 物体内部各部分之间的相互作用力叫内力。两种类型: 固有内力: 一物体未受外力作用时, 其内部质点之间存在 的相互作用力, 这种相互作用力使各质点处于相对平衡状态, 从而使物体保持一定的形状, 这种力称为物体的固有内力. 附加内力: 物体受到外力作用时, 其内部各质点的相对位 置发生了变化, 它们之间的相互作用力也发生了变化, 这种物 体内部内力的改变量称为附加内力
《构造地质学》课程笔记
《构造地质学》课程笔记第一章绪论一、构造地质学的内涵和构造规模1. 构造地质学定义：构造地质学是地球科学的一个分支，它专注于研究地球岩石圈的结构、构造、形成过程、演化历史以及控制这些过程的动力学机制。
它涉及从微观到宏观尺度的地质现象，包括地层、岩体、断裂、褶皱等。
2. 研究内容详述：（1）地质体的形态、产状、规模和组合特征：研究不同类型地质体的外部形态、空间排列、大小和相互之间的组合关系，如断层、褶皱、节理等。
（2）地质体的形成、演化和改造过程：探讨地质体从形成到改造的整个地质历史过程，包括构造运动、岩浆活动、变质作用等。
（3）地质体之间的相互关系及其在地球动力学过程中的作用：分析地质体之间的相互作用，以及它们在板块构造、地壳运动等地球动力学过程中的角色。
3. 构造规模划分详述：（1）大型构造：涉及整个板块或大陆规模的构造，如板块边界、地槽-地台、造山带等。
（2）中型构造：介于大型和小型构造之间，如区域性的褶皱带、断裂带、火山带等。
（3）小型构造：在更小的尺度上，如单个褶皱、断层、节理、面理等。
二、地质构造的类型和关系1. 地质构造类型详述：（1）原生构造：在岩石形成过程中直接形成的构造，如层理、波痕、泥裂等沉积构造。
（2）次生构造：岩石形成后，在后期地质作用下形成的构造，如褶皱、断层、节理等。
（3）复合构造：原生构造和次生构造相互叠加、改造形成的复杂构造，如叠加褶皱、复合断层等。
2. 地质构造之间的关系详述：（1）成因关系：不同构造之间的成因联系，如断层活动可能导致褶皱的形成。
（2）时间关系：不同构造形成的时间顺序，如先形成断层，后形成褶皱。
（3）空间关系：不同构造在空间上的分布和排列方式，如断层与褶皱的相互切割关系。
三、构造分析的基本方法1. 地质观察详述：（1）观察地质体的形态、产状、规模、组合特征：通过野外实地观察，记录地质体的各种特征。
（2）使用地质罗盘、GPS等工具进行精确测量：测量地质体的产状、方位等参数。
地质构造分析的力学基础
拉伸、压缩、剪切、弯曲和扭转。
有关应变的几个基本概念
线应变：变形前后物体内线段的相对伸长 或缩短
1）伸长度（线应变）：变形前后单位线段长 度的改变量
L0
L1
e = (L1 - L0 )/ L0 _
e — 伸长为正；缩短为负
在拉伸或压缩情况下，变形物体不仅会 在拉伸或压缩方向上（纵向上）产生变 形，而且在与之垂直的方向上（横向上） 产生应变（e0）。 e0 =b/b0
5）外力作用方式：拉伸与压缩 6）快速施力与缓慢施力 7）重复施力
注意：岩石自身力学性质也是影响其变形 方式的重要因素！
常温常压下一些岩石的强度极限表
岩石的破坏
岩石破裂的两种主要方式 —张裂和剪裂
岩石破裂理论：
按照应力分析，在与挤压或拉伸方向呈45 交角的截面上剪应力最大。称为最大剪切面。 因此，剪切破裂面应该发生在这个方向上， 成对出现，称为共轭剪切破裂面。
顺时针为正，逆时针为
负。
体积应变：变形前 后体积的变化量。
