活断层与地震工程地质研究讲义PPT80

第三章活活断层与地地震

工程程地质研究究第一节概概述区域地壳稳稳定性：指指地球内动动力地质作作用,如地震、火火山活动、、断层错动动以及显著著的地壳升升降运动等等对工程建建设安全稳稳定的影响响程度。指工程建设设区域的现现今地壳，，由于天然然或工程因因素引起的的地应力变变化，主要要产生构造造、火山、、地震等活活动所造成成的具有区区域性地壳壳表层位移移和破坏的的程度。活断层地震破裂带唐山大地震唐山大地震震玉树地地震汶川地地震印尼的活火火山印尼的活火火山印尼的活火火山核爆试试验三峡水库诱诱发地震第二节活活断层层概念及工程意意义活断层基本特特征活断层鉴别标标志活断层调查研研究方法活断层区建筑筑原则断裂与断层的的区别断裂：fracture,rupture，又称破裂，物物体受力变形形，当应力达达到破裂强度度时，物体就就会发生断断开，使物体体的连续性和和完整性遭到到破坏，称为为断裂或破裂裂。岩石中的的断裂包括裂裂隙、节理和和断层等。不不论断裂两侧侧岩层或岩体体是否沿断裂裂面发生过相相对位移。断层：fault，岩石在力的的作用下发生生破裂，并在在被破裂的两两个岩体之间间发生相对位位移的不连续续面，位移方方向平行于不不连续面。概念及工程意意义活断层一般是是指现今正在在活动的断层层，或近期曾曾活动过、不不久将来可能能重新活动的的断层。后者者也称为潜在在活断层。《岩土工程勘察察规范》全新活动断裂裂：全新世（（10000）年内有过活活动或近期正正在活动，在在将来（100年）可能继续续活动的断裂裂。发震断裂：近近期（500年）发生过5级以上地震，，或在未来100年内预测可能能发生5级以上地震的的断裂。《水利水电工程程地质勘察规规范》活断层：最后后一次错动距距今10-15万年（晚更新新世）的断层层。美国原子能委委员会（USNRC）的定义是：：（1）在3.5万年内有过一一次或多次活活动的断层（2）与其他活动动断层有联系系的断层（3）沿该断裂发发生过蠕动或或微震活动活断层的工程程意义沿活动断裂带带分布的房屋屋被摧毁沿活动断裂带带道路出现波波状节律性破破坏北川县城Mainshockfault12BEICHUANCOUNTYShale&sandstoneLimestoneHalfofoldtownwasburiedbylandslideWesttownLandslide1600fatalityTHEFIVE-FLOORHOUSEWERECRUSHEDOVERLAYED①②④③⑤DamagedSchoolbuildingshows““typicalaxispressuretest”水平错动0.5m2ndstoreyisgoneawayHorizontalMovingis0.5mFromsky从天而降抛掷振动液化（Liquefaction）.ElCentro,CA,1979LomaPrieta,CA,1989海啸（Tsunami）主要介绍活断断层的类型与与活动方式、、继承性与反反复性、长度度与断距、错错动速率与周周期。活断层的基本本特征一、活断层的的类型按照位移方向向与水平面的的关系：（1）正断型活断断层差异升降活动动为它的断陷陷盆地边缘。。下降盘分支支断层多见，，形成地堑式式的正断层组组合。（2）逆断型活断断层多分布于板块块碰撞挤压带带。上盘变形形带大，出现现多分支断层层。（3）走滑型活断断层常分布于大陆陆内部的地块块之间的接触触部位，水平平错动量大，，断层带宽度度不大，很少少分支断裂。。