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用声发射地应力测量法测量地质历史时期的古应力大小 ，主要是利用岩石的凯瑟（Kaiser）效应的“抹录不净 ”现象 ，丁原辰和张大伦在大量实验的研究基础上发现了一种称之为“抹录不净 ”的物理现象：即若岩石在一期较大的应力作用前，已经承受过一期较低的应力作用 ，则在作声发射测量时 ，后一期应力作用的凯瑟效应比前一期应力作用的凯瑟效应明显，但前一期应力作用也有类似的凯瑟效应 。“抹录不净”现象的发现，为我们直接测量某一地区所受的历史应力值 ，划分古构造期次提供了一定的依据 。
作者等在燕山东段—下辽河盆地 ，分别采集了从中新元古代到新生代不同时代地层中的样品，用声发射法对其所经受的古应力值和现今应力值进行测试。测试工作是在地质矿产部地质力学开放研究实验室完成的 ，测得的不同时代地层中经历的构造运动次数结果见表6-6 ，根据声发射累积数与外加压应力关系曲线（图6-7）确定的不同时代岩石所经历的历史应力值见表6-7 。
表6-6 燕山东段—下辽河盆地声发射法古地应力期次测量结果表
图6-7 声发射（AE）累积数与外加压应力关系曲线
表6-7 燕山东段及下辽河盆地声发射法古地应力值测量结果表
实验结果显示，辽河盆地沙一 、二和东营期岩石一般都有两期的记忆 ，第一期为33.9～37.2Mpa ，平均35.2Mpa，第二期47.1～64.6Mpa ，平均53.4Mpa ，沙四 、沙三期岩石普遍经历了三期应力作用，各期应力大小分别为：第一期28.5～36.2Mpa ，平均33.2Mpa ，第二期48.5～59.3Mpa，平均53.7Mpa，第三期67.6～71.4Mpa ，显然该期次应力值差别较大 ，可能与坨6采样点样品的位置有关，估计平均值应为69.5Mpa 。与沙一、二和东营期岩石所经受的应力作用相比 ，后者的前两期应力大小与前者的两期应力大小极其相近。因而可以推测 ，辽河盆地新生代以来可能经受了三期的应力作用：第一期在沙三与沙二之间，应力大小为69.5Mpa ，对应与沙三末的构造抬升 。第二 、三期在东营之后 ，应力大小分别为53.4～53.7Mpa和33.2～35.2Mpa，其中一期对应老第三纪末的构造反转 ，另一期可能对应东海盆地中新世末的构造事件 。
阜新 、北票附近白垩系义县组岩石经历了四期应力作用 ，中侏罗统蓝旗组岩石经历了五期应力作用和中元古界大红峪组经历了八期应力作用。白垩系义县组岩石比新生代岩石多经历的一次应力作用可能对应白垩纪末的挤压作用，中侏罗世岩石比白垩纪岩石多经历的一次应力作用可能对应侏罗纪末的挤压作用。中元古代地层所经受的八期应力作用可能对应于中新世末、老第三纪末 、沙三期末 、白垩纪末、侏罗纪末、早侏罗世末 、中三叠世末及海西期的挤压作用 。
孙宝珊 、丁原辰等在该区北侧张强凹陷科尔康油田用声发射法对下白垩统地层所经历的历史地应力的测量结果也显示 ，下白垩统地层经历了四期应力作用 ，其古应力值分别为：33.4MPa、57.1MPa 、87.3MPa和106.2MPa（平均值） 。其中的应力作用大小和期次与燕山东段—下辽河盆地所测的应力作用大小及期次相近。两者对比分析表明，燕山东段—下辽河盆地声发射所测试的几期应力作用在区域上具有一定的代表性 。
现今构造应力场的研究方法
4.1.1 地应力水力压裂法测试成果
20世纪60年代末，美国人费尔赫斯特(C.Fairhurst)和海姆森(B.C.Haimson)提出了用水压致裂法测量地应力的理论 。至80年代 ，这一方法已在全世界范围内得到了较为广泛的应用。该方法的突出优点是能够测得深部的地应力值 ，这是应力解除法所无法达到的 。水压致裂法测量结果只能测得垂直于钻孔平面内的最小主应力(Sh)的大小与方向，经计算求得最大主应力 。故从原理上讲 ，它只是一种二维应力测量方法 ，其测量结果的可靠性和准确性尚达不到应力解除法的水平。若要测定测点的三维应力状态，须打互不平行的交汇于一点的三个钻孔 ，这在隧道勘察设计阶段往往是难以做到的 。一般情况下 ，多假定钻孔方向为一个主应力方向，例如将钻孔打在垂直方向 ，则认为垂直应力是一个主应力 ，其大小为自重应力，那么由单孔水压致裂测定结果就可以确定一个三维应力场了 。