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1、活断层的工程地质研究,掌握活断层的基本概念及研究意义；掌握活断层的类型及特征、错动速率和活动周期，活断层活动的时空不均一性，震源机制及震源机制断层面解；掌握活断层的判别标志，活断层的调查、监测与研究方法。,学习内容及要求,4.1 基本概念及研究意义,活断层(active fault) 一般理解为目前还在持续活动的断层，或在历史时期或近期地质时期活动过、极可能在不远的将来重新活动的断层。后一种情况也可称为潜在活断层(potentially active fault)。,断层在目前持续活动，是判定活断层的无可争议的证据。人类历史时期有过活动记录的是潜在活断层。对“近期地质历史时期”却有不同的理解与
2、限定。有人将之限于全新世(即最近11000a以内)，有人则限于最近35000a (以14C确定绝对年龄的可靠上限)之内，更有人限于晚更新世(最近100,000 a 或500,000a)之内，或者根据近期地质历史时期(例如第四纪期间)有重复活动来判定。,4.1 基本概念及研究意义,从工程上的时间尺度一般理解为重要建筑物如大坝、原子能电站等的使用年限之内，约为100a一200a。活动断层有不同的活动特性:蠕滑:持续不断缓慢蠕动的称为蠕滑(creep slip)或稳滑 (stable slip);粘滑:间断地、周期性突然错断的为粘滑(stick slip)，粘滑常伴有地震，是活断层的主要活动方式。一
3、条长大活断层的不同区段可以有不同的活动方式。活断层的活动强度主要以其错动速率来判定。,4.1 基本概念及研究意义,但活断层错动速率是相当缓慢的，为毫米级。美国的圣.安德烈斯断层，两盘间年平均最大相对位移也只有5cm。,美国 圣安德烈斯断层, 错动速率4-5cm/ a,4.1 基本概念及研究意义,现今还在蠕动的断层，需采用重复精密水准测量(水准环测或三角、三边测量)。近年还采用全球定位系统(GPS，Global Positioning System)或超长基线(VIBI)测量法测得两盘相对位移。,GPS测量,4.1 基本概念及研究意义,断层位移往往伴有小地震，密集地震台网可以精确测定小震震中沿断
4、层线分布，是判定断层活动的可靠标志。,松潘7.2级地震前小震震中分布图(据韩渭宾等),4.1 基本概念及研究意义,有些间断活动的断层，在其非活动期，断层线两侧既无相对位移，沿断层也无小地震产生。但经过一定时期之后，在断层线上的某一点会发生较强地震，有时还伴以位移达几米的地表错断。这类断层可从历史上地震和断层错动记录或从过去的强震震中沿断层分布取得其活动标志。,4.1 基本概念及研究意义,地震历史记录最老距今3000a左右，仪器确切测定震中更是最近几十年来才实现的。判定断层活动性主要还是要依靠地质标志，即断层近期活动在最新沉积层中、在断层物质中或在地形地貌上留下来的证据。通过多种绝对年龄测定，还
5、可判定断层的活动时间、速率及重复活动的时间间隔或重复活动周期。,4.1 基本概念及研究意义,活断层研究意义:其一是断层的地面错动及其附近伴生的地面变形，往往会直接损害跨断层修建或建于其邻近的建筑物。其次是活断层多伴有地震，而强烈地震又会使使建于活断层附近的较大范围内的建筑物受到损害。,在我国则有1976年唐山地震时的长达8km的地表错断。它呈北30东方向由市区通过，最大水平错距3m，垂直断距0.7一l m，错开了道路、围墙、房屋、水泥地面等一切地面建筑物。,4.1 基本概念及研究意义,靠近旧金山第六街的布鲁克桑姆街路面出现了深深的地裂缝并有明显的垂直位错,海城县析木公社近SN向和近EW向锯齿状