二、活断层的的基本特征继承性与反复复性1、继承了老的的断裂构造尤尤其是中生代代和第三纪以以来的断裂构构造格架2、西部地区以以走滑和逆冲冲－走滑断层层为主，且强强度明显大于于东部3、东部以正断断层和走滑－－正断层为主主。是深大断裂复复活运动的产产物1、深大断裂在在挽近期及现现代地壳构造造应力条件下下重新活动而而产生2、深大断裂：：切穿岩石圈圈、地壳或基基底的断裂，，延伸数十～～数千km，切割深度数数公里～百余余公里.活断层受控于于板块构造全球构造（板板块构造platetectonicstheory）理论的基本本点是，全球球划分为六个个刚性的岩石石圈板块在软软流层之上漂漂移，不断地地运动。研究表明，印印度板块与欧欧亚于始新世世末，即大约约3800万年前相互碰碰撞，此后印印度板块仍以以每年约5cm的速度向NNE方向推进，强强力地推挤着着欧亚板块,板块接触带的的两个端点位位于察隅和伊伊斯兰堡附近近。在碰撞挤挤压过程中欧欧亚板块内产产生了塑性或或粘性流动变变形。印度洋板块青藏高原（1）粘滑型活断断层间歇性突然滑滑动，常伴有有地震活动，，也称为地震震断层。发生在强度较较高的岩石中中，断层带锁锁固能力强，，危害大。发震断裂特征征：深断裂，，裂谷，板块块接触带。（2）蠕滑型活断断层沿断层面两侧侧岩层连续缓缓慢地滑动发生在强度较较低的软岩中中，断层带锁锁固能力弱一般无震发生生，有时可伴伴有小震。活动方式可分分为粘滑型和和蠕滑型近年来，一些些研究者注意意到了粘滑型型断层在大震震前后一段时时间内在震源源区及其外围围的蠕滑现象象。1976年唐山地震前前后的一些宏宏观现象，如如井壁坍塌变变形、沿八宝宝山断层地下下水位的变化化、河北省中中部的井喷现现象等，都可可能与深部断断层的蠕动有有关。据唐山地震区区地形变资料料反演求得的的震中区8km×6km的地带内，于于1969—1975年发生了走滑滑错距为104cm的无震蠕滑，，走向和倾向向滑动的平均均速率分别达达18.6cm/a和1.4cm／a。我国大陆内部部还有一种特特殊的反映断断裂蠕动的构构造形式，就就是由于地壳壳块体或断裂裂带蠕动，导导致在地面产产生一系列微微型破裂构造造，一般称为为地裂缝(groundfissure)或“地裂”现现象。典型代表有西西安地裂缝和和1974—1976年在冀、鲁、、豫、皖等省省先后出现的的大面积地裂裂现象。上述的的地裂裂现象象不受受地貌貌、土土质和和水文文条件件影响响而广广泛分分布在在大范范围内内，与与区域域构造造方向向和区区域应应力场场方向向协调调，表表现出出有统统一的的受力力方向向，反反映出出它们们可能能是一一种大大范围围构造造活动动或深深部断断裂的的蠕动动而引引起的的地表表蠕裂裂现象象。西安地地裂缝缝就被被认为为是由由于渭渭河断断陷南南侧的的长安安临潼潼断裂裂的张张性蠕蠕动，，为厚厚达一一千余余米的的第四四纪土土层提提供了了潜在在临空空面，，在自自重应应力场场作用用下产产生了了侧向向扩展展(gravitationallateralspreading)而形成成的。。活动断断层的的产状状要素素、长长度等等均是是重要要的几几何要要素，，这些些可以以通过过勘探探等手手段得得到确确定。。而活活动断断裂重重新活活动往往往并并非全全断裂裂都活活动，，而是是部分分段的的活动动，指指现活活动段段长度度及两两旁相相应的的错断断距离离。通常用用强震震导致致的地地面破破裂(地震断断层或或地表表错断断)的长度度(L)和伴随随地震震产生生的一一次突突然错错断的的最大大位移移值(D)表示。。