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1、第四章 活断层的工程地质研究,工程地质分析原理,第四章 活断层的工程地质研究,4.1 基本概念及研究意义 4.2 活断层的特性 4.3 活断层活动的时空不均匀性 4.4 活断层区规划设计建筑物的原则 4.5 活断层的调查监测与研究,4.1 基本概念及研究意义,基本概念（活断层）目前持续活动或在历史时期活动或近期地质时期活动过极可能在不远的将来重新活动（潜在活断层）,近期：全新世(最近1.1万年) 以内最近3.5年 (14C确定绝对年龄的可靠上限)以内晚更新世(最近10或50万年) 或其他不远的将来（潜在）：历史时期活动过重要建筑物如大坝、原子能电站等的使用年限内，约100200年,规范规定：
2、岩土工程勘察规范，全新活动断裂为全新世有过活动或近期正在活动，今后100年可能继续活动；发震断裂：近期（500年来）发生过5级以上地震，或在未来100年内预测可能发生5级以上地震的断裂 水利水电工程地质勘察规范，错动年代距今10-15万年；地质构造上，证实与已知活断层有共生或同生关系美国原子能委员会：在3.5万年内有过活动；与其他活动断层有联系；沿该断裂发生过蠕动或微震活动,活动断层的活动特性:蠕滑与稳滑：持续不断缓慢蠕动；间断地、周期性突然错断，常伴地震，是主要活动方式。一条长大活断层的不同区段有不同的活动方式。活动强度：以错动速率判定。缓慢！一般小于lmm/a。美国圣安德烈斯断层，年均最大
3、相对位移只有5cm观测方法：传统方法？重复精密水准测量、GPS 或超长基线测量法。密集地震台网精确测定小震震中沿断层线分布。对于间断活动的断层，历史地震和断层错动记录或强震震中分布来判别判别标志？,鉴别标志：地质、地貌、水文地质历史地震及历史期地震错段微地震测量及地形变检测地球物理标志对活断层？对非活断层？,地质方面,只要是见到第四系中、晚期的沉积物被错断，均视断层为活断层。如汾渭地堑中段的平遥活断层，错断晚更新世中晚期的黄土，及早中期更新世地层，断距40-50m。,最新沉积物被错断,断层破碎带构造形迹,形成时间较晚，一般表现为构造带物质欠固结欠胶结状态，较为松散。脉体变形被切断，构造岩片理化
4、，透镜化，断面新鲜无风化，第四系物质牵引弯折等。断层带矿物的显微变形出现显微组构（如不等颗粒拉长，光轴微定向等）,不同地貌单元突然相接，或两边沉积物厚度显著差别隆起山区与断陷盆地突然相接。一次错动量大的活断层，沿线分布断层三角面、断层崖、陡坎、垭口、“V型谷”等地貌单元的分解和异常河流阶地、山脊、水系、夷平面、坡洪积扇等地貌单元由于活断层作用，使其产生错断、分解正常发育的地貌系统出现异常形态或特殊地貌景观。如断层带一侧，河流的同步肘状拐弯、宽窄变异，断层下降盘一侧线状排列的洪积群、泥石流、滑坡、串珠状洼地等。,地貌方面,水文地质方面,断层带构造物质松散，易形成强导水带，活断层带一线分布泉水、温
5、泉，植被发育。活断层为深大断裂，深循环水将导致水的化学异常。,地物错断,3000多年的历史地震记载资料，尤其较近的历史记载，可帮助判别活断层的存在，可据以判断活断层的错距，断裂长度等。对古代建筑物破坏、错断、掩埋等情况调查，帮助判断活断层当时的错距等。,微震及地形变测量,断层活动必然导致带内产生物理、化学变化：断层气、放射性异常；重力、磁力、地温等物理异常。通过测量分析，间接作为活断层的佐证,地震部门在一些重要地区(大型、著名的活断层地区)设置了密集的地震台网，监测微震震中位置用以判别活断层。是研究现代地震活断层的最直接有效的方法。费时、代价高，不能作为主要手段。精密水准测量和三角测量在可能活
6、动断层两侧进行地形变测量，可以有效地获得断层活动性的有关证据。,地球化学及地球物理标志,中国地震台网台站分布图,活断层工程地质研究的重要意义抗断：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。抗震：活断层多伴有地震，而强烈地震又会使建于活断层附近的较大范围内的建筑物受到损害,断层错动直接损害建筑物:1976年唐山地震，长8km的地表错断，呈30方向由市区通过，最大水平错距3m，垂直断距0.7-l m，错开道路、围墙、房屋、水泥地面等一切地面建筑物。1999年台湾集集地震2001年昆仑山地震2008年5.12汶川8.0级地震2010年海地7.3级地震2010
7、年智利8.8级地震2011年日本9.0级地震,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。预测地震危险性或水库诱发地震的可能性都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。地震地质工作的首要任务：鉴别是否存在能“发震”的活断层。近几十年来对活断层的研究取得较大进展。世界各地都鉴别出了一些活断层，逐步积累了大量实际资料。编制和出版了系列图件，对活断层的调查、判定、监测方法也取得了不少经验。,包括：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，以及作为活断层活动记录的古地震事件等。,4.2
8、活断层的特性,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： 走向滑动或平移断层（最为常见） 逆断层 正断层几何特征、运动特性，对工程场地的影响？,4.2.1.1 走向滑动或平移断层 1、 3近于水平，最大剪应力面（断层面）近直立，地表出露线最为平直常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，垂直升降很小。河流最易于沿这种断层发育对水工建筑物的威胁最大。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,美国的圣安德烈斯断层系，新西兰的阿尔卑斯断层系等。几个被活断层错开的土坝、运河主要是被这类活断层所错开的。我国也以走滑型最多，特别是西
