Напряженное состояние горных пород меняет их различные геофизические характеристики: магнитные, электрические, плотностные, скорости распространения сейсмических волн. Измеряя аномальные значения этих характеристик, получают информацию о напряженно-деформированном состоянии горных пород. Существуют и чисто теоретические методы, позволяющие рассчитывать напряженное состояние литосферы, однако они весьма приблизительны. Широко используются также геологические методы, в том числе дистанционные, то есть дешифрирование аэро- и космических снимков с целью выявления зон разрывов и трещин, сформировавшихся под влиянием определенного напряженного состояния земной коры.

Особняком стоят методы оценки напряженного состояния горных пород по материалам наблюдений в буровых скважинах и горных выработках. Для измерений формы поперечного сечения скважин применяют кварцевые деформографы, при помощи которых можно выявить деформации, а соответственно и напряжения по трем направлениям, расположенным взаимно перпендикулярно. Тем самым появляется возможность измерить тензор напряжений в одной точке. Такие измерения составляют около 30% всех имеющихся данных.

Существуют и другие методы изучения напряжений в керне (в столбике извлеченной породы) скважин, например: метод дискования керна, метод разгрузки, метод акустического каротажа, позволяющие определять остаточные упругие деформации в породах. Но эти методы весьма трудоемки.

Достаточно уверенно определяются поля напряжений в горизонтальных и вертикальных выработках, что имеет большое практическое значение. Хорошо известны так называемое стреляние пород и разрушение горных выработок – штолен, штреков, шахт, – возникающие под воздействием горного давления. Если горная выработка ориентирована в направлении максимального сжимающего напряжения, она наиболее устойчива. Но стоит ее сориентировать поперек сжимающих напряжений, как стенки, например штольни, начнут стрелять кусками горной породы и разрушаться. Существуют разнообразные инструментальные методы, при помощи которых наблюдают за аномальными напряжениями в горных выработках.

И наконец, деформации земной поверхности, обусловленные полем напряжений, изучают геодезическими методами, наклономерами. Все они дают возможность выявить деформации и поля напряжений в поверхностных слоях. Однако в более глубоких горизонтах земной коры ориентировка и величина напряжений могут быть совсем другими, и в этом заключается причина ограниченности геодезических методов.

Таким образом, существуют разнообразные способы измерения напряжений в земной коре как на поверхности, так и в более глубоких горизонтах. Не все они равноценны, но их совместное применение дает возможность составить общее представление о величине и направленности современного поля напряжений.

Несмотря на то, что напряжениями в породах давно занимались горняки, в геологии, особенно в теоретической, этой проблемой начали интересоваться лишь в 50-е годы. Однако наибольшее внимание напряженное состояние коры и литосферы в целом привлекло внимание в середине 60-х годов с появлением теории тектоники литосферных плит. Измерение напряжений, существующих на различных по геодинамической природе границах плит, хорошо подтверждало теоретические модели. Например, все активные континентальные окраины, где океаническая земная кора погружается под континентальную, характеризуются сжимающими горизонтальными напряжениями, причем ориентировка оси сжатия, как правило, оказывается перпендикулярной простиранию активной окраины. Особенно хорошо это подтверждается сейсмологическими данными. Горизонтальное сжатие в пределах Курильской и Японской островных дуг оценивается в 200–400 МПа. Любопытно, что и внутренние участки литосферных плит, находящиеся вдали от активных окраин, также находятся в состоянии субгоризонтального сжатия, что свидетельствует об их жесткости.

Молодые горно-складчатые сооружения Альпийского пояса, простирающиеся от Бетских Кордильер на западе, через Апеннины, Альпы, Динариды, Карпаты, Понтиды, Кавказ, Загрос и другие горные цепи до Гималаев на востоке, по сейсмологическим и геологическим данным находятся в состоянии субгоризонтального сжатия, оси которого в большинстве случаев ориентированы перпендикулярно простиранию основных структурных элементов пояса. Это хорошо согласуется с представлением о формировании молодого горно-складчатого Альпийского пояса в результате сближения и последующего столкновения двух огромных континентальных литосферных плит: Евразийской и Африкано-Аравийской. Определение механизмов смещения горных пород в очагах землетрясений, анализ расположения тектонических разрывных нарушений и трещин подтверждаются данными по измерению напряженного состояния в скважинах, горных выработках и рудниках. Напряжения под Альпами и Гималаями достигают 100–130 и даже 200 МПа.

Не только горно-складчатые пояса, но и континентальные платформы подвергаются сжатию. Так, на Северо-Американской платформе в приповерхностных слоях и на глубинах в 1–3 км установлены сжимающие субгоризонтальные напряжения, значительно превышающие напряжения, связанные с литостатической нагрузкой. Такие же избыточные сжимающие напряжения выявлены на Африканской, Восточно-Европейской, Индостанской платформах. Северо-Американская платформа, наиболее изученная в части определения напряженного состояния геологическими и геофизическими методами, характеризуется в целом субгоризонтальным сжатием в направлении ЮЗ-СВ, причем жесткость этой монолитной плиты такова, что напряжения способны передаваться от одной части плиты к другой, несмотря на то что расположены они далеко друг от друга. Вблизи поверхности напряжения в два раза превышают литостатическое, а на глубинах в сотни метров и первые километры – на 50–100 МПа и более.

Примечательно, что не только континентальные плиты почти повсеместно подвергаются субгоризонтальному сжатию, но такое же сжатие выявлено и в океанских плитах в Тихом, Атлантическом и Индийском океанах. Таким образом, большая часть земной коры охвачена субгоризонтальным сжатием. Обстановки растяжения хотя и распространены довольно широко, но сосредоточены преимущественно в узких рифтовых зонах как в океанах, так и на континентах или в морских впадинах с корой океанического типа, например: в Японском, Филиппинском, Тирренском, Альборанском, Эгейском морях. В некоторых из них, судя по распределению магнитных аномалий, можно предполагать оси спрединга (растяжения), однако чаще всего он носит рассеянный характер.

Решение задачи о механизмах очагов землетрясений, приуроченных к рифтовым зонам океанов и континентов, демонстрирует растягивающие субгоризонтальные напряжения, действующие, однако, в очень узкой полосе шириной иногда всего лишь в несколько километров, например: в центральном грабене Исландии или в Красном море. В других местах ширина земной коры, охваченной растяжением, составляет десятки, редко первые сотни километров. В пределах Восточно-Африканских рифтов, в Байкальском рифте, рифте Рио-Гранде основное растяжение ориентировано перпендикулярно краям узких и длинных рифтов.