通过对对地表表错断断的研研究，，可以以了解解地震震破裂裂的方方式和和过程程，判判定地地震断断层动动力学学特征征，又又可了了解地地震时时的地地面效效应，，判定定地震震危险险性和和震害害程度度，为为在活活断层层区修修建建建筑物物的抗抗震设设计提提供参参数。。对于历历史活活断层层长度度和断断距，，可以以从被被错动动的形形迹得得到，，而对对于潜潜在活活断层层，要要根据据有关关方面面进行行预测测。通常是是根据据活断断层可可能产产生最最大地地震震震级M，利用用统计计经验验方式式及查查表确确定L和D。活断层层参数数的定定量研研究如下关关系图图也可可以作作为确确定L、D时使用用（1）我国国关系系式（（四川川省地地震局局1986）：M=1.19lgL+5.25L=0.56M-2.25（2）日本本松田田时彦彦得出出的关关系式式为：：M=（1/0.6）lgL+4.85lgD=0.55M-3.71（3）博泥泥拉得得出的的关系系式：：Ms(L)=6.04+0.708lgL断层长长度1~数百公公里不不等，，一般般小于于5.5级地震震很少少产生生地表表错动动。地表所所见断断层长长度是是地下下的1/2~1/5.活断层层地震震活动动是否否在地地表显显现形形迹，，与地地表覆覆盖层层厚度度、震震源深深度及及震级级有关关，一一般覆覆盖层层厚度度大于于30-50m、震源源深度度大于于10-30km、地震震震级级小于于6级条件件下，，很少少出现现地表表断裂裂现象象。有的情情况下下，可可以采采用数数字分分析（（如有有限元元）方方法确确定断断层长长度及及断距距。1、错动动速率率错动速速率是指断断层年年错动动位移移量，，一般般是用用若干干年总总的错错动量量计算算得到到，因因而也也称平平均错错动速速率。。分为为水平平和垂垂直分分量。。断层层错动动速率率从两两个方方面获获得：：活断断层层活活动动速速率率及及相相应应周周期期是是表表明明活活断断层层的的活活动动强强度度的的重重要要指指标标，，是是地地震震强强度度的的重重要要资资料料。。（1）精精密密地地形形变变测测量量是研研究究现现今今活活动动断断裂裂的的有有效效方方法法。。我我国国许许多多著著名名活活断断层层均均设设有有精精密密水水准准、、三三角角测测量量、、激激光光测测距距等等量量测测工工作作。。有了了量量测测数数据据，，便便可可以以计计算算错错动动速速率率。。如如贺贺兰兰山山东东麓麓活活断断裂裂红红果果子子沟沟处处，，84年~86年测测得得断断层层右右旋旋错错动动，，水水平平8.48mm、垂垂直直0.75mm。故故错错动动速速率率：：四、、错错动动速速率率和和活活动动周周期期（2）根根据据第第四四纪纪地地层层、、地地质质的的年年代代及及错错动动量量来来获获得得研究究夷夷平平面面、、阶阶地地、、水水系系、、断断崖崖、、土土层层等等，，通通过过测测量量错错动动量量及及相相对对年年龄龄，，可可以以计计算算出出平平均均错错动动速速率率。。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2、错动动周周期期地震震断断层层两两次次突突然然错错动动之之间间的的时时间间间间隔隔为为活活断断层层错错动动周周期期。。断层层运运动动是是地地质质体体能能量量积积累累释释放放的的结结果果，，显显然然能能量量积积累累要要经经历历一一个个时时期期，，积积累累的的过过程程断断层层处处于于平平静静期期（（休休眠眠期期）），，释释放放的的过过程程为为活活动动期期。。断断层层表表现现为为活活动动———平衡衡———再活活动动的的周周期期恢恢复复。。断断层层应应变变速速率率、、锁锁固固段段深深度度等等不不同同，，表表现现了了不不同同的的错错动动周周期期。。