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“把脉”地壳 造福人类
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见习记者 倪伟波
地应力是指客观赋存于地壳岩体内且未受工程扰动的一种自然力，亦称原岩应力。它是导致地壳岩体产生变形、断裂、褶皱乃至地震的根本作用力。
我国著名地质学家李四光曾指出，岩层中发生的种种变形或破裂，是应力活动的结果。
我国是世界上构造活动性最剧烈的大陆之一，地质灾害频发，地球内部热动力和板块间作用力直接控制了火山喷发、地震、岩爆和群发性滑坡泥石流等重大灾害。
而进一步了解地球内部精细结构和地块活动规律、地壳应力集中和释放的机理是地质灾害预警预报的基础。
李四光认为，大地震的孕育和发生是在一个大区域内地应力长期积累、集中、加强的过程和在应力集中区最终导致应变能突然释放的结果。
可是，“要从根本上解决地震预测预报问题，现有的地壳应力观测研究的方法水平很不够”，中国地质科学院地质力学研究所研究员陈群策遗憾地表示。
一方面是目前缺乏系统的原地应力观测。现有的原地应力测量大部分是服务于工程设计的，这些离散的观测数据所能反映的区域应力场信息往往是很有限的，因而严重制约了针对地震预测进行的高质量的地壳应力环境研究。
另一方面，已有的GPS观测网以及数字地震台网虽然对于地壳运动学的深入研究以及了解区域应力的方向具有重要的作用，但GPS 的观测数据只给出点间位移情况，尚不能真实地反映应变情况特别是应变强度。由震源机制解也只能得到区域应力场方向，同样不能得到研究区域的应变特征。
再加上，随着国家经济社会的快速发展，采矿、隧道、水利水电、地热能开发、核废料处置等工程的持续增加，随之而来的地应力不断增大，深部岩体结构和构造更加复杂。近年来，我国大型矿山煤瓦斯突出、岩爆、巷道变形、高边坡失稳等一系列问题愈发严重。
因此，开展地应力测量和监测，在中国大陆范围内选择关键的构造地域，科学地布设观测网点，探知地壳应力分布状态和区域应力场的动态变化，不仅可以服务各类岩体的工程建设，而且还能为地球动力学、断裂活动性和地质灾害预警研究提供重要的科学依据。
鉴于此，作为“地壳探测工程”实施前的培育性计划，国家启动的“深部探测技术与实验研究”专项（SinoProbe）下设了“地应力测量与监测技术实验研究”项目（SinoProbe-06）。
该项目是由陈群策和中国地震局地壳应力研究所研究员李宏担任首席科学家，中国地质科学院地质力学研究所、中国地震局地壳应力研究所、中国科学院研究生院等多个单位的近百名研究人员参与其中，历经5年多的攻关研究，取得了一系列的重要成果，为在全国开展地壳深部探测、地球动力学基础研究、解决国家资源环境重大问题提供了坚实的科技支撑。
原地应力测试技术方法试验研究
由中国地质科学院地质力学研究所研究员吴满路担任负责人的课题组，在原压磁测量系统、水压致裂测量系统基础上，成功研制出新型压磁应力解除系统、新型压磁监测系统以及新型水压致裂测量系统，测量深度、测量精度以及仪器设备性能指标显著提高。
课题组通过压磁应力解除法、水压致裂法系统野外对比测量，对这两种原地应力测试技术方法的可靠性和适用性进行了分析，为测量技术规范制定提供了依据。
目前，研制的压磁应力解除系统、压磁监测系统已成功应用于地应力绝对测量及地应力相对观测领域，并已取得了一系列的重要科研及应用成果。
深孔地应力监测仪器研制与观测技术方法试验研究
由李宏牵头的课题组，在北京建立了首座钻孔应力应变综合观测对比试验站；同时还首次系统地开展了现场标定试验。
课题组通过在青藏高原东南缘钻孔应变示范观测基地的换成实验，形成了基于太阳能供电的钻孔应变观测无人值守技术系统。
同时还研制了深井综合观测系统，实现了水平应力应变、钻孔倾斜、水位、井温、孔隙压力等多测项的深井综合观测。
重要地区地应力测量与监测及构造应力场综合研究
以陈群策为负责人的课题组，以北京地区和青藏高原东南缘为课题的主要研究区域，利用先进、成熟和可靠的地应力测量与监测技术，首次建立了青藏高原东南缘深孔地应力监测区域网，取得高质量深井地应力测试数据与原地应力深度随变规律。
课题组在青藏高原东南缘（龙门山断裂带和滇西北地区）和北京地区完成了大量地应力测量，获取了丰富的地应力基础数据，深入研究了青藏高原东南缘和北京地区现今地应力环境，并建立了一批长期应力监测站，初步构建了地应力监测网络平台。
基于实测数据，课题组重点研究了汶川地震后龙门山断裂带现今地应力环境。提出了汶川地震后沿龙门山断裂带地应力作用分段性特征，分析了断裂带不同段稳定性，进而探讨了汶川地震成因机制及其对该地区地应力调整的意义。
课题组还采用三维线弹性球壳模型，以中国大陆基础数据库地应力资料和本课题实测地应力数据为主要约束条件，研究了青藏高原东南缘现今地应力场的分布规律，从应力场演化角度探讨了青藏高原隆升机制及其地球动力学意义。
此外，课题组采用三维黏弹性有限元计算模型，对华北地区的初始应力场进行了反演研究，给出了该地区浅表层应力作用方向和强度特征，讨论了柔性下地壳对应力随深度变化的影响，进而分析了华北动力环境及其对断裂活动性的影响。
构造应力分析方法研究与应力探测数据集成
由中国地震局地壳应力研究所研究员崔效峰带队的课题组完成了“地壳探测地应力专题数据库”的建设工作，以地理信息系统为基础平台，建立了开放性并具国际标准的地应力专题数据库，为实现深部探测数据的社会共享搭建了基础数据平台。
同时还完成了原地应力测量数据自动计算分析软件编制，震源机制解及断层滑动方向反演构造应力张量计算软件编制以及含原生裂隙压裂段水压致裂应力测量分析程序编制。
新的计算软件不仅提高了计算结果的精度，而且根据实际需要增加了相应功能，操作界面也更加友好。
对于下一步的研究工作，陈群策和李宏早已有了明确的方向，那就是地应力的测量深度在条件允许的情况下应该进一步加深，以期获得更深处的地应力信息，为应用于深部资源开发、地球动力学研究等提供“金钉子”式的地应力实测数据。■
《科学新闻》 (科学新闻2014年10月刊 硕果)
https://blog.sciencenet.cn/blog-85876-845630.html
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