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1、活断层工程地质第一节 概述活断层和地震是两种密切相关的工程动力地质作用，在工程地质学领域内将活地层和地质活动所产生的工程地质影响。称为区域地壳稳定性问题大于 90%地震与断层活动有关据活断层的活动方式和特点分为（1）蠕滑断层（2）粘滑断层，产生地震（地震断层）第二节 活断层一 概念及意义实际上有争议美国原子能委员会从历史性和现实性观点出发，将新断层分为1. 狭义的，称为“活动断层”，其概念是，全新世(1X10 4a)以来活动的断层，并且未来仍有可能活动，其活动可以找到地质的、历史考古的、地震活动的、地球物理的以及大地测量的诸种证据，它对现代工程实践和地震预报等有着最直接和密切的关系。2. 广义
2、的，称为“能动断层”，其含义是：在过去 35X10 4a 内至少有过一次活动证据或在过去 50X104a 内有反复活动的证据；与之有联系的断层；沿该断裂带仪器记录到微震活动。美国的这个概念后来被不少国家参考使用。我国规定潜在活断层的时间上限，铁路线为 1X10 4a高坝和核电站为 5X 10 4a。二 活动断层对工程建筑影响表现活断层对工程建筑物的影响表现为两个方面。1是活断层的地面错断直接损害跨越该断层修建的建筑物；有些活断层错动时附近伴生的地面变形，也会影响到邻近建筑物。2是伴有地震发生的活断层，强烈的地面振动对较大范围内建筑物的损害。例如，位于美国西海岸南部的圣安德烈斯大断层是世界上最活
3、跃的活断层之一，其中从霍利斯特至帕克菲尔德约 200km 长的区段内，激光测距获得的断层蠕动速率是l4cm/a，因而跨越该断层的公路、围墙等建筑物，几年内就能发现较大的错位。我国宁夏石咀山市红果子沟明代中、晚期修建的一段东西向长城，有两处被断层错断，均呈右旋扭动，同时存在水平和垂直错动，其中水平错距 145m，垂直错距 09m由此估算其错动速率水平和垂直方向各为 363 及 225mma。鉴于活断层对工程建筑物的影响，因而对之研究有重要的实际意义。但是，对这一问题的确切评价难度较大，尤其在定量评价方面尚存在不少问题。因而在选择建筑物场址时应尽可能避开活断层，或根据具体情况采取一些比较合理的措施
4、。以预防其可能造成的损害。三 活地层的基本证据（一）活断层是深大断裂复活运动的产物国内外大量的研究结果表明活断层往往是地质历史时期产生的深大断裂，在挽近期及现代地壳构造应力条件下重新活动而产生的。深大断裂指的是切穿岩石圈、地壳或基底的断裂其延伸长度达数十、数百、甚至数千公里，切割深度数公里至百余公里。复活运动的标志是地震活动和地热流异常等尤其是那些走滑型活断层最易伴生强震形成地震带。例如，我国川西的安宁河地震带和则木河地震带。（二）活断层的继承性和反复性研究资料表明，活断层往往是继承老的断裂活动的历史而继续发展的，而且现今发生地面断裂破坏的地段过去曾多次反复地发生过同样的断层运动。活动标志：地
5、震活动和地热流异常。我国活断层的分布总体来说是继承了老的断裂构造，尤其是中生代和第三纪以来断裂构造的格架。这些断裂处于由几个板块相互作用所控制的现代地应力场中而继续活动，并在一定程度上发育了新的活动部位。根据活断层的类型和活动方向，东部地区以 NE 和 NNE 走向的正断层和走滑一正断层为主，西部地区以 NW 和 NWW 走向的走滑和逆冲一走滑断层为主。而且西部地区的活动强度明显大于东部，一些巨大的活动断裂带控制了强震孕育和发生。一些活动构造带的古地震震中总是沿活动性断裂有规律地分布，岩性和地貌错位反复发生，累积叠加，其中尤以走滑断层最为明显。例如，新疆喀依尔特一二台活断裂在地质时期内长期活动
