工程地质学：第二章 活断层工程地质研究

第二章

活断层工程地质研究

提要概述活断层基本特征活断层参数活断层鉴别标志活断层工程地质研究第一节概述活断层(activefault)一般是指现今正在活动的断层，或近期曾活动过、不久将来可能会重新活动的断层。后者也称为潜在活断层。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，仍保持着活动的特征。早在十八世纪，人们从地震活动与断层活动的关系渐渐意识到断层的活动性特征，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。

太平洋板块、亚欧板块、非洲板块、美洲板块、印度洋板块（包括澳洲）和南极洲板块。

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。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10mm/a)。次级块体内部变形微弱或整体运动边界带常常是地质、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。

在研究某一个地域的大陆构造变形时需要从活动论的观点，从全球构造框架或区域构造框架出发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

研究表明，印度板块与欧亚于始新世末，即大约3800万年前相互碰撞，此后印度板块仍以每年约5cm的速度向北北东方向推进，强力地推挤着欧亚板块,板块接触带的两个端点位于察隅和伊斯兰堡附近。在碰撞挤压过程中欧亚板块内产生了塑性或粘性流动变形。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。是指目前正在活动着的断层，或是近期曾有过活动而不久的将来可能会重新活动的断层。后者称为潜在断层或能动断层。

《岩土工程勘察规范》

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：近期（500年）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》

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（USNRC）的定义是：（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的活动可视为一类地质病害，可以对建筑物产生破坏作用而致害。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，评价其对建筑物的破坏作用。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。——与工程的区域稳定性或地壳稳定性密切相关。地震CypressFreewayStructure,Oakland—LomaPrietaEarthquake,1989SanAndreasFaultcrossingtheCarrizoPlain,NorthofSantaBarbaraSanAndreasFaultoffsettingstreamsOntheCarrizoPlainSanFranciscoCityHall,1906振动液化（Liquefaction）.ElCentro,CA,1979LomaPrieta,CA,1989洛马·普里埃塔

加州-埃尔森特罗海啸（Tsunami）对活断层进行研究，充分掌握其活动特征，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条大断裂其中王良断裂在坝下游6.5公里断层发生在Q1－Q2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

本节主要介绍活断层的类型与活动方式、继承性与反复性。第二节活断层的基本特征一、活断层的类型

按照位移方向与水平面的关系：（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。（1）粘滑型活断层间歇性突然滑动，常伴有地震活动，也称为地震断层。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、活断层的活动方式三、活断层的继承性和反复性活断层往往是继承老的断裂活动的历史而继续发展的，而且现今发生地面断裂破坏的地段过去曾多次反复地发生过同样的断层运动。一些活动构造带的古地震震中，总是沿活动性断裂有规律地分布的，岩性和地貌错位反复发生，累积叠加，其中尤以走滑断层最为明显。新疆喀依尔特-二台活断裂在地质时期内长期活动，其右旋走滑运动幅度的最大值26km；上更新世早期形成的水系被错移的最大值2.5km。根据大量古地震现象，不同期次断层错动不同层序沉积物的资料和C14年代测定等综合分析，初步可确定断裂带上有3－5次古地震事件，各次地震位移累积叠加。说明该断裂在相当长的地质历史时期内，在差不多同一构造应力条件下以同一机制沿着已经发生错动的断裂带继续活动，主要活动方式是粘滑。现今的富蕴(1931年8级)地震断裂带是它继承性活动和发展的产物，它的展布范围与该活动断层完全一致。

四、活断层是深大断裂复活运动的产物活断层往往是地质历史时期产生的深大断裂，在晚近期及现代地壳构造应力条件下重新活动而产生的。——切割深——延展长——地震带、地热异常带郯庐断裂带是一条横穿我国东部湖北、安徽、江苏、山东、渤海以及辽宁等地区向北北东向延伸、由一系列北北东向断裂带组成的平面呈缓S形的深大走滑断裂系有学者通过研究认为，印支运动之后，郯庐断裂带主要受西太平洋板块运动所产生的区域地质动力所控制，经历了晚侏罗世—早白垩世时期的左行平移走滑运动——晚白至世—古近纪时期的伸展断裂断陷——新近纪以来的受压逆冲运动的构造演化历程造山期郯庐断裂带两侧变形构造图第三节活断层的参数一、活断层的产状——断层面的走向、倾向和倾角——通过遥感、地质调查、震源机制、等震线、裂缝带、大地测量等

