构造应力场

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第602页（2995字）

地壳构造是地壳在力的作用下所形成的产物。

地壳受力作用，在内部产生应力。根据应力分布状态，即应力场情况的不同，地壳岩石种类、性质的不同，物理、化学环境的不同，所形成的构造单元、构造型式也不尽相同。这种存在于地壳岩石内的应力场即为构造应力场。研究构造孕育、形成、演化，构造单元类型、形态，构造形迹的成生联系，探寻地壳运动动力来源等问题，都从构造应力场进行需要研究的基本问题。

地质力学着重研究各种构造型式、某一地区或全球的构造应力场。

构造应力场研究方法分为：(1)野外考察和观测，包括地史、地质和构造解析，地应力测量，地形变测量和地球物理方法等；(2)模拟实验；(3)数学力学解析理论的建立和计算机数值方法等。

1929年，李四光通过对东亚地区构造研究，首次提出构造型式概念，总结出山字型、多字型等多种构造型式，并用模拟实验方法说明各种构造型式形成条件、受力方式和运动程式。1945年，李四光首次运用力学原理对山字型构造进行解析理论研究；1947年发表了对一个地区复原构造应力场的途径和方法，指出按不同时期、不同地点发生的构造单元构造面，结合当地岩石力学性质，分析形成各种构造单元的应力状态，建立应力迹线网络，表达该期、该区应力场。

50年代，李四光倡导并亲自致力于野外地应力测量，用于地震预报和地质构造研究。同期，国外M．B．Гзовcкий也提出在野外和用模型研究构造应力场方法，采用构造运动速度梯度进行地震区划和地壳应力状态估计；N．Hast在北欧进行了大量的地应力测量，积累了丰富的测量数据，汇同其他人在世界各地区大量测量数据，表明在大多数地区地壳水平应力大于垂直应力。60年代，李四光总结提出典型构造型式：棋盘格式构造(共轭断裂构造，X型构造，网状构造)，雁行状构造，入字型构造，同心圆－辐射状构造，以及涡轮状、莲花状、帚状等构造型式，并进行了模拟实验，阐明构造成因和可能的外力作用方式。潘立宙等开始进行地应力测量原理和方法的合理化、科学化和计算程序化等研究，取得重要成果。

在此期间，关于探测、复原构造应力场，在国内个有很大发展，先后提出：小构造法，断层擦痕法，缝合线法，凯塞效应法，岩墙法，双晶法，位错密度法，重结晶粒度法，亚颗粒法，剪切热法，地震波速法，震源机制解法，天文重力空间技术，计算机数值模拟法等等。这些方法中，有的适用于一定尺度范围，有的适用于古构造或现今构造活动。

有些方法，从原理上或方法本身，还需要进行改进和完善。

以J．G．Ramsay为代表将力学大变形(有限应变)理论和方法引入构造变形解析，创立了岩石有限应变测量原理和方法。

有限应变测量的任务之一是复原构造应变场(地质力学也称应变图象)。韩玉英建立任意(非均匀)有限应变场解析理论和解法，可利用露头变形标志物的有限应变测量，通过有限应变场的场方程推算出构造应变场，再通过地质体的本构关系，复原构造应力场。

70～80年代，在构造型式解析理论的建立、利用计算机进行数值计算和构造应力场相关研究等方面都有很大的进展。王仁从全球考虑，提出两种分层地球模型，计算、论证由于自转速率变化引起全球应力场产生构造运动的可能性。

黄庆华运用弹性力学原理建立雁行状褶皱和旋卷褶皱的数学力学解析理论，论证两种构造型式形成的受力方式和褶皱排列规律。王连捷利用有限元法对旋卷构造应力场进行数值计算，得出应力迹线与解析解进行比较，十分符合；通过对雁行构造应力场计算，阐明以雁行褶皱为背景的雁行断裂等间距性形成机理。王维襄建立非线性断裂准则，统一反映张断裂和剪断裂形成条件，为棋盘格式构造、雁行状断裂、入字型构造、涡轮状构造、同心圆一辐射状等各种典型构造型式建立数学力学解析理论，并导出棋盘格式和雁行状构造根据构造排列推算应力状态的理论公式，可根据构造定量地复原构造应力场。廖椿庭等利用地应力测量和有限元计算，结合地质条件，对金川矿区构造应力场进行研究，根据应力场状况，提出合理的巷道走向、孔形和支护，有效地解决长期由于巷道变形严重影响生产的难题。

在矿田构造研究方面，万天丰对一些地区不同地质时期的构造应力场进行了系统的复原和研究，对认识矿体赋存规律取得良好效果。对中国和邻区现代构造应力场进行不同研究的有、鄢家全、时振梁和李方全等。S．Gregersen和B．Muller等对欧洲，B．C．Haimson对美国，J．S．Bell等对加拿大，T．N．Gowd对印度等地区，以及A．E．Scheidegger，M．L．Zoback等对全球的构造应力场都进行不同程度的研究。

构造应力场研究展望：(1)在构造应力场研究中，考虑地质体的非均匀性、各向异性、节理化不连续性和相关物性参数的测定；(2)在构造力学解析中考虑大变形(大位移、大转动、有限应变)、非线性，引进断裂力学和损伤力学；(3)在褶皱研究方面主要是大波幅、对称非对称、盘桓倒转等大变形有限元和边界元数值计算等；(4)不同地质时期，不同尺度范围，包括世界范围的地应力场复原与图件编制；(5)构造应力场研究在矿田构造预测、区域稳定性评价、地震预报、地质灾害防治和地壳运动动力起源等研究中的应用。

。【参考文献】：

1 李四光．地质力学之基础与方法．北京：中华书局，1947．1～7

2 Ramsay J G．Folding and Fractuiing of Roeds．New York：McGranw-Hill，1967，50～254

3 Hast N．Tectonophysics，1969，8：169～211

4 黄庆华．中国科学(B辑)，1974，5：492～500

5 潘立宙，等．地应力测量的原理和应用．北京：地质出版社，1981．1～238

6 王仁，等．地质力学论丛(第6号)，1982，193～197

7 ScheideggerA E．Principles of Geodynamies，Spningerverlag，1982，86～103

8 万天丰．古构造应力场．北京：地质出版社，1988．76～95，124～144

9 Wang Weixiang．Physics and Chemistry of the Earth，1989，17：149～158

10 韩玉英．中国科学(B辑)，1990，3：319～328

(中国地质大学王维襄教授撰)