对对于于粘粘滑滑型型断断层层，，一一次次错错动动对对应应的的是是一一次次地地震震活活动动。。可按按以以下下方方法法确确定定错错动动周周期期：：①按地地壳壳应应变变速速率率（（这这是是近近似似当当成成断断层层平平均均错错动动速速率率））S及一一次次地地震震错错动动量量d计算算R。按上上式式计计算算，，对对于于S＝1～10mm/a的A级活活断断层层，，当当发发生生M＝7～8的地震时时，R≈1000年。②根据2次地震条条件、时时间间隔隔确定③根据地震震震级及及错动速速率，由由经验统统计式计计算许多人研研究了震震级M、错动速速率S与错动周周期的关关系；建建立了许许多统计计关系。。如日本本的松田田时彦对对日本断断层错动动与地震震震级关关系时，，得到lgd=0.6M-4.0,错动周期期是R=d(错移量)/s(错动速率率)，即有④根据第四四纪地层层、地质质错动证证据，结结合年龄龄测定确确定周期期。据研究，，活断层层活动周周期一般般在1—2千年左右右，少数数上万年年或几百百年。三次运动动：①第一次次（4200a）上盘块块体下滑滑，产生张裂裂缝，堆堆积W1.②第二次（（2700a）上盘继继续下滑滑，产生拉张张裂缝，，将W1拉开，途途中堆积W2.②第三次（（820a）继续下下滑，出出现F2断裂，将将W2错断（垂垂直距离离0.6m）.周期：一一次→二二次4200-2700=1500年二次→三三次2700-820=1880年速度：二次→三三次0.6÷÷1880≈0.75mm/a北天山西西部喀什什河断裂裂活断层的的年龄判判据活断层的的年龄判判据方法法有间接接法（错错断地层层年龄法法）和直直接法（（断层物物质绝对对年龄法法）两种种：间接法：：适用于于错断断断层带及及其所在在地质体体上覆盖盖有第四四纪沉积积物的条条件。直接法：：从断层层带内采采取样品品，并用用专门一一起测定定样品中中某些矿矿物、岩岩石、化化石的物物理、化化学和显显微结构构的变化化等，用用以确定定绝对年年龄。14C法：宇宙宙射线中中子冲击击高空氮氮生成14C,新生的14C被氧化成成为CO2,参加自然然界碳循循环，扩扩散到整整个生物物界以及及大气发发生交换换的一切切含碳物物质中。。这些14C含量一方方面衰减减，一方方面从大大气中得得到补偿偿，保持持平衡，，但是一一旦动植植物死亡亡掩埋，，则只会会衰减而而不得到到补偿。。即可通通过半衰衰期测年年。适用用范围是是距今300年-50000年。热释光法法：某些些固体物物质因长长时间受受到射线线的辐射射，在辐辐射电离离作用下下，固体体物质产产生电子子-空穴对，，一些电电子被晶晶体的缺缺陷所俘俘获。如如果将晶晶体加热热，被俘俘获的电电子则从从陷阱中中逃逸出出来与空空穴复合合，同时时以光子子的形式式释放出出他们所所储存的的能量，，这就是是热释光光。当积积累热释释光以后后，遇到到光-热事件，，就会使使积存的的热释放放，然后后重新积积累热释释光。一、地质质、地貌貌、水文文地质标标志二、历史史地震及及历史期期地震错错段标志志三、微地地震测量量及地形形变检测测标志四、地球球物理标标志断层的活活动性与与否要通通过一些些标志加加以鉴别别。鉴别别有直接接测定活活动物质质年龄的的方法，，也可以以从有关关的地质质、地球球物理等等现象间间接判断断。间接鉴别别标志有有如下几几个方面面：活断层的的鉴别标标志地质方面面最新沉积积物被错错断，断断层破碎碎带，砂砂土液化化，地面面破裂等等最新沉积积物被错错断只要是见见到第四四系中、、晚期的的沉积物物被错断断，均视视断层为为活断层层。