地應(yīng)力主要測(cè)試和估算方法回顧與展望

王成虎

中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所(地殼動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室), 北京, 100085

內(nèi)容提要: 隨著人類對(duì)深部礦產(chǎn)資源和能源材料的需求量持續(xù)增長(zhǎng)，深部開采問(wèn)題必將成為工程界所面臨的重大問(wèn)題，而地應(yīng)力參數(shù)的準(zhǔn)確確定是有效解決該重大問(wèn)題的基礎(chǔ)工作之一。文章總結(jié)了目前在能源和資源開采中使用較為廣泛的26種地應(yīng)力測(cè)試方法，并對(duì)這些方法的基本力學(xué)原理、發(fā)展史作了簡(jiǎn)要介紹。這26種方法按照數(shù)據(jù)源途徑可以分為5大類，分別為基于巖芯的方法、基于鉆孔的方法、地質(zhì)學(xué)方法、地球物理學(xué)方法以及基于地下空間的方法。這些方法依據(jù)滿足工作需要的角度又可以分為主動(dòng)法和現(xiàn)象分析法，對(duì)于社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、深部能源和資源開發(fā)，主動(dòng)法的適用范圍更廣。不同的方法所反應(yīng)的應(yīng)力信息是不同的，相對(duì)而言建立在大體量巖體上的方法對(duì)于分析區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)更為可靠。最后文章對(duì)未來(lái)的應(yīng)力測(cè)量與估算的發(fā)展遠(yuǎn)景進(jìn)行了展望。

蓄存在巖體內(nèi)部未受到擾動(dòng)的應(yīng)力稱之為地應(yīng)力(geo-stress 或 in-situ stress)，地應(yīng)力可以分為兩類，原地應(yīng)力和誘發(fā)應(yīng)力(Amadei and Stephansson，1997)，而原地應(yīng)力主要來(lái)自五個(gè)方面:巖體自重、地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)、萬(wàn)有引力、封閉應(yīng)力和外部荷載(Amadei and Stephansson，1997；孫葉，1989；陳宗基，1982)。地應(yīng)力具有多來(lái)源性且受到多種因素的影響，因此地殼巖體地應(yīng)力分布復(fù)雜多變。從海姆假說(shuō)認(rèn)為“巖體中賦存的應(yīng)力近似為靜水壓力狀態(tài)，且等于上覆巖體自重”到金尼克假說(shuō)認(rèn)為“垂直應(yīng)力等于上覆巖體自重，水平應(yīng)力等于巖體泊松效應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)力”，人們對(duì)巖體應(yīng)力的認(rèn)識(shí)逐步提高，并利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)否定了以上兩種假說(shuō)。社會(huì)發(fā)展的需求直接催生了大量地應(yīng)力測(cè)試和估算方法，而這些方法的發(fā)展又進(jìn)一步促進(jìn)了人類社會(huì)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、資源和能源開發(fā)。隨著人類對(duì)能源和礦產(chǎn)資源需求量的增加和開采強(qiáng)度的不斷加大，淺部礦產(chǎn)資源日益減少，國(guó)內(nèi)外礦山都相繼進(jìn)入深部資源開發(fā)狀態(tài)，而深部開采中遇到的“三高”問(wèn)題(高地應(yīng)力、高地溫、高水壓)將成為深部開采巖體力學(xué)研究中的焦點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題(何滿潮等，2005)。準(zhǔn)確確定深部開發(fā)空間區(qū)域的原地應(yīng)力狀態(tài)是解決以上難題的必要途徑之一，這就需要進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)試方法和技術(shù)的研究。

實(shí)際上深部地殼應(yīng)力狀態(tài)的觀測(cè)與估算也是地應(yīng)力實(shí)測(cè)工作的一個(gè)重要難點(diǎn)問(wèn)題，因此非常有必要對(duì)現(xiàn)有的測(cè)試和估算方法進(jìn)行一個(gè)全面梳理。Haimson(2010)曾指處任何地應(yīng)力測(cè)試方法都有其局限性，確定一個(gè)區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)最好是利用多方法綜合確定。從地應(yīng)力概念提出至今，各國(guó)科學(xué)家提出了數(shù)十種地應(yīng)力測(cè)試方法，將其按照數(shù)據(jù)來(lái)源進(jìn)行歸類，大概可以分為五大類:基于巖芯的方法、基于鉆孔的方法、地質(zhì)學(xué)方法、地球物理方法(或地震學(xué)方法)、基于地下空間的方法(Hill et al.，1994；Amadei and Stephasson，1997)。下面將對(duì)各種方法的測(cè)試原理和方法發(fā)展的脈絡(luò)作一些簡(jiǎn)要介紹，供有關(guān)科研技術(shù)人員參考使用。

雖然表1包括了目前認(rèn)可程度和使用范圍較廣的各種方法，還是有一些非主流的方法沒有收錄到表1內(nèi)，其中Zang和Stephasson(2010)還對(duì)應(yīng)力測(cè)量的物理學(xué)方法進(jìn)行了回顧介紹，但是由于其在巖石力學(xué)、能源開發(fā)領(lǐng)域中應(yīng)用較少，故在這里不作介紹。下面將對(duì)表1中的主要方法進(jìn)行詳細(xì)介紹，對(duì)于從這些主要方法中衍生出來(lái)的方法均只作一般性介紹。

1 基于巖芯的方法

這里提到的所有基于巖芯的方法都需要使用定向巖芯。因此采取質(zhì)量良好的定向巖芯是開展下列測(cè)試工作的首要和必要條件。當(dāng)然，也可以使用其它方法來(lái)確定巖芯的方向，例如測(cè)量巖芯所攜帶的地磁信息來(lái)確定巖芯的方向，但是測(cè)量精度會(huì)影響后面的測(cè)量結(jié)果。

表1 原地應(yīng)力測(cè)試和估算方法匯總Table 1 Summary of in-situ stress estimate methods

注：據(jù)Hill et al.，1994；Amadei and Stephasson，1997；Bloch，1999；Zang and Stephasson, 2010。

1.1 非彈性應(yīng)變恢復(fù)法

非彈性應(yīng)變恢復(fù)法(ASR)是通過(guò)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)從井孔取得的定向巖芯與時(shí)間相關(guān)的應(yīng)變松弛變形來(lái)反演原地應(yīng)力場(chǎng)方向和量值的一種方法。巖芯從井孔取出后，由于作用在巖芯上的原地應(yīng)力場(chǎng)突然消失，巖芯會(huì)沿周向產(chǎn)生差別松弛變形，變形包括巖芯從母巖解除下來(lái)后立即產(chǎn)生的彈性變形和隨巖芯放置時(shí)間延長(zhǎng)逐步產(chǎn)生的非彈性變形。Voight(1968)建議使用經(jīng)驗(yàn)修正考慮恢復(fù)的非彈性應(yīng)變與全部恢復(fù)應(yīng)變(包括彈性和非彈性兩類應(yīng)變)的正比關(guān)系以及相應(yīng)的與先前的應(yīng)力狀態(tài)的正比關(guān)系。Teufel(1983)實(shí)現(xiàn)了Voight(1968)的想法，他發(fā)明制作了一個(gè)可靠且實(shí)用的能確定深部地層原地應(yīng)力方向和量值的設(shè)備。Teufel(1983)認(rèn)為應(yīng)變恢復(fù)過(guò)程實(shí)際上是微裂隙形成的結(jié)果。非彈性應(yīng)變恢復(fù)過(guò)程原理如圖1所示(Teufel，1982, 1983, 1989, 1993)。這些變形都與原來(lái)加載在巖芯上的原地應(yīng)力場(chǎng)密切相關(guān)，因而可以通過(guò)測(cè)量這些變形量來(lái)分析原地應(yīng)力場(chǎng)。利用ASR測(cè)量數(shù)據(jù)確定原地應(yīng)力量值相對(duì)于確定應(yīng)力方位更加困難，需要建立一個(gè)巖樣松弛過(guò)程的模型。Blanton(1983)建立了一個(gè)零階模型，適用于各向同性和橫向各向同性巖芯材料，利用這個(gè)模型就可以計(jì)算應(yīng)變松弛過(guò)程中任何時(shí)間點(diǎn)上主應(yīng)變的相對(duì)應(yīng)力量值。Warpinski和Teufel(1986)在進(jìn)一步提出的一階蠕變模型中使用兩個(gè)獨(dú)立蠕變?nèi)岫龋粋€(gè)用于表示巖石變形體積膨脹，另一個(gè)用于表示巖石變形形狀畸變。Matsuki(1991)發(fā)展了二階蠕變模型，將二維平面應(yīng)力分析拓展到了三維應(yīng)力分析，應(yīng)力分析中使用六個(gè)獨(dú)立的ASR法向應(yīng)變測(cè)值來(lái)進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算。然而僅報(bào)道過(guò)有限的三維應(yīng)力分析模型的應(yīng)用實(shí)例(Matsuki and Takeuchi，1993；Ito et al.，1997；Lin et al., 2006b，c，2007a)。

圖1 非彈性應(yīng)變恢復(fù)法原理示意圖 (Amadei and Stephasson, 1997)Fig. 1 Principal behind the anelastic strain recovery (Amadei and Stephasson, 1997)

目前可以通過(guò)兩種方法測(cè)試巖芯的非彈性應(yīng)變量，一種是高精度卡夾(Teufel，1982, 1984, 1989, 1993；Wolter and Berckhemer, 1989)，一種是應(yīng)變片(Lin Weiren et al.，2006, 2010)。

圖2 DSCA法測(cè)試原理及巖樣差應(yīng)變曲線示意圖 (Amadei and Stephasson, 1997) (a) DSCA法測(cè)試原理; (b) 巖樣差應(yīng)變曲線示意Fig. 2 Principal behind the DSCA method and schematic of differential strain behavior (Amadei and Stephasson, 1997) (a) Principles of DSCA method; (b) schematic curve of differential strain behavior

ASR法會(huì)受到測(cè)試溫度、巖芯脫水作用、巖芯孔隙水壓擴(kuò)散作用、巖芯不均勻松弛變形、巖芯各向異性、鉆探水巖反應(yīng)、殘余應(yīng)變、巖芯采取時(shí)間及巖芯定向不準(zhǔn)等因素的影響(Teufel，1993)。因此在使用該方法時(shí)，在保證應(yīng)變測(cè)試質(zhì)量的同時(shí)，也應(yīng)該對(duì)影響因素的作用程度進(jìn)行深入分析(Zang and Stephasson，2010)。該方法主要適用于深孔和軟巖的巖芯應(yīng)力測(cè)量，當(dāng)巖芯從深孔中取出后，由于原來(lái)經(jīng)受的應(yīng)力很高，非彈性應(yīng)變恢復(fù)現(xiàn)象會(huì)非常明顯，對(duì)于淺孔和硬巖，由于非彈性應(yīng)變量較小，使得測(cè)試結(jié)果的可靠性降低。