活动断层的产状要素、长度等均是重要的几何要素，这些可以通过勘探等手段得到确定。而活动断裂重新活动往往并非全断裂都活动，而是部分段的活动，这里断层长度是指现今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长度L和断距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，活断层在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。

二、断层活动段的长度和断距如下关系图也可以作为确定L、D时使用地震震级与地表错断长度的关系地震震级与地表最大位移的关系有的情况下，可以采用数值分析（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。

M=3.3+2.1lgL——M-地震震级；——L-最长地面断裂长度活断层活动速率及相应周期是表明活断层的活动强度的重要指标，是地震强度的重要资料。

1、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。断层错动速率从二个方面获得：（1）精密地形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。三、错动速率和活动周期（2）根据第四纪地层、地质的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AAABCD错动速率(㎜/a)>101－100.1－10.01－0.1<0.01活动性极强强弱微非活动活断层按错动速率分级2、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，显然能量积累要经历一个时期，积累的过程断层处于平静期（休眠期），释放的过程为活动期。断层表现为活动——平衡——再活动的周期恢复。断层应变速率、锁固段深度等不同，表现了不同的错动周期。对于粘滑型断层，一次错动对应的是一次地震活动。

可按以下方法确定错动周期：①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。R=d/s②

根据2次地震条件、时间间隔确定③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S＝1～10mm/a的A级活断层，当发生M＝7～8的地震时，R≈1000年。许多人研究了震级M、错动速率S与错动周期R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,错动周期是R=d(错移量)/s(错动速率)，即有地震重现周期计算图解(据松田时彦，1978)④根据第四纪地层、地质错动证据，结合年龄测定确定周期。据研究，活断层活动周期一般在1—2千年左右，少数上万年或几百年。三次运动：①第一次（4200a）上盘块体下滑，产生张裂缝，堆积W1②第二次（2700a）上盘继续下滑，产生拉张裂缝，将W1拉开，途中堆积W2②第三次（820a）继续下滑，出现F1

断裂，将W2错断（垂直距离0.6m）周期：一次→二次4200-2700=1500年二次→三次2700-820=1880年速度：二次→三次

0.6÷1880≈0.75mm/a北天山西部喀什河断裂四、活断层的年龄判断活断层的年龄判据，以第四纪地质学和地层学研究为基础，确定活断层的地质年代或年代范围，取样测定绝对年龄。两种方法：间接法——错断地层年龄法直接法——断层物质绝对年龄法错断地层年龄法适用条件是错断断层带及所在地质体上覆有第四纪沉积物。a.晚更新世晚期与全新世之间；b.晚更新世早期与全新世之间断层物质绝对年龄测定法，从断层带内取样——矿物、岩石、化石、显微结构，方法有：14C、热释光法、铀系法、电子自旋共振法、石英表面显微结构法断层的活动性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、历史地震及历史地表错断标志三、微地震测量及地形变监测标志四、地球物理标志第五节活断层的鉴别标志地质方面

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40—50m。最新沉积物被错断平遥活断层剖面图贺兰山东麓活断层剖面图如上图，可看出几期运动：①C堆积以前，断层已活动，位移量大；②C堆积以后，D堆积以前，断层至少一次运动（CD的错距不同）；③D堆积后，至少一次活动，DE错距不同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组构（如不等颗粒拉长，光轴微定向等）伴有地震现象的活断层，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、泥石流、滑坡、串珠状洼地等。地貌方面