如位位于汾渭渭地堑中中段的平平遥活断断层，错错断晚更更新世中中晚期的的黄土，，以及早早中期更更新世地地层，断断距40—50m。如图：：如上图，，可看出出几期运运动：①C堆积以前前，断层层已活动动，位移移量大；；②C堆积以后后，D堆积以前前，断层层至少一一次运动动（（CD的错距不不同）；；③D堆积后，，E堆积以前前至少一一次活动动。断层破碎碎带构造造形迹活动断层层因其形形成时间间较晚，，一般表表现为构构造带物物质欠固固结欠胶胶结状态态，较为为松散。。另外，，表现出出脉体变变形被切切断，构构造岩片片理化，，透镜化化，断面面新鲜无无风化，，第四系系物质牵牵引弯折折等。断断层矿物物的显微微变形出出现显微微组构（（如不等等颗粒拉拉长，长长轴微定定向等）），如图图1、不同地地貌单元元突然相相接，或或两边沉沉积物厚厚度显著著差别地貌方面面例如，隆隆起山区区与断陷陷盆地突突然相接接。一次次错动量量大的活活断层，，沿线分分布断层层三角面面、断层层崖、陡陡坎、垭垭口、““V型谷”等等。2、地貌单单元的分分解和异异常例如，河河流阶地地、山脊脊、水系系、夷平平面、坡坡洪积扇扇等地貌貌单元，，由于活活断层作作用，使使其产生生错断、、分解。。例如，活活断层作作用使正正常发育育的地貌貌系统出出现异常常形态或或特殊地地貌景观观。如断断层带一一侧，河河流的同同步肘状状拐弯、、宽窄变变异，活活断裂带带上线状状排列的的洪积群群、泥石石流、滑滑坡、串串珠状洼洼地等。。水文地质质方面由于断层层带构造造物质松松散，容容易形成成强导水水带，因因而活断断层带一一线分布布泉水、、温泉，，出现植植被发育育现象。。也由于于活断层层为深大大断裂，，深循环环水将导导致水的的化学异异常。历史地震震记载资资料我国有长长达3000多年的历历史地震震记载资资料，尤尤其是较较近的历历史记载载，可以以帮助判判别活断断层的存存在，可可能时据据以判断断活断层层的错距距，断裂裂长度等等。对古代建建筑物破破坏、错错断、掩掩埋等情情况调查查，可以以帮助判判断活断断层当时时的错距距等情况况。微震及地地形变测测量采用精密密水准测测量和三三角测量量在可能能活动断断层两侧侧进行地地形变测测量，可可以有效效地获得得断层活活动性的的有关证证据。断层的现现代活动动，必然然导致断断层带内内产生物物理、化化学变化化，其中中如断层层气、放放射性异异常；重重力、磁磁力、地地温等物物理异常常。通过过测量分分析，可可以间接接作为活活断层的的佐证。。自70年代以来来，我国国地震部部门在一一些重要要地区设设置了密密集的地地震台网网，监测测微震震震中位置置用以判判别活断断层，尤尤其在一一些大型型水、著著名的活活断层地地区布置置监测台台站，取取得了一一系列监监测资料料。它是是研究现现代地震震活断层层的最直直接有效效的方法法，但其其费时、、代价高高，不能能作为研研究活断断层的主主要工具具。地球化学学及地球球物理标标志活断层的的工程地地质调查查目的在在于准确确确定建建筑区附附近活断断层带位位置，确确定建筑筑区内有有无活断断层，活活断层带带的宽度度，错动动最大幅幅值及变变形带宽宽度，以以及间断断活动的的时间间间隔，如如果伴有有地震，，则应进进行地震震研究。。活断层的的调查研研究方法法航测照片片可可以看到到地表研研究所不不能看到到的迹象象，近年年来快鸟鸟(QUICKBIRD)卫片精度度达0.68m,在研究属属于线性性构造的的断层中中是很有有用的。。有些主主干走向向错动活活断层在在图上极极易看出出．另另一一些极端端情况，，例如逆逆断层，，既使是是有丰富富经验的的解译者者也只能能定为可可疑断层层，所以以一定要要两个有有经验的的人分别别解译