基準應力狀態(tài)

  • 描述地殼中應力場改變模式的理論模型；
  • 假設行星只有一個巖石外殼，沒有復雜的板塊構造；基準狀態(tài)應力不包括板塊作用力；

一、靜巖應力狀態(tài)

靜巖應力狀態(tài)是地球內部最簡單的應力模型，它基于一個理想化的狀態(tài)，即巖石沒有剪切強度（σs）。在此情況下，地質歷史時期內的巖石體不能提供差應力（σ1-σ3=0）。應力與方向無關：
σ_{1}=σ_{2}=σ_{3}=ρgz
靜巖應力狀態(tài)是各向同性的應力狀態(tài)，即水平應力和垂直應力相等。各個方向的正應力都等于上覆巖石的重力。

巖石側壓系數(shù)k定義如下：
k = \frac{σ_{H} + σ_{h}}{2σ_{V}}
其中，σ_{H}和σ_{h}分別為最大和最小水平應力,σ_{V}為垂向應力。

可見在靜巖應力狀態(tài)下，巖石側壓系數(shù)k=1。

二、單軸基準應力狀態(tài)

基本概念

  • 水平方向上沒有應變，應變只發(fā)生在垂向上；

  • 單軸壓縮是無構造應力或構造應力微小的沉積巖壓實下所具有的特征；

  • 水平應力相等（σ_{H}=σ_{h}），且隨著埋藏深度或σ_{V}的增加水平應力也增加。但如果把地殼當作線性彈性介質的話，垂向應力比水平應力增長的更快：

    垂向應力與靜巖壓力基準模型相等，即σ_{V}=ρgz=σ_{1}；水平應力σ_{H}=σ_{h}=σ_{2}=σ_{3}，其值為：
    σ_{H} = \frac{ν}{1-ν}σ_{V}= \frac{ν}{1-ν}ρgz
    其中，ν為泊松比。與靜巖應力相比，這里的水平應力取決于巖石的物理性質。

概念延伸

由于單軸基準應力狀態(tài)下σ_{H}=σ_{h}，由式（2）及式（3）可知巖石側壓系數(shù)k:
k = \frac{σ_{H} + σ_{h}}{2σ_{V}} = \frac{2σ_{H}}{2σ_{V}}=\frac{σ_{H}}{σ_{V}}=\frac{ν}{1-ν}
由于典型的巖石泊松ν均值常為0.25左右，因此當ν=0.25時從式（3）中可知道σ_{H}=(1/3)σ_{V}，即k=1/3，水平應力僅為垂直應力的三分之一。也就是說，單軸應變基準模型預測垂向應力遠遠大于水平應力。

這種應力狀態(tài)實際上描述了一種伸展環(huán)境下特有的應力狀態(tài)（σ_{V} > σ_{H} > σ_{h}），但是即使在上地殼中，σ_{H} > σ_{h} > σ_{V}的應力狀態(tài)也非常常見。全球范圍內的實測應力表明，巖石側壓系數(shù)是遠大于1/3的，如圖1所示。因此，很多情況下單軸應變基準模型不能對應力狀態(tài)進行充分的解釋。

圖1 叉號為世界范圍內的實測應力值，小圓為德國KTB 科學鉆實測應力值，菱形為圣安德列斯斷層深部觀測網(wǎng)（SAFOD）先導孔中的實測應力值，虛線為單軸壓縮狀態(tài)下的側壓系數(shù)，實線為當取楊氏模量為95GPa 時，Sheorey (1994) 的理論側壓系數(shù)

?著作權歸作者所有,轉載或內容合作請聯(lián)系作者
【社區(qū)內容提示】社區(qū)部分內容疑似由AI輔助生成，瀏覽時請結合常識與多方信息審慎甄別。
平臺聲明：文章內容（如有圖片或視頻亦包括在內）由作者上傳并發(fā)布，文章內容僅代表作者本人觀點，簡書系信息發(fā)布平臺，僅提供信息存儲服務。

相關閱讀更多精彩內容

友情鏈接更多精彩內容