地质工程学课件

工程地质学

第一章绪论

一、工程地质学的研究对象、任务与分科

1、定义

工程地质学是地质学的分支学科，它是一门研究与工程建设有关的地质问题、为工程建设服务

的地质科学，属应用地质学的范畴。

2、研究内容

地球上现有的一切工程建筑物都建造于地壳表层一定的地质环境中。地质环境包括地壳表层和

深部的地质条件以一定的作用，影响建筑物的安全、经济和正常使用；而建筑物的兴建又反馈作用于

地质环境，使自然地质条件发生变化，最终又影响到建筑物本身。二者就处于相互联系，又相互制约

的矛盾之中。工程地质学就是研究地质环境与工程建筑物之间的关系，促使二者之间的矛盾转化、解

决。

3、研究任务

工程地质学为工程建设服务:是通过工程地质勘察来实现的，通过勘察和分析研究，阐明建筑地

区的工程地质条件，指出并解决历存在的工程地质问题，为建筑物的设计、施工以至使用提供所需的

地质资料。它的主要任务是：

①阐明建筑地区的工程地质条件，并指出对建筑物有利的和不利的因素；

②论证建筑物所存在的工程地质问题，进行定性和定量的评价，作出确切的结论；

③选择地质条件优良的建筑场址，并根据场址的地质条件合理配置各个建筑物；

④研究工程建筑物兴建后对地质环境的影响，预测其发展演化趋势，并提出对地质环境合理利用

和保护的建议；

⑤根据建筑场址的具体地质条件，提出有关建筑物类型、规模、结构和施工方法的合理建议，以

及保证建筑物正常使用所应注意的地质要求；

⑥为拟定改善和防治不良地质作用的措施方案提供地质依据。

可见，工程地质工作是工程建设的基础工作。工程地质工程师务必要与工程设计与施工工程师

密切协作，以完成上述各项任务。

4、两个重要概念

实践表明：工程地质条件的阐明，是工程地质工作的基础；而工程地质问题的论证和解决，则

是工程地质工作的核心。因而，在这里明确工程地质条件和工程地质问题的含义是很有必要的。

工程地质条件(Engineeringgeologicalcondition)指的是工程建筑有关的地质因素的综合。

地质因素包括岩土类型及其工程性质、地质结构、地貌、水文地质、工程动力地质作用和天然建筑材

料等方面，它是一个综合概念。其中的某一因素不能概括为工程地质条件，而只是工程地质条件的某

一方面。兴建任何一类建筑物，首要的任务就是要查明和认识建筑场区的工程地质条件。由于不同地

域的地质环境不同，因此工程地质条件不同，对工程建筑物有影响的地质因素主次也是不相同的。工

程地质条件是在自然地质历史发展演化过程中形成的，是客观存在的。

工程地质问题(EngineeringgeologicalProblem)指的是工程地质条件与建筑物之间所存在的

矛盾或问题。优良的工程地质条件能适应建筑物的安全、经济和正常使用的要求，其矛盾不会激化到

对建筑物造成危害；但是工程地质条件往往有一定的缺陷，而对建筑物产生严重的甚至是灾难性的危

害。所以，一定要将矛盾着的两个方面联系起来进行分析。由于工程建筑的类型、结构形式和规模不

同，对地质环境的要求不同，所以工程地质问题也是复杂多样的。例如，工业与民用建筑的主要工程

地质问题是地基承载力和沉降问题，地下洞室的主要工程地质问题是围岩稳定性问题；露天采矿场的

主要工程地质问题是采坑边坡稳定性问题；水利水电工程中，土石坝最需注意的是坝基渗透变形和渗

漏问题，混凝重力坝是坝基抗滑稳定问题，拱坝是坝肩抗滑稳定问题。工程地质问题的分析、评价，

是工程地质工程师的中心任务。

5、相关工程实例

在国外，由于工程地质问题而导致的建筑事故是不乏其例的。在坝建工程中，此类事故更是惨

重。例如，如28年美国圣•弗兰西斯(St-Frantis)重力坝的失事,是由于坝基软弱岩层崩解冲刷和

滑动引起的。1959年法国马尔帕塞(Malpasst)薄拱坝的溃决，则是由于坝的左翼片麻岩体沿着一个倾

斜的软弱结构面滑动所致。1963年10月9日所发生的意大利瓦依昂(Vaiont)水库左岸大滑坡，更是

举世震惊。瓦依昂双曲拱坝坝高261.6m,是当时世界最高的大坝之一。当水库壅水至225.4m时，左

岸山体突然下滑，体积达2.7—3.0X1081113,滑速达28m/s,水库中有5X107m'的水体被挤出，激起

250nl高的巨大涌浪，高150nl的洪波溢过坝顶冲向下游，约有3000人丧生。该水库开始蓄水时，就发

现左岸山体蠕滑变形，但未引起水工人员的注意，随着库水位抬高，滑动面上空隙水压力加大，从而

导致整个山体下滑。在工业与民用建筑中，也有许多典型的地质事故。如加拿大特朗斯康(Trans-Cona)