=（V-V0）/V0
应变椭球：变形 物体内一点上变 形前的一个圆球 体在变形后变成 一个椭球体—应 变椭球。
应变椭球体内有三 个互相垂直的主轴， 沿主轴方向只有线 应变而没有剪应变， 称之为应变主轴 （应变主方向）。 分别以1，2，3 （或X, Y, Z）表 示。椭球体的三个 主轴的半径分别为
A0 τ s
P
当=45时， sin 2=1， <45时，sin 2<1
=1/2s1；当 >45或
结论3：在与挤压或拉伸方向呈45交角的截面上剪 应力最大。称为最大剪切面。
当=90时， =0，s=0
地质学院《古构造应力场研究方法》课件
5. 用显微构造确定主应力方位
（2）石英变形纹推导主应力方位 石英变形纹一般是粒内塑性流动的产物，
多形成于具高分解剪应力的面上．石英变形纹 作为一种显微构造多与消光带或扭折带伴生，
在同一颗粒中可出现疏、密两部分，其相应的
光轴分别为 C1 及 C2 （图）
关于石英变形纹的研究
变形纹也称变形叶理，它是一组薄层或透镜 体，其厚度约为0.5-2微米。这些薄层或透镜 体的光性方位和折光率与主晶稍有不同，因而 在单偏光及正交偏光下都可以分辩，它们在颗 粒中成组出现且不穿过颗粒的边界，是颗粒内 部的变形产物。
切面上的赤平投影
３．方法评述
无疑，定量分析开辟了构造研究新途径！ 但是，必须注意： （１）相互对比印证 （２）结合条件，选择合适的计算公式 （３）可能的话，进行方法的校正工作 （４）样品的代表性 要考虑多期变形的影响和叠加．如：碳酸盐 岩的塑性变形——后期恢复，等．
构造运动问题
其变形纹面及其法线、 光轴（ C1 、C2 ）
与主应力（σ1 ）位于同一平面，且 C1 →C2 代表变形过程中光轴朝着主压应力方 向偏转．利用这种几何关系，就可以确定 和推导出其形成时的主应力方位．
具体作法：
①在旋转台上测量一定数量具有不同方位变形纹的 石英颗粒中C1(光轴)、C2 和变形纹面的产状； ② 按C1 →C2 法或箭头法进行赤平投影，即可求出 σ1 和σ3的方位．再根据σ1、σ3与σ2的几何关系 ， 求出σ2的方位。
伯格斯矢量； ρ—位错密度大小。
未变形石英位错 10的(3次方)／ ㎝2 强变形石英位错密度 10的(12次方)／ ㎝2
说明了晶体的位错密度与差异应力的平方成 正比。
这样就可利用TEM或SEM拍摄出变形岩石中某 种矿物晶体内的位错构造的照片，统计出ρ的 大小，套入公式计算即得。
地应力的测量方法
地应力的测量原理目前地应力测量方法有很多种，根据测量原理可分为三大类：第一类是以测定岩体中的应变、变形为依据的力学法，如应力恢复法、应力解除法及水压致裂法等；第二类是以测量岩体中声发射、声波传播规律、电阻率或其他物理量的变化为依据的地球物理方法；第三类是根据地质构造和井下岩体破坏状况提供的信息确定应力方向。
其中，应力解除法与水压致裂法得到比较广泛的应用，其他几种只能作为辅助方法。
1.应力解除法测试原理和技术1.1应力解除法测试原理具有初始应力的岩体，用人为的方法卸去其应力，在岩体恢复变形的过程中测试其应变，然后用弹性力学理论计算出地应力的大小，得出其方向、倾角。
目前国内外地应力测量普遍采用空心包体应变计测量技术。
KX一81型空心包体应变计由A、B、C 3组共12枚应变片嵌埋在1个壁厚约3 mm的空心环氧树脂圆筒中间，圆筒外表面与钻孔壁用专用环氧树脂胶黏结在一起，其是在澳大利亚CSIRO空心包体应变计的基础上研制出来的，是套钻孔应力解除法的一种，只需1个孔就能测量出某点的三维原岩应力，具有使用方便、安装操作简单、成本低、效率高等优点。
