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1、工程地质学ENGINEERING GEOLOGY主讲人：刘岁海主讲人：刘岁海lecturerlecturer：Liu SuihaiLiu Suihai 活断层工程地质研究活断层工程地质研究Engineering geology study of active fault 主要内容主要内容概述活断层基本特征活断层鉴别标志活断层调查研究方法活断层区建筑原则第一节概述第一节概述活断层（活断层（active faultactive fault）：一般是指现今现今正在活动的断层，或近期近期曾活动过、不久将来不久将来可能重新活动的断层。后者也称为潜在活断层潜在活断层(potentially active
2、fault)。断层断层是地壳构造运动的重要形迹。有的断层形成于较晚时期，在形成以后受到晚期构造背景条件控制，仍保持着活动的活动的特征。 早在十八世纪，人们从地震活地震活动与断层活动的关系动与断层活动的关系渐渐意识到断断层的活动性特征层的活动性特征，经过几个世纪的研究，对活断层的特征有了比较深入的认识。活断层受控于板块构造活断层受控于板块构造全球构造（板块构造）理论的基本点是，全球划分为六个刚性的岩石圈板块在软流层之上漂移，不断地运动。中国大陆新生代和现今构造变形的主要动力源：板块边界的板块边界的作用力作用力变形变形呈弥散型 (千公里以上)，集中在不同次级块体的边界上，具相对低的运动速率(小于1
3、0mm/a)。次级块体内部变形微弱或整体运动边界带边界带常常是地质、地球化学和地球物理的结构面，绝大多数大陆地震发生在活动带上。来自板块边界的作用力是中国大陆新生代和现今构造变形的主要动力源来自板块边界的作用力是中国大陆新生代和现今构造变形的主要动力源印度洋板块青藏高原关于活断层的定义，目前为止没有完全统一。主要关于过去活断层历史时间的上限界定问题看法不一，不同部门、不同国家都存在差别。岩土工程勘察规范岩土工程勘察规范 全新活动断裂全新活动断裂：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。 发震断裂发震断裂：近期（500年）发生过5级以上地震，或在未来
4、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水利水电工程地质勘察规范 活断层活断层：最后一次错动距今10-15万年（晚更新世）的断层。 美国原子能委员会美国原子能委员会（USNRC）的定义： （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活断层工程地质研究意义活断层工程地质研究意义活断层的活动可视为一类地质病害地质病害，可以对建筑物产生破坏作用而致害破坏作用而致害。从这个意义上讲，活断层的工程地质研究就是要研究活断层与工程建筑的关系研究活断层与工程建筑的关系，评价其对建评价其对建筑物的破坏作用筑物的破坏作
5、用。活断层错动变形对建筑物的直接破坏;活断层对区域地质环境的影响，如地震、区域地壳稳定、水库地震等。活断层工程地质研究意义活断层工程地质研究意义地震地震Cypress Freeway Structure, Oakland Loma Prieta Earthquake, 1989San Francisco City Hall, 1906振动液化（振动液化（ Liquefaction Liquefaction ）.El Centro, CA,1979Loma Prieta, CA,1989海啸（海啸（ Tsunami）2004年12月27日，在海啸袭击了位于泰国南部的克拉比省知名的旅游胜地菲菲岛之