但在某些情况下 ，垂直方向并不是一个主应力的方向 ，其大小也不完全等于自重应力。如果钻孔方向和实际主应力的方向偏差15°以上，那么上述假设就会对测试结果造成较大的误差 。此外，水压致裂法认为初始开裂发生在钻孔壁切向应力最小的部位 ，即平行于最大主应力的方向 。这是基于岩石为连续 、均质和各向同性的假设。如果孔壁本来就有天然节理裂隙存在 ，那么初始开裂将很可能发生在这些部位，而并非切向应力最小部位 ，因而水压致裂法较为适用于完整的脆性岩石中进行。所以工程实践中 ，一般在工程前期勘察设计阶段，可以先使用水力压裂法总体上初步查明工程区岩体的地应力状态 ，而在工程施工过程中 ，则可以用应力解除法比较准确地测定工程区的地应力 。
在隧道勘察设计阶段，国家地震局地壳应力研究所采用钻孔水力压裂法完成了地应力的测试工作 ，其主要测试成果如表4-1所示 。
水压致裂法地应力测量成果表明：
(1)工程区最大水平主应力SH的方向为N59°W～N82°W；
(2)隧道主轴线及其附近测得的SH最大值可达53.47MPa(CZK3 孔深707.43～708.26m)；
表4-1 二郎山隧道水压致裂地应力测量结果 Tab.4-1 Measured results of geostress by hydrofracturing technique in Erlangshan Tunnel
(3)大约在海拔高程2200m部位为山体自重应力与构造应力的分界线。该分界线以上垂直应力(SV)占主导地位 ，即SV＞SH＞Sh；分界线以下，水平应力占主导地位 ，即SH＞Sh＞SV 。二郎山公路隧道顶板正位于该分界线偏下部 。
4.1.2 测量成果分析
研究区钻孔水压致裂法地应力测量成果表明 ，工程区最大水平主应力SH的方向为N59°W～N82°W，与隧道轴线方向的夹角较小，介于23°～46°之间。根据四川省地震局有关“地震报告 ”(1991.7) ，由区域内康定、泸定和龙门山断裂带等邻近地区所取得的近20个震源机制解资料 ，得出该地区的平均主压应力方向为N60°W；另据四川省地震局采用应力解除法在川西地区得到的结果(表4-2)，测区最大水平主应力方向为N24°W～N86°W 。多种测定结果相对比分析可知 ，工程区水压致裂法测定的SH方向基本上是可信的 。
表4-2 川西应力解除法SH方向测定结果 Tab.4-2 SHmeasured results by the stress-relief method in West Sichuan
注：SH为最大水平主应力(资料来源：四川省地震局)。
从钻孔岩心描述资料分析可知 ，隧道中部CZK3钻孔穿过F5断层及其下部影响带部位测试段，由于受到断裂构造作用的影响 ，出现了局部应力调整作用 。此外 ，砂岩 、粉砂岩岩心节理裂隙较发育，均一性和完整性相对较差(隧道开挖后实际情况也如此 ，且局部渗水) ，属Ⅲ类围岩，因而难以满足水压致法所需的基本要求和假设条件 ，测得的所谓“地应力集中带 ”(图4-1)SH量级与隧道开挖后无岩爆活动等实际情况不相符 ，结果普遍偏大 。
现今构造应力场的研究，对于研究油 、气的保存、集聚 、运移有着极其重要的意义。因为石油 、天然气主要聚集在现今低围压区域 。现今构造应力场主要通过仪器及一定手段在现场测量或推算出来 。随着这项工作的开展，测量方法也日趋增多。主要有(格佐夫斯基 ，1957；安欧 ，1972；陈之光，1986；万天丰 ，1982)：
(1)应力解除法(套心法)
图2.55 应力解除示意图
(据地质力学研究所等 ，1981)
上图为俯视图；下图为剖面图
这是一种常用的现场直接测量地应力的方法。在未被扰动的岩体中先钻一测量孔，将3个不同方向的电感测量元件放入孔内测量电感值 。然后围绕测孔用套钻钻一较大孔套住原测孔(图2.55) ，使原测孔周围岩石与被测岩体脱离而卸载产生弹性恢复 ，因而元件中的电感值发生变化 。根据电感值的改变量即可换算出测点岩石中各主应力值的大小和方位。在测孔中也可放入三轴应变仪 。由于应力解除前后测孔变形，利用所测应变量即可换算出测孔周围岩石中各主应力的大小和方位 。