1.2 差應(yīng)變曲線分析法

差應(yīng)變曲線分析法(DSCA)是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)定向巖樣施加圍壓，觀測(cè)比較巖樣不同方向上的相對(duì)應(yīng)變，進(jìn)而估算原地應(yīng)力方向和量值(Simmons and Ritcher, 1974; Simmons, et al., 1974; Siefried and Simmons, 1978)。DSCA法基于四個(gè)重要假設(shè)：① 巖樣內(nèi)部的微裂隙是由于巖芯圍壓消失而產(chǎn)生松弛變形所導(dǎo)致的；②微裂隙基本按照原始應(yīng)力場(chǎng)的方向排列；③任何方向上微裂隙所產(chǎn)生的體積變化與原地應(yīng)力場(chǎng)量值成正比；④ 在靜水圍壓作用下，任一特定方向上的巖樣體積收縮與該方向上的巖芯從母巖上解除下來(lái)的應(yīng)力松弛變形過(guò)程是可類比的。在均勻的圍壓作用下，巖芯不同方向產(chǎn)生的應(yīng)變是完全不同的，如微裂隙閉合，而這種應(yīng)變信息可以用來(lái)分析原地應(yīng)力場(chǎng)，測(cè)試原理如圖2(a)所示。在20世紀(jì)70年代，Simmons and Ricther (1974)、 Simmons等(1974)、Strickland等(1979)在實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證了巖芯樣品內(nèi)部的微裂隙是鉆探過(guò)程中由于巖芯松弛變形所產(chǎn)生的結(jié)果?；谶@些觀測(cè)結(jié)果，Strickland and Ren(1980)對(duì)DSCA法進(jìn)行了修正，將其用于預(yù)測(cè)原地應(yīng)力。后來(lái)Ren和Roegiers(1983)利用定向巖芯進(jìn)一步驗(yàn)證了利用DSCA觀測(cè)原地應(yīng)力的有效性和可靠性，并認(rèn)為這種方法是一種非常經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方法。Thiercelin等(1986)對(duì)DSCA法進(jìn)行了改進(jìn)，并將其用于美國(guó)科羅拉多皮申斯盆地的多井實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的應(yīng)力場(chǎng)確定。

圖2(b)是巖樣在均勻靜水圍壓作用下的應(yīng)變響應(yīng)曲線。當(dāng)施加的圍壓應(yīng)力較低時(shí)，由于巖樣內(nèi)部存在的張開微裂隙或者半張開微裂隙，巖樣表現(xiàn)出高度柔性。隨著圍壓逐步增加，微裂隙開始全部閉合(轉(zhuǎn)換區(qū))，過(guò)了轉(zhuǎn)換區(qū)后，僅有巖樣本體的彈性變形。實(shí)際上，實(shí)驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的起始段范圍內(nèi)，包括兩部分應(yīng)變量，微裂隙閉合的應(yīng)變表現(xiàn)和巖樣本體的應(yīng)變，巖樣本體的應(yīng)變可以通過(guò)高壓段的應(yīng)變曲線觀測(cè)獲得，在起始段范圍內(nèi)將巖樣本體應(yīng)變剔除，就可以計(jì)算出微裂隙閉合所反映的應(yīng)變量。當(dāng)然，如果巖樣均勻且各向異性，那么可以不必考慮巖樣本體的應(yīng)變。利用DSCA的應(yīng)變記錄曲線可以直接得到原地應(yīng)力場(chǎng)的方向和三個(gè)主應(yīng)力之比，應(yīng)力量值還需要通過(guò)其它一些假設(shè)或者測(cè)試數(shù)據(jù)再結(jié)合主應(yīng)力之比來(lái)確定。DSCA法測(cè)試的立方體樣品準(zhǔn)備及測(cè)試設(shè)備組成參見圖3所示。

圖3 DSCA法測(cè)試樣品準(zhǔn)備及測(cè)試設(shè)備示意圖: (a)試樣立方塊應(yīng)變計(jì)布設(shè)方式; (b)測(cè)試設(shè)備組成示意 (根據(jù)及川寧己等, 1995)Fig. 3 Schematic drawing for preparation of test cube and equipment of DSCA method: (a) layout modes of strain gauges on a test cube; (b) components of test equipment for DSCA method (According to Oikawa et al., 1995)

但是實(shí)際上應(yīng)力松弛變形過(guò)程是不可逆的，已有很多實(shí)驗(yàn)證明了這點(diǎn)(Ren and Roegiers，1983；Zang and Stephasson，2010)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中也需要注意與ASR法類似的影響因素問(wèn)題。但是該方法在很多應(yīng)用條件下仍然能提供很好的測(cè)量結(jié)果。該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以不考慮巖芯放置時(shí)間對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，這一點(diǎn)可以大大彌補(bǔ)ASR法的不足，并可以與非彈性應(yīng)變恢復(fù)法配對(duì)使用。該方法的適用范圍與ASR法類似。

1.3 差波速分析法

差波速分析法(DWVA)與差應(yīng)變曲線分析法所遵循的基本原理一致，但是差波速分析法是沿巖樣周邊測(cè)量聲波速度。對(duì)不同測(cè)點(diǎn)(不同方位)上在不同應(yīng)力狀態(tài)下的聲波速度進(jìn)行測(cè)試比較分析，就可以對(duì)原地應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行估算。該方法只能給出地應(yīng)力方向，不能給出應(yīng)力量值。該方法的適用范圍與DSCA法類似。

1.4 圓周波速各向異性分析法

圖4 巖芯微裂隙效應(yīng)的示意圖 (Hill et al.，1994，有修改)Fig. 4 Schematic of micro-crack effects (After Hill et al., 1994, modified )

圓周波速各向異性分析法(CVA)可以用來(lái)確定應(yīng)力方位并分析巖芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)。由于巖芯內(nèi)部的微裂隙一般會(huì)成組定向分布，如圖4所示，因此沿巖芯圓周的波速分布呈現(xiàn)出各向異性特征(Hill et al.，1994)。如圖5所示，巖芯圓周波速會(huì)隨測(cè)試位置的不同而發(fā)生變化，因?yàn)槊總€(gè)測(cè)試方向所穿過(guò)微裂隙數(shù)目會(huì)不完全相同。在測(cè)試過(guò)程中，一般會(huì)沿著巖芯圓周按照固定角度間隔測(cè)試多個(gè)點(diǎn)的聲波速度，通常最大主應(yīng)力方向上所產(chǎn)生的張開微裂隙最多，故巖芯波速最低的方位即為最大主應(yīng)力方向。如果能進(jìn)一步比較分析巖芯聲波速度分布的理論曲線和實(shí)測(cè)曲線之間的差異(Sayers, 1988)，將能揭示更多關(guān)于測(cè)試巖芯的信息，理論擬合公式參見下式。

V(θ)=Vavg+Acos(2θ+α)+Bcos(4θ+α)

(1)

式中，Vavg是平均聲波速度，θ是相位角，α是偏差角。

圖5 CVA法測(cè)試結(jié)果示意圖: (a) 好的CVA 法測(cè)試結(jié)果; (b) 差的CVA法測(cè)試結(jié)果Fig. 5 Some measurement examples for CVA method (a) Good measurements for CVA method (b) Poor measurements for CVA method

在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，有很多因素會(huì)給CVA測(cè)試帶來(lái)困難。例如有些巖石內(nèi)部很難發(fā)育微裂隙，有時(shí)微裂隙或許被其它因素所掩蓋或者微裂隙對(duì)聲波速度影響很小，那么波速各向異性就很小了。最好的例子就是高孔隙率巖石，微裂隙對(duì)聲波速度各向異性影響很小。當(dāng)測(cè)點(diǎn)聲波速度差異小于2%～3%時(shí)，推算的應(yīng)力方向認(rèn)為是不可靠的。第二個(gè)比較大的因素是巖石結(jié)構(gòu)對(duì)速度各向異性的影響，然而巖石結(jié)構(gòu)的波速特征與微裂隙完全不同，特別是利用理論模型和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合對(duì)比分析時(shí)，這種差異更為明顯，而且這種差異也能為巖石結(jié)構(gòu)研究提供定量分析數(shù)據(jù)。圖5就展示了一個(gè)良好的CVA測(cè)試結(jié)果和一個(gè)不好的CVA測(cè)試結(jié)果，同時(shí)也給出了測(cè)試時(shí)所需要依據(jù)的測(cè)點(diǎn)布設(shè)原則。

CVA方法的好處是如果能拿到定向巖芯，可以在任何時(shí)候開展，即使是存放時(shí)間很久的巖芯，有時(shí)也能得到很好的測(cè)試結(jié)果。與此同時(shí)，CVA是一種無(wú)損測(cè)試方法，因此可以在各種巖樣上開展實(shí)驗(yàn)而取得豐富的數(shù)據(jù)。故CVA方法也能作為ASR或者DSCA/DWVA方法一種補(bǔ)充或者驗(yàn)證方法。

1.5 餅狀巖芯/巖芯誘發(fā)裂紋法

在高應(yīng)力區(qū)開展鉆孔施工時(shí)，巖芯經(jīng)常呈現(xiàn)為薄餅狀或者片狀，大多數(shù)情況下，這些巖芯呈馬鞍狀，有時(shí)巖芯頂面和底面也相互平行，人們一般把這種現(xiàn)象稱之為餅狀巖芯。眾多研究成果顯示，這種餅狀巖芯主要是由于當(dāng)最小主應(yīng)力方向和巖芯軸線方向平行時(shí)鉆孔取芯過(guò)程中產(chǎn)生的張應(yīng)力造成的(Jaeger and Cook，1963； Sugawara et al., 1978; Haimson and Lee，1995； Haimson，1997； Matsuki et al., 1997; Li and Schmitt, 1998)。一般餅狀巖芯均出現(xiàn)在深孔鉆探過(guò)程中，因此可以利用該現(xiàn)象提取應(yīng)力信息。餅狀巖芯的形態(tài)可以給出最大主應(yīng)力和中間主應(yīng)力方向，如圖6所示，餅狀巖芯的鞍狀凹面軸線方向即為最大主應(yīng)力方向，與軸線方向垂直的方向?yàn)橹虚g主應(yīng)力方向(Haimson and Lee, 1995; Haimson, 1997, Matsuki, et al., 1997; Li and Schmitt, 1998)。

圖6 餅狀巖芯鞍狀斷面以及最大和中間 主應(yīng)力方向示意 (根據(jù)Matsuki, 2004)Fig. 6 A saddle-shaped end surface of a disc with orientations of the maximum and intermediate principal stresses (According to Matsuki, 2004)

餅狀巖芯也可以用于分析原地應(yīng)力場(chǎng)的量值。針對(duì)與餅狀巖芯現(xiàn)象有關(guān)的應(yīng)力估算問(wèn)題，Obert and Stephenson (1965)開展了大量的室內(nèi)鉆探模擬實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析總結(jié)，他們得到了餅狀巖芯發(fā)生時(shí)的應(yīng)力條件經(jīng)驗(yàn)公式:

σr=k1+k2σz

(2)