6、后满目疮夷的景象。中间凹陷部分为印度洋大地震给海床烙上的“伤疤” 据最新一期的自然杂志文章报道，英国专家利用高清晰度的多束激光声呐对海底进行了扫描，这些图片显示，受地震影响，印度洋海底中高达1500米的山脊已出现了巨大的倒塌，并形成数公里宽的山崩地段。科学家初步评估，地震发生时，印度和缅甸两块板块构造突然运动相碰时，印度板块构造被向下挤压，造成海床隆起一道山脊，海水因此向上涌出，结果引发了2004年12月26日发生的东南亚大海啸。对活断层进行研究，充分掌握其活动特征活动特征，合理评价其对工程的影响，有时可以安全有效地降低工程设计标准，节省投资。 如黄河小浪底工程坝址区半径30公里内有8条大断裂
7、，其中王良断裂在坝下游6.5公里，断层发生在Q1Q2期间，断层泥热释光法测年龄：15.4-18.3万年，37.4-53.2万年，Q2的中后期，Q3以来再未活动过。抗震设计：9级8级，水平加速度：0.3伽0.215伽，节约至少2亿元。TQ1Q2小浪底及邻区第四纪活动断层分布图小浪底及邻区第四纪活动断层分布图 本节主要介绍活断层的类型与活动方式、继承性与反复性、长度与断距、错动速率与周期。第二节活断层的基本特征第二节活断层的基本特征一、活断层的类型一、活断层的类型 1、按照位移方向与水平面位移方向与水平面的关系 （1）正断型活断层正断型活断层 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
8、成地堑式的正断层组合。 （2）逆断型活断层逆断型活断层 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。逆断型活断层逆断型活断层：世界上许多大的地震都是伴随逆断层错动产生的，如日本岛弧一系列大的地震即是由太平洋板块向欧亚板块俯冲而产生；我国西部地区的喜马拉雅山、天山和祁连山等山前巨大的逆断层，频频发生地震。 正断型活断层正断型活断层：太平洋、大西洋和印度洋的中脊即为世界上规模最大的活动正断层。大陆上著名的活动正断层有东非裂谷带、美国西部大盆地省、欧洲莱菌地堑、苏联贝加尔裂谷
9、带等。我国的活动正断层主要分布于东部地区，主要有汾渭地堑、银川地堑、太行山东缘断裂等。 走滑型活断层走滑型活断层：世界上最著名的活动平移断层有美国加州的圣安德列斯断层带、土耳其安纳托利亚断层带、新西兰阿尔卑斯断层带等。在我国，此类活断层最多，它们主要分布于西南和西北地区，其规模巨大，如鲜水河断裂、小江断裂、红河断裂、阿尔金断裂、阿尼玛卿断裂、喀依尔特-二台断裂、班公湖断裂等。 2、按断层的主次关系主次关系将活断层分为主断层主断层(main fault)、分支断层分支断层(branch fault)和次级断层次级断层(secondary fault)。 次级断层实际上仍属主断层的分支，对于逆断层
10、和正断层来说它主要产生在上盘，而平移断层是很少有次级断层伴生的。（1）粘滑型活断层粘滑型活断层(stick-slip fault)间歇性突然滑动，常伴有地震活动，也称为地震断层(earthquake fault) 发生在强度较高的岩石中，断层带锁固能力强，危害大发震断裂特征：深断裂，裂谷，板块接触带（2）蠕滑型活断层蠕滑型活断层(creeping fault) 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 二、活断层的活动方式二、活断层的活动方式 活动断层的产状要素、长度产状要素、长度等均是重要的几何要素几何要素，可以通过勘探等手段得到确定
11、。而活动断裂重新活动重新活动往往并非全断裂都活动，而是部分段部分段的活动，这里断层长度断层长度是指现活动段长度及两旁相应的错断距离。 在关于活断层的建筑设计及有关稳定性的分析论证时，需要了解断层活动段断层活动段长度长度L L和断距和断距D D。 对于历史活断层长度和断距，可以从被错动的形迹得到，而对于潜在活断层，要根据有关方面进行预测。 一般认为，活断层地表产生的断裂长度与震源体处断裂长度相一致活断层地表产生的断裂长度与震源体处断裂长度相一致。通常是根据活断层可能产生最大地震震级M，利用统计经验方式及查表确定L和D。 三、断层活动段的长度和断距三、断层活动段的长度和断距如下关系图也可以作为确定
