工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)第一章活斷層工程地質(zhì)研究

1、一、概念 斷層是地殼構(gòu)造運(yùn)動的重要形跡。有的斷層形成于較晚時(shí)期，在形成以后受到晚期構(gòu)造背景條件控制，仍保持著活動的特征。 早在十八世紀(jì)，人們從地震活動與斷層活動的關(guān)系才漸漸意識到斷層的活動性特征，經(jīng)過幾個世紀(jì)的研究，對活斷層的特征有了比較深入的認(rèn)識。第一章 活斷層工程地質(zhì)研究 第一節(jié) 概述 關(guān)于活斷層的定義，目前為止沒有完全統(tǒng)一。主要關(guān)于過去活斷層歷史時(shí)間的上限界定問題看法不一，不同部門、不同國家都存在差別。工程建筑部門傾向于考慮全新統(tǒng)或晚更新統(tǒng)(約10萬年)，而地質(zhì)部門傾向于早更新統(tǒng)(約200萬年）。 美國原子能委員會（usnrc）的定義是：（1）在3.5萬年內(nèi)有過一次或多次活動的斷層（2）

2、與其他活動斷層有聯(lián)系的斷層（3）沿該斷裂發(fā)生過蠕動或微震活動活斷層:指目前正在活動或近期有過活動、極有可能在不久的 將來重新活動的斷層。二、工程地質(zhì)研究意義 活斷層的活動可視為一類地質(zhì)病害，可以對建筑物產(chǎn)生破壞作用而致害。從這個意義上講，活斷層的工程地質(zhì)研究就是要研究活斷層與工程建筑的關(guān)系，評價(jià)其對建筑物的破壞作用。 考慮：活斷層錯動變形對建筑物的直接破壞：活斷層對區(qū)域地質(zhì)環(huán)境的影響，如地震、區(qū)域地殼穩(wěn)定、水庫地震等。 歷史上活斷層對建筑造成損壞或因斷層存在對建筑造成間接破壞的例子很多（垂直斷錯1.5米）蠕滑，左旋斷錯十二毫米（碑前） 對活斷層進(jìn)行研究，充分掌握其活動特征，合理評價(jià)其對工程的影

3、響，有時(shí)可以安全有效地降低工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，節(jié)省投資，如黃河小浪底工程（中美聯(lián)合設(shè)計(jì)，世界銀行貸款）壩址區(qū)半徑30公里內(nèi)有8條大斷裂其中王良斷裂在壩下游6.5公里t tq q1 1q q2 2斷層發(fā)生在q1q2期間斷層泥熱釋光法測年齡：15.4-18.3萬年，37.4-53.2萬年q2的中后期，q3以來再未活動過抗震設(shè)計(jì)：8級9級水平加速度：0.3伽0.215伽，節(jié)約至少2億元一、活斷層的類型按照位移方向與水平面的關(guān)系：（1）走滑型活斷層 常分布于大陸內(nèi)部的地塊之間的接觸部位，水平錯動量大，斷層帶寬度不大，很少分支斷裂。（2）逆斷型活斷層 多分布于板塊碰撞擠壓帶。上盤變形帶大，出現(xiàn)多分支斷層。（3

4、）正斷型活斷層 差異升降活動為它的斷陷盆地邊緣。下降盤分支斷層多見，形成地塹式的正斷層組合本節(jié)介紹活斷層的類型與活動方式、繼承性與反復(fù)性、長度與斷距、錯動速率與周期。第二節(jié) 活斷層的基本特征（1）粘滑型活斷層間歇性突然滑動，常伴有地震活動，也稱為地震斷層。發(fā)生在強(qiáng)度較高的巖石中，斷層帶鎖固能力強(qiáng)，危害大。發(fā)震斷裂特征：深斷裂，裂谷，板塊接觸帶， （2）蠕滑型活斷層沿?cái)鄬用鎯蓚?cè)巖層連續(xù)緩慢地滑動發(fā)生在強(qiáng)度較低的軟巖中，斷層帶鎖固能力弱一般無震發(fā)生，有時(shí)可伴有小震二、活斷層的活動方式 活動斷層的產(chǎn)狀要素、長度等均是重要的幾何要素，這些可以通過勘探等手段得到確定。而活動斷裂重新活動往往并非全斷裂都活

5、動，而是部分段的活動，這里斷層長度是指現(xiàn)活動段長度及兩旁相應(yīng)的錯斷距離。 在關(guān)于活斷層的建筑設(shè)計(jì)及有關(guān)穩(wěn)定性的分析論證時(shí)，需要了解斷層活動段長度l和斷距d。 對于歷史活斷層長度和斷距，可以從被錯動的形跡得到，而對于潛在活斷層，要根據(jù)有關(guān)方面進(jìn)行預(yù)測。 一般認(rèn)為，活斷層地表產(chǎn)生的斷裂長度與震源體處斷裂長度相一致。通常是根據(jù)活斷層可能產(chǎn)生最大地震震級m，利用統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)方式及查表確定l和d。這種關(guān)系式很多，如我國地震工作者對我國及鄰近地區(qū)地表地震斷裂資料得到如下式：ml57. 148. 0lg三、斷層活動段的長度和斷距有的情況下，可以采用數(shù)字分析（如有限元）方法確定斷層長度及斷距。斷層長度1 數(shù)百公里