1.2完全温度补偿技术KX一81型空心包体应变计与其他许多应变测量仪器一样，均采用应变计作为敏感元件，并根据惠斯顿电桥的原理13J，将应变的变化转换成电压变化经放大后记录下来。
电阻应变计对温度变化是很敏感的，温度发生变化时应变计的电阻值将发生变化，从而产生虚假的附加应变值。
因此在现场测试中必须采取温度补偿措施。
惠斯顿电桥原理：平衡时，检流计所在支路电流为零，则有，（1）流过R1和R3的电流相同（记作I1），流过R2和R4的电流相同（记作I2）。
（2）B，D两点电位相等，即UB=UD。
因而有 I1R1=I2R2；个阻值已知，便可求得第四个电阻。
测量时，选择适当的电阻作为R1和R2，用一个可变电阻作为R3，令被测电阻充当R4，调节R3使电桥平衡，而且可利用高灵敏度的检流计来测零，故用电桥测电阻比用欧姆表精确。
地应力及其原理
▪ 6.3 地应力的变化规律 ▪ 通过理论、地质调查和大量的地应力测量资料的分析与研究，已初步认识到浅部地壳应力分布的一些基
本规律：
▪ （1）地应力是个相对稳定的非稳定应力场，它是时间和空间的函数。 ▪ 地应力在绝大部分地区是以水平应力为主的三向不等压应力场。三个主应力的大小和方向是随着时间和
设钻孔壁发生初始开裂时的水压为则有原理如果继续向封隔段注入高压水使裂隙进一步扩展当裂隙深度达到3倍钻孔直径时此处已接近原岩应力状态停止加压保持压力恒定将该恒定压力记为p应和原岩应力相平衡原理在钻孔中存在裂隙水的情况下如封隔段处的裂隙水压在初始裂隙产生后将水压卸除使裂隙闭合然后再重新向封隔段加压使裂隙重新打开记裂隙重开时的压力为p原理由以上两式求就无须知道岩石的抗拉强度
应力或原岩应力。
▪ 6 地应力及其测量 ▪ 6.1概述 ▪ 6.1.1 基本概念 ▪ 次生应力：受开挖、手动影响，在影响范围以内的原岩应力平衡状态被破坏后的应力称为次生应力或诱
发应力。 ▪ 应力重分布：原岩应力到次生应力的转换过程。
6.1 概论
▪ 一、 地应力测量的必要性 地应力分为自重应力场和构造应力场。 自重应力:由上覆岩体的自重所引起的应力； 构造应力:地层中由于过去地质构造运动产生和现在正在活动与变化的应力，地质作用残存的应力。
论）， ▪ 认为这个测压系数等于 ，即：
▪ 式中： —上覆盖岩层的泊松比，岩石的泊松比的常值范围为0.15~0.30。
1
v H,h 1H
▪ ▪
此同期时的，当其他一些时人，主要关心，0的即.5也海是姆如假何说用只一是些h金数尼学克v公假式说H 来的定一量个地特计例算。地应力的大小，并且也都认
地应力及其确定方法综述
地应力及其确定方法综述【摘要】通过对比通过地应力测量方法、计算方法的分析和对比，为以后利用常规测井资料和成像测井资料计算地应力的多种方法奠定基础，进而从不同的角度对地应力进行了研究，不仅有助于提高地应力的计算准确率，而且可以多角度对地应力的形成过程进行因素分析。
【关键词】地应力；测量；水力压裂；凯瑟效应实验1.地应力地应力主要由垂力应力、构造应力、孔隙压力等组合而成。
在油田应力场研究中，孔隙压力对地应力的影响是非常重要的，实际上，由于地层岩石力学性质的非线性特征，地应力的各种成因分量间不是独立的，人们只是从其成因和研究分析问题的方便才对地应力进行分类的。
构造应力与上覆岩层压力构成了地应力，它作用于整个地质体上。