式中，k2的范圍為0.59～0.89，取決于巖石情況，k1為巖石抗拉強(qiáng)度的6.5～10.5倍，可以用巴西盤實(shí)驗(yàn)確定。他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果同樣也給出在圍壓和軸壓的高應(yīng)力組合條件下能產(chǎn)生比地應(yīng)力組合更薄的巖餅，但是這些均只是給出了定性的分析結(jié)論。Sugawara等(1978)提出了發(fā)生餅狀巖芯的準(zhǔn)則，Matsuki 等(1997)則提出了長(zhǎng)巖芯發(fā)生餅化的準(zhǔn)則。然而，這些研究并沒有定量考慮應(yīng)力量值對(duì)巖餅厚度的影響，但是Haimson 和 Lee(1995)、Haimson(1997)的實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果清楚的顯示出巖餅的厚度取決于應(yīng)力量值。因此目前餅狀巖芯只能被用作定性估算二維平面應(yīng)力狀態(tài)(Ljunggren et al., 2003)。另外，認(rèn)真仔細(xì)測(cè)量巖餅的尺寸顯示對(duì)于給定的σh和σV，巖餅的厚度隨著σH的增加而單調(diào)遞減，如圖7所示。這一結(jié)果表明如果定向巖芯巖餅的厚度與最大水平應(yīng)力之間的關(guān)系建立了，那么最大水平主應(yīng)力量值和方向可以分別通過(guò)巖餅的平均厚度和馬鞍槽軸線方向來(lái)確定。Haimson等(1997)也同樣指出可以通過(guò)測(cè)量巖餅的特征尺寸來(lái)估算原地應(yīng)力水平的上限?；跀?shù)值模擬分析結(jié)論，Hakala(1999)給出了利用餅狀巖芯現(xiàn)象分析解釋原地應(yīng)力狀態(tài)的方法，在分析過(guò)程中最低需要以下信息:① 巖石抗拉強(qiáng)度；② 巖石泊松比；③ 巖石單軸抗壓強(qiáng)度；④ 巖餅平均間距；⑤ 巖芯裂縫形態(tài)；⑥ 巖芯中的裂縫發(fā)育程度。

圖7 當(dāng)給定σh 和σV時(shí)，巖餅厚度td(利用巖芯直徑D 進(jìn)行歸一化處理)與σH之間的關(guān)系(Haimson，1997)Fig. 7 Example of relation between disc thickness td (normalized by core diameter D) and σH for given σh and σV (Haimson, 1997)

在實(shí)踐中，餅狀巖芯現(xiàn)象只能被用作估算巖芯應(yīng)力狀態(tài)的一個(gè)指標(biāo)。當(dāng)出現(xiàn)該種現(xiàn)象時(shí)，我們當(dāng)然可以認(rèn)為巖石應(yīng)力集中超過(guò)了巖石強(qiáng)度。這樣的類似信息在鉆探階段取得，當(dāng)然對(duì)后續(xù)的應(yīng)力確定非常寶貴，也可指導(dǎo)后續(xù)應(yīng)力確定和估算策略的選取。但是由于餅狀巖芯出現(xiàn)的幾率是非常低的，因此其使用機(jī)會(huì)非常少。另外，餅狀巖芯的定向和巖石力學(xué)參數(shù)取得非常困難，這就制約了其在實(shí)踐中的應(yīng)用范圍。鑒于以上原因，餅狀巖芯所產(chǎn)出的應(yīng)力信息可靠性相對(duì)較低。

圖8 巖芯花瓣?duì)盍鸭y形成的力學(xué)示意圖(根據(jù)Lorenz et al.，1990): (a) 巖芯鉆頭前部的 主應(yīng)力跡線分布示意圖; (b)花瓣?duì)盍鸭y的形成與三向主應(yīng)力關(guān)系示意圖Fig. 8 Mechanical schematic of formation of petal fractures in a core: (a) trajectories of principal stresses before the drilling bit; (b) the relationship between the formation of petal fractures and three principal stresses (According to Lorenz et al., 1990)

不同的應(yīng)力條件下開展鉆探取芯，鉆探過(guò)程會(huì)對(duì)巖芯產(chǎn)生不同的作用效果。上面提到的餅狀巖芯只是其中的一種現(xiàn)象。在有些情況下，會(huì)在巖芯上產(chǎn)生花瓣?duì)盍鸭y或者中心線花瓣裂紋。通常花瓣?duì)盍鸭y均勻分布，從巖芯外沿向巖芯中心延伸，花瓣?duì)盍鸭y彎曲方向與巖芯軸線平行。中心線花瓣裂紋一般會(huì)延伸至巖芯的中心部位或者接近巖芯中心的部位，并沿與鉆孔軸線或者平行于鉆孔軸線延伸傳播一段距離。Kulander等(1979、1990)認(rèn)為這兩種裂紋均是由于鉆頭鉆進(jìn)產(chǎn)生的誘發(fā)應(yīng)力場(chǎng)和原地應(yīng)力場(chǎng)疊加而在鉆頭前方的巖芯中形成?；ò?duì)盍鸭y的幾何形狀平行于鉆頭下部的主應(yīng)力跡線，如圖8a所示?；ò?duì)盍鸭y沿σ1和σ2所定義的平面(與σ3垂直)發(fā)展，其中σ1是垂直應(yīng)力、鉆頭自重和液壓加載應(yīng)力之和，σ2是原位最大水平應(yīng)力，σ3為原位最小水平應(yīng)力，花瓣?duì)盍鸭y形成的力學(xué)示意圖如圖8a所示。因此花瓣?duì)盍鸭y走向與原地應(yīng)力場(chǎng)最大水平主壓應(yīng)力方向一致(Kulander et al.，1979；Kulander et al.，1990；Li and Schimitt，1998)。花瓣?duì)盍鸭y間距通常大于餅狀巖芯的厚度，裂紋間距有時(shí)呈現(xiàn)出均勻分布，有時(shí)呈現(xiàn)出隨意分布，這主要與原地應(yīng)力狀態(tài)、巖體性狀以及鉆探過(guò)程有關(guān)。Chang(1978)測(cè)量統(tǒng)計(jì)了大量的花瓣?duì)盍鸭y，發(fā)現(xiàn)巖芯表面裂紋傾角一般在30°～45°之間。中心線花瓣?duì)盍鸭y是花瓣?duì)盍鸭y的特殊類型，Kulander 等(1979)將裂紋形態(tài)分為兩個(gè)部分，起始段裂紋傾角從30°增加到75°，第二段裂紋則接近垂直，與圖8a中的應(yīng)力跡線類似。Li和Schmitt(1998)曾開展了大量的數(shù)值模擬研究分析原地應(yīng)力場(chǎng)對(duì)巖芯誘發(fā)裂紋的影響機(jī)理，他們發(fā)現(xiàn)在正斷層和走滑斷層應(yīng)力狀態(tài)下，容易出現(xiàn)花瓣?duì)詈椭行木€花瓣?duì)盍鸭y現(xiàn)象，在逆沖斷層應(yīng)力狀態(tài)下，容易出現(xiàn)餅狀巖芯現(xiàn)象。

巖芯的誘發(fā)裂紋檢測(cè)要求使用定向巖芯，獲取花瓣?duì)盍鸭y和中心線花瓣?duì)盍鸭y的數(shù)據(jù)過(guò)程中需要認(rèn)真仔細(xì)檢查巖芯(Lorenz and Hill，1992；Lorenz，1993)，并且認(rèn)真記錄花瓣?duì)盍鸭y的規(guī)則間距和花瓣的形狀特征(例如前面所說(shuō)的傾向、傾角以及傾角變化等)。記錄數(shù)據(jù)的異常值需與鉆探地質(zhì)志相對(duì)照，例如扭矩、貫入度等其它可能影響花瓣?duì)盍鸭y的因素相對(duì)比?；ò?duì)盍鸭y的測(cè)量主要是測(cè)量巖芯上所形成的裂紋數(shù)據(jù)，并不需要特別專用的設(shè)備。餅狀巖芯或者巖芯誘發(fā)裂紋法主要取決于這兩種現(xiàn)象是否會(huì)出現(xiàn)，利用兩種現(xiàn)象得到的應(yīng)力方向相對(duì)較為準(zhǔn)確，應(yīng)力量值一般誤差較大。

1.6 聲發(fā)射法

凱瑟效應(yīng)指有應(yīng)力狀態(tài)下的材料發(fā)射聲波的現(xiàn)象，故也稱之為聲發(fā)射(AE)，這種現(xiàn)象僅在所受應(yīng)力超過(guò)樣品所經(jīng)受的最大應(yīng)力時(shí)激發(fā)。在材料科學(xué)領(lǐng)域， Kaiser(約瑟夫·凱瑟，1950)是第一位描述受拉金屬、巖石和木材材料的這種記憶效應(yīng)的科學(xué)家。在巖石力學(xué)領(lǐng)域，Goodman(1963)測(cè)試了受壓條件下的砂巖，而Kurita和Fujii(1979)測(cè)試了受壓條件下的結(jié)晶巖石，通過(guò)他們的工作把凱瑟效應(yīng)介紹到了該領(lǐng)域。圖9中展示了理想的實(shí)驗(yàn)室凱瑟效應(yīng)測(cè)試圖。如果聲發(fā)射(AE)現(xiàn)象明顯發(fā)生時(shí)的壓力(所謂的回放最大應(yīng)力(RMS)，Hughson和Crawford，1986)等于PMS(先前經(jīng)受最大應(yīng)力)(如圖9中所示，RMS=PMS)，那么記憶實(shí)驗(yàn)室封存應(yīng)力的凱瑟效應(yīng)(KE)現(xiàn)象就被完美地證實(shí)了。然而如果施加應(yīng)力越來(lái)越接近巖石的破裂強(qiáng)度時(shí)(如圖9a，第三循環(huán))，聲發(fā)射(AE)現(xiàn)象明顯發(fā)生時(shí)的壓力水平會(huì)低于先前所施加的最大應(yīng)力(如圖9b所示，RMS

圖9 原始巖芯在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)循環(huán)加載時(shí)的應(yīng)力—時(shí)間曲線(a)，第二和第三個(gè)加載循環(huán)過(guò)程中測(cè)量得到的聲發(fā)射事件和時(shí)間或者加載應(yīng)力關(guān)系曲線(b) (Zang 和 Stephasson, 2010)Fig. 9 Cyclic loading of a virgin rock core in the laboratory indicated by applied stress versus time curve (a), and a measured number of acoustic emissions versus time or applied stress in the second and third loading cycles (b) (Zang and Stephasson, 2010)