6、地裂缝,具有左旋扭动性质,位移36cm,4.1 基本概念及研究意义,沿活断层产生粘滑或其锁固点、端点破裂而发生错动，则积蓄的弹性应变能的释放就造成地震。预测地震危险性需要首先研究活断层，判定其活动时代、错动速率、重复活动的证据和重现周期。,4.1 基本概念及研究意义,某水电站活断层监测装置，监测水平方向移动，固定在断层两侧,4.1 基本概念及研究意义,4.2 活断层的特性,活断层的特性:活断层的类型和活动方式，活断层的规模，活断层的错动速率及其分级，活断层的重复活动周期，古地震事件等4.2.1 活断层的类型和活动方式按构造应力状态及两盘相对位移的性质，活断层分为：走向滑动或平移断层，逆断层和正
7、断层。其中以走向滑动型最为常见。三类活断层由于几何特征和运动特性不同，所以它们对工程场地的影响也各异。,4.2.1.1 走向滑动或平移断层 最大、最小主应力近于水平，所以两者之间的最大剪应力面断层面近于直立，其地表出露线平直，表现为极窄的直线形断崖。主要是断层面两侧相对的水平运动，相对的垂直升降很小。河流最易于沿这种断层发育，水工建筑物也就最易于受到这种活断层的威胁。如断层与坝轴线小角度斜交，由于断层错动而造成的心墙拉开宽度可以相当大。,4.2 活断层的特性,世界上有名的走向滑动型活断层有： （1）美国加州的圣安德烈斯断层系； （2）土耳其安纳托利亚断层系； （3）新西兰的阿尔卑斯断层系等。我
8、国的活断层也以走滑型最多，特别是西南和西北，有些规模非常巨大：例如阿尔金山断裂，鲜水河断裂，红河断裂都是我国西部长达数百到数千公里的活动着的走滑断裂。这些断层的水平错动往往在地形上留下明显迹象，尤以对水系的错动改造最为明显。,4.2 活断层的特性,4.2.1.2 逆断层最大主应力近于水平，最小主应力近于垂直，走向垂直于最大主应力的断层面与水平面夹角一般小于45，往往为2040断层面两侧的点之间的距离总是由于位移而缩短。上盘除上升外还往往伴以多个分支或次级断层的错动,4.2 活断层的特性,逆断层的断层线往往是波状弯曲的，断层带也较平移断层宽得多，由于上升盘形成了断层崖易产生滑坡或崩塌，逆断层的确
9、切位置最难确定。世界上很多大的山系以逆断层为其边界，如喜马拉雅山、安第斯山等，世界上许多大的地震都是伴随板块俯冲带或大陆碰撞带的逆断层错动产生的。这类逆断层有时地表变形范围很大，如1964年阿拉斯加地震，20万km2范围内变形最大垂直上升达12m。,4.2 活断层的特性,在我国逆冲型活断层主要发育于西部地区。受印度板块年速率约6cm的NNE向俯冲的推挤，自南而北有喜马拉雅山南麓逆冲推覆断层，天山南侧，天山北侧逆冲推覆断层等几个长达数百公里走向近东西的逆冲型活断层，青藏断块东界的北段，则有走向北东的龙门山逆掩推覆断层；所有这些断层都是活动性强烈的发震断层。,4.2 活断层的特性,4.2.1.3
10、正断层 由于最大主应力近于垂直最小主应力近于水平，所以，走向垂直于最小主应力且与最大主应力呈锐角的断层面与水平面夹角大于45，一般为6080。在错动过程中，垂直断面走向的水平方向有所伸长。伴随这类断层活动的变形(下沉)和分支断层错动，主要集中于下降盘。与河谷平行断面倾斜的正断层，可以使拦河坝产生比其它形式断层运动更宽的初抬裂缝。,4.2 活断层的特性,石岗大坝全长700m, 台湾1999.9.21地震中被断层切错,4.2 活断层的特性,上述三种活断层的位移矢量都分别是单纯走滑或倾滑，其产生的应力场是三个主应力方向中的两个是水平的而另一个是垂直的。实际应力场往往是复杂的，三个主应力方向既不完全水
11、平也不完全垂直，而是由不同的水平和垂直分量所合成。因之，断层的位移矢量也多由不同的倾滑、走滑分量所合成。断层活动受区域构造应力场所支配。,4.2 活断层的特性,内陆活断层是地块间相互运动调整的枢纽。由于地块结构及受力状况不均一，地块间的相对挤压、拉张和剪切错动就构成了这些大小地块和断块之间的断层活动，呈现出相当复杂的格局与过程。空间上呈复杂而又有规律的网络状，各断层的活动相互牵制、相互调整和相互转换的。单条断裂的不同段落有不同的活动方式。,4.2 活断层的特性,活断层活动的两种基本方式是粘滑与稳滑。粘滑错动是间断性突然性发生的。在一定时间段内断层的两盘就如同粘在一起(锁固起来)，不产生或仅有极