对于某一特定的地质体来说，将作用于其单位表面上的法向地应力定义为主应力。
在主应力方向上剪切应力为零，这样就可以把复杂的地应力归结为三个相互垂直的主应力，即三轴向应力（图1）。
通常其中一个基本上是垂直的，叫做垂向应力（Sv）；另外两个主应力基本上是水平的，称为最大、最小水平应力（SH、Sh）。
垂向应力由重力应力（上覆岩层压力）所构成，水平应力则主要由构造应力所构成。
在三个主应力中，垂向应力是比较容易确定的，其大小可由密度测井曲线确定，其方向是垂直的。
对于水平应力的方向，现在有许多方法，在油田中广泛采用井壁崩落法确定水平应力的方向，取得了良好的效果，测量水平应力大小的方法有水力压裂法、凯瑟效应实验、差应变法等。
2.地应力测量方法2.1水力压裂法用水力压裂法确定最小水平应力是目前进行深部绝对应力测量最精确的方法，在国内外都有着广泛的应用。
1989年3月30日测井公司在川西南界石场界19井进行了地应力测量试验，整个工艺是成功的，井口密封装置可以在68MPa高压下正常工作，仪器系统工作正常，记录到了类似于标准地应力曲线形状的压力曲线，但由于水泥环窜漏及施工时开压太快，未能反映出地层破裂压力，这口井的试验为今后进行地应力测试提供了宝贵的经验。
构造应力分析
构造应力分析应力分析是工程学中非常重要的一环，它可以帮助工程师们更好地了解和评估结构在不同力的作用下的行为和性能。
应力分析可以通过使用数学模型和工程计算方法来推导和预测结构的应力分布和变形情况，从而指导工程实践中的设计和优化。
首先，我们需要明确什么是应力。
应力是指单位面积内的力，常用单位是帕斯卡（Pa）或兆帕（MPa）。
应力分为三种类型：拉伸应力、压缩应力和剪切应力。
拉伸应力和压缩应力是由力的作用方向引起的，而剪切应力是由力的切向作用引起的。
应力分析的第一步是确定力的大小和方向。
这通常通过力的矢量分解和平衡方程来实现。
接下来，将力施加到结构上，并根据结构的几何特征和材料的力学性质，应用适当的理论和公式来计算结构的应力分布。
应力分析的一个重要概念是应力集中。
应力集中指的是在结构中存在局部应力增强的区域。
这通常是由于结构几何形状不均匀或应力传递不连续引起的。
应力集中会导致结构的强度降低，容易造成断裂和损坏。
因此，在设计和优化结构时，需要注意减轻或避免应力集中的发生。
应力分析还可以用于确定结构的变形。
变形是指结构由于受力而发生的形状或尺寸的改变。
变形可以通过应用弹性理论和材料力学性质来计算。
通过了解结构的变形情况，可以评估结构的稳定性和刚度，并进行适当的设计和调整。
应力分析在实际工程中具有广泛的应用。
例如，在建筑工程中，应力分析可以帮助工程师们确定房屋或桥梁的载荷承受能力，避免结构的失稳和破坏。
在机械工程中，应力分析可以用于评估机械零件的强度和寿命，以及预测在不同工作条件下的变形量和疲劳破坏。
在进行应力分析时，还需要考虑材料的力学性质。
材料的力学性质包括弹性模量、屈服强度、断裂韧度等。
工程师们需要根据结构要求和实际材料的性能来选择合适的材料，并将其用于应力分析中的计算和预测。
总之，应力分析是工程学中不可或缺的一环。
它可以帮助工程师们更好地了解和评估结构在不同力的作用下的行为和性能。
通过应力分析，工程师们可以指导工程实践中的设计和优化，确保结构的安全和可靠。
成矿构造分析方法
成矿构造分析方法1. 引言成矿构造分析是地质学中研究各类矿床成因和形成机制的重要方法之一。