確定回放最大應(yīng)力(RMS)并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的工作，巖石聲發(fā)射(AE)活動(dòng)的啟動(dòng)時(shí)間點(diǎn)非常難確定。通常聲發(fā)射(AE)啟動(dòng)點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)都被假設(shè)為加載壓力等于回放最大壓力(RMS)的點(diǎn)，可以通過(guò)累計(jì)AE事件—應(yīng)力的曲線來(lái)確定。另外，AE曲線上的相對(duì)變化，即兩個(gè)連續(xù)加載循環(huán)之間的AE事件數(shù)量或者AE發(fā)生率也可以用于進(jìn)一步確定AE事件啟動(dòng)點(diǎn)(Yoshikawa and Mogi，1981，1989)。Lavrov(2003)就如何處理AE曲線并準(zhǔn)確確定回放最大壓力值(RMS)巖石中的凱瑟效應(yīng)(KE)作了一個(gè)詳細(xì)而全面的綜述。先前最大應(yīng)力(PMS)越接近巖石最終強(qiáng)度，那么凱瑟效應(yīng)(KE)現(xiàn)象啟動(dòng)壓力就越難確定。Li和Nordlund(1993)通過(guò)凱瑟效應(yīng)(KE)實(shí)驗(yàn)證明了前面的結(jié)論，在開展試驗(yàn)時(shí)他們?cè)O(shè)定第一個(gè)加載循環(huán)的峰值壓力接近于巖石抗壓強(qiáng)度，在第二個(gè)單軸壓縮循環(huán)中就發(fā)生FR效應(yīng)。在Li和Nordlund(1993)等開展的巖石實(shí)驗(yàn)中，大部分巖石均顯示出了良好的凱瑟效應(yīng)(KE)行為(包括大理石、片麻巖、花崗巖、輝長(zhǎng)巖、綠巖、斑巖、黃銅礦等)特征，但是基律納(Kiruna)磁鐵礦的FR值較低，顯示出貧乏的凱瑟效應(yīng)(KE)。

1.7 巖芯二次應(yīng)力解除法

巖芯的二次應(yīng)力解除法可以用于確定應(yīng)力方向，也有可能用于確定應(yīng)力量值。巖芯二次應(yīng)力解除法的概念起始于測(cè)量巖石的殘余應(yīng)力(或者應(yīng)變)。Friedman(1972)提出了沙粒在原位荷載的作用下發(fā)生變形并在膠結(jié)過(guò)程中封存殘余應(yīng)力的機(jī)理。Hoskins和Russel(1981)使用二次套芯解除技術(shù)測(cè)量了黑山地區(qū)巖芯的殘余應(yīng)變，發(fā)現(xiàn)結(jié)果與使用套芯應(yīng)力解除在巖石露頭上測(cè)得的結(jié)果較為一致。在取芯過(guò)程中，巖芯通過(guò)內(nèi)部產(chǎn)生微裂隙以及形變釋放掉了巖芯所存儲(chǔ)的主要能量，但是巖芯內(nèi)仍存在部分殘余應(yīng)力。成功地利用更小尺寸的應(yīng)力解除過(guò)程也可以釋放部分殘余能量，這種能量變化可以通過(guò)殘余應(yīng)變的測(cè)量來(lái)獲取。測(cè)試過(guò)程非常簡(jiǎn)單，在巖芯上粘貼應(yīng)變花，然后進(jìn)行二次取芯(Hill et al.，1994；Jaeger and Cook，1979)。在每個(gè)方向上在取芯前和取芯后的應(yīng)變變化即反應(yīng)了巖芯所存儲(chǔ)的殘余應(yīng)變或應(yīng)力。這種應(yīng)變一般是與原地應(yīng)力密切相關(guān)的。主應(yīng)變方向可以通過(guò)應(yīng)變花公式計(jì)算，如下所示。

(3)

存放巖芯的二次應(yīng)力解除簡(jiǎn)便易行，并且非常方便用于各種存放巖芯上，因此其潛在的使用價(jià)值就十分明顯。該方法有兩個(gè)主要缺陷，第一是并不是所有的巖石都對(duì)二次解除呈現(xiàn)出明顯的應(yīng)力解除特性，第二是巖石結(jié)構(gòu)在測(cè)量中會(huì)造成較大的誤差。

1.8 微裂隙巖相分析法

對(duì)巖芯開展切片分析或者CT掃描分析非常有價(jià)值，這種分析不僅可以提供應(yīng)力信息，也可以提供豐富的巖芯結(jié)構(gòu)信息(Gies，1987)。過(guò)去通過(guò)光學(xué)顯微鏡來(lái)檢測(cè)巖芯中的微結(jié)構(gòu)信息，例如使用巖芯的薄片、光片、藍(lán)色薄片或者熒光薄片來(lái)開展檢測(cè)(Gies，1987；Soeder，1990)。但是目前巖芯的二維和三維CT技術(shù)已經(jīng)非常成熟(康志勤等，2009)，而且可以通過(guò)CT掃描數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字巖芯建模(Hazlett，1997；Liang et al.，1998)，更方便開展巖芯微裂隙的計(jì)算機(jī)統(tǒng)計(jì)分析。巖相檢測(cè)分析通?？梢詤^(qū)別應(yīng)力松弛微裂隙和構(gòu)造微裂隙。應(yīng)力松弛微裂隙一般存在于晶粒間，寬度均一或者寬度沿某一方向單調(diào)變化。構(gòu)造微裂隙有可能存在晶粒間也有可能切穿晶粒，寬度變化不穩(wěn)定，特別是有些構(gòu)造裂隙經(jīng)歷過(guò)溶蝕作用，更容易辨別。當(dāng)然，經(jīng)驗(yàn)豐富的檢測(cè)人員完全可以區(qū)分各種微裂隙，因而巖芯的微裂隙巖相分析法完全可以用來(lái)確定應(yīng)力方向和巖芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這種方法可以作為其它基于巖芯的應(yīng)力測(cè)試方法的一種補(bǔ)充，特別是在其它因素對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)影響較為明顯時(shí)，用這種方法可以立即判定誤差來(lái)源。

在傳統(tǒng)方法下，可以將每個(gè)薄片的裂紋的方向記錄，并繪制玫瑰花圖，就可以得到微裂隙的優(yōu)勢(shì)分布方位；如果是CT掃描數(shù)據(jù)，那么可以通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件自動(dòng)統(tǒng)計(jì)分析，并繪制玫瑰花圖。如果這些微裂隙均被識(shí)別為應(yīng)力/應(yīng)變松弛微裂隙，那么就可以得到區(qū)域原位最大主應(yīng)力方位，即垂直于微裂隙的優(yōu)勢(shì)分布方位。如果微裂隙并非應(yīng)力/應(yīng)變松弛裂隙，那么就無(wú)法通過(guò)這種方法得到應(yīng)力信息，但是微裂隙的信息可以為其它基于巖芯的應(yīng)力測(cè)試方法提供可靠的診斷數(shù)據(jù)。

1.9 軸向點(diǎn)荷載分析法

定向巖芯的強(qiáng)度各向異性也可以用于確定地應(yīng)力方向。這一概念首先由Logan和Teufel(1978)提出，他們使用點(diǎn)荷載手段和巴西盤實(shí)驗(yàn)對(duì)Wattenburg油田的巖樣進(jìn)行廣泛實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)巖石的強(qiáng)度各向異性與水壓致裂裂縫方位密切相關(guān)。Laubach等(1992)曾利用點(diǎn)荷載實(shí)驗(yàn)確定地應(yīng)力方向，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)了巖樣強(qiáng)度的雙峰分布模式。點(diǎn)荷載測(cè)試是巖樣強(qiáng)度各向異性中較為簡(jiǎn)單的測(cè)試方法。測(cè)試過(guò)程中，利用半球狀壓頭對(duì)餅狀巖樣頂面和底面進(jìn)行施壓，直至巖樣破壞。對(duì)巖樣的破壞模式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到巖石的微結(jié)構(gòu)特征。如果微結(jié)構(gòu)主要與松弛微裂隙有關(guān)，那么誘發(fā)破壞裂縫方位會(huì)與實(shí)驗(yàn)前的微裂隙分布方位一致，而這一方位與最大主應(yīng)力垂直。如果微裂隙與構(gòu)造微裂紋相關(guān)，那么誘發(fā)破壞裂縫方位與實(shí)驗(yàn)前的微裂隙分布方位一致，而這一方位不會(huì)與最大主應(yīng)力方位是垂直相交。如同其它基于巖芯的測(cè)試方法一樣，知道巖樣的微結(jié)構(gòu)特征對(duì)于準(zhǔn)確測(cè)試非常重要。在點(diǎn)荷載測(cè)試中，要求準(zhǔn)備的巖餅應(yīng)該有相互平行的端面；如果為了得到最大水平應(yīng)力，那么在巖餅的端面必須水平面內(nèi)相互平行。在實(shí)驗(yàn)階段，特別注意的是應(yīng)該使用中等的加載速率以將動(dòng)載效應(yīng)降到最低。因此一般情況下，建議該方法和CVA法或者微裂隙巖相分析法聯(lián)合使用。該方法非常大的困難是很難判斷點(diǎn)荷載測(cè)試所產(chǎn)生的強(qiáng)度各向異性到底是由于應(yīng)力松弛裂隙造成的，還是由于巖樣本身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征造成的；因此不建議單獨(dú)依靠該方法對(duì)應(yīng)力方向進(jìn)行估算。該方法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)試設(shè)備和技術(shù)簡(jiǎn)單便宜，開展大量測(cè)試方便快捷，因此在樣品數(shù)量較大的情況下非常適合進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究。

2 基于鉆孔的方法

2.1 水壓致裂法

應(yīng)力測(cè)量中的水壓致裂法又稱微型水壓致裂法，微型是相對(duì)于油田壓裂而言。在水壓致裂技術(shù)提出之前，科學(xué)家們主要使用應(yīng)力解除法來(lái)測(cè)定原地應(yīng)力，包括平面應(yīng)力解除法、鉆孔套芯應(yīng)力解除法、扁千斤頂法(平面應(yīng)變恢復(fù)法)等。Hubbert和Willis于1957年提出井孔液體壓裂所產(chǎn)生的裂縫與巖體中所賦存的應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān)，并指出巖體壓力并非處于靜水壓力狀態(tài)。Scheidgger(1962)是第一位利用油井孔底壓力曲線分析地殼應(yīng)力的科學(xué)家。Fairhurst(1964)是第一位提出利用水壓致裂技術(shù)來(lái)測(cè)量原地應(yīng)力的科學(xué)家，并指出了水壓致裂技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)。Haimson和Fairhurst(1967)指出井壁上產(chǎn)生的裂縫與以下三個(gè)因素有關(guān)，① 地殼應(yīng)力，② 水壓致裂的液體壓力與孔隙水壓力之間的差應(yīng)力；③巖體滲透的徑向流量，這些理論分析奠定了經(jīng)典水壓致裂測(cè)試技術(shù)的理論基礎(chǔ)。Haimson(1968)在其博士論文中對(duì)水壓致裂原地應(yīng)力測(cè)試技術(shù)從實(shí)驗(yàn)和理論兩個(gè)方面進(jìn)行了全面分析和完善。以上這些重要工作為將水壓致裂原地應(yīng)力測(cè)試技術(shù)應(yīng)用于工程實(shí)踐奠定了理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。真正意義的應(yīng)力測(cè)量工程實(shí)踐是由Von Schonfeldt 和Fairhurst(1970)領(lǐng)導(dǎo)的研究組在明尼蘇達(dá)州的一個(gè)地下花崗巖巖體中展開的；隨后，在Rangely油田也開展了類似的應(yīng)力測(cè)量和研究工作(Haimson，1973；Raleigh et al.，1976)。從此，水壓致裂應(yīng)力測(cè)量正式進(jìn)入工程實(shí)踐領(lǐng)域。于1981年，加利福尼亞Monterey市召開了全球第一次水壓致裂應(yīng)力測(cè)量研討會(huì)，水壓致裂原地應(yīng)力測(cè)試技術(shù)和方法逐漸被全球各行各業(yè)的科學(xué)家所認(rèn)同。1987年和2003年，國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)都把水壓致裂原地應(yīng)力測(cè)量方法作為一種主要的應(yīng)力測(cè)試或者估算方法來(lái)推薦，也奠定了水壓致裂原地應(yīng)力測(cè)量技術(shù)作為應(yīng)力測(cè)試方法的重要地位。水壓致裂的基本原理是利用一對(duì)封隔器在鉆孔中隔離出一段試驗(yàn)段，然后用高壓流體將試驗(yàn)段巖體壓裂，產(chǎn)生豎直縫，同時(shí)記錄壓力-時(shí)間曲線，通過(guò)曲線來(lái)判斷液體壓力和原地應(yīng)力的平衡點(diǎn)，進(jìn)而得到原地應(yīng)力狀態(tài)。