12、如下关系图也可以作为确定L L、D D时使用时使用有的情况下，可以采用数字分析数字分析（如有限元）方法确定断层长度及断距。断层长度1数百公里不等，一般小于5.5级地震很少产生地表错动。活断层地震活动是否在地表显现形迹，与地表覆盖层厚度、震源深度及震级有关。一般覆盖层厚度大于30-50m、震源深度大于10-30km、地震震级小于6级条件下，很少出现地表断裂现象。活断层错动速率及相应周期错动速率及相应周期是表明活断层的活动强度活动强度的指标，是地震强度的重要资料。 1、错动速率错动速率错动速率是指断层年错动位移量，一般是用若干年总的错动量计算得到，因而也称平均错动速率。分为水平和垂直分量。断层错动
13、速率从二个方面获得：（1）、精密地形变测量是研究现今活动断裂的有效方法。我国许多著名活断层均设有精密水准、三角测量、激光测距等量测工作。 有了量测数据，便可以计算错动速率。 四、错动速率和活动周期四、错动速率和活动周期（2）、根据第四纪地层、地质年代及错动量来获得 研究夷平面、阶地、水系、断崖、土层等，通过测量错动量及相对年龄，可以计算出平均错动速率。等级AAAAA AB BC CD D错动速率(/a)101100.110.010.10.01活动性极强强弱微非活动2 2、错动周期、错动周期 断层两次错动之间的时间间隔定义为活断层错动周期R。 断层运动是地质体能量积累释放的结果，显然能量积累要经
14、历一个时期，积累的过程断层处于平静期积累的过程断层处于平静期（休眠期），释放的过程为活动期释放的过程为活动期。断层表现为活动平衡再活动的周期恢复。 对于粘滑型断层，一次错动对应的是一次地震活动。 错动周期确定： 按地壳应变速率（这是近似当成断层平均错动速率）S及一次地震错动量d计算R。 根据2次地震条件、时间间隔确定 根据地震震级及错动速率，由经验统计式计算 按上式计算，对于S110mm/a的A级活断层，当发生M78的地震时，R1000年。 许多人研究了震级M、错动速率S与错动周期的关系；建立了许多统计关系。如日本的松田时彦对日本断层错动与地震震级关系时，得到lgd=0.6M-4.0,错动周期
15、是R=d(错移量)/s(错动速率)，即有 根据第四纪地层、地质错动证据，结合年龄测定确定周期。活断层活动周期一般在活断层活动周期一般在12千年左右，少数上万年或千年左右，少数上万年或几百年。几百年。三次运动：三次运动： 第一次（第一次（4200a）上盘块体下滑，）上盘块体下滑， 产生张裂缝，堆积产生张裂缝，堆积W1 第二次（第二次（2700a）上盘继续下滑，）上盘继续下滑， 产生拉张裂缝，将产生拉张裂缝，将W1拉开，途中拉开，途中 堆积堆积W2 第三次（第三次（820a）继续下滑，出现）继续下滑，出现F2 断裂，将断裂，将W2错断（垂直距离错断（垂直距离0.6m）周期：一次周期：一次二次二次
16、4200-2700=1500年年 二次二次三次三次 2700-820=1880年年速度：速度： 二次二次三次三次 0.618800.75mm/a北天山西部喀什河断裂 断层活动与否要通过一些标志加以鉴别。鉴别有直接测定活动物质年龄的方法，也可以从有关的地质、地球物理等现象间接判断。 间接鉴别标志有如下几个方面： 一、地质、地貌、水文地质标志 二、历史地震及历史期地震错动标志 三、微地震测量及地形变检测标志 四、地球物理标志第三节活断层的鉴别标志第三节活断层的鉴别标志地质方面地质方面只要是见到第四系中、晚期第四系中、晚期的沉积物被错断，均视断层为活断层。如宁夏贺兰山东麓的活断层，在贺兰口村一带错开
17、了第四纪中更新世至全新堆积的所有洪积物，落差大于50m，还形成了刀切似的直线形断崖。最新沉积物被错断最新沉积物被错断地质方面地质方面 只要是见到第四系中、晚期第四系中、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。最新沉积物被错断最新沉积物被错断断层破碎带构造形迹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、欠胶结状构造带物质欠固结、欠胶结状态，较为松散态，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，断面新鲜无风化，第四系物质牵引弯折等。断层矿物的显微变形出现显微