通过对地质构造的分析和研究，可以揭示矿床形成的地质背景和构造环境，为矿床勘探提供重要的依据。
本文将介绍几种常用的成矿构造分析方法，并对其原理和应用进行详细阐述。
2. 应力场分析法应力场分析法是一种通过对矿床周边构造的观察和分析，揭示成矿构造发育规律的方法。
该方法基于应力场对构造变形的控制作用，通过分析断裂、褶皱和变形构造的形态、排列、叠置关系，推断地壳的应力场状态以及矿床形成的地质背景。
3. 矿床与构造分布比照法矿床与构造分布比照法是一种通过对矿床与构造分布之间的关系进行比拟，来揭示构造对矿床形成的控制作用的方法。
通过对矿床的地理位置与构造分布的比照，可以发现矿床与特定构造之间的关联性，并进一步探讨构造对矿床形成的影响。
4. 岩石变形构造分析法岩石变形构造分析法是一种通过对岩石内部变形构造的观察和分析，揭示矿床形成过程中岩石的变形机制和变形历史的方法。
通过对矿床附近岩石的薄片观察和显微镜分析，可以获得岩石中较微小的构造特征，如微观断裂、剪切带等，从而推断岩石在成矿过程中的应变变化和形变历史。
5. 地球物理勘探方法地球物理勘探方法是一种通过对地球物理场的测量和分析，揭示矿床下部构造和成矿体性质的方法。
根据地球物理勘探方法的不同原理和仪器，可以获取不同类型的地球物理数据，如地震数据、地磁数据、重力数据、电磁数据等，通过对这些数据的处理和解释，可以获得矿床下部构造的信息和矿体的性质。
6. 地质遥感技术地质遥感技术是一种通过对地球外表的遥感图像和遥感数据进行解译和分析，揭示矿床形成的地质环境和构造特征的方法。
通过对地表遥感图像和数据的处理和解译，可以识别出地表上的特征，如地形、岩石类型、断裂带、褶皱等，从而推断矿床形成的地质背景和构造环境。
7. 结论成矿构造分析是一种重要的地质学方法，可以揭示矿床形成的地质背景和构造环境。
地质构造应力场的数值计算与模拟
地质构造应力场的数值计算与模拟地质构造应力场是指在地壳中由于地质构造运动和应力积累所产生的应力状态。
这种应力场对于地质灾害风险评估、油气田勘探开发、地下工程设计等领域具有重要意义。
通过数值计算和模拟，可以揭示地质构造应力场的分布规律和变化特点。
本文将探讨地质构造应力场数值计算与模拟的方法和应用。
一. 计算方法地质构造应力场的计算方法主要有两种：力学模拟方法和解析解法。
力学模拟方法包括有限元法、有限差分法等，适用于复杂地质构造形态和边界条件的计算。
解析解法则是基于地质构造应力场基本方程的解析求解，适用于简单地质构造模型的计算。
有限元法是一种力学模拟方法，主要用于求解复杂地质构造应力场。
该方法将地壳划分为若干个有限元单元，利用单元之间的相互作用关系和物理方程求解每个单元的应力状态，最终得到整个地质构造的应力场分布。
有限差分法则是以网格划分为基础，利用差分近似求解地壳的力学方程，也可以得到地质构造应力场的数值解。
二. 模拟方法地质构造应力场的模拟方法有多种选择，其中最常用的是三维有限元模拟和二维有限差分模拟。
在进行这些模拟之前，首先需要确定地质构造的边界条件和物理参数。
边界条件包括地壳运动速度、施加的应力和位移，物理参数包括岩石的弹性模量、泊松比等。
三维有限元模拟是一种适用于复杂地质构造应力场模拟的方法。
通过三维有限元模拟，可以考虑地壳内部的异质性和非线性行为。
这种方法基于大规模计算机模型，模拟地壳内的各种应变和应力状态，得到具有高精度的地质构造应力场分布。
与之相对应的是二维有限差分模拟方法。