1980年10月，由李方全教授領(lǐng)導(dǎo)的研究組在河北易縣首次成功地進(jìn)行了水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)量(李方全等，1986)，隨后中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所研制成功輕便型水壓致裂測(cè)量設(shè)備(謝富仁等，2003)。水壓致裂測(cè)試技術(shù)開展在中國(guó)的各行各業(yè)得到廣泛的應(yīng)用推廣。Kuriyagawa 和Kobayashi (1989)提出利用三個(gè)近似正交的鉆孔開展水壓致裂測(cè)試工作，可以計(jì)算測(cè)試區(qū)域的全應(yīng)力張量；隨后劉允芳(1991)將該方法介紹到中國(guó)，郭啟良等(2004)則將該項(xiàng)測(cè)試技術(shù)推廣到了地下工程領(lǐng)域。

水壓致裂法測(cè)地應(yīng)力的優(yōu)點(diǎn)非常明顯，對(duì)測(cè)試設(shè)備和測(cè)試環(huán)境的要求相對(duì)較低，測(cè)試過(guò)程簡(jiǎn)便迅速，數(shù)據(jù)處理分析也簡(jiǎn)便易行。但是水壓致裂法也存在很多的問(wèn)題，首先是最大水平主應(yīng)力SH的計(jì)算受到較多因素的影響，如Ito(1999)等曾指出測(cè)試系統(tǒng)柔性對(duì)Pr的選取影響明顯，進(jìn)而會(huì)影響SH的計(jì)算；其次是在深孔測(cè)量時(shí)，一般系統(tǒng)柔性較大，而且?guī)r體的滲透性也會(huì)對(duì)測(cè)試過(guò)程產(chǎn)生較大影響，同時(shí)深孔測(cè)量對(duì)水壓致裂測(cè)試的井下設(shè)備提出了更高的要求。針對(duì)水壓致裂測(cè)試系統(tǒng)的種種問(wèn)題，Ito(2010)提出了BABHY測(cè)試系統(tǒng)，但是如何推廣這種測(cè)試系統(tǒng)，仍然是工程師和科學(xué)家們所需面臨的問(wèn)題。

2.2 套筒壓裂法

如前面所述，傳統(tǒng)水壓致裂測(cè)試中由于壓裂液滲透的問(wèn)題會(huì)對(duì)原地應(yīng)力測(cè)量中的破裂壓力發(fā)生影響。為了解決這一問(wèn)題，Stephasson(1983b, c)提出了套筒壓裂法，套筒壓裂使用旁壓儀的高容量薄膜對(duì)圍壓施加壓力，當(dāng)施加的壓力超過(guò)巖石的抗拉強(qiáng)度，孔壁圍巖上就會(huì)產(chǎn)生豎直裂縫，并且沿著垂直于最小水平主應(yīng)力的方向傳播。由于沒有液體滲透進(jìn)入孔壁圍巖巖體，故可以直接通過(guò)破裂壓力和重張壓力獲得原地最大最小水平主應(yīng)力。Stephasson所提出的理論和設(shè)想實(shí)際是Hustrulid和Hustrulid(1975)所提出的柔性CSM旁壓儀器的一個(gè)拓展。隨后不久Ljunggren和Stephasson(1986)研發(fā)了剛性旁壓系統(tǒng)。在套筒壓裂測(cè)試中，水平應(yīng)力量值通過(guò)記錄的壓力—容積曲線確定，應(yīng)力方向通過(guò)纏繞在套筒表面的黑色乙烯基電絕緣帶表面的裂縫印痕確定。套筒壓裂提出后，隨后還出現(xiàn)了一些其它類似的套筒壓裂技術(shù)，例如Serata和Kikuchi(1986)和Serata等(1992)提出的雙裂縫套筒壓裂技術(shù)；以及Amadei等(1994)研發(fā)的ROCTEST系統(tǒng)；Li等(2005)所研發(fā)的千斤頂壓裂系統(tǒng)。所有的這些套筒壓裂技術(shù)都具備一個(gè)公認(rèn)的優(yōu)點(diǎn)，就是壓裂過(guò)程中沒有液體進(jìn)入巖體，只要準(zhǔn)確確定了破裂壓力和重張壓力，就可以得到巖體的抗拉強(qiáng)度，故得到的應(yīng)力量值相對(duì)更為準(zhǔn)確，同時(shí)由于壓裂是通過(guò)壓力膜或者其它壓力頂加壓，所以形成的裂紋一般為豎直裂縫，而且形狀和長(zhǎng)度可控。套筒壓裂法的缺點(diǎn)也較為明顯，非常難確定加壓過(guò)程中的破裂壓力和重張壓力，而一些能準(zhǔn)確確定破裂壓力和重張壓力的設(shè)備又非常復(fù)雜，在井下應(yīng)用困難，這些缺點(diǎn)大大制約了套筒壓裂技術(shù)的推廣使用。

2.3 原生裂隙水壓致裂法

原生裂隙水壓致裂法是利用一對(duì)封隔器在鉆孔中隔離出一條閉合原生裂隙，利用高壓流體將閉合原生裂隙張開，通過(guò)壓力-時(shí)間曲線可以得到作用在裂隙面上的法向應(yīng)力，完成在至少6個(gè)走向和傾角完全不同的閉合原生裂隙上的測(cè)試，就可以求解測(cè)試點(diǎn)的全應(yīng)力張量值。Cornet(1984，1986)首次提出了利用鉆孔所揭露的原生裂隙開展水壓致裂測(cè)量來(lái)計(jì)算全應(yīng)力張量的HTPF法。劉允芳(1999)則率先在國(guó)內(nèi)將相似方法應(yīng)用于工程實(shí)踐。在國(guó)內(nèi)原生裂隙水壓致裂法測(cè)試方面，李方全(1986)，劉允芳(2000)，陳群策(1998)等學(xué)者都進(jìn)行了實(shí)踐，并取得了一些研究成果。Cornet(1997)，劉亞群(2007)，景鋒(2009)等提出使用HTPF法時(shí)，當(dāng)原生裂隙間垂直距離超過(guò)50m時(shí)，需要考慮應(yīng)力梯度對(duì)其的影響。

原生裂隙水壓致裂法(HTPF)優(yōu)點(diǎn)很明顯，測(cè)試過(guò)程只需要測(cè)試作用在閉合裂隙面上的法向應(yīng)力和裂隙面方位角，不需要測(cè)試其它巖石力學(xué)參數(shù)，方法原理假設(shè)很少，測(cè)試過(guò)程和測(cè)試參數(shù)可靠。同時(shí)HTPF法中，僅有精度較高的關(guān)閉壓力Ps參與計(jì)算，測(cè)量精度提高。HTPF法在實(shí)際計(jì)算中，由于測(cè)量過(guò)程中存在誤差，僅以6段原生裂隙進(jìn)行計(jì)算，有可能造成計(jì)算機(jī)計(jì)算無(wú)法收斂，所得到的各應(yīng)力量值與實(shí)際值之間存在很大差距。在此，Cornet建議最少選用7段原生裂隙數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，選用8～9段各參數(shù)不同的原生裂隙數(shù)據(jù)計(jì)算，得到的結(jié)果可靠性較高。然而HTPF法測(cè)量過(guò)程較經(jīng)典水壓致裂法復(fù)雜許多，測(cè)量過(guò)程中需要對(duì)每條裂隙進(jìn)行精確定位，且對(duì)原生裂隙的賦存狀態(tài)要求很高。在同一個(gè)鉆孔內(nèi)尋找不同產(chǎn)狀的原生裂隙難度非常高，根據(jù)王成虎等(2006)的鉆孔電視測(cè)試結(jié)果可知，同一鉆孔所揭露的原生裂隙產(chǎn)狀均趨于優(yōu)勢(shì)方位。原生裂隙附近可能存在其他裂隙，對(duì)原生裂隙的封隔加壓很難保證將該裂隙獨(dú)立分隔開來(lái)；同時(shí)保證測(cè)量過(guò)程中沒有液體滲入裂隙內(nèi)亦很困難。

劉允芳(2006)進(jìn)一步改良了原生裂隙水壓致裂法，在原有基礎(chǔ)上，提出裂隙重新張開時(shí)，裂隙面上剪應(yīng)力應(yīng)為0，那么每進(jìn)行一段原生裂隙水壓致裂測(cè)試，可獲得3個(gè)觀測(cè)值方程。只要在兩個(gè)或兩個(gè)以上不同產(chǎn)狀的原生裂隙段上進(jìn)行重張?jiān)囼?yàn)，即可確定三維地應(yīng)力狀態(tài)。僅以2段原生裂隙數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算很難得到理想的數(shù)據(jù)，在此筆者建議利用4～5段原生裂隙數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算較為妥當(dāng)。

通過(guò)近些年的理論發(fā)展，HTPF法對(duì)裂隙賦存條件的依賴程度大大降低，由最開始需要至少6條原生裂隙到現(xiàn)在只需要2條原生裂隙就可以計(jì)算出三維應(yīng)力狀態(tài)。但是HTPF法在不斷改良的過(guò)程中，也加入了一些新的假設(shè)，其測(cè)量精度還有待實(shí)踐的進(jìn)一步考驗(yàn)。