走滑型活断层移错水系a－四川鲜水河断裂带b－新疆喀依尔特-二台断裂带水文地质方面

由于断层带构造物质松散，容易形成强导水带，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

我国有长达3000多年的历史地震记载资料，尤其是较近的历史记载，可以帮助判别活断层的存在，可能时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，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

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。

自20世纪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，尤其在一些大型水库、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。地球化学及地球物理标志

载波相位差分技术(RealTimeKinematic）RTK技术是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的。载波相位差分原理为，由基准站通过数据链,实时将其载波观测量及站坐标信息一同传送给用户站。用户站接收GPS卫星的载波相位与来自基准站的载波相位，并组成相位差分观测值进行实时处理，能实时提供观测点的三维坐标(毫米级)。一、活断层的调查研究方法通过有效的调查、分析手段，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：现有资料查阅；航卫片解读；区域地质调查；现场勘探；年龄测量；监测等。活断层研究首先应从较大的地域范围内进行研究，初步确定活断层展布、位置、长度等，这些可以采用区域地质资料，大范围地质调查，以及航卫片解译的方法进行。调查分析中，要注重区域大的地质构造背景，水系，地形地貌，第四纪沉积物等研究.

第六节活断层工程地质评价

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。二、活断层对工程安全性的影响1、断层活动有可能产生破坏性地震，地震的振动效应对工程建筑的结构具有破坏作用，造成建筑物倒塌、破坏或功能失效；2、地震的振动效应可能导致液化、震陷、滑坡和崩塌等地震地质灾害，从而导致地基失效或对工程设施的直接破坏；3、地震断层地表错断对工程设施的破坏；4、断层蠕滑同样造成跨断层或附近建筑物的破坏。三、工程安全性评估1、活动断层的查证2、活动断层参数的进一步查明3、根据活动断层最大潜在地震及地震发生特征的分析，划分潜在震源区的地震活动性参数。结合地震危险性，给出场址的抗震设防参数。4、进行地震地质灾害评价，为工程场地选址或工程安全措施提供依据。建筑物场址一般应避开活动断裂带;线路工程必须跨越活断层时，尽量使其大角度相交，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”，尽量将重大建筑物布置在断层的下盘;在活断层区兴建工程，应采用适当的抗震结构和建筑型式.四、活断层区的建筑原则图2－17建于活断层上的多种土质坝剖面①－粘土心墙；②－粉土质砂；③－由砂到砾石的过渡带，由河床砂、砾或碎石组成；④－碾压的逐步过渡的堆石带；⑤－挖石(据美国加里福尼亚水资源部)不宜采用混凝土重力坝和拱坝，应采用土石坝根据地基特殊条件而设计的新神户车站高架桥结构(据池田俊彦，1971)大亚湾核电站——位于中国广东省深圳市龙岗区大鹏半岛，是中国大陆建成的第二座核电站（第一座为浙江海盐秦山核电站）

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曾有强震和多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①At

14:28,onMay122008,Ms8.0EarthquakeoccurredatLongmenMountain,westofSichuanBasin.300kmSichuanbasinLongmenMts.Fault（龙门山断裂带）BeichuanCountytownbeforethequakeDamagedHomeland!Yinxiutown：92%buildingscollapsed,andabout12,000deaths（1）城镇建设避开活动断裂>500mXI区WangjiayanlandslideNewbeichuanmiddleschoolAvalanchesOldtown

Newtown700deaths1600deaths

Investigationofhousedamage

统计表明，对于Ⅸ烈度区的Ⅳ类房屋，建议断层上盘避让距离100m,是能够满足抗震要求的，即房屋修复可用。

同时，从表中也可以看出房屋受损的断层上、下盘效应，上盘、下盘房屋受损比为4:1，其中完全倒塌比率为4:0。Housedamage位置距断层距离(m)

上盘

下盘最小最大

平均完全倒塌40

8189损坏，但未倒塌

102411646部分损坏

63108260130Casestudy:Muyutown(青川木鱼镇调查)

Sitegeologicalmapofold