活断层与地震工程地质讲义

第三章活断层与地震

工程地质研究第一节概述区域地壳稳定性：指地球内动力地质作用,如地震、火山活动、断层错动以及显著的地壳升降运动等对工程建设安全稳定的影响程度。

指工程建设区域的现今地壳，由于天然或工程因素引起的地应力变化，主要产生构造、火山、地震等活动所造成的具有区域性地壳表层位移和破坏的程度。活断层地

震

破

裂

带唐山大地震唐山大地震玉树地震汶川地震印尼的活火山印尼的活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程意义活断层基本本特征活断层鉴别别标志活断层调查查研究方法法活断层区建建筑原则断裂与断层层的区别断裂：fracture,rupture，又称破裂，，物体受力力变形，当当应力达到到破裂强度度时，物体体就会发发生断开，，使物体的的连续性和和完整性遭遭到破坏，，称为断裂裂或破裂。。岩石中的的断裂包括括裂隙、节节理和断层层等。不论论断裂两侧侧岩层或岩岩体是否沿沿断裂面发发生过相对对位移。断层：fault，岩石在力力的作用下下发生破裂裂，并在被被破裂的两两个岩体之之间发生相相对位移的的不连续面面，位移方方向平行于于不连续面面。概念及工程程意义活断层一般般是指现今今正在活动动的断层，，或近期曾曾活动过、、不久将来来可能重新新活动的断断层。后者者也称为潜潜在活断层层。《岩土工程勘勘察规范》全新活动断断裂：全新新世（10000）年内有过过活动或近近期正在活活动，在将将来（100年）可能继继续活动的的断裂。发震断裂：：近期（500年）发生过过5级以上地震震，或在未未来100年内预测可可能发生5级以上地震震的断裂。。《水利水电工工程地质勘勘察规范》活断层：最最后一次错错动距今10-15万年（晚更更新世）的的断层。美国原子能能委员会（（USNRC）的定义是是：（1）在3.5万年内有过过一次或多多次活动的的断层（2）与其他活活动断层有有联系的断断层（3）沿该断裂裂发生过蠕蠕动或微震震活动活断层的工工程意义沿活动断裂裂带分布的的房屋被摧摧毁沿活动断裂裂带道路出出现波状节节律性破坏坏北川县城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）主要介绍活活断层的类类型与活动动方式、继继承性与反反复性、长长度与断距距、错动速速率与周期期。活断层的基基本特征一、活断层层的类型按照位移方方向与水平平面的关系系：（1）正断型活活断层差异升降活活动为它的的断陷盆地地边缘。下下降盘分支支断层多见见，形成地地堑式的正正断层组合合。（2）逆断型活活断层多分布于板板块碰撞挤挤压带。上上盘变形带带大，出现现多分支断断层。（3）走滑型活活断层常分布于大大陆内部的的地块之间间的接触部部位，水平平错动量大大，断层带带宽度不大大，很少分分支断裂。。二、活断层层的基本特特征继承性与反反复性1、继承了老老的断裂构构造尤其是是中生代和和第三纪以以来的断裂裂构造格架架2、西部地区区以走滑和和逆冲－走走滑断层为为主，且强强度明显大大于东部3、东部以正正断层和走走滑－正断断层为主。。是深大断裂裂复活运动动的产物1、深大断裂裂在挽近期期及现代地地壳构造应应力条件下下重新活动动而产生2、深大断裂裂：切穿岩岩石圈、地地壳或基底底的断裂，，延伸数十十～数千km，切割深度度数公里～～百余公里里.活断层受控控于板块构构造全球构造（（板块构造造platetectonicstheory）理论的基基本点是，，全球划分分为六个刚刚性的岩石石圈板块在在软流层之之上漂移，，不断地运运动。研究表明，，印度板块块与欧亚于于始新世末末，即大约约3800万年前相互互碰撞，此此后印度板板块仍以每每年约5cm的速度向NNE方向推进，，强力地推推挤着欧亚亚板块,板块接触带带的两个端端点位于察察隅和伊斯斯兰堡附近近。