秦岭北缘断裂带

1、西秦岭北缘断裂带甘肃段的工程地质初步分析1 西秦岭北缘断裂带概况 1.1 选题背景和研究意义甘肃中部黄土高原干旱区和天水、陇南北部地区是中国乃至世界上最缺水的地方之,立足国家南水北调西线工程实施跨流域调水,是解决这些区域资源性缺水的根本途径。正是基于这个出发点,甘肃引洮供水一期工程开工建设。工程以洮河九旬峡水利枢纽工程为水源,总干渠西起洮河、东至陇海线附近东西宽约85km,南起九甸峡北至定西鲁家沟南北长约110km,总干渠全长110.48km。总干渠西段处于秦岭构造带和祁连构造带交界部位,新构造运动强列引水隧洞不仅穿越多种地貌单元,还穿越大量断裂带。西秦岭北缘断裂带是总干渠所穿越的最大区域性活

2、动断裂,对引洮工程影响重大。为此托引挑供水-期工程,结合众多专学者研究成果和引水隧洞开挖揭示的地质资料,对西秦岭北缘断裂带甘肃段进行了初步工程地质分析。1.2 断裂带地理概况西秦岭北缘断裂带是我国西部地理、地貌、地质构造及地壳结构的重要分界线,也是我国的主要地震带之一。秦岭北缘断裂带是一主体北倾的古板块缝合带。该断裂带是秦岭和北部中新生代盆地的分界,是祁连与秦岭两大褶皱系的分界,是一影响到上地慢的、具有复杂演化历史的板块结合带。该断裂带是我国境内六条板块拼接带之一,为区域性活动性断裂。断裂带东起宝鸡与东秦岭北麓断裂带相接,西经拓石、天水、武山、漳县、锅麻滩至尖扎以西并与青海南山北麓宗务隆山北麓

3、断裂带相连,近EW转NW向延伸长750km,走向280°310°,局部地段略有变化。东端在东经107°10'附近,西端在东经102°20'。其规模巨大,断续延伸达余公里(漳县断裂带长约);断裂带宽达一,上盘影响带宽达一;断裂带由断层泥、断层角砾组成。西秦岭北缘断裂带是一条重要的向断裂,海原断裂带、东昆仑断裂带、鲜水河断裂带在空间上与其平行。地处青藏高原东北缘,其大地构造位置处于中央造山系中段祁连造山带和北秦岭造山带的接合部位,同时也横跨中国中部S-N向构造带上,是古亚洲构造域、特提斯构造域和太平洋构造域复合叠加的构造部位。据西秦岭现今断裂

4、构造格架,西秦岭北缘断层系从北向南与临潭一岷县一宕昌断层系、白龙江断层系和文县一武都断层系近似平行。这些断层系多有由数条平行或近平行的高倾角向北倾的逆冲断层组成,总体呈自北向南依次逆冲推覆的一系列大型推覆构造系统。1.3断裂带的平面展布西秦岭北缘断裂带从东向西划分为鸳凤断裂、漳县断裂、锅麻滩断裂3条一级破裂段,6条次级破裂段。断裂带东段的鸳凤断裂划分为两条次级段,包括鸳凤断裂和酸刺湾一三岔断裂。西段的锅麻滩断裂划分为三条次级段,包括扎那山一尖石山段、锅麻滩一羊毛沟段和围子山一大槐沟段。6条次级断裂左阶羽列而成,总体走向NWW,其断面呈高角度倾斜,倾向不一。各次级段断裂特征简述如下：(l)鸳鸯镇

5、一凤凰山断裂(F1)断裂东起凤凰山南麓的胡家沟,山止于鸳鸯镇西家山附近。全长70km,走向NW70°80°。,倾向NE,倾角60°70°。具正走滑特点。断裂新活动明显,断错阶地及冲沟等。断裂东端与凤凰山南麓断裂以凤凰山拉分区左阶错列,阶距2km。(2) 酸刺湾一三岔断裂(F2)断裂东起酸刺湾,向西延止于三岔附近,长35km,走向NW65°70°,倾向NE,倾角65°。东段为逆走滑性质,西段为正走滑。与鸳鸯镇一凤凰山断裂呈左阶羽列,阶区为鸳鸯镇阶区,阶距2.5km。(3) 漳县断裂(F3)断裂东起漳县南侧,向西经黄香沟,止于挑