6、不等，一般小于5.5級地震很少產(chǎn)生地表錯動。 活斷層地震活動是否在地表顯現(xiàn)形跡，與地表覆蓋層厚度、震源深度及震級有關(guān)，一般覆蓋層厚度大于30-50m、震源深度大于10-30km、地震震級小于6級條件下，很少出現(xiàn)地表斷裂現(xiàn)象。1、錯動速率 錯動速率是指斷層年錯動位移量，一般是用若干年總的錯動量計(jì)算得到，因而也稱平均錯動速率。分為水平和垂直分量。斷層錯動速率從三個方面獲得： 活斷層活動速率及相應(yīng)周期是表明活斷層的活動強(qiáng)度的重要指標(biāo)，是地震強(qiáng)度的重要資料。（1）精密地形變測量 是研究現(xiàn)今活動斷裂的有效方法。我國許多著名活斷層均設(shè)有精密水準(zhǔn)、三角測量、激光測距等量測工作。 有了量測數(shù)據(jù)，便可以計(jì)算錯動

7、速率。如賀蘭山東麓活斷裂紅果子溝處，84年86年測得斷層右旋錯動，水平8.48mm、垂直0.75mm。故錯動速率：amms/8 . 2348. 8水平amms/25. 0375. 0垂直四、錯動速率和活動周期（2）根據(jù)第四紀(jì)地層、地質(zhì)的年代及錯動量來獲得 研究夷平面、階地、水系、斷崖、土層等，通過測量錯動量及相對年齡，可以計(jì)算出平均錯動速率。等級aaabcd錯動速率(/a)101100.110.010.10.01活動性極強(qiáng)強(qiáng)弱微非活動2、錯動周期斷層兩次錯動之間的時(shí)間間隔定義為活斷層錯動周期r。 斷層運(yùn)動是地質(zhì)體能量積累釋放的結(jié)果，顯然能量積累要經(jīng)歷一個時(shí)期，積累的過程斷層處于平靜期（休眠期）

8、，釋放的過程為活動期。斷層表現(xiàn)為活動平衡再活動的周期恢復(fù)。斷層應(yīng)變速率、鎖固段深度等不同，表現(xiàn)了不同的錯動周期。對于粘滑型斷層，一次錯動對應(yīng)的是一次地震活動?？砂匆韵路椒ù_定錯動周期： 按地殼應(yīng)變速率（這是近似當(dāng)成斷層平均錯動速率）s及一次地震錯動量d計(jì)算r。)0 . 4(6 . 0logsmlogr 按上式計(jì)算，對于s110mm/a的a級活斷層，當(dāng)發(fā)生m78的地震時(shí)，r1000年。 根據(jù)2次地震條件、時(shí)間間隔確定 根據(jù)地震震級及錯動速率，由經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)式計(jì)算 許多人研究了震級m、錯動速率s與錯動周期的關(guān)系；建立了許多統(tǒng)計(jì)關(guān)系。如日本的松田時(shí)彥對日本斷層錯動與地震震級關(guān)系時(shí)，得到lgd=0.6m-

9、4.0,錯動周期是？，即有“ 根據(jù)第四紀(jì)地層、地質(zhì)錯動證據(jù)，結(jié)合年齡測定確定周期。據(jù)研究，活斷層活動周期一般在12千年左右，少數(shù)上萬年或幾百年。一、地質(zhì)、地貌、水文地質(zhì)標(biāo)志二、歷史地震及歷史期地震錯段標(biāo)志三、微地震測量及地形變檢測標(biāo)志四、地球物理標(biāo)志 斷層的活動性與否要通過一些標(biāo)志加以鑒別。鑒別有直接測定活動物質(zhì)年齡的方法，也可以從有關(guān)的地質(zhì)、地球物理等現(xiàn)象間接判斷。 間接鑒別標(biāo)志有如下幾個方面：第三節(jié) 活斷層的鑒別標(biāo)志地質(zhì)方面地質(zhì)方面 只要是見到第四系中、晚期的沉積物被錯斷，均視斷層為活斷層。如位于汾渭地塹中段的平遙活斷層，錯斷晚更新世中晚期的黃土，以及早中期更新世地層，斷距4050m。如圖