该方法将地壳简化为二维平面，适用于较为简化的地质构造模型。
通过在地质构造平面上建立网格，利用有限差分近似求解力学方程，可以较为准确地模拟地质构造应力场的分布。
三. 应用与展望地质构造应力场的数值计算与模拟在地质灾害风险评估、油气田勘探开发、地下工程设计等方面具有广泛应用。
在地震风险评估中，数值模拟可以通过对地震力和地壳应力的计算，预测地震引发的断裂和滑坡等地质灾害。
第三章地质构造分析的力学基础
2.按时间分 按时间分
古构造应力场（分析推断得出） 古构造应力场（分析推断得出）
现代构造应力场（仪器测出） 现代构造应力场（仪器测出）
第二节
一、变形和应变 1.概念： 1.概念 概念：
变形分析
变形定义：物体受到外力作用后，内部质点之间发生位 变形定义：物体受到外力作用后， 致使物体的形态 体积发生变化的现象 形态或 发生变化的现象。 移，致使物体的形态或体积发生变化的现象。
应力椭圆： 应力椭圆：沿三个主应力平面切割椭球体所获得的三个 椭圆。 椭圆。 应力椭圆面： 应力椭圆面：每个平面的中的二维应力矢量就构成了一 个应力椭圆面。（也称为主平面） 。（也称为主平面 个应力椭圆面。（也称为主平面） 物体的空间应力状态 物体的空间应力状态根据应力椭球体分为： 空间应力状态根据应力椭球体分为： 三轴应力状态：指三个主应力值均不为零的状态。 三轴应力状态：指三个主应力值均不为零的状态。 双轴应力状态：指两个主应力值不为零，另一个主应 双轴应力状态：指两个主应力值不为零，另一个主应 力值为零的状态。 单轴应力状态：指两个主应力值为零（σ 单轴应力状态：指两个主应力值为零（σ1或σ3），另一 个主应力值不为零的状态。
其他几个概念： 其他几个概念：
主应力轴：每对主应力（正 主应力轴：每对主应力（ 应力）作用的方向线。 应力）作用的方向线。 主平面：主应力的作用的面。 主平面：主应力的作用的面。 六个截面） （六个截面）
2.应力椭球体： 2.应力椭球体： 应力椭球体
当 σ1﹥ σ2﹥ σ3 并且符号相 同时，可据σ 同时，可据σ1、 σ2和σ3为半 径作一个椭球体，代表该点 的全应力状态。 应力椭球体：以σ1、 σ2和σ3 应力椭球体： 为半径所作椭球体。 为半径所作椭球体。
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地质构造应力场分析方法与原则
发表时间：2019-01-04T10:34:05.383Z 来源：《基层建设》2018年第34期作者：郭建锐[导读] 摘要：构造应力场是地球动力学重要组成部分，是地壳动力学的主体部分，其研究对于构造分析研究、地震分析预报、工程抗震等领域都有着十分重要的理论和实践意义。
赤峰市利拓矿业有限公司内蒙古赤峰市 024000摘要：构造应力场是地球动力学重要组成部分，是地壳动力学的主体部分，其研究对于构造分析研究、地震分析预报、工程抗震等领域都有着十分重要的理论和实践意义。
本次研究针对地质构造应力场的测量方法水力压裂法、井壁崩落法、磁组构法进行分析，并对地质构造应场力分析原则进行阐述，继而进一步丰富构造应力场的理论。
关键词：地质构造；构造应场力；应场力引言：构造应力场就是在一个空间范围内构造应力的分布。
构造应力场是作用在地壳某一地区内部的和由于这一地区某种变形的构造单元的发育而出现的应力总和。
应力场是一种物理场，它和其他物理场，如重力场、电滋场、位势场等一样，也是物质存在的一种形式。