6、河西岸,全长100km。总体走向NWW,倾向不一,倾角46°85°,断裂新活动性明显,以正走滑活动为主。与酸刺湾一三岔断裂以漳县盆地(阶距3km)左阶羽列。(4) 扎那山一白石山断裂(锅麻滩北侧断裂,F4)断裂东起常家南,沿上、下锅麻滩北侧通过,终止于白石山附近,全长30.5km。走向NW60°65°。,倾向不一,倾角65°80°。该断裂与漳县断裂间为莲麓左阶拉分区,阶距4.5km。(5) 锅麻滩南缘一羊毛沟断裂(锅麻滩南侧断裂,F5)断裂东起花崖山东北,沿下、上锅麻滩南缘向西延伸,止于羊毛沟附近,长22km。断裂走向变化较大,为NW

7、65°60°。,倾向NE,倾角70°。左右,以正走滑活动为主,与扎那山一锅麻滩断裂呈左阶关系(锅麻滩阶区),阶距1.2km。(6) 围子山一大槐沟断裂(F6)本断裂与锅麻滩一羊毛沟断裂呈左阶羽列(羊毛沟阶区),阶距1.5km,断裂东起围子山东端,经牛圈沟,止于大槐沟附近,长36km。2 西秦岭北缘断裂带的活动性 2.1 西秦岭北缘断裂带的形成及演化该断裂带具长期发育历史,经历了多次复杂的构造变动,规模大,切割深,活动性强。新生代以前,沿该断裂带褶皱伴随迭瓦状逆冲断裂随处可见,显示遭受了自北向南的推挤,沿山前断裂多处可见上古生代地层被推复于第三纪地层之上。这种推挤方

8、式一直持续到新第三纪末或第四纪初。在喜马拉雅山运动顶盛时期,青藏高原急剧隆升,我国中部经向构造重新开始活动,六盘山至今仍以4mm/年的活动速率抬升,河西系构造以23mm/年的活动速率呈升降变化。在这样构造环境中,在北东一北东东向压应力作用下,西秦岭构造带的活动方式有所变化,大部分断裂的活动趋于僵化或半僵化状态,少部分断裂转变为左旋走滑活动。中更新世以来,在推覆带的前锋薄弱地带,迁就利用了部分早期构造格局,形成了秦岭北麓直线状延伸的左旋走滑剪切带,兼有一定程度的垂直倾滑分量。成为区域地质地貌具分划意义的断块边界断裂带,并成为一条规模大、切割深、晚更新世及全新世活动强烈的区域性左旋逆走滑为主的发展

9、断裂带。第四纪以来,西秦岭北缘断裂带的活动以左旋水平扭动为主,其垂直活动很弱。各种新活动标志明显,沿断裂带多处可见断层切割全新世地层,有的断层通天,有的仅被全新世晚期堆积物覆盖。沿断裂带山脊、河流、洪积锥扇、阶地、山麓坡积层及文化层等被平移错断的现象屡见不鲜。沿该断裂带线性地貌清晰,断崖、陡坎发育,古地裂缝、地震崩积楔、坡积楔、充填楔、断层楔及断塞塘淤积分布较为普遍。 2.2.断裂带的结构秦岭北缘断裂带是一主体北倾的古板块缝合带。该断裂带是秦岭和北部中新生代盆地的分界,是祁连与秦岭两大褶皱系的分界,是一影响到上地慢的、具有复杂演化历史的板块结合带。最早在古生代前就已形成,以后在多期构造运动中活

10、动,切割不同时代的地层。新生代中断裂又有强烈活动,表现为南侧抬升,成为秦岭山脉,而北侧则为在新第三纪的湖盆基础上切割出的黄土丘陵区。第四纪中晚期以来在继续南升北降的基础上又产生了左旋走滑活动,全新世中活动明显。 2.3断裂带活动特征由于地质结构、应力状况及环境条件的不同,断层的活动往往呈现有明显的分段现象。“段”是指一条断层上趋向于彼此独立破裂的部分,一条断层的破裂活动是通过一个或多个独立破裂段的组合而完成的。在对秦岭北缘活动断裂进行破裂分段时,综合考虑了断层不同段落的方位、连续性、断层阶区组合状况、阶区阶距和各段运动性质的差异、断层面的变化、断层两侧的岩性、断层与断层或其它构造的切割、以及断

11、层长期以来活动幅度、活动速率的变化和破裂端点的结构特征等,将其划分为三条破裂次级段,自东向西为:鸳凤断裂破裂段(F1、F2)、漳县断裂破裂段(F3)和锅麻滩断裂破裂段(F4、F;、F6)。阶区分别为漳县盆地和莲麓盆地。各段断裂破裂段的定量活动特征：(l)鸳凤断裂破裂段(F1,F2),总长105km,最新活动时代Q4,水平滑动速率1.89mm/a(Q4),垂直滑动速率1.34mm/a(Q4),该段可能发生过734年7级,1542年和1850年5级地震,古地震事件有三次,分别为距今12500±50Oa,7500±500a,S000a。(2)漳县断裂破裂段(F3),长100知n,