谷仓的倾倒，是由于对该区大建筑物地基中深埋软土层的不均匀沉陷估计不足。巴西1958年初刚建成

的一座十一层高层建筑，尚未使用即倾倒平躺在地上。其原因是支承该建筑物的钢筋混凝土桩长度不

够，未能深入到沼泽土以下的硬土层中，致使地基承载力不足而不均匀沉降过大。

我国也有一些建筑工程因工程地质问题而造成严重事故的。例如1961年3月湖南资水柘溪水电

站的近坝库岸滑坡，发生于震旦系板溪群砂质板岩中。由于水库蓄水，使同向坡的库岸边坡受空隙水

压力作用而失稳。滑坡体倾入水库中产生的涌浪溢过坝顶冲向下游，造成了生命财产的严重损失。1980

年6月湖北远安盐池河磷矿的岩崩发生于震旦系灯影组厚层灰岩中。由于灰岩下部较软弱的陡山沱组

薄层白云质灰岩和页岩中开拓采掘巷道，引起岩体变形，使上部厚层灰岩中顺坡向陡倾节理被拉开，

约100万■的岩体急速崩落，摧毁了矿务局和坑口全部建筑物，死亡281人。此外，我国近年来因物

理地质作用造成的地质灾害频繁发生，它们都造成了严重的生命财产损失。例如，1978年唐山大地震,

1981年成昆线利子依达沟和辽东老帽山地区的泥石流，1983年甘肃东乡泗勒山大滑披，1987年四川

巫溪岩崩等。

由此可见，为保证工程的正常施工、运行和生命财产的安全，工程地质学的任务是非常重要的。

6、研究内容

工程地质学的任务决定了它的研究内容，归纳起来主要有以下儿个方面。

(1)岩土工程性质的研究地球上任何类型的建筑物均离不开岩土体，无论是分析工程地质条件，

或是评价工程地质问题，首先要对岩土的工程性质进行研究。研究岩土的工程地质性质及其形成变化

规律，各项参数的测试技术和方法，岩土体的类型和分布规律，以及对其不良性质进行改善等内容。

有关这方面的研究，是由工程地质学的分支学科工程岩土学(Scienceofergineeringrockandsoil)

来进行的。

(2)工程动力地质作用的研究地壳表层由于受到各种自然营力包括地球的内力和外力作用，还有

人类的工程—经济活动，影响建筑物的稳定和正常使用。这种对工程建筑有影响的地质作用，即为

工程动力地质作用。习惯上将由于自然营力引起的各种地质现象叫做物理地质现象，由于人类工程一

一经济活动引起的地质现象叫做工程地质现象。研究工程动力地质作用(现象)的形成机制、规模、分

布、发展演化的规律，所产生的有关工程地质问题，对它们进行定性的和定量的评价，以及有效地进

行防治、改造，就成为工程地质学的另一分支学科工程动力地质学(Engineeringdynamicgeology)

的研究内容。

(3)工程地质勘察理论和技术方法的研究为了查明建筑场区的工程地质条件，论证工程地质问

题，正确地作出工程地质评价，以提供建筑物设计、施工和使用所需的地质资料，就需进行工程地质

勘察。不同类型、结构和规模的建筑物，对工程地质条件的要求以及所产生的工程地质问题各不相同,

因而勘察方法的选择、工作的布置原则以及工作量的使用也是不相同的。为了保证各类建筑物的安全

和正常使用，首先必须详细而深入地研究所能产生的工程地质问题，在此基础上安排勘察工作。应制

订适用于不同类型工程建筑的各种勘察规范或工作手册，作为勘察工作的指南，以保证工程地质勘察

的质量和精度。在当前工程地质勘察中，尤其要研究新颖的勘察理论和新技术方法的应用，使勘察工

作更为快速、轻便、有效。有关这方面的研究，是由专门工程地质学(Specialengineeringgeology)