在碰撞撞挤压过程程中欧亚板板块内产生生了塑性或或粘性流动动变形。印度洋板块块青藏高原（1）粘滑型活活断层间歇性突然然滑动，常常伴有地震震活动，也也称为地震震断层。发生在强度度较高的岩岩石中，断断层带锁固固能力强，，危害大。。发震断裂特特征：深断断裂，裂谷谷，板块接接触带。（2）蠕滑型活活断层沿断层面两两侧岩层连连续缓慢地地滑动发生在强度度较低的软软岩中，断断层带锁固固能力弱一般无震发发生，有时时可伴有小小震。活动方式可可分为粘滑滑型和蠕滑滑型近年来，一一些研究者者注意到了了粘滑型断断层在大震震前后一段段时间内在在震源区及及其外围的的蠕滑现象象。1976年唐山地震震前后的一一些宏观现现象，如井井壁坍塌变变形、沿八八宝山断层层地下水位位的变化、、河北省中中部的井喷喷现象等，，都可能与与深部断层层的蠕动有有关。据唐山地震震区地形变变资料反演演求得的震震中区8km×6km的地带内，，于1969——1975年发生了走走滑错距为为104cm的无震蠕滑滑，走向和和倾向滑动动的平均速速率分别达达18.6cm/a和1.4cm／a。我国大陆内内部还有一一种特殊的的反映断裂裂蠕动的构构造形式，，就是由于于地壳块体体或断裂带带蠕动，导导致在地面面产生一系系列微型破破裂构造，，一般称为为地裂缝(groundfissure)或“地裂””现象。典型代表有有西安地裂裂缝和1974——1976年在冀、鲁鲁、豫、皖皖等省先后后出现的大大面积地裂裂现象。上述的地裂裂现象不受受地貌、土土质和水文文条件影响响而广泛分分布在大范范围内，与与区域构造造方向和区区域应力场场方向协调调，表现出出有统一的的受力方向向，反映出出它们可能能是一种大大范围构造造活动或深深部断裂的的蠕动而引引起的地表表蠕裂现象象。西安地裂缝缝就被认为为是由于渭渭河断陷南南侧的长安安临潼断裂裂的张性蠕蠕动，为厚厚达一千余余米的第四四纪土层提提供了潜在在临空面，，在自重应应力场作用用下产生了了侧向扩展展(gravitationallateralspreading)而形成的。。活动断层的的产状要素素、长度等等均是重要要的几何要要素，这些些可以通过过勘探等手手段得到确确定。而活活动断裂重重新活动往往往并非全全断裂都活活动，而是是部分段的的活动，指指现活动段段长度及两两旁相应的的错断距离离。通常用强震震导致的地地面破裂(地震断层或或地表错断断)的长度(L)和伴随地震震产生的一一次突然错错断的最大大位移值(D)表示。通过对地表表错断的研研究，可以以了解地震震破裂的方方式和过程程，判定地地震断层动动力学特征征，又可了了解地震时时的地面效效应，判定定地震危险险性和震害害程度，为为在活断层层区修建建建筑物的抗抗震设计提提供参数。。对于历史活活断层长度度和断距，，可以从被被错动的形形迹得到，，而对于潜潜在活断层层，要根据据有关方面面进行预测测。通常是根据活断断层可能产生最最大地震震级M，利用统计经验验方式及查表确确定L和D。活断层参数的定定量研究如下关系图也可可以作为确定L、D时使用（1）我国关系式（（四川省地震局局1986）：M=1.19lgL+5.25L=0.56M-2.25（2）日本松田时彦彦得出的关系式式为：M=（1/0.6）lgL+4.85lgD=0.55M-3.71（3）博泥拉得出的的关系式：Ms(L)=6.04+0.708lgL断层长度1~数百公里不等，，一般小于5.5级地震很少产生生地表错动。地表所见断层长长度是地下的1/2~1/5.活断层地震活动动是否在地表显显现形迹，与地地表覆盖层厚度度、震源深度及及震级有关，一一般覆盖层厚度度大于30-50m、震源深度大于于10-30km、地震震级小于于6级条件下，很少少出现地表断裂裂现象。有的情况下，可可以采用数字分分析（如有限元元）方法确定断断层长度及断距距。