6、，其右旋走滑运动幅度达 26km；晚更新世早期形成的水系被错移的最大值 25km。根据大量古地震现象、不同期次断层错动、不同层序沉积物的资料和 14C 年代测定等综合分析，初步可确定该活动断裂带上有 35 次古地震事件各次地震位移累积叠加。说明该断裂在相当长的地质历史时期内，在差不多同一构造应力条件下以同一机制沿着已经发生错动的断裂带继续活动。(Fig4-5,p104)（三）活断层的活动方式活断层的活动方式基本有两种1 以地震方式产生间歇性地突然滑动，称地震断层或粘滑型断层2 沿断层面两侧岩层连续缓慢地滑动称蠕变断层或蠕滑型断层。一般认为：粘滑型断层的围岩强度高，断裂带锁固能力强，能不断积累应
7、变能。当应力达到围岩强度极限后产生突然滑动，迅速而强烈地释放应变能，造成大的地震。所以沿这种断层往往有周期性地震活动。蠕滑型断层主要发育在围岩强度低断裂带内含有软弱充填物，或孔隙液压和地温的高异常带内断裂锁固能力弱，不能积累较大的应变能，在受力过程中易于发生持续而缓慢的滑动。断层活动一般无地震发生，有时可伴有小震。近来年，一些研究者注意到了粘滑断层在大震前后一段时间内在震源和震源外围的蠕滑问题。例如，1976 年唐山地震震中区地形变资料反演求得，在 19691975 年间曾发生了走滑错距为 104cm 的无震蠕滑，走向和倾向滑动的平均速率分别达186cm/a 和 14cm/a。此外有的地震刚发
8、生时，地表上见不到断层位移，经过数日或一年后，地表才出现这次地震产生的位移。这种断层后效蠕动位移现象，说明了地震时基岩中发生的断层位移，在其上覆盖层中是以塑性流动的形式而滞后到达地表面的。三.活动断层参数的定量研究活断层在时空域内运动的参数有：活断层的产状、长度、断距、错动速率、错动周期和活动年龄等。这些参数是在活断层区进行地震预报和设防的重要资料，对它们的了解和分析有助于把握活动断裂的活动规律性，也是评价建设场地区域地壳稳定性的重要依据。（一）活断层的产状活断层的产状，包括断层面的走向、倾向和倾角，可通过遥感影像判读、宏观地质调查、震源机制断层面解，以及对等震线几何特征、地表地震断层和裂缝带
9、、大地测量资料的分析等多种途径获取。（二）活断层的长度和断距研究者习惯上将地震时地表断裂带长度和断层最大位移值来分别表征活断层的长度和断距。一般地说地震的震级愈大，震源深度愈浅测地表断裂愈长，断层位移量也愈大。实测资料表明，一般大于 75 级的浅源地震均伴有地表错断，而小于55 级者则少见。地震时地表错断的长度可从小于 1 公里至数百公里，地表错移量从几厘米至十来米。它们的变化均很大。一般认为，地面上产生的最长地震断裂最能代表震源断层的长度。据此观点，我国地震工作者统计了我国及邻近地区地震的地表断裂资料于 1965 年提出了如下关系式M332llgL（7-1）式中：M 为地震震级；工为相应的最
10、长地面断裂长度（以 km 计）。当某次地震已知其震级时，即可按上式估算震源断层的长度。MG、Bonilla 和 RCBuchanan 根据全世界几十个地震地面错断资料，绘制了震级与主断层地表错断长度的关系图（图 7 一 1）。据此关系图可估计一定震级的地震可能产生的地表断裂最大长度。两位学者还根据相同的资料绘制了震级与主断层地表最大位移关系图（图 72）。显然，主断层的地表错断长度及最大位移与震级是呈线性正相关的。（三）活断层的错动是速率和周期活断层的错动速率一般是通过重复精密地形测量和研究第四纪沉积物年代及其错位量而获得的。重复精密地形测量可以精确地测定活断层不同地段的现今错动速率。而第四纪