这一分支学科来进行的。

(4)区域工程地质的研究区域工程地质是为工程规划设计提供地质依据的。不同地域由于自然

地质条件不同，因而工程地质条件也不相同。认识并掌握广大地域工程地质条件的形成和分布规律，

预测这些条件在人类工程——经济活动影响下的变化规律，并按工程地质条件进行区划，作出工程地

质区划图，就是区域工程地质研究的内容。区域工程地质学(Regionalengineeringgeology)即为这

方面研究的分支学科。

由此我们可以知道，工程地质学是一门应用性非常强的地质科学。它在工程建设中的地位相当

重要，服务对象非常广泛，所研究的内容也是十分丰富的。

二、工程地质学的研究方法及其与其它学科的关系

1、研究方法

工程地质学的研究方法与它的研究内容相适应的，主要有自然历史分析法、数学力学分析法、模

型模拟试验法和工程地质类比法。

(1)自然历史分析法

自然历史分析法即为地质学的方法，它是工程地质学最基本的一种研究方法。工程地质学所研

究的对象——地质体和各种地质现象，是自然地质历史过程中形成的，而且随着所处条件的变化，还

在不断地发展演化着。所以对一个动力地质作用或建筑场地进行工程地质研究时，首先就要作好基础

地质工作，查明各项自然地质条件和各种地质现象，以及它们之间的关系，预测其发展演化的趋势及

结果。只有这样，才能真正查明研究地区的工程地质条件，并作为进一步研究工程地质问题的基础。

例如，对斜坡变形与破坏问题进行研究时，要从研究形态入手，确定斜坡变形与破坏的类型、规模及

边界条件，分析斜坡变形、破坏的机制及各项影响、控制因素，以展现其空间分布格局，进而分析其

形成、发展演化过程和发育阶段。从空间分布和时间序列上揭示其内在的规律；并且还要预测在人类

工程——经济活动下的变化情况，为深入进行斜坡稳定性工程地质评价奠定基础。

又如研究坝基抗滑稳定性问题时，首先必须查明坝基岩体的地层岩性特点、地质结构及地下水

活动条件，尤其要注意研究软弱泥化夹层的存在和岩体中其它各种破裂结构面的分布，及其组合关系,

找出可能的滑移面和切割面以及它们与工程作用力的关系，研究滑移面的工程地质习性，以作为进一

步研究坝基抗滑稳定的基础。

但是，仅有地质学的方法是不能完全满足工程地质评价的要求的，因为它终究属于定性研究的

范畴，并没有数量的概念。所以要深入研究某一工程地质问题时，还必须采用定量研究的方法。数学

力学分析法、模型模拟试验法即属定量研究的范畴。

(2)数学力学分析法

数学力学分析法是在自然历史分析的基础上开展的。对某一工程地质问题或工程动力地质现

象，在进行自然历史分析之后，根据所确定的边界条件和计算参数，运理论公式或经验公式进行定量

计算。例如在斜坡稳定性计算中通常采用的刚体极限平衡理论法，就是假定斜坡岩土体为刚体的前提

下，将各种作用力以滑动力利抗滑力的形式集中作用予可能的滑移破坏面上，求出该面上的边坡稳定

系数，作为定量评价的依据。为了搞清边界条件和合理地选用各项计算参数，就需要进行工程地质勘

探、试验，有时则要耗费巨大的资金和人力。所以除大型或重要的建筑物外，一般建筑物往往采用经

验数据类比进行计算。

由于自然地质条件比较复杂，在计算时时常需要把条件适当简化，并将空间问题简化为平面问

题来处理。一般的情况是，先建立一地质模型(物理模型)，随后抽象为数学模型，代入各项计算参数

进行计算。当前由于现代电子计算技术的发展，各种数学、力学计算模型愈来愈多地运用于工程地质

领域中。弹性力学和弹塑性力学理论的有限单元法也日益广泛地应用于斜坡稳定性、坝基抗滑稳定性、

地面沉降及水库诱发地震危险性等的分析计算。这种方法在计算空间问题、非均」非线性的复杂课

题时更显示它的优越性。此外，模糊数学、数量化方法、灰色理论、逻辑信息法等的引入，为工程地

质定量评价开辟了新的途径。

(3)模型模拟试验法

模型模拟试验法在工程地质研究中也常被采用，它可以帮助我们探索自然地质作用的规律，揭