2.4 套芯解除法

2.5 鉆孔崩落

井孔內(nèi)的鉆孔崩落現(xiàn)象可以通過(guò)光學(xué)(照相機(jī))，機(jī)械式測(cè)井儀(井徑儀)，超聲波測(cè)井儀(鉆孔電視)或者電阻測(cè)井儀(地層微掃描器，簡(jiǎn)稱FMS)觀測(cè)。超聲波鉆孔電視(BHTV)能夠提供井孔壁連續(xù)且定向的超聲波圖像(Zemanek et al.，1970)。當(dāng)測(cè)井工具沿鉆孔逐步上移時(shí)，BHTV能按照螺旋線的方式以細(xì)窄的脈沖式超聲波射束掃描鉆孔壁。高級(jí)設(shè)備如FMS(斯倫貝謝)能夠產(chǎn)出高精度的鉆孔壁電阻率圖像，這種測(cè)井圖像可以用于確定水壓致裂裂縫、鉆井誘發(fā)張裂縫和鉆孔崩落方位。鉆孔崩落可以幫助準(zhǔn)確確定區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)方向，但是對(duì)于應(yīng)力量值，需要針對(duì)鉆孔圍巖的強(qiáng)度、圍巖的破裂條件進(jìn)行相關(guān)測(cè)定和假設(shè)，進(jìn)而限定應(yīng)力量值的范圍。鉆孔崩落的應(yīng)用依賴于該現(xiàn)象是否出現(xiàn)，一般在深度超過(guò)1000m的鉆孔中，可以考慮采用該種方法，淺孔(<1000m)中該現(xiàn)象一般不會(huì)出現(xiàn)。

2.6 孔壁誘發(fā)張裂縫

如前面所述，如果鉆孔孔壁形成張應(yīng)力集中或者鉆井液壓力過(guò)大，就會(huì)在鉆孔孔壁上產(chǎn)生張裂縫?？妆谡T發(fā)裂縫走向一般與最大水平主應(yīng)力方向一致，孔壁誘發(fā)張裂縫的基本原理與前面提到的水壓致裂法類似。一般情況下，鉆孔孔壁出現(xiàn)誘發(fā)張裂縫意味著①Sh是最小主應(yīng)力；② 水平主應(yīng)力SHmax與Shmin之間的差值很大(Zoback，2007)。有時(shí)候鉆孔孔壁張裂縫也與高泥漿密度和鉆孔孔壁冷卻有關(guān)。地應(yīng)力量值估算則需要結(jié)合鉆井液參數(shù)、孔壁圍巖強(qiáng)度屬性的參數(shù)進(jìn)行估算。孔壁誘發(fā)裂縫現(xiàn)象一般可在高應(yīng)力區(qū)和深孔中觀察到，孔壁誘發(fā)張裂縫一般均限制在距離井壁很近的范圍內(nèi)，穿透深度一般為幾毫米或者幾厘米(Brudy和Zoback，1999)，可以利用前面所述圖像測(cè)井技術(shù)(BHTV、FMS)以及一些其它精度較高的地球物理測(cè)井技術(shù)進(jìn)行觀測(cè)。井孔孔壁張裂縫的優(yōu)缺點(diǎn)與鉆孔崩落類似，屬于一種現(xiàn)象分析的方法。

2.7 鉆孔變形

當(dāng)鉆孔孔壁的應(yīng)力集中不足以導(dǎo)致巖壁破壞時(shí)，鉆孔孔壁會(huì)產(chǎn)生一定程度的變形，鉆孔變形是一種非常常見的現(xiàn)象，特別是超過(guò)特定深度后(>100m)。由于各種測(cè)試條件、要求和精度的問(wèn)題，很多情況下，我們無(wú)法測(cè)試這一變形值。如果鉆孔孔壁光滑規(guī)則，通過(guò)高精度的儀器還是能觀測(cè)到鉆孔變形程度，鉆孔的長(zhǎng)軸方向?yàn)樽钚∷街鲬?yīng)力方向，短軸方向?yàn)樽畲笏街鲬?yīng)力方向。而Zoback(2007)曾指出任何一個(gè)鉆孔都可以看作我們?cè)诘貧r體中開展的一次巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)，那么觀察鉆孔成型后鉆孔圍巖的響應(yīng)特征將是這一實(shí)驗(yàn)的必要措施，故這種方法也是未來(lái)巖石應(yīng)力測(cè)試的一個(gè)發(fā)展方向。Halliburton公司曾開發(fā)了THE(Total Halliburton Extensometer)設(shè)備來(lái)觀測(cè)鉆孔壓裂期間鉆孔變形情況，進(jìn)而得到鉆孔壓裂期間的裂縫方位和孔壁位移情況，該設(shè)備包括一個(gè)或者兩個(gè)封隔器和兩套六臂線性測(cè)徑儀(McMechan et al.，1992；Kuhlman et al.，1993)。Obara等提出了(2004，2010)CBDM(Cross-sectional Borehole Deformation Method)法來(lái)測(cè)定應(yīng)力，并指出這種方法不僅可以測(cè)量初始原地應(yīng)力也可以測(cè)量原地應(yīng)力的絕對(duì)變化。Obara等(2004, 2010)研發(fā)出高精度的光學(xué)井下測(cè)試儀器來(lái)測(cè)定鉆孔橫截面變形，并用其估算原地應(yīng)力值方向和量值。鉆孔變形法目前仍在研發(fā)中，未來(lái)的推廣應(yīng)用情況仍然有待檢驗(yàn)。目前能想到的該方法的問(wèn)題包括:① 鉆孔孔壁巖石的蠕變變形；② 在測(cè)試過(guò)程中消除由于鉆探原因所造成的鉆孔擴(kuò)徑現(xiàn)象；③ 如何將實(shí)驗(yàn)室?guī)r石力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與鉆孔孔壁的巖體數(shù)據(jù)建立聯(lián)系？

2.8 鉆孔滲漏實(shí)驗(yàn)

鉆孔滲漏實(shí)驗(yàn)測(cè)試地應(yīng)力原理與微型水壓致裂測(cè)試法原理相同，但是該方法主要在油田上使用較為廣泛，通過(guò)滲漏實(shí)驗(yàn)的壓力—時(shí)間曲線估算最小水平主應(yīng)力 (Zoback，2007)。

3 地質(zhì)學(xué)方法

3.1 地傾斜調(diào)查

地傾斜調(diào)查主要用于油田區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)分析，在進(jìn)行油井壓裂的過(guò)程中，地表會(huì)發(fā)生形變，地表的這種形變與地下的油井壓裂裂縫擴(kuò)散和分布密切相關(guān)。在油井區(qū)域的地表布置地表傾斜儀，通過(guò)測(cè)量地表形變及其分布特征，可以得到地下壓裂裂縫的分布特征，進(jìn)而得到區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的方向特征(Hill et al.，1994)。一般情況下，這種地表傾斜儀的精度能夠檢測(cè)到水平距離400km長(zhǎng)度上2mm的地表變形所產(chǎn)生的角度變化，或者更高的精度。理想條件下，需要在井下水壓致裂前幾個(gè)周就將地表傾斜儀埋入地下3～5m的預(yù)設(shè)孔內(nèi)，一方面可以讓儀器獲得一定的穩(wěn)定時(shí)間，另外一方面也可以得到研究區(qū)的環(huán)境背景地傾斜噪聲，這種噪聲包括日月潮汐，地表溫度變化所產(chǎn)生的熱彈性變形以及其它如風(fēng)力、降水、地下水位變化、地表人類活動(dòng)等所造成的地表變形。當(dāng)基于鉆孔或者基于巖芯的方法不能足以提供可靠的區(qū)域應(yīng)力數(shù)據(jù)時(shí)，就可以開展這種地傾斜觀測(cè)，但是壓裂深度不能超過(guò)1500m，同時(shí)這種方法費(fèi)時(shí)、花費(fèi)高而且需要足夠好的后勤保障。

地震預(yù)測(cè)研究中也使用了相應(yīng)的跨斷層地傾斜儀，常見的有水管儀(吳濤等，2010)、擺式傾斜儀(馬武剛等，2012)和伸縮儀(楊江等，2010、2012)，也可以在一定程度上反應(yīng)中長(zhǎng)期的地殼中的地應(yīng)力場(chǎng)變化趨勢(shì)，但是到目前為止僅見到利用其進(jìn)行地震預(yù)報(bào)的報(bào)道，未見到相關(guān)的利用其進(jìn)行反演區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的報(bào)道，或許這在今后也是一項(xiàng)值得開展的研究工作，因?yàn)榈卣鸩块T積累了大量的地形變觀測(cè)資料。

3.2 斷層滑動(dòng)反演

圖10 斷層面上擦痕有關(guān)數(shù)據(jù)測(cè)量及計(jì)算的結(jié)果表示(侯明金和王永敏，2002)Fig. 10 Measurements of striations on fault planes and computation results expression (Hou Mingjin and Wang Yongmin, 2002)

該方法需要大量細(xì)致詳實(shí)的野外調(diào)查工作，野外工作中最困難但也是最重要的就是確定擦痕的性質(zhì)、滑動(dòng)方向及斷層活動(dòng)期次配套，Mercier等(1992)曾對(duì)所采用的幾類擦痕的判別方法進(jìn)行了歸納總結(jié)，侯明金等(2002)對(duì)這些方法進(jìn)行過(guò)簡(jiǎn)要介紹，可參考。對(duì)于人類活動(dòng)稀少地區(qū)的區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)研究非常有價(jià)值，但是在斷層擦痕露頭不明顯的地區(qū)，使用范圍受限。該方法的一個(gè)很大的缺陷是非常難確定斷層滑動(dòng)擦痕發(fā)生的具體時(shí)間或者年代。

3.3 新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)節(jié)理測(cè)繪

新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)節(jié)理測(cè)繪的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以估算新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)發(fā)生年代的區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)方向，其所基于的主要原理是安德森理論(Anderson，1951)。安德森理論認(rèn)為主要的斷層類型可以分為三類，正斷層、走滑斷層和逆斷層，三種斷層類型所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力狀態(tài)分別為SV>SH>Sh，SH>SV>Sh和SH>Sh>SV，而三種斷層的走向與最大最小水平主應(yīng)力的夾角也有一定的分布規(guī)律，這一統(tǒng)計(jì)規(guī)律就可以用來(lái)分析區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)方向(Zoback，2007)。拜爾利總結(jié)了眾多巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，認(rèn)為地殼巖石的內(nèi)摩擦系數(shù)為0.6～0.85，少數(shù)巖石除外，這就是著名的拜爾利定律或拜爾利范圍(Byerlee，1979)。其它一些研究成果表明，絕大多數(shù)巖石的摩擦系數(shù)在0.5～1.0之間(張伯崇、馬元春，1987；李方全等，1993)。研究人員進(jìn)行的原地應(yīng)力實(shí)測(cè)證明實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的摩擦系數(shù)適用于上地殼，且限定了上地殼的應(yīng)力水平(Townend和Zoback，2000；Zoback et al.，2002；Scholz，2002)。由拜爾利定律可知，符合安德森理論的斷層(以下簡(jiǎn)稱安德森斷層)，中間主應(yīng)力與斷層面共面，當(dāng)斷層面上的摩擦系數(shù)為0.6～1.0之間，最大主應(yīng)力與斷層面的夾角較小，一般為23°～30°。