1、错动速率错动速率是指断层年错动动位移量，一般般是用若干年总总的错动量计算算得到，因而也也称平均错动速速率。分为水平平和垂直分量。。断层错动速率率从两个方面获获得：活断层活动速率率及相应周期是是表明活断层的的活动强度的重重要指标，是地地震强度的重要要资料。（1）精密地形变测测量是研究现今活动动断裂的有效方方法。我国许多多著名活断层均均设有精密水准准、三角测量、、激光测距等量量测工作。有了量测数据，，便可以计算错错动速率。如贺贺兰山东麓活断断裂红果子沟处处，84年~86年测得断层右旋旋错动，水平8.48mm、垂直0.75mm。故错动速率：：四、错动速率和和活动周期（2）根据第四纪地地层、地质的年年代及错动量来来获得研究夷平面、阶阶地、水系、断断崖、土层等，，通过测量错动动量及相对年龄龄，可以计算出出平均错动速率率。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、错动周期地震断层两次突突然错动之间的的时间间隔为活活断层错动周期期。断层运动是地质质体能量积累释释放的结果，显显然能量积累要要经历一个时期期，积累的过程程断层处于平静静期（休眠期）），释放的过程程为活动期。断断层表现为活动动——平衡——再活动的周期恢恢复。断层应变变速率、锁固段段深度等不同，，表现了不同的的错动周期。对对于粘滑型断层层，一次错动对对应的是一次地地震活动。可按以以下方方法确确定错错动周周期：：①按地壳壳应变变速率率（这这是近近似当当成断断层平平均错错动速速率））S及一次次地震震错动动量d计算R。按上式式计算算，对对于S＝1～10mm/a的A级活断断层，，当发发生M＝7～8的地震震时，，R≈1000年。②根据2次地震震条件件、时时间间间隔确确定③根据地地震震震级及及错动动速率率，由由经验验统计计式计计算许多人人研究究了震震级M、错动动速率率S与错动动周期期的关关系；；建立立了许许多统统计关关系。。如日日本的的松田田时彦彦对日日本断断层错错动与与地震震震级级关系系时，，得到到lgd=0.6M-4.0,错动周周期是是R=d(错移量量)/s(错动速速率)，即有有④根据第第四纪纪地层层、地地质错错动证证据，，结合合年龄龄测定定确定定周期期。据研究究，活活断层层活动动周期期一般般在1—2千年左左右，，少数数上万万年或或几百百年。。三次运运动：：①第一一次（（4200a）上盘盘块体体下滑滑，产生张张裂缝缝，堆堆积W1.②第二次次（2700a）上盘盘继续续下滑滑，产生拉拉张裂裂缝，，将W1拉开，，途中中堆积W2.②第三次次（820a）继续续下滑滑，出出现F2断裂，，将W2错断（（垂直直距离离0.6m）.周期：：一次次→二二次4200-2700=1500年二次→→三次次2700-820=1880年速度：：二次→→三次次0.6÷1880≈≈0.75mm/a北天山山西部部喀什什河断断裂活断层层的年年龄判判据活断层层的年年龄判判据方方法有有间接接法（（错断断地层层年龄龄法））和直直接法法（断断层物物质绝绝对年年龄法法）两两种：：间接法法：适适用于于错断断断层层带及及其所所在地地质体体上覆覆盖有有第四四纪沉沉积物物的条条件。。直接法：从断层带带内采取样品，并并用专门一起测定定样品中某些矿物物、岩石、化石的的物理、化学和显显微结构的变化等等，用以确定绝对对年龄。14C法：宇宙射线中子子冲击高空氮生成成14C,新生的14C被氧化成为CO2,参加自然界碳循环环，扩散到整个生生物界以及大气发发生交换的一切含含碳物质中。这些些14C含量一方面衰减，，一方面从大气中中得到补偿，保持持平衡，但是一旦旦动植物死亡掩埋埋，则只会衰减而而不得到补偿。即即可通过半衰期测测年。适用范围是是距今300年-50000年。热释光法：某些固固体物质因长时间间受到射线的辐射射，在辐射电离作作用下，固体物质质产生电子-空穴对，一些电子子被晶体的缺陷所所俘获。