活断层工程地质研究1

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1、工程地质学,资环学院 吴道祥,第二章 活断层工程地质研究,一、概念,活断层:指目前正在活动着的断层或近期有过活动且不久的将来可能会重新发生活动的断层（即潜在活断层）。 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。,一、概念（续）,美国原子能委员会（USNRC）: （1）在3.5万年内有过一次或多次活动的断层 （2）与其他活动断层有联系的断层 （3）沿该断裂发生过蠕动或微震活动 岩土工程勘察规范:

2、全新世（10000）年内有过活动或近期正在活动，在将来（100年）可能继续活动的断裂。 中国水利水电工程地质勘察规范: 最后一次错动距今10-15万年（晚更新世）的断层。,二、活断层的危害,（1）活断层的地面错断直接危害跨越该断层的建筑物 例：宁夏石嘴山市红果子沟明长城错断 （2）伴有地震发生的活断层，强烈的地面振动对较大范围内的建筑物损害 例：美国1906年旧金山地震中，圣安德烈斯断裂的错动圣安德烈斯坝（27米）,风火山隧道北部断裂切割表层第四系和公路的裂缝延伸特征,三、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，可将活断层划分为地质上熟悉的三种类型，即：走向滑动型活断层，逆

3、断型活断层和正断型活断层。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。,（1）正断型活断层 差异升降活动为它的断陷盆地边缘。下降盘分支断层多见，形成地堑式的正断层组合。 （2）逆断型活断层 多分布于板块碰撞挤压带。上盘变形带大，出现多分支断层。 （3）走滑型活断层 常分布于大陆内部的地块之间的接触部位，水平错动量大，断层带宽度不大，很少分支断裂。,走向滑动型活断层 最大最小主应力近于水平，所以两者之间的最大剪应力面，亦即此类断层的断层面，近于直立，因之其地表出露线也就最为平直；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，相对的垂

4、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。有名的走向滑动型活断层有美国加州的圣安德烈斯断层系 。,走向滑动型活断层,土耳其安纳托利亚断层系，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。我国的活断层也以走向滑动型为最多，特别是西南和西北，有些走滑型活断层规模非常巨大；例如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

5、动改造最为明显,逆断型活断层 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20-40 ，且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。上盘除上升外还产生地面变形，往往伴以多个分支或次级断层的错动。,逆断型活断层,如1971年美国圣费尔南多地震时使圣费尔南多断层(逆断层)产生逆冲错动。下降盘无地表变形及破裂，上升盘抬升近2m以上，并有强烈变形，许多小的次级断层主要集中在距主断面1km之内，但距主断面2.5km尚有一条产生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，由于上升

6、盘隆起和倒悬的断层崖易产生滑坡，所以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，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，200000km2范围内变形最大垂直上升达12m。,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。,

7、正断型活断层 最大主应力近于垂直最小主应力近于水平。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60一80。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始裂缝。一般说来，这类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两者之间。,正断型活断层,地壳上承受水平张应力的地带主要沿大洋中脊分布。大陆上以现代活动正断层为主的地带有东非断裂谷，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

8、，苏联贝加尔湖地堑等。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。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一系列地堑盆地。地堑盆地中新生代沉积层厚有的达数百至千米(汾渭地堑系)，有的达几千米(华北平原地堑系)有的达12000m(渤海湾中的渤中拗陷)，这表明这些断裂的新生代适动以正断运动为主，另一方面，沿这些断裂带的地震震源机制，地震断层以及地震前后的形变测量又都表明这些断层都有很大的水平分量，表明其现代活动性与典型张性构造区和典型的内陆裂谷带有所不同。,上述三种活断层的位移矢量都分别是

9、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。而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。内陆活断层是地块间相互运动调整的枢纽。,由于这些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这些大小地块和断块之间的断层活动，呈现出相当复杂的情况。除了这些活动断裂的不同段落有不同的活动方式，由于它们相互间

10、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。,按断裂的主次关系又可将活断层分为主断层(main fault)，分支断层(branch，fault)和次级断层(secondary fault)。次级断层从平面上看来与主断层无关，实际上在剖面上它仍属主断层的分支，对于逆断层来说主要产生在上升盘，而对于正断层来说则主要产生在下降盘(参见图4-6和图4-7)，而走向滑动断层则很少有次级断