12、其微弱的相互错动，一旦应力达到锁固段的强度极限，较大幅度的相互错动就在瞬时之内突然发生，锁固期间积蓄起来的弹性应变能也就突然释放出来而发生较强地震。这种瞬间发生的强烈错动间断的，周期性的发生，沿这种断层就有周期性的地震活动。,4.2 活断层的特性,稳（蠕)滑的错动是持续、平稳地发生的。由于断层两盘岩体强度低，或由于断层带内有软弱充填物或有高孔隙水压力，在受力过程中就会持续不断的相互错动而不能锁固以积蓄应变能，这种方式活动的断层仅伴有小震或无地震活动。有些断层则兼有粘滑与蠕滑。这三种方式的错动位移随时间的变化。,4.2 活断层的特性,近年来，一些研究者注意到了粘滑型断层在大震前后一段时间内在震源
13、区及其外围的蠕滑现象。1976年唐山地震前后的一些宏观现象，如井壁坍塌变形、沿八宝山断层地下水位的变化、河北省中部的井喷现象等，都可能与深部断层的蠕动有关。据唐山地震区地形变资料反演求得的震中区8km6km的地带内，于19691975年发生了走滑错距为104cm的无震蠕滑、走向和倾向滑动的平均速率分别达18.6cm/a 和1.4cma。,4.2 活断层的特性,4.2 活断层的特性,我国大陆内部还有一种特殊的反映断裂蠕动的构造形式，就是由于地壳块体或断裂带蠕动，导致在地面产生一系列微型破裂构造，一般称为地裂缝(ground fissure)或“地裂”现象。典型代表有西安地裂缝和19741976年
14、在冀、鲁、豫、皖等省先后出现的大面积地裂现象。当然地面裂缝有多种成因，外生的地裂分布是比较广泛的。但上述的地裂现象不受地貌、土质和水文条件影响而广泛分布在大范围内，与区域构造方向和区域应力场方向协调，表现出有统一的受力方向，反映出它们可能是一种大范围构造活动或深部断裂的蠕动而引起的地表蠕裂现象。,西安地裂缝就被认为是由于渭河断陷南侧的长安临潼断裂的张性蠕动，为厚达一千余米的第四纪土层提供了潜在临空面，在自重应力场作用下产生了侧向扩展(gravitational lateral spreading)而形成的。,4.2 活断层的特性,4.2.2 活断层的长度和断距 活断层的长度和断距是表征活断层规
15、模的重要数据，通常用强震导致的地面破裂(地震断层或地表错断)的长度(L)和伴随地震产生的一次突然错断的最大位移值(D)表示。通过对地表错断的研究，可以了解地震破裂的方式和过程，判定地震断层动力学特征，又可了解地震时的地面效应，判定地震危险性和震害程度，为在活断层区修建建筑物的抗震设计提供参数。所以近年来世界各地都对地表错断进行了广泛的研究。近年来，我国地震部门也对全国40余条地震地表错断进行了研究,4.2 活断层的特性,研究表明，地震地表错断长度自1km至数百公里，最大位移自几十厘米至十余米。一般说来地震震级愈大，震源深度愈浅，则地表错断就愈长。大于7.5级的浅源地震均伴有地表错断，而小于5.
16、5级的地震则除个别特例外均无地表错断。 一般认为，地面上产生的最长地震地表断裂，可以代表地震震源断层的长度。而地震震源断层长度与震级大小是正相关的。所以各国学者又开展了地震震级与地表破裂长度及地表断层位移的统计关系分析，力图建立它们之间的相关关系式，以便据已知断裂估计可能地震震级。,4.2 活断层的特性,或者据已知震级估计工程场地可能出现的位错的大小。我国已有的这类关系式 有： M=1.19lgL+5.25 L=0.56M-2.25 日本松田时彦得出的关系式为： M=（1/0.6）lgL+4.85 lgD=0.55M-3.71博泥拉通过统计、回归分析，获得如下关系式： Ms(L)=6.04+0.708lgL,