如果将晶晶体加热，被俘获获的电子则从陷阱阱中逃逸出来与空空穴复合，同时以以光子的形式释放放出他们所储存的的能量，这就是热热释光。当积累热热释光以后，遇到到光-热事件，就会使积积存的热释放，然然后重新积累热释释光。一、地质、地貌、、水文地质标志二、历史地震及历历史期地震错段标标志三、微地震测量及及地形变检测标志志四、地球物理标志志断层的活动性与否否要通过一些标志志加以鉴别。鉴别别有直接测定活动动物质年龄的方法法，也可以从有关关的地质、地球物物理等现象间接判判断。间接鉴别标志有如如下几个方面：活断层的鉴别标志志地质方面最新沉积物被错断断，断层破碎带，，砂土液化，地面面破裂等最新沉积物被错断断只要是见到第四系系中、晚期的沉积积物被错断，均视视断层为活断层。。如位于汾渭地堑堑中段的平遥活断断层，错断晚更新新世中晚期的黄土土，以及早中期更更新世地层，断距距40—50m。如图：如上图，可看出几几期运动：①C堆积以前，断层已已活动，位移量大大；②C堆积以后，D堆积以前，断层至至少一次运动（（CD的错距不同）；③D堆积后，E堆积以前至少一次次活动。断层破碎带构造形形迹活动断层因其形成成时间较晚，一般般表现为构造带物物质欠固结欠胶结结状态，较为松散散。另外，表现出出脉体变形被切断断，构造岩片理化化，透镜化，断面面新鲜无风化，第第四系物质牵引弯弯折等。断层矿物物的显微变形出现现显微组构（如不不等颗粒拉长，长长轴微定向等），，如图1、不同地貌单元突突然相接，或两边边沉积物厚度显著著差别地貌方面例如，隆起山区与与断陷盆地突然相相接。一次错动量量大的活断层，沿沿线分布断层三角角面、断层崖、陡陡坎、垭口、“V型谷”等。2、地貌单元的分解解和异常例如，河流阶地、、山脊、水系、夷夷平面、坡洪积扇扇等地貌单元，由由于活断层作用，，使其产生错断、、分解。例如，活断层作用用使正常发育的地地貌系统出现异常常形态或特殊地貌貌景观。如断层带带一侧，河流的同同步肘状拐弯、宽宽窄变异，活断裂裂带上线状排列的的洪积群、泥石流流、滑坡、串珠状状洼地等。水文地质方面由于断层带构造物物质松散，容易形形成强导水带，因因而活断层带一线线分布泉水、温泉泉，出现植被发育育现象。也由于活活断层为深大断裂裂，深循环水将导导致水的化学异常常。历史地震记载资料料我国有长达3000多年的历史地震记记载资料，尤其是是较近的历史记载载，可以帮助判别别活断层的存在，，可能时据以判断断活断层的错距，，断裂长度等。对古代建筑物破坏坏、错断、掩埋等等情况调查，可以以帮助判断活断层层当时的错距等情情况。微震及地形变测量量采用精密水准测量量和三角测量在可可能活动断层两侧侧进行地形变测量量，可以有效地获获得断层活动性的的有关证据。断层的现代活动，，必然导致断层带带内产生物理、化化学变化，其中如如断层气、放射性性异常；重力、磁磁力、地温等物理理异常。通过测量量分析，可以间接接作为活断层的佐佐证。自70年代以来，我国地地震部门在一些重重要地区设置了密密集的地震台网，，监测微震震中位位置用以判别活断断层，尤其在一些些大型水、著名的的活断层地区布置置监测台站，取得得了一系列监测资资料。它是研究现现代地震活断层的的最直接有效的方方法，但其费时、、代价高，不能作作为研究活断层的的主要工具。地球化学及地球物物理标志活断层的工程地质质调查目的在于准准确确定建筑区附附近活断层带位置置，确定建筑区内内有无活断层，活活断层带的宽度，，错动最大幅值及及变形带宽度，以以及间断活动的时时间间隔，如果伴伴有地震，则应进进行地震研究。活断层的调查研究究方法航测照片可可以看到地表表研究所不能看到到的迹象，近年来来快鸟(QUICKBIRD)卫片精度达0.68m,在研究属于线性构构造的断层中是很很有用的。有些主主干走向