11、层伴生。 断层类型不同由主断层中线到分支和次级断层带外缘的宽度也各不相同。走向错动断层为最窄，逆断层为最宽。根据已有地表错断的实际观测资料，各带的宽度如表4-1。,活断层活动的两种基本方式是粘滑与蠕滑。 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，沿这种断层就有周期性的地震活动。 稳（蠕)滑的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

12、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。 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8km-6km的地带内，于1969-1975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。,四、活断层的基本特征,活断层是深

13、大断裂复活的产物 活断层的继承性和反复性 按照位移方向与水平面的关系： （1）走滑型活断层 常分布于大陆内部的地块之间的接触部位 （2）逆断型活断层 多分布于板块碰撞挤压带 上盘分支断层、次级断层较多 （3）正断型活断层 下降盘分支断层多见，形成地堑式的正断层组合,活断层的活动方式 （1）地震断层（粘滑型活断层） 以地震方式产生间歇性突然滑动 发生在强度较高的岩石中，断层带锁固能力强，危害大 （2）蠕变断层（蠕滑型活断层） 沿断层面两侧岩层连续缓慢地滑动 发生在强度较低的软岩中，断层带锁固能力弱 一般无震发生，有时可伴有小震,四、活断层的基本特征（续）,五、活断层的参数,产状 断层面的走向、倾

14、向和倾角 遥感判读、宏观地质调查、震源机制断层面解、裂缝、地震特征 长度和断距 地震时地表断裂带长度和断层最大位移量 一般：震级越大，震源深度越浅，地表断裂越长，断距越大。 7.5级以上地震均出现地表错断，而小于5.5级的较少出现,国外一些地震断层的地表错断历史记录,五、活断层的参数（续1）,错动速率 现今错动速率：重复精密地形测量确定 平均错动速率：最新沉积物的错动位移与沉积年代之比,五、活断层的参数（续1）,Q1以来的平均错动速率：D1/Q1 Q3以来的平均错动速率：D3/Q3 Q1Q3期间的平均错动速率：,中国主要活断层错动速率,五、活断层的参数（续2）,错动周期：地震断层两次突然错动之

15、间的时间间隔。 应变能积累的速度：地壳应变速率S 地质体能够承受应变能的极限：断层 锁固段的强度 d：一次地震的错移量 S：断层的平均错动速率,我国一些主要活断裂古地震事件和强震重复间隔,续表,五、活断层的参数（续3）,年龄判据 直接法：断层物质绝对年龄法 C14、热发光法等 间接法：错动地层年龄法,活断层活动的时空不均匀性,活断层在全新世期间的活动在全世界范围内都表现出明显的时空不均匀性。 在时间上的不均匀性主要表现在活动强度随时间有较大的变化，一时活动强烈一时则活动微弱，因此突然错动事件在某一时间段就显得十分密集而在另一时间段则相对稀疏得多。似乎是这些事件群集发生在其一时间段内。 在空间上

16、的不均匀性主要表现在不同大地构造区内断层活动强度显著不同，同一断层的不同分支或不同段落也有显著差异。随时间的延续，这些活动区或活动段落又会变为活动微弱或不活动，而另外一些微弱活动或不活动的区段又转化为强烈活动区段，表现为强烈活动区段发生了迁移。 查明活断层活动性的时空不均匀性，研究古地震事件的群集期(活跃期)和平静期的交替以及划分活动性不同的区段，并判定其迁移过程，才能较准确地判定强震复发间隔，为地震危险性分折提供合理参数。只有这样才能提高区域稳定性评价、地震危险性评估及概率分析水平。,六、活断层的识别,地质方面 地貌方面 水文地质方面 历史资料方面 地形变监测资料,六、活断层的识别地质方面,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。如位于汾渭地堑中段的平遥活断层，错断晚更新世中晚期的黄土，以及早中期更新世地层，断距4050m。,最新沉积物被错断,断层破碎带构造形迹,活动断层因其形成时间较晚，一般表现为构造带物质欠固结欠胶结状态，较为松散。另外，表现出脉体变形被切断，构造岩片理化，透镜化，断面新鲜