The Stress Field in the Upper Crust as Determined from In Situ Measurements
ZusammenfassungDieser Beitrag behandelt die Spannungsverhältnisse in der oberen Erdrinde, so wie sie sich bei Messungen von lokalen Spannungsfeldern herausstellen.Die Streuung der Daten ist zwar beträchtlich, aber es zeichnen sich zwei Hauptlinien ab in den Beziehungen zwischen durchschnittlicher Horizontalspannung und Tiefe. In alten Grundgebirgen und in den deformierten Gesteinen der Faltungsgebiete findet man im allgemeinen Horizontalspannungen, die grö\er sind als die berechnete Belastung. In Sedimentärgesteinen und zerbrochenen massiven Gesteinen sind die Horizontalspannungen meistens geringer als die Belastung. In den meisten Fällen findet man eine unverkennbare Spannungsanisotropie in der Horizontalebene. In den Gebieten, für die wir über genügende Messungen verfügen (d. h. für Nordamerika und Fennoskandia) stellt es sich heraus, da\ die Orientierung der maximalen horizontalen Hauptspannung ziemlich eindeutig und einheitlich ist, obgleich diese Orientierung sich in den meisten Fällen nicht aus einfachen, nach bestimmten Regeln zu berechnenden Spannungsverteilungen voraussagen lä\t.Die Deutung von örtlich bestimmten Spannungsverhältnissen wird von vielen Faktoren beeinträchtigt. Die Beziehung zwischen der Verteilung der Hauptspannungen und der Position der heutigen Oberfläche ist äu\erst kompliziert. Die topographische Beschaffenheit und Abtragungsvorgänge dürften eine Anhäufung von Horizontalspannungen zur Folge haben. Sehr alte Restspannungen überlagern manchmal die Spannungen der rezenten Tektonik, während anderseits die heutige Spannungslage nicht mehr mit den Spannungsfeldern übereinstimmt, die zu den heute zu beobachtenden Bruch- und Faltungssystemen geführt haben. Messungen von Restspannungen in alten Gesteinen haben bewiesen, da\ die Gesteine der oberen Erdrinde, sogar über geologische Zeitspannen heraus, eine gewisse Deformationsresistenz haben.Vom Gesichtspunkt der Globaltektonik ist es zu empfehlen, allein-situ-Spannungsbestimmungen nur mit grö\ter Vorsicht zu verwerten, und auch dann nur unter Berücksichtigung der Bruchflächenlösungen der seismischen Daten. Das Spannungsfeld in der Erdrinde ist zwar im allgemeinen kompressiv, aber die Feststellung, da\ undeformierte Sedimentdecken meistens keine horizontale überspannung aufweisen, macht deutlich, da\ die Annahme einer weltumfassenden horizontalen Kompression unnötig ist. Wo es in Gegenden, die einst heftigen Gebirgsbildungsvorgängen unterworfen waren, Horizontalspannungen gibt, die grö\er sind als der berechnete lithostatische Druck, so darf dies wohl zurückgeführt werden auf Restspannungen und auf den Einflu\ der örtlichen Topographie und Struktur. Es scheint daher voreilig, auf lokalen Spannungsbestimmungen eine universelle tektogenetische Hypothese zu gründen. Um wirkliche Fortschritte in dieser Hinsicht zu erzielen, müssen weitere Messungen und eine quantitative Bewertung der jene Messungen beeinflussenden Faktoren durchgeführt werden.AbstractThis paper provides a synopsis of the state of stress in the upper parts of the earth's crust based uponin situ rock stress determinations.Despite the large scatter of the data, two dominant trends can be detected in the variations of average horizontal stress with depth in various geological environments. Basement