10、：最新沉積物被錯斷斷層破碎帶構(gòu)造形跡 活動斷層因其形成時(shí)間較晚，一般表現(xiàn)為構(gòu)造帶物質(zhì)欠固結(jié)欠膠結(jié)狀態(tài)，較為松散。另外，表現(xiàn)出脈體變形被切斷，構(gòu)造巖片理化，透鏡化，斷面新鮮無風(fēng)化，第四系物質(zhì)牽引彎折等。斷層礦物的顯微變形出現(xiàn)顯微組構(gòu)（如不等顆粒拉長，光軸微定向等），如圖伴有地震現(xiàn)象的活斷層，地表出現(xiàn)斷層陡坎和地裂縫 如，日本丹那斷層帶，地震產(chǎn)生很多地裂縫，呈雁形排列1、不同地貌單元突然相接，或兩邊沉積物厚度顯著差別地貌方面地貌方面 例如，隆起山區(qū)與斷陷盆地突然相接。一次錯動量大的活斷層，沿線分布斷層三角面、斷層崖、陡坎、埡口、“v型谷”等2、地貌單元的分解和異常 例如，河流階地、山脊、水系、婁平

11、面、坡洪積扇等地貌單元由于活斷層作用，使其產(chǎn)生錯斷、分解 活斷層作用使正常發(fā)育的地貌系統(tǒng)出現(xiàn)異常形態(tài)或特殊地貌景觀。如斷層帶一側(cè)，河流的同步肘狀拐彎、寬窄變異，斷層下降盤一側(cè)線狀排列的洪積群、泥石流、滑坡、串珠狀洼地等。水文地質(zhì)方面水文地質(zhì)方面 由于斷層帶構(gòu)造物質(zhì)松散，容易形成強(qiáng)導(dǎo)水帶，因而活斷層帶一線分布泉水、溫泉，出現(xiàn)植被發(fā)育現(xiàn)象。也由于活斷層為深大斷裂，深循環(huán)水將導(dǎo)致水的化學(xué)異常。地物錯斷地物錯斷 我國有長達(dá)3000多年的歷史地震記載資料，尤其是較近的歷史記載，可以幫助判別活斷層的存在，可能時(shí)據(jù)以判斷活斷層的錯距，斷裂長度等。 對古代建筑物破壞、錯斷、掩埋等情況調(diào)查，可以幫助判斷活斷層當(dāng)

12、時(shí)的錯距等情況。微震及地形變測量微震及地形變測量 采用精密水準(zhǔn)測量和三角測量在可能活動斷層兩側(cè)進(jìn)行地形變測量，可以有效地獲得斷層活動性的有關(guān)證據(jù)。 斷層的現(xiàn)代活動，必然導(dǎo)致斷層帶內(nèi)產(chǎn)生物理、化學(xué)變化，其中如斷層氣、放射性異常；重力、磁力、地溫等物理異常。通過測量分析，可以間接作為活斷層的佐證。 自70年代以來，我國地震部門在一些重要地區(qū)設(shè)置了密集的地震臺網(wǎng)，監(jiān)測微震震中位置用以判別活斷層，尤其在一些大型水、著名的活斷層地區(qū)布置監(jiān)測臺站，取得了一系列監(jiān)測資料。它是研究現(xiàn)代地震活斷層的最直接有效的方法，但其費(fèi)時(shí)、代價(jià)高，不能作為研究活斷層的主要工具。地球化學(xué)及地球物理標(biāo)志第四節(jié) 活斷層的調(diào)查研究方

13、法 通過有效的調(diào)查、分析手段，才能確定斷層的活動性證據(jù)，進(jìn)而確定活斷層的位置、展布方向、活動特征等 通常采用的方法包括：現(xiàn)有資料查閱；航衛(wèi)片解讀；區(qū)域地質(zhì)調(diào)查；現(xiàn)場勘探；年齡測量；監(jiān)測等。 活斷層研究首先應(yīng)從較大的地域范圍內(nèi)進(jìn)行研究，初步確定活斷層展布，和位置、長度等，這些可以采用區(qū)域地質(zhì)資料，大范圍地質(zhì)調(diào)查，以及航衛(wèi)片解譯的方法進(jìn)行。調(diào)查分析中，要注重區(qū)域大的地質(zhì)構(gòu)造背景，水系，地形地貌，第四紀(jì)沉積物等研究。 對建筑場地內(nèi)或附近的活斷層，要進(jìn)行更加深入的研究，開展必要的鉆探、坑探、物探工作。采用探槽方式揭露斷層帶，對揭露斷層的地層及活動構(gòu)造變形形跡進(jìn)行細(xì)致考查研究，通常應(yīng)配合巖土取樣進(jìn)行構(gòu)造分析及有關(guān)地層的年齡測定。良好的露頭，可以顯示大量有用的信息，得到斷層錯動次數(shù)、錯動量、錯動周期等有用參數(shù) 年齡測定可以根據(jù)情況分別采取斷層構(gòu)造巖、斷層帶充填物、斷層兩側(cè)不同時(shí)代的地層物質(zhì)的樣品，采用c14、熱釋光、電子自旋共振等方法進(jìn)行年齡測定。必須在活斷層地區(qū)興建的建筑物，應(yīng)盡可能地選擇相對穩(wěn)定地塊即“安全島”，盡量將重大建筑物布置在斷層