12、最新活动时代Q4,水平滑动速率为2.12mmm/a(Q4),垂直滑动速率0.34mm/a(Q4),两期古地震事件为990013100a,42506930a,该段可能发生过公元143年7级地震。(3)锅麻滩断裂破裂段(F4,F5,F6),总长约88km,最新活动时代Q4,水平滑动速率1.65mm/a(Q4),垂直滑动速率0.49mm/a(Q4),其上发生过1936年康乐6级地震,两期古地震事件为12540a,5480±60a。 2.4 断裂带物质西秦岭北缘断裂带物质主要由断层泥和断层角砾组成,断层岩颜色多样,主要以褐红色、黑色和土黄色为主,粗粒含量高,粘粒含量普遍低于20%。西秦岭北缘

13、断裂带中段漳县断裂粗粒含量低于东段鸳鸯镇一凤凰山断裂,其粗粒含量与粉粒含量相当(>40%)。断层泥微观结构复杂,主要呈碎斑状结构、隐晶结构、分散状结构和网状结构,其次显微破裂发育,微破裂序列相切构成交错的微破裂网,此外在方解石脉上有刻痕清晰、排列紧密的多组机械双晶和鲕状构造。西秦岭北缘断裂带断层岩因其母岩成分与所受构造活动不同,矿物成分存在差异,主要以石英、方解石和高岭石为主。粘土矿物种类少,以高岭石和白云母为主,总体含量不高。受其矿物成分、粒度组成和赋存环境影响,断层岩压缩性高,抗剪强度低。 2.5 西秦岭北缘断裂带的水文地质特征经地表地质调查和钻探揭示,该断裂带地下水主要赋存于上盘断

14、裂影响带的小断层带和裂隙密集带,为基岩裂隙水。断裂影响带牵引构造、次级断层和裂隙极为发育,岩体破碎,为陡倾层状碎裂结构。带内岩性主要为板岩、砂岩和细砾岩,为互层状。因各岩性裂隙发育程度的不同以及存在裂隙密集带,透水性差异较大,使得地下水分布极不均匀,成为脉状水,具多层承压性质。西秦岭北缘断裂带上盘地下水较丰富,局部裂隙密集带和小断裂带因承压水弹性释水,瞬时涌水量较大,但随着静储量的瞬间释放完成,涌水量将逐渐减少。另外,该断裂上盘围岩富水,而断裂带断层泥相对隔水,上盘的地下水受到阻隔而不能渗流到下盘,断裂上盘地下水雍高,断裂上下盘之间形成了很大的渗流水头,即渗压差;同时,断裂带由断层泥及断层角砾

15、组成,断裂带围岩极为松散;因此,不但通过该断裂带的隧洞围岩稳定性极差,而且因在其上下盘之间存在地下水渗压差,在开挖该段隧洞时,伴随涌(突)水尚有可能发生突泥。综上所述,必须将隧洞的防水治水和增强围岩稳定性的工作放在首位,建议采用超前钻孔或超前导水锚杆疏排掌子面前方和顶拱部位的地下水,必要时尚应进行超前注浆,以保证施工安全和增强围岩稳定性。3 断裂带的建筑物规划设计原则 3.1、规划选场尽可能避开主断层带;尽可能避开正断层下盘、逆断层的上盘。场地要选在距断面数公里以外。 3.2建筑物类型选择该断层带内只能建散体堆填坝，不宜建混凝土坝。 3.3建筑物结构设计原则3.3.1对于坝体设计原则：保证土坝在产生57m的错动时不出现大的开口裂缝（一般设计为有相当厚的无粘性土过渡带的多种土质坝）。能安全控制大的渗流量。3.3.2对于隧洞设计原则甘肃省引洮供水一期工程总干渠在3#隧洞桩号12+000m附近横穿西秦岭北缘断裂带。断裂带由断层泥、断层角砾组成,工程地质性质恶劣;上盘影响带牵引构造发育,岩体破碎,地下水丰富。上述特征决定了隧洞在横穿该断裂时围岩稳定性极差,施工困难,而成为特殊洞段。其主要的工程地质问题为断裂影响带的涌水问题及断裂活动对工程的影响。由上述地质环境特征及其它类似的隧洞施工及运行情况,可以预知,总干