rocks in ancient shields and deformed rocks in fold belts usually show horizontal stresses larger than the theoretical overburden pressure. Sedimentary cover rocks and fissured massive rocks show horizontal stresses smaller than the overburden pressure. The ratio of the maximum to the minimum horizontal stress exhibits a clear stress anisotropy in most cases. Directions of maximum horizontal compression are fairly consistent in areas where sufficient measurements are available (North America and Fennoscandia), although in many instances they do not conform to any simple predicted stress pattern.Many factors complicate the interpretation ofin situ stress determinations. There is no simple relationship between the stress trajectories and the free surface. Topographic features and erosional processes may cause horizontal stress concentrations. Remanent stresses of great age can be superimposed on current tectonic stresses, while sometimes current stresses no longer coincide with the stress systems that caused observable faulting and folding. Observation of remanent stresses in ancient rocks shows that rocks in the upper crust have finite strength even under geological time intervals.From the viewpoint of global tectonics,in situ stress determinations ought to be used with great caution, and in conjunction with focal mechanism solutions of earthquakes. Although the state of stress is everywhere compressive, the fact that undeformed sedimentary cover rocks often show no excess horizontal stress would seem to indicate that no active global horizontal compression is required. Horizontal stresses larger than the overburden pressure in regions of intense palaeodeformation may be due to remanent stress effects and to the influence of the local structure. It is premature to advance any general statement on tectogenesis on the basis ofin situ stress determinations. More measurements, and a quantitative evaluation of the factors affecting them, are required before further progress can be made.RésuméCette étude est une description de l'état des contraintes das les couches supérieures de l'écorce terrestre et est basée sur des déterminationsin situ de contraintes dans les roches.En dépit de la dispersion de données, on remarque deux tendances principales dans les variations des contraintes horizontales moyennes par rapport à la profondeur dans des milieux géologiques divers. Les roches cristallines des massifs anciens et les roches déformées des chaÎnes plissées montrent habituellement des contraintes horizontales supérieures à la pression causée par la pesanteur des roches superposées. Les roches de couches sédimentaires et les masses de roches fissurées montrent des contraintes horizontales inférieures à cette pression. Dans la plupart des cas, le rapport entre le maximum et le minimum de contraintes horizontales met en relief une anisotropie des contraintes. Les directions des compressions horizontales maximales sont assez régulières dans les regions où des mesures adéquates sont possibles (Amerique du Nord et Fennoscandie) bien que très souvent, elles ne sont pas conformes à aucune configuration théorique.De nombreux facteurs viennent compliquer l'interprétation des déterminations de contraintesin situ. In n'y a aucune relation simple entre les trajectoires des contraintes principales et la surface libre. Les