3.4 火山口排列調(diào)查

火山口排列調(diào)查法所依據(jù)的力學(xué)原理與水壓致裂相似，但是這里壓裂液為低粘度的熔巖巖漿，該方法由Nakamura所提出(1977)。Nakamura(1977)指出，所需要調(diào)查的參數(shù)包括: ① 火山口的形狀(圓形或者橢圓形)；② 火山口周邊或者火山巖侵入圍巖所形成巖脈的分布方式；③ 同期次火山口的排列方式；④ 火山附近的斷層活動(dòng)分布特征(展布和活動(dòng))。通常情況下，火山口排列或者巖漿巖巖脈的延伸方向與火山爆發(fā)時(shí)的區(qū)域最大水平主應(yīng)力平行，與最小水平主應(yīng)力垂直，如圖16所示(Adiyaman et al.，1998)，該方法對(duì)于古應(yīng)力場(chǎng)分析研究非常有用。在實(shí)際運(yùn)用該方法的過(guò)程中，需要仔細(xì)辨別不同期次火山形成過(guò)程的地質(zhì)背景和構(gòu)造條件、同時(shí)需要利用DEM或者遙感手段對(duì)火山口的地貌性態(tài)進(jìn)行細(xì)致分析。該方法給出的古應(yīng)力方向可靠度較高，但是對(duì)于一些古火山和復(fù)雜形態(tài)和多成因火山，需要開展更為細(xì)致的研究工作來(lái)確定形成時(shí)的古應(yīng)力方向。

圖11 地表火山裂隙出露形態(tài)示意及其與應(yīng)力場(chǎng)方向的關(guān)系(Adiyaman et al.，1998)Fig. 11 Surface signatures of volcanic fissures, and their stress directions (modified from Adiyaman et al., 1998)

4 地球物理學(xué)方法

4.1 震源機(jī)制解

震源機(jī)制解的求解，主要是通過(guò)假定震源模型參數(shù)，計(jì)算得到給定地震波速度結(jié)構(gòu)下各臺(tái)站產(chǎn)生的波形特征，再將其與各臺(tái)站實(shí)際觀測(cè)波資料進(jìn)行對(duì)比，得到擬合最好的模型參數(shù)。求解震源機(jī)制解的常用方法主要包括初動(dòng)符號(hào)法和波形反演法，初動(dòng)符號(hào)法主要依據(jù)波形的初動(dòng)極性信息來(lái)獲取震源機(jī)制解，而波形反演法則充分利用了波形資料求解矩張量解(Fowler, 1990)。初動(dòng)符號(hào)法可分為P波初動(dòng)法和振幅比法，通過(guò)判定初動(dòng)符號(hào)極性獲得震源機(jī)制解，其方法簡(jiǎn)單、快捷，但是從波形數(shù)據(jù)文件中獲取的地震信息較少，需要大量臺(tái)站數(shù)據(jù)資料，且只有在臺(tái)站分布均勻的條件下才能得到可靠的結(jié)果。然而對(duì)于一些中小地震來(lái)說(shuō)，由于受地震臺(tái)站分布和密度的制約，用P波初動(dòng)所求得的震源機(jī)制解有可能是不可靠的，因此許多學(xué)者提出了振幅比法，即根據(jù)P波與SV波或SH波振幅比值來(lái)求解震源機(jī)制參數(shù)(Kisslinger et al.，1981；梁尚鴻等，1984；吳大銘等，1989)。震源機(jī)制解研究中，通常利用地震矩張量來(lái)描述地震的點(diǎn)源模型，而地震矩張量的引進(jìn)實(shí)現(xiàn)了震源參數(shù)的線性化。根據(jù)矩張量元素和格林函數(shù)之間的線性關(guān)系，簡(jiǎn)正振型、體波、面波、近震源記錄等波形觀測(cè)資料均可用于矩張量的反演(倪江川等，1991；祁玉萍等，2013)。目前，美國(guó)、日本、歐洲、我國(guó)臺(tái)灣等都建立了實(shí)時(shí)波形自動(dòng)反演系統(tǒng)，并將震源機(jī)制解的確定納入了臺(tái)網(wǎng)的日常工作(祁玉萍等，2013)。震源機(jī)制解能較為準(zhǔn)確地得到地震發(fā)生時(shí)斷層兩盤的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向，這種相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向反應(yīng)了當(dāng)時(shí)的區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)，因而可以給出區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)方向和三個(gè)應(yīng)力量值之間的比值關(guān)系(Zoback，2007)。

由于大多數(shù)地殼地震發(fā)生于原生的斷層，而不是產(chǎn)生新斷層而引發(fā)，所以滑動(dòng)向量由斷層方向、主應(yīng)力方向和大小決定，而震源平面機(jī)制的P軸和T軸與主應(yīng)力方向無(wú)直接對(duì)應(yīng)的關(guān)系。Raleigh和Healy等(1972)建議如果已知震源機(jī)制的節(jié)平面，則不必采用震源平面機(jī)制的P軸，而假設(shè)最大水平主應(yīng)力與斷層面夾一定角度，而夾角大小可以根據(jù)摩擦系數(shù)來(lái)確定，比如，許多巖石的摩擦系數(shù)約為0.6，他們建議斷層面與最大主應(yīng)力方向的夾角可取為30°。但是對(duì)于板塊內(nèi)部地震，很難確定震源平面與哪個(gè)斷層面相對(duì)應(yīng)。盡管如此，在大多數(shù)內(nèi)陸板塊區(qū)域，震源平面機(jī)制的P軸仍然是最大水平主應(yīng)力方向的一個(gè)較好的近似，這是因?yàn)閮?nèi)陸板塊地震通常不是發(fā)生在摩擦系數(shù)很小的斷層上(Zoback and Zoback，1980；Zoback et al.，1989)。

4.2 其它地球物理測(cè)井方法

其它地球物理方法包括微震測(cè)井、定向伽瑪射線和橫波各向異性法。微震測(cè)井法主要用于油田應(yīng)力場(chǎng)的研究，在油井壓裂過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生微震事件，對(duì)這些微震事件進(jìn)行精定位，并分析其分布特征，就可以得到壓裂裂縫的分布特征，進(jìn)而得到區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)方向(Hill et al.，1994；Zoback，2007)。其它的物理測(cè)井方法包括定向伽瑪射線錄井，橫波各向異性法等。伽瑪射線錄井是一種在石油工業(yè)中常用的方法，定向伽瑪射線錄井基于常見的伽瑪錄井技術(shù)，并結(jié)合一些示蹤元素來(lái)獲得油井壓裂過(guò)程中所形成的裂縫方位(Hill et al.，1994)，進(jìn)而得到區(qū)域最大主應(yīng)力方向。橫波各向異性是指在各向異性介質(zhì)中橫波偏振成快波和慢波兩個(gè)分量，引起的機(jī)制可以分為兩類，一類是主應(yīng)力差異所引起的各向異性，另外一種是構(gòu)造各向異性，其中應(yīng)力各向異性情況下，垂向傳播的彈性波在平行于張開的微裂縫(Crampin，1985)或者垂直于閉合的大裂縫(Boness and Zoback，2004)方向偏振為快速的方向，在這兩種情況下，快速橫波方向都平行于SHmax，基于這種原理，可以利用垂直井的正交偶極子聲波測(cè)井資料的快速橫波偏振方向確定應(yīng)力方向，例如Yale(2003)就利用北海Scott油田某垂直井的交叉偶極子數(shù)據(jù)得到了橫波速度各向異性，并確定了最大水平主應(yīng)力方向。

地球物理測(cè)井方法確定區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)方向主要在石油工業(yè)中使用廣泛，同時(shí)由于測(cè)井工作是油田儲(chǔ)層分析的一項(xiàng)基礎(chǔ)工作，因此應(yīng)用廣泛。但是由于地球物理方法多解性的問(wèn)題，在使用地球物理測(cè)井方法開展相應(yīng)的應(yīng)力分析時(shí)，同時(shí)應(yīng)該對(duì)其它影響因素予以考慮以提高獲得應(yīng)力數(shù)據(jù)的可靠性。

5 基于地下空間的方法

5.1 扁千斤頂法

扁千斤頂法是測(cè)量巖壁表面應(yīng)力的一種方法，也稱巖體表面應(yīng)力恢復(fù)法，該方法首先在二十世紀(jì)五十年代在法國(guó)使用，由Mayer等(1951)、Tincelin(1951)首先提出，后來(lái)Panek(1961)、Panek和Stock(1964)、Hoskins(1966)、Merrill等(1964)以及Rocha等(1966，1971)對(duì)這種方法又進(jìn)行了大量的改進(jìn)。到了20世紀(jì)60年代以后，文獻(xiàn)中有大量關(guān)于利用扁千斤頂法測(cè)量原地應(yīng)力場(chǎng)的報(bào)道(Amadei and Stephasson，1997)。該方法也是是國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)試驗(yàn)方法委員會(huì)巖石應(yīng)力測(cè)量的推薦方法之一(Commission on testing methods of IRSM，1988)。首先在測(cè)量點(diǎn)按照特定規(guī)則埋設(shè)測(cè)量元件，一般埋設(shè)在預(yù)定測(cè)量槽的兩側(cè)，埋設(shè)完畢后，在預(yù)定位置開挖測(cè)量槽，同時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)量元件所反應(yīng)的開挖過(guò)程中巖體的變形行為(位移或應(yīng)變量)，再在槽中埋設(shè)壓力鋼枕，測(cè)量壓力鋼枕施壓引起的變形，直至能抵消由鑿槽引起的變形和該壓力下的殘余變形時(shí)，相對(duì)應(yīng)的壓力鋼枕壓力值就是窄縫槽中垂線方向的圍巖法向應(yīng)力值(Commission on testing methods of IRSM，1988)。當(dāng)拓展到三維地應(yīng)力測(cè)量時(shí)，一般需要在洞室斷面巖壁上不同部位布置6個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)試設(shè)備及測(cè)點(diǎn)布置如圖12所示。該方法在20世紀(jì)60年代時(shí)十分流行，到目前仍然有人在使用該方法。根據(jù)Amadei和Stephasson(1997)的介紹，從該種方法提出到20世紀(jì)60年代發(fā)展成熟后，除了在局部技術(shù)細(xì)節(jié)方面的部分革新，該方法后來(lái)的30多年里基本沒有什么大的發(fā)展變化。與此同時(shí)，對(duì)該方法進(jìn)行適當(dāng)修正，還可以用于測(cè)試巖體的彈性模量。

圖12 扁千斤頂法原地應(yīng)力測(cè)量方法及測(cè)量槽布置示意圖(Amadei and Stephasson, 1997) (a)扁千斤頂法原地應(yīng)力測(cè)量方法示意圖; (b)測(cè)量槽的布置示意圖Fig. 12 Flat jack in-situ measuring technique and schematic for arrangements of measurement slots (a) Schematic of flat jack method (b) Schematic for arrangements of measurement slots (Amadei and Stephasson, 1997)

