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地应力是地壳岩体在天然状态下所具有的内应力,是地下空间、隧道等工程实施的基础数据,也是地震预报分析、地质灾害(滑坡、泥石流等)及大尺度地球动力学、岩石圈构造等研究不可忽视的基础条件。地应力观测可以分为绝对地应力从测量和相对地应力测量。前者是岩土体的初始原岩应力状态,是岩土体存在于地层中的天然应力。后者则是某点前后两个时刻的应力变化,可基于平面应力假设的浅地表应变观测来获得。本论文将就地应力测量及在地震学应用中的若干问题进行讨论。 首先是提出地应力变化观测结果有力学含义的形象表达方法。目前,分量式钻孔应变仪,是相对地应力观测中广泛使用的仪器之一,通过平面地应力的监测,可获得地应力两个水平主应力大小和方向。其中,四分量钻孔应变仪,是我国现今主要采用的钻孔应变仪,通过观测四个方向的钻孔应变变化,可以进行自检,得到地应力的最小二乘解,为地应力监测提供可靠依据。本文在前人对四分量钻孔应变观测研究的基础上,进一步对四分量钻孔应变观测数据分析,提出一种新的四分量钻孔应变表示方法——正应力花瓣图。这种表示方式不仅可以形象地了解应力在一段时间内的变化,并可定量分析任一截面方向的应力大小。 其次,就应力观测中的一个重要问题,即区分构造应力的变化和其他非构造因素引起的“干扰”问题进行了研讨。针对钻孔应变观测中周围岩土体的温度、水位等因素的影响,采用有限元分析的方法,进行了数值分析。在此,以姑咱四分量钻孔应变台站为例,搭建了三维四川大渡河山谷区域地质模型,讨论了大渡河水位变化对四分量钻孔应变观测的影响。初步计算结果表明,大渡河水数米的涨落可对姑咱台四分量钻孔应变仪探头处产生kPa量级的应力。探头能够记录到水位变化的影响,一方面,说明了钻孔应变仪的确能够在野外条件下记录到微小应力变化,证明了仪器具有很高的灵敏度;另一方面,表明在条件许可的情况下,钻孔应变仪台站选址应该避开陡峭河谷区域,才能减小非构造应力的干扰,突出记录构造应力变化,使观测能更好地应用于地震活动性的研究。 本论文也尝试分析了钻孔应变观测曲线中出现“压性脉冲”或“潮汐畸变”现象产生的可能原因之一——钻孔附近的结构面中的水温度变化对四分量钻孔应变观测的影响。但计算结果显示:如果在钻孔应变观测处,最长2小时以内产生平均超过400Pa的脉冲,需要在四分量钻孔应变元件处20cm左右的范围内存在0.01℃的水温变化。在实际条件下距钻孔这么近、温度这么高的变化,是比较难以满足的苛刻的条件,据此,初步判断钻孔应变观测曲线中的“压性脉冲”或“潮汐畸变”是由附近结构面中的水温度变化引起的可能性很小。该现象的成因还需要进一步探讨。 大地震引起的同震位移和应力变化是地应力在地震科学中应用的又一个重要方面,本论文在这方面也做了一些探讨。本研究运用等效体力方法和自适应网格加密技术,搭建了考虑地形的非均匀椭球型地球模型,基于已有的同震位错模型,以2001年昆仑山口西Ms8.1级地震为例,计算了该大地震的同震位移,并与GPS观测结果的对比。尝试分析了地球的椭率和地形对计算结果的影响。计算结果显示,对于2001年昆仑山口西Ms8.1地震,地形和介质的非均匀性对计算结果影响较大,而地球椭率的影响相对较小。地形加椭率造成的平均相对误差接近10%,地形的平均相对误差约6.5%;而椭率的影响小于地形,仅约1.3%。