11、沉积物年代及其错位量的研究则只能确定活断层在最新地质时期内的平均错动速率。据统计，我国活断层的平均错动速率各地差异甚大。 西部：垂直平均错动率：0.5-1.6 mm/a水平平均错动率：新疆 8.0-18 mm/a青藏高原周围 2-9 mm/a青藏高原内部 3.5-10 mm/a东部：垂直平均错动率：华北高原 0.2 mm/a银川地堑 2.3 mm/a汾渭地堑 1.8 mm/a华南 n%-n+% mm/a水平错动率: 华北高原 0.5-2.3 mm/a华南 0.4-2.3 mm/a台湾 6-12 mm/a鄂尔多斯周围 3-5 mm/a据错动速率大小，活断层可划分为三级AA 10 mm/aA 1-
12、10 mm/aB 0.1-1 mm/aC 0.01-0.1 mm/aD 0.01 mm/a地震断层两次突然错动之间的时间间隔即是活断层的错动周期。活断层发生大地震的重复周期往往长达数百年至数千年有的已超出地震记录的时间。为此要加强史前古地震的研究，利用古地震保存在近代沉积物中的地质证据及地貌记录，来判定断层错动的次数和年代。地震断层的错动周期主要取决于断层周围地壳应变速率和断层面锁固段的强度。一般情况是：应变速率愈小锁固段强度愈大则 u 错动周期愈长。这即是说，地震强度愈大的活断层其错动周期愈长。因此刚发生过大地震的地段应该是安全的。（四）活断层的年龄判据确定活断层最新一次活动的地质年代和绝对
13、年龄，对工程建设至关重要。活断层的年龄判据，要以第四纪地质学和地层学研究等为基础，来判定活断层的地质年代或年代范围。在此基础上应用现代测试技术，取样测定绝对年龄。所以，年龄判据方法可分为错断地层年龄法（间接法）和断层物质绝对年龄法（直接法）两大类。错断地层年龄法适用于错断断层带及其所在地质体上覆盖第四纪沉积物的条件下。如图 73 所示，（a）图的活断层发生于晚更新世晚期（Q 23）与全新世（Q 4；）之间，(b)图的活断层则发生于晚更新世早期（Q 13）与全新世（Q 4）之间。断层物质绝对年龄测定法，是从断层带内采取样品，并用专门仪器测定样品中某些矿物、岩石、化石的物理、化学和显微结构的变化等
14、用以确定绝对年龄。目前，有效的方法有： 14C 六法、热发光法、铀系法、电子自旋共振法和石英表面显微结构法等。这些方法精度高，结果可靠但取样有特殊要求。若将上述两种方法结合起来使用，活断层年龄判据的可信度是很高的。四、活断层的鉴别活断层的鉴别是对其进行工程地质评价的基础。由于活断层是第四纪以来构造运动的反映，它便显示出新的构造活动形迹。所以，我们可以借助地质学、地貌学、地震地质学以及现代测试技术等方法和手段，定性和定量地鉴别它。（一）地质、地貌和水文地质特征1地质特征最新沉积物的地层错开，是活断层最可靠的地质特征。一般地说，只要见到第四纪中、晚期的沉积物被错断，无论是老断层的复活或新断层的出现
15、，均可鉴别为活断层。鉴别时需注意与地表滑坡产生的地层错断相区别。一般活断层的破碎带由松散的破碎物质所组成，而老断层的破碎带均有不同程度的胶结。所以松散、未胶结的断层破碎带，也可作为判别活断层的地质特征。 2地貌特征由于活断层的构造地貌格局清晰，所以许多方面可作为其鉴别特征。它们也是断层错动在地层中或地表面留下来的证据。保留在最新地层中的地层错开是断层活动的长期记录，是最可靠的证据。当然必须与地表滑坡产生的地层错动相区别。地表变形产生的证据为地貌证据，主要地貌证据有：（1）断崖：如果在松散沉积中容易被侵蚀所破坏，在基岩中则多被侵蚀成三角面（triangklar facet）。活断层往往构成两种截然不同的地貌单元的分界线，并加强各地貌单元之间的差异性。典型的情况是：一侧为断陷区堆积了很厚的第四纪沉积物；而另一侧为隆起区，高耸的山地，叠次出现的断层崖、三角面、断层陡坎等呈线性分布。两者界线截然分明。（2）溪流错开：相邻溪流沿同一条线作方向相同的肘状转折。走滑型活断层可使穿过它的河流、沟谷方向发生明显变化；当