场不是空间，而是在空间范围内某个物理量的按势分布。
随着时间的变化，场内各点的强度和方向也将发生变化。
构造应力场是地球动力学重要组成部分，是地壳动力学的主体部分，其研究对于构造分析研究、地震分析预报、工程抗震等领域都有着十分重要的理论和实践意义。
1.地质构造应力场概述
构造应力场概念是由我国地质学家李四光率先提出的。
1947年李四光提出用构造形迹反推构造应力场，并研究各种不同力学性质的构造形迹与应力方向、应力作用方式之间的相互关系。
1940年格佐夫斯基也提出研究构造应力场，并把用赤平投影求主应力轴方向的方法引进构造应力场的研究。
1950年一1996年国内外地质工作者结合地震地质的研究工作开展了构造应力测量，经多年努力，通过野外与室内实测证实了构造应力的存在，并探索、研究了行之有效的构造应力测量技术方法，完善了构造应力测量的理论基础，建立了可靠的测量技术方法和数据处理系统。
万天丰（1999）、武红岭（1999，2003）等将矿场构造应力场研究的方法延伸到盆地构造研究领域，取得了人量的研究认识和资料，极大地丰富了构造应力场研究理论，也为盆地构造应力场研究积累了丰富的地质认识和方法。
1970年构造应力场的研究有长足进展，逐渐深入到地质学的多个领域。
1980年以后，构造应力场问题越来越受到国内外地质学界的重视，研究内容多涉及板块、大陆，大洋地区的构造应力场。
1990年以来，全球大陆与海洋科学钻探计划开始研究现今构造应力和古应力状态和岩石圈动力学问题。
2.地质构造应力场分析方法
构造应力场研究的主要内容是在确定各地的点应力状态（应力方向和应力大小）的基础上，研究在一定区域范围内各个构造活动时期的构造应力分布特征。
古应力测量可通过构造形迹分析法、古地磁法、节理测量法来确定古构造应力作用方向，利用声发射法。
晶格位错法等可确定古地应力值的大小（导致地层变形时的最大水平古应力）。
现今应力测量可利用震源机制解法、水力压裂法、井壁崩落法等来确定现今构造应力最大主应力方向，利用声发射法、经验公式法可确定现今地应力大小。
2.1.1水力压裂法
水力压裂测量地应力的方法首先在美国发展起来，1977年B.Haimson在井深5.1Km处进行了水力压裂地应力测量。
我国学者葛洪魁（1998）、康红普（2014）均在研究中采用水力压裂测量法进行验证。
水力压裂（Hydraulic fracturing）地应力测量是通过在井眼周围地层中诱发人工裂缝来获取地应力的一种方法，测试精度受多种因素的影响，如测试层位筛选、施工仪器设备、施工方案的选择以及测试数据的分析等。
2.1.2井壁崩落法
井壁崩落椭圆法的理论依据为崩落椭圆是由地壳内的构造应力场形成的，所以二者之间存在确定的关系。
它的基本原理是，由于地壳内存在水平差应力，致使钻井壁形成应力集中，在垂直于最大水平主应力（压应力为正）方向的井壁端切向应力最大，当该处切向应力达到或超过岩石的破裂极限强度时，即发生破裂，从而形成井壁崩落椭圆。
1970年加拿大Bell在研究阿尔伯达油田四臂井径测量的地层倾角测井资料后，发现井眼扩大方向与区域内的最小水平主应力方向平行，Gough等也发现了这种现象。
1985年，Zoboek使用井下电视观测证实了Boll的发现，并与B.Haimson等人对井眼崩落机制进行研究，说明了井壁崩落法是测量水平主应力方向的可行方法。
shulnberger测井公司研究应用测井资料解释地层压力问题，并用于解释石油工程中的地层破裂压力、地层坍塌压力及油层出砂等问题。