18、组构（如不等颗粒拉长等）伴有地震现象地震现象的活断层，地表出现断层陡坎和地裂缝 如，日本丹那断层带，地震产生很多地裂缝，呈雁形排列 不同地貌单元突然相接，或两边沉积物厚度显著差别不同地貌单元突然相接，或两边沉积物厚度显著差别 例如，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地貌单元的分解和异常 例如，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 活断层作用使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
19、、泥石流、滑坡、串珠状洼地等。地貌方面地貌方面水文地质方面水文地质方面 由于断层带构造物质松散，容易形成强导水带强导水带，因而活断层带一线分布泉水、温泉，出现植被发育现象。也由于活断层为深大断裂，深循环水将导致水的化学异常。 地物错断地物错断对古代建筑物破坏、错断、掩埋等情况调查，可以帮助判断活断层当时的错距等情况。 微震及地形变测量微震及地形变测量 自70年代以来，我国地震部门在一些重要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，尤其在一些大型的、著名的活断层地区布置监测台站，取得了一系列监测资料。它是研究现代地震活断层的最直接有效的方法，但其费时、代价高，不能作为研究活断层的
20、主要工具。采用精密水准测量和三角测量在可能活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。 断层的现代活动，必然导致断层带内产生物理、化学变化，其中如断层气、放射性异常；重力、磁力、地温等物理异常。通过测量分析，可以间接作为活断层的佐证。地球化学及地球物理标志地球化学及地球物理标志第四节活断层的调查研究方法第四节活断层的调查研究方法通过有效的调查、分析，才能确定断层的活动性证据，进而确定活断层的位置、展布方向、活动特征等。通常采用的方法包括：查阅现有资料；解读航卫片；区域地质调查；现场勘探；年龄测量；监测等。 对建筑场地内或附近的活断层，要进行更加深入的研究，开展必要的钻探、坑
21、探、物探钻探、坑探、物探工作。采用探槽方式揭露断层带，对揭露断层的地层及活动构造变形形迹进行细致考查研究，通常应配合岩土取样进行构造分析及有关地层的年龄测定。良好的露头，可以显示大量有用的信息，得到断层错动次数、错动量、错动周期等有用参数。年龄测定可以根据情况分别采取断层构造岩、断层带充填物、断层两侧不同时代的地层物质的样品，采用C14、热释光、电子自旋共振等方法进行年龄测定。建筑物场址一般应避开活动断裂带避开活动断裂带线路工程必须跨越活断层时，尽量使其大角度相交大角度相交，并尽量避开主断层必须在活断层地区兴建的建筑物，应尽可能地选择相对稳定地块即“安全岛安全岛”，尽量将重大建筑物布置在断层的
22、下盘在活断层区兴建工程，应采用适当的抗震结构和建筑型适当的抗震结构和建筑型式式第五节活断层区的建筑原则第五节活断层区的建筑原则大亚湾核电站大亚湾核电站选在一完整的燕山期花岗岩岩体中，位于南岭纬向构造带与新华夏构造体系第二隆起代的交汇部位。 历史上在核电站周围未有强震 大鹏半岛上有三条不到10公里的断层，这三条断层均未切割第四系沉积物 该区无切穿地壳的深大断裂，而且场区内从未有过地震记载大亚湾核电站大亚湾核电站本章小结本章小结本章主要介绍了活断层的基本概念、基本特征、活断层鉴别及研究方法、活断层区建筑原则。 重点是有关活断层的基本概念的理解，特别是有关“近期”的定义的理解；活断层鉴别及研究方法。思考题1、活断层的定义。2、活断层的特征及分类。3、活断层的识别标志有哪些？4、活断层区的建筑原则有哪些？