9、南和西北，有些规模非常巨大。塔里木断块南的阿尔金山断裂，青藏断块内部的鲜水河断裂，川滇断块西界的红河断裂都是长达数百到数千公里活动着的走滑断裂。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。,4.2.1.2 逆断层1近水平， 3近垂直。走向垂直于1的断层面倾角一般小于45，多20-40由于位移是水平挤压形成的，断层面两侧的点之间的距离总是由于位移而缩短。上盘上升，地面地面变形强烈，往往伴以多个分支或次级断层的错动。,1971年美国圣费尔南多地震使断层逆冲错动。下降盘无地表变形，上升盘抬升2m以上，并有强烈变形，许多小的次级断层集中在距主断面1km内，但距主断面2.5
10、km尚有一条150mm相对位移的次级断层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。上升盘隆起和倒悬的断层崖易产生滑坡，逆断层的确切位置最难于确定和预测。,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。大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。地表变形范围可很大。1964年阿拉斯加地震，2105km2范围内变形最大垂直上升达12m。我国主要发育于西部地区。受印度板块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、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，走向北东的龙门山逆掩推覆断层。都是活动性
11、强烈的发震断层。,4.2.1.3 正断层 1近垂直，3近水平。断层面倾角大于45，一般60-80错动过程中，垂直断面走向的水平方向伸长伴随断层活动的变形(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始裂缝正断层的可识别程度介于走滑断层和逆断层之间，其影响带宽度和对工程的危害程度也介于其间,地壳上承受水平张应力的地带主要沿大洋中脊分布。大陆上有东非断裂谷，美国的盆地与山脉区(内华达、犹他及其附近地带)，欧洲莱茵地堑系，俄罗斯贝加尔湖地堑等。我国东部大陆边缘活动带的扩展与沉陷，在华北平原、渤海湾与松辽平原形成了一系列地堑系或裂谷系。
12、地堑边缘的张性正断层是东部地区活断层中的主要类型。鄂尔多斯地块周围也有银川地堑、河套地堑和汾渭地堑系等。中新生代沉积层厚有的达数百至数千米、甚至上万米。新生代运动以正断运动为主。地震震源机制及变测量都表明这些断层都有很大的水平分量。,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。实际应力场又是怎样的？三个主应力方向既不完全水平也不完全垂直，而是由不同的水平和垂直分量所合成。断层的位移矢量也多由不同的倾滑、走滑分量所合成。活断层的类型也就可以是左(或右)旋走滑逆冲断层或左(或右)旋走滑正断层等多种形式。,断层活动受区域构造应力场所支配
13、。内陆活断层是地块间相互运动调整的枢纽。由于地块是相互镶嵌的而且它们的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大小地块和断块之间的断层活动，呈现出相当复杂的情况。活动断裂的不同段落有不同的活动方式，由于它们相互间的联系，构成网络状，各断层的活动往往不是孤立的，而是相互牵制、相互调整和相互转换的一条活断层的终端点是要以各方式转换为另一种形式的活动，以调整地块运动所造成的地壳拉张、缩短和扭曲。研究活动断层相互转换的状况，对了解现代构造应力场、认识地震活动规律有重要的意义。,按断裂的主次关系将活断层分为主断层、分支断层和次级断层。次级断层从平面上看来与主断层无关，实际在剖面上它
14、仍属主断层的分支，对于逆（正）断层来说主要产生在上盘，走滑断层则很少有次级断层伴生由主断层中线到分支和次级断层带外缘的宽度：走向错动断层为最窄，逆断层为最宽,活断层活动的两种基本方式：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，就伴有周期性地震活动。稳（蠕)滑错动是持续地平稳地发生的。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
15、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，这种活动仅伴有小震或无地震活动。,有些断层则兼有粘滑与蠕滑。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区及其外围的蠕滑现象,我国大陆内部还有一种特殊的反映断裂蠕动的构造形式：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，一般称为地裂缝或“地裂”现象。典型代表有西安地裂缝。地面裂缝有多种成因，外生分布比较广泛的。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
16、象。,西安地裂缝就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而形成的,表征活断层规模的重要数据，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，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。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。,研究表明：地震地表错断长度自1km至数百公里，最大位移几十厘米至十余米。 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5.5级的地震则除个别特例外均无地表错断。 同样震级的地震则由于震源深度不同或锁固段岩体强度不同而地表断裂的长度各不相同。 地面上产生的最长地震地表断裂，可代表地震震源断层的长度。其与震级大小正相关。,