扁千斤頂法測(cè)量地應(yīng)力有以下不足:① 該方法只能測(cè)量地下洞室圍巖表面的地應(yīng)力，而圍巖表面的應(yīng)力容易受到洞室開挖工藝、圍巖二次應(yīng)力場(chǎng)等因素的影響；② 圍巖表面的結(jié)構(gòu)面和巖體的各向異性對(duì)測(cè)試結(jié)果影響較大，而且不容易消除；③ 由于加載工藝的問(wèn)題，千斤頂施加的應(yīng)力不是理想均勻狀態(tài)，同時(shí)應(yīng)力加載過(guò)程與解除過(guò)程可能并不一致；④ 在一些軟巖中開展實(shí)驗(yàn)時(shí)，切槽過(guò)程中的蠕變現(xiàn)象對(duì)測(cè)試結(jié)果影響明顯。這種測(cè)試方法的優(yōu)點(diǎn)也很明顯: ① 可以直接測(cè)試地應(yīng)力，而且無(wú)需知道巖石的彈性模量；② 測(cè)試設(shè)備簡(jiǎn)單、耐用、穩(wěn)定；③ 所測(cè)得的應(yīng)力是基于一個(gè)平面的平均應(yīng)力，包括的體積達(dá)0.2～2m3，同時(shí)對(duì)巖體的擾動(dòng)相對(duì)較小。

5.2 表面應(yīng)力解除法

圖13 三種主要表面應(yīng)力解除法的測(cè)點(diǎn)和切割作業(yè)布置示意圖(Amadei和Stephasson，1997； 康紅普等，2013)：(a) 小型巖體切割法; (b)平行鉆孔法; (c)中心鉆孔法Fig. 13 Schematic arrangements of measuring spots and cutting operations for three major surface relief methods: (a) small-scale cutting of rock mass; (b) Parallel borehole method; (c)Central borehole method (Amadei and Stephasson, 1997；Kang Hongpu, et al.，2013)

平面應(yīng)力測(cè)量法是最早的應(yīng)力測(cè)量方法，早在20世紀(jì)初就有工程師利用這種方法測(cè)量土木結(jié)構(gòu)組件內(nèi)部的應(yīng)力。表面應(yīng)力解除法是在測(cè)試點(diǎn)安裝變形測(cè)量裝置，一般采用幾組固定的測(cè)量元件，成對(duì)按照特定形狀規(guī)則固定，然后在測(cè)量元件周邊開展巖體切割或者小型開挖作業(yè)，在這一過(guò)程中，監(jiān)測(cè)測(cè)量元件之間距離的相對(duì)變化，進(jìn)而得到開挖過(guò)程中測(cè)量點(diǎn)巖體的變形量，同時(shí)求得該區(qū)域巖體的彈性模量，就可以估算測(cè)量點(diǎn)原地應(yīng)力狀態(tài)。這種方法在應(yīng)力測(cè)量發(fā)展的早期起到了很大的作用，近年來(lái)該方法的使用率已經(jīng)很低了。Mathar(1934)、Amadei和Stephasson(1997)對(duì)表面應(yīng)力測(cè)量進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)地總結(jié)，可參考。應(yīng)力測(cè)量發(fā)展史上最為著名的表面應(yīng)力測(cè)量工作是Lieurance(1933、1939)在美國(guó)內(nèi)華達(dá)胡佛大壩壩基中所開展的應(yīng)力測(cè)量實(shí)踐。表面應(yīng)力解除可以分為小型巖體切割法(Merrill，1964)、平行鉆孔法(Habib，1971)和中心鉆孔法(Duvall and Tsur-Lavie，1974)三種，如圖13所示。

表面應(yīng)力解除法在應(yīng)力測(cè)量發(fā)展早期起到了很大的作用，但是這種方法也有很大的局限性，包括① 測(cè)量環(huán)境對(duì)應(yīng)變計(jì)或者測(cè)量柱影響較大，例如濕度、灰塵和地下溫度等；② 與扁千斤頂法類似，平面應(yīng)力解除僅能測(cè)量地下洞室圍巖表面的地應(yīng)力，而圍巖表面的應(yīng)力容易受到洞室開挖工藝、圍巖二次應(yīng)力場(chǎng)、洞室表面應(yīng)力集中等因素的影響，同時(shí)圍巖表面的結(jié)構(gòu)面和巖體的各向異性對(duì)測(cè)試結(jié)果影響較大，而且不容易消除；③ 這種方法測(cè)出的只是巖石表面的兩個(gè)主應(yīng)力，屬于平面應(yīng)力測(cè)量。

表2 原地應(yīng)力測(cè)試和估算方法對(duì)比Table 2 Comparisons of in-situ stress estimate methods

5.3 反分析法

圖14 區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)確定(估算)技術(shù)路線圖(據(jù)Zang and Stephasson, 2010，有修改)Fig. 14 Technical flow chart to determine (estimate) a regional stress regime (According to Zang and Stephasson, 2010, modified)

地下空間開挖后，周邊圍巖必然會(huì)變形，而且這種變形非常明顯，只要仔細(xì)觀測(cè)地下空間圍巖的變形過(guò)程，并求得地下空間圍巖的巖體彈性模量或者變形模量，就可以估算工程區(qū)的原地應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)，通常人們稱這種方法為反分析法。Zajic和Bohac(1986)、Sakurai和Shimizu(1986)首先提出了這種地下空間反分析方法。首先在地下空間一個(gè)或者多個(gè)斷面上監(jiān)測(cè)位移，并利用數(shù)值分析方法(有限元或者邊界元)將其與區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)聯(lián)系起來(lái)，這一過(guò)程需要假設(shè)巖體屬性參數(shù)以及這些參數(shù)隨深度的變化規(guī)律。Zou和Kaiser(1990)還提出了針對(duì)二維問(wèn)題的反分析方法，后來(lái)Wiles和Kaiser(1994)將這一方法拓展到了三維，這種方法中是首先在巖體中預(yù)埋設(shè)應(yīng)變儀、伸縮儀、閉合儀、傾斜儀等位移或者應(yīng)變觀測(cè)裝置，然后觀測(cè)后續(xù)開挖進(jìn)行時(shí)這些儀器的記錄響應(yīng)，進(jìn)而利用數(shù)值分析法(三維有限元或者三維邊界元)來(lái)分析區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)。Martin(2003)認(rèn)為，在深部高地應(yīng)力區(qū)開挖過(guò)程中，基于地下空間變形的反分析法得到的原地應(yīng)力狀態(tài)更為準(zhǔn)確，但是通常科技人員低估該方法的價(jià)值。

6 討論及展望

6.1 討論

以上內(nèi)容對(duì)目前所使用的較為常見的應(yīng)力測(cè)試方法進(jìn)行了回顧總結(jié)，不同的方法有不同的適用范圍，也有不同的誤差范圍，這些方法的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍列于表2。這些方法又可以分為主動(dòng)法和現(xiàn)象分析法，主動(dòng)法就是工程技術(shù)人員通過(guò)主動(dòng)擾動(dòng)原位巖體，通過(guò)觀察擾動(dòng)后的巖體響應(yīng)特征，例如應(yīng)變或者變形、破壞，再結(jié)合巖石力學(xué)屬性參數(shù)的研究分析反演區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)特征，這包括水壓致裂法、原生裂隙水壓致裂法、扁千斤頂法、表面解除法等，這類方法比較適用于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、資源和能源開發(fā)等領(lǐng)域的使用。其余的方法可以稱之為現(xiàn)象分析法，因?yàn)橹挥邪l(fā)生了這些現(xiàn)象，通過(guò)分析這些現(xiàn)象所蘊(yùn)含的應(yīng)力信息，確定區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)，這些現(xiàn)象分析法可以作為主動(dòng)法的有效補(bǔ)充，幫助人們更為準(zhǔn)確地確定區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)。

與此同時(shí)，這些方法得到的應(yīng)力信息所反映的巖石體積量是有較為明顯的差別的，在聯(lián)合使用不同方法時(shí)應(yīng)對(duì)這種體量差別所帶來(lái)的誤差予以關(guān)注。例如套芯應(yīng)力解除法只能反應(yīng)100～300cm3范圍內(nèi)的巖體應(yīng)力信息，而地下空間反分析法則可以反應(yīng)100～300m3范圍內(nèi)的巖體應(yīng)力信息，而斷層滑動(dòng)反演和火山口排列調(diào)查反應(yīng)的巖體應(yīng)力信息可能達(dá)到100～300km3。相對(duì)而言，建立在大體量巖體分析上的方法得到的應(yīng)力數(shù)據(jù)對(duì)于研究區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)更為穩(wěn)定可靠，但是不同的方法能揭示不同尺度上的應(yīng)力信息，應(yīng)根據(jù)需求適當(dāng)調(diào)整所采用的應(yīng)力測(cè)試或者估算方法。

6.2 展望

通過(guò)對(duì)前面的應(yīng)力測(cè)試或者估算方法的回顧和總結(jié)，我們也基本勾畫出了開展一個(gè)地區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)分析的一般路徑，如圖14所示，可以包括四個(gè)主要步驟: ① 初步應(yīng)力方向和量值估計(jì)，這一步中主要對(duì)現(xiàn)有資料進(jìn)行了系統(tǒng)的分析總結(jié)，找出現(xiàn)有資料中的相互統(tǒng)一或者相互沖突的地方；同時(shí)可以利用地質(zhì)學(xué)方法和地球物理方法對(duì)研究區(qū)應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行初步研究；如果有巖芯和鉆孔，那么我們就可以利用巖芯和鉆孔孔壁出現(xiàn)的現(xiàn)象開展部分初步應(yīng)力分析；② 實(shí)地測(cè)量，這一步主要在第一步的基礎(chǔ)上并結(jié)合現(xiàn)有的工程實(shí)踐條件(如鉆孔、定向巖芯和地下空間巖體)，開展相應(yīng)的應(yīng)力測(cè)量分析；③ 基于兩項(xiàng)工作的綜合分析，進(jìn)而對(duì)整個(gè)工作區(qū)的應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，通常使用數(shù)值模擬手段；④ 對(duì)影響應(yīng)力場(chǎng)分析的主要因素進(jìn)行重點(diǎn)分析討論，包括巖體結(jié)構(gòu)、區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造等因素，并給出參考結(jié)論。

Fairhurst(2003)曾對(duì)巖石(巖體)應(yīng)力測(cè)量進(jìn)行過(guò)詳細(xì)的總結(jié)評(píng)述，他認(rèn)為近些年來(lái)，巖體應(yīng)力測(cè)量的理論基本沒有大的發(fā)展變化，Zang和Stephasson(2010)也表達(dá)了類似的觀點(diǎn)。近幾年的巖石應(yīng)力測(cè)量技術(shù)的發(fā)展集中體現(xiàn)在測(cè)試測(cè)備的革新進(jìn)步方面，例如新一代Borre應(yīng)變儀、水壓致裂法四元封隔器(Zang and Stephasson, 2010)、BABHY測(cè)試設(shè)備等(Ito, 2010)。未來(lái)應(yīng)力測(cè)量技術(shù)的發(fā)展仍然有可能集中體現(xiàn)在測(cè)試設(shè)備的革新進(jìn)步方面，同時(shí)人類社會(huì)對(duì)能源和材料新的需求，對(duì)開展深部測(cè)量有了更高的要求，需要工程師和科學(xué)家們研發(fā)更多用于深部地殼應(yīng)力測(cè)量的技術(shù)和設(shè)備；與此同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力和巖石測(cè)試能力的不斷提升，未來(lái)將會(huì)對(duì)有關(guān)巖石各向異性、非均質(zhì)、非線性的屬性特征對(duì)巖石或巖體中應(yīng)力分布的影響有更深入的研究。