这种用测井资料解释地应力剖面的方法，己经能够解决石油工程中的许多问题。
2.1.3磁组构测量法
磁组构是指磁性颗粒或晶格的定向排列或组合，其实质是岩石磁化率各向异性。
岩石磁化率各向异性是指岩石的磁化强度随方向的变化性质，包括感应磁化率各向异性与剩余磁化率各向异性。
GrahamJ.w（1954）提出，儿乎所有岩石都可以观测到磁各向异性。
研究表明，岩石的磁化率一般表现为磁化率数量椭球的形状和方向。
椭球可以反映岩石内部铁磁性颗粒长轴的主要分布方向，与沉积搬运和充填方式、岩浆岩流动构造、变质岩类型和变质程度、页理、线理、褶皱轴方向等存在一定对应关系，是地史时期定向应力和温度作用的结果，是岩组分析和有限应变测量的重要手段之一。
3.地质构造应力场分析原则 3.1时间局限性原则
一般认为根据不同构造形变的切错和叠加等关系可以确定构造应力场的分期，即相对活动次序。
可以根据组成构造形变的最新地层时代和角度不整合面之上的最老上覆地层的时代，来确定构造应力场作用的大致时间。
如果有地层或侵入体同位素年代的资料时，构造应力作用的时间可以确定得更准确些。
即使如此，构造应力作用的时间还是不可能确定得十分精确。
如果已知组成某一构造形变的最新地层年代和侵蚀了构造形变的不整合面之上的最老上覆地层的年代，构造形变肯定是在不整合形成期间发生的；但两个沉积地层的年代之间，发生了许多变化：老地层沉积之后要下沉、硬结成岩；受构造应力作用后造成构造形变；隆起遭受剥蚀；地壳重新下降，接受新的沉积。
可以看出在整个不整合的形成过程中造成构造形变的构造应力作用只局限在一个较短的时间内。
如果再考虑到同位素年代的不精确性（由于采样、测试方法等原因），要准确测定构造应力作用的时间实际上目前还难以实现。
3.2空间动态性原则
构造应力场都是在一定的时间与空间变化的，构造形变是构造应力场作用的产物，构造形变过程中又改变了构造应力场的方向和大小。
早期构造形变对后期构造应力场的分布有着明显的影响。
尽管对于构造应力作用时间的确定还不十分精确，但可以通过各构造形变的相互关系和系统对比，并配合生物地层年代、同位素年代与角度不整合的研究来确定构造应力场的活动时间。
在构造应力场的研究中，首先抓紧构造作用的相对先后次序的研究，即构造应力场的分期问题是十分重要的。
以后再通过对比的方法，争取逐步确定各期构造应力场的形成时期。
这是目前最常使用的，也是比较现实的方法，要确定构造变形的相对年代，就必须研究各构造变形之间的关系。
结语：构造应力场的研究逐渐应用到复杂油气勘探开发的多个领域，也是构造地质学、地磁学、地球物理学、沉积岩石学等多学科发展和相互渗透的重要领域。
构造应力场的研究也需要多学科、多研究手段的支持。
但构造应力场的研究也还存在着许多不成熟的方面，如构造的定年问题、古构造的恢复问题、构造力学模型的量化描述问题、构造应力大小和方位的测量问题、构造运动的动态模拟问题等等，需要我们进一步去探索、去研究，取得更多的资料成果来丰富构造应力场的理论研究内容。
参考文献：
[1]韩贝贝；秦勇；张志军.太原西山煤田现代构造应力场综合模拟[J].石油学报.2011.15：11
[2]安慧婷；许立青太行山东麓断裂带中、新生代构造应力场及转换机制 [J].大地构造与成矿学.2015.08：15
[3]王茜茜.鄂西利川一带中生代及现今构造应力场研究[D].中国地质大学（北京）.2016。