由于此法影响因素很多 ，施工要求很严 ，套钻钻进深度有限，故只有在较深的矿井或地下巷道中才能测得较深处的地应力值。
(2)水压致裂法(液压致裂法)
此法分两步：在需要测量的深度上 ，用两个可膨胀的橡胶封隔器封隔钻孔的一段(图2.56) ，然后在封隔段泵入液体，施加液压，直至孔壁岩石产生张破裂为止 ，此过程需有破裂压力（ ）和关闭压力(ps) 。前者是为了引起水压破裂；后者是为了使破裂缝保持张开状态 。据此即可计算原地应力大小。此后 ，将一个定向软橡胶套筒放入钻孔，增压使其膨胀 ，在钻孔壁上取得水压破裂的印模(也可采用井下电视直接观测) 。根据印模测定破裂方向 ，推断主应力方向 。此法一般测量深度较大(1000～5000m)，不需测定岩石弹性参数。
图2.56 水压致裂法示意图
pb—孔隙压力； —破裂临界压力；pg—关闭压力； —破裂重新张开压力；δHmax—最大水平主应力；δHmin—最小水平主应力；Q—切向正应力
迄今所推导的水压破裂的压力与原地应力间的理论表达式仅适用于脆性、线弹性 、均质 、各向同性及非渗透性岩石 ，而且岩石中一个主应力作用方向大致平行测试孔轴 。因此 ，可简化为一具有圆孔的无限大平板弹性理论问题 。
当孔内无液压时，p=0 ，只有两个水平应力σHmax、σHmin作用。圆孔上M点(该点与σHmax间夹角Q=0)的切向正应力为
Q=σHmax—3σHmin (2.139)
当孔内有液压为p时 ，M点切向正应力为
Q=σHmax—3σHmin+p (2.140)
如果孔内液压p增加，则M点应力也随之增大；当达临界值(破坏压力) 时 ，则Q达岩石抗张强度T ，岩石产生张破裂(图2.58)。假设岩石孔隙液压为p0，则临界破坏压力为
构造应力场控岩控矿
停泵时，使水压破裂保持张开的关闭压力(ps)等于垂直于破裂面的压应力 ，即最小水平主应力：
σHmin=p (2.142)
如果岩石的抗张强度已知 ，便可用式
构造应力场控岩控矿
求得最大水平主应力σHmax：
构造应力场控岩控矿
当重新增大孔中的液压时，由于破裂已经形成 ，T=0 ，故使破裂重新张开的液压p1b(图2.56)和最大水平主应力σHmax的关系为
构造应力场控岩控矿
显然，根据式(2.142)和式(2.144)即可求得岩石的抗张强度T：
构造应力场控岩控矿
垂直地表的主应力(σz)可通过式σz=pgz求得 。
野外测量、室内试验和理论计算等表明：当使用橡胶封隔没有预破裂孔段时 ，无论σz大小如何 ，初始水压破裂总是垂直的，并垂直于最小水平压应力(σHmin) 。因此 ，只要水压致裂方向一定 ，则最大 、最小主应力方向就可以确定。
(3)震源机制解
它是利用天然地震P波(纵波)初动方向对构造应力进行间接推测 。
图2.57 震源机制的双力偶模型（零静力矩的双偶极）
(据迟特，1978)
P波与S波的辐射图案P+=压缩；P—=膨胀
当地震发生时 ，地面各台站首先接收到的是P波 。其初动波方向有上有下。向上者称压缩波 ，用“+”表示；向下者为膨胀波，用“— ”表示 。压缩象限和膨胀象限是成对顶角分布的(图2.57) 。一次地震的P波初动方向一般在地面上四个象限呈正负相间分布。它们的分界面称为节面，其中一个节面即为地震发震时的剪切滑动面 。两个节面正交 ，视为一对最大剪应力作用面 。其中一个为发震断面 ，另一个是辅助节面。两节面的等分角线分别平行张力轴(T轴)和压力轴(P轴) 。两节面的交线为B轴 。P 、B和T轴分别代表大、中间和最小主应力轴，因而可推断震源附近的主应力方向。利用震源机制解来确定岩石圈内构造应力方向是比较有效的 ，大量的浅源与中源地震资料可以比较有效的确定地下几十千米以至上百千米深处的构造力。
此法测量的地应力深度较前两种方法更深 ，而且是配合地震监测工作完成的，可获得大量地震点震源处的地应力值 。
(4)重复大地测量及活断层位移测量法
它是通过大地水准测量及三角网测量 。前者是测量地形变及活断层在垂向上的位移量；后者测量地形变或活断层在水平方向的位移量。根据所测数据 ，采用弹性位错理论或流变体模型进行反演 ，可推断断层模型的参数，估算这一时期的应力变化 。
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