caractéristiques topographiques et les processus d'érosion peuvent engendrer des concentrations de contraintes horizontales. Des contraintes résiduelles très anciennes peuvent se superimposer à des contraintes tectoniques actuelles, alors que parfois les contraintes actuelles ne coincident plus avec les systèmes de pression qui sont à l'origine des phénomènes observables de plis et de failles. L'observation des contraintes résiduelles dans les roches anciennes montre que les roches de la couche supérieure de l'écorce terrestre ont une résistance à la deformation mÊme pendant des longues périodes géologiques.D'un point de vue tectonique global, les déterminations de contraintesin situ ne doivent Être utilisées qu'avec une grande prudence et seulement en conjonction avec les solutions des mécanismes focaux des secousses séismiques. Bien que 1 état de contraintes soit partout compressif, le fait qu'une couverture de roche sédimentaires non-déformée ne montre souvent aucun excès de pression horizontale semblerait indiquer qu'aucune compression horizontale globale n'est nécessaire. L'excès de contraintes horizontales dans les régions de déformation intense pourrait Être causé par les effets des pressions résiduelles et l'influence de la structure locale. Il serait prématuré d'avancer une théorie générale de la tectogénèse sur la base de déterminations de contraintesin situ. Des mesures additionelles et une évaluation quantitative des facteurs qui les affectent seront nécessaires avant qu'un quelconque progrès puisse Être réalisé.кРАткОЕ сОДЕРжАНИЕВ ДАННОМ ОпУБлИкОВАН ИИ пРИВЕДЕНы сООтНОш ЕНИь НАпРьжЕНИИ ВЕРхНЕИжЕМНОИ кОРы, пОлУЧЕНН ыЕ пРИ ИжМЕРЕНИИ МЕст Ных пОлЕИ НАпРьжЕНИь. РАссЕьНИЕ ДАННых ВЕл ИкО, НО ВсЕ жЕ ВыРИсОВы ВАУтсь ДВЕ ОсНОВНых лИНИИ ВжАИМООтНОшЕНИИ МЕж ДУ сРЕДНИМ НАпРьжЕНИ ЕМ пО гОРИжОНтАлИ И В глУБИ НУ. В ДРЕВНИх кОРЕННых гО РАх И В ДЕФОРМИРОВАНН ых пОРОДАх склАДЧАтых гОР УстАНОВлЕНО В ОБЩЕМ Н АпРьжЕНИЕ пО гОРИжОН тАлИ, пРЕВОсхОДьЩЕЕ пОДсЧ ИтАННУУ НАгРУжкУ. В ОсАДОЧНых пОРОДАх И пОРОДАх РАж лОМАННых МАссИВОВ НАпРьжЕНИЕ пО гОРИжОНтАлИ ОБыЧН О НИжЕ НАгРУжкИ. В БОлы НЕНстВЕ слУЧАЕВ НА гОРИжОНтАльНых РАВН ИНАх НАБлУДАУт ьВНУУ ИжОтРОпИУ НАпРьжЕНИь. В ОБлАсть х, гДЕ БылО пРОВЕДЕНО ДО стАтОЧНОЕ кОлИЧЕстВ О ИжМЕРЕНИИ (НАпР.: В сЕВЕРНОИАМЕРИкИ И ФЕННОскАНД ИИ) УстАНОВИлИ, ЧтО ОРИ ЕНтАцИь РЕжУльтИРУУЩЕгО МАксИМАльНОгО НАпРь жЕНИь пО гОРИжОНтАлИ ДОстАтОЧНО ьВНА И ЕДИНА, хОть ЕЕ В БОльшЕНстВЕ слУЧАЕВ НЕльжь пРЕДВ ИДЕть НА ОсНОВАНИИ РАссЧЕтОВ РАспРЕДЕлЕНИь НАпРь жЕНИИ. ИНтЕРпРЕтАцИь сООтН ОшЕНИь ОпРЕДЕлЕННых МЕстНых НАпРьжЕНИИ жАВИсИт От МНОгИх ФАктОРОВ. сВ ьжь МЕжДУ РАспРЕДЕлЕ НИЕМ РЕжУльтИРУУЩЕгО НАп РьжЕНИь И РАспОлОжЕНИЕМ сОВР ЕМЕННОИ пОВЕРхНОстИ ЧРЕжВыЧАИНО слОжНА. тОпОгРАФИЧЕс кИЕ стРОЕНИЕ И пРОцЕссы с НОсА МОгУт пРИВЕстИ к НАкОплЕНИУ НАпРьжЕНИИ пО гОРИжОНтАлИ. ДРЕВН ИЕ ОстАтОЧНыЕ НАпРьж ЕНИь пЕРЕкРыты пОРОИ НАпРьжЕНИьМИ сОВРЕМ ЕННОИ тЕктОНИкИ, В тО В РЕМь, кАк пОлОжЕНИЕ НАпРьжЕНИ ь сЕгОДНь НЕ сОВпАДАЕт с пОльМИ НАпРьжЕНИь, п РИВЕДшИМИ к НАБлУДАЕМыМ сЕгОДНь сИстЕМАМ РАж лОМОВ И склАДОк. ИжМЕР ЕНИь ОстАтОЧНых НАпРьжЕН ИИ В ДРЕВНИх пОРОДАх ДОк АжАлИ, ЧтО пОРОДы ВЕРх НЕИ жЕМНОИ кОРы пРОьВльУт ИжВЕстНОЕ сОпРОтИВлЕНИЕ ДЕФОР МАцИИ ДАжЕ В тЕЧЕНИЕ гЕОлОгИЧЕск Их ЁпОх.с тОЧкИ жРЕНИь МИРОВО И тЕктОНИкИ жЕлАтЕль НО ВсЕ пОлУЧЕННыЕ НА МЕстЕ ДАННыЕ НАпРьжЕНИь ИН тЕРпРтИРОВАть с БОль шОИ ОстОРОжНОстьУ, УЧИты