示某一工程动力地质作用或工程地质问题产生的力学机制，发生，发展演化的全过程，以便我们作出

正确的工程地质评价。因为有些自然规律或建筑物与地质环境相互作用的关系可以用简单的数学表达

式来表示；而有些数学表达式则十分复杂而难解，甚至因不易发现其作用的规律而无法用数学表达式

来表示，在这种情况下，采用模型模拟试验则更为有益。

进行模型模拟试验必须要有理论作指导，除了工程力学、岩体力学、土力学、水力学、地下水

动力学等理论指导外，还必须有量纲原理和相似原理作指导。

模型试验与模拟试验的区别，在于试验所依据的基础规律是否与实际作用的基础规律一致。例

如用渗流槽进行坝基渗漏试验，是属于模型试验的方法，因为试验所依据的是达西定律，与实际控制

坝基渗漏的基础规律相同。但若用电网络法进行这种试验，则属于模拟试验的方法，因为试验是以电

学中的欧姆定律为依据的；欧姆定律与达西定律形式上虽然相似，而本质上则根本不同。

在工程地质中常见的模型试验有:地表流水和地下水渗流作用，斜坡稳定、地基稳定、水工建筑

物抗滑稳定以及地下洞室围岩稳定等工程岩土体稳定性的试验。常用的模拟试验有:光测弹性和光测塑

性模拟试验，以及模拟地下水渗流的电网络模拟试验等。

(4)工程地质类比法

工程地质类比法在工程地质研究中也是常用的一种方法，可以用于定性评价，也可作半定量评

价。它是将已建建筑物工程地质问题的评价经验运用到自然地质条件与之大致相同的拟建的同类建筑

物中去。很显然，这种方法的基础是相似性，即自然地质条件、建筑物的工作方式、所预测的工程地

质问题性质都应大致相同或近似。它往往受研究者的经验所限制。由于自然地质条件等不可能完全相

同，类比时又往往把条件加以简化，所以这种方法是较为粗略的；一般适用于小型工程或初步评价。

目前在评价斜坡稳定性中常用的“标准边坡数据法”“标准边坡数据法”即属此法。

上述四种研究方法各有特点，应互为补充，综合应用。其中自然历史分析法是最重要和最根本

的研究方法，是其它研究方法的基础。作为工程地质工程师是必须明确的。

2、与其它学科的关系

由上述可知，工程地质学所涉及的知识范围是很广泛的，它必须有许多学科的知识作为自己的

理论基础。除了与地质学的各分支学科有密切关系外，还与其它许多学科相联系。

地质学的分支学科:动力地质学、矿物学、岩石学、构造地质学、地史学、第四纪地质学、地貌

学和水文地质学等，都是工程地质学的地质基础学科。工程地质研究没有上述各学科的知识，是无法

进行的。在工程地质研究中，各地质学分支学科的理论和方法常为之应用。但是，工程地质学是为工

程建设服务的，其研究目的性非常明确而实际，所以在研究的深度和方法上与地质学的其它分支学科

有所不同。例如，动力地质作用都是动力地质学和工程地质学研究的对象，但前者主要是定性地研究

其形态、分布、产生条件等方面内容；而后者不但要进行定性的研究，而且还要更深入地研究其形成

机制，定量地研究其发生、发展演化的规律，对工程建筑物的影响程度，以及有效的防治措施等。

为定量评价工程地质问题，工程地质学需要数学和力学学科知识作为它的的基础。所以，高等

数学、应用数学、工程力学、弹性力学、土力学和岩体力学等都与工程地质学有着十分密切的关系。

工程地质学中的大量计算问题，实际上就是土力学和岩体力学中所研究的课题。因此，在广义的工程

地质概念中，甚至将土力学和岩体力学也包含进去。土力学和岩体力学是从力学的观点研究土体和岩

体的，它们应属力学范畴的分支学科。

工程地质学也以其它的基础学科作为自己的基础。如，物理学、普通化学、物理化学和胶体化

学等。此外，工程地质学还与工程建筑学、环境学、生态学及其它应用技术学科有密切的联系。

三、工程地质学的历史、现状与展望

在国际上，工程地质学作为地质学的分支学科，独立形成为一门科学，仪有50多年的历史，

因而它是一门颇为年轻的科学。

本世纪30年代初，在苏联开展了大规模国民经济建设。促使地质学与建筑工程科学的相互渗

透，工程地质学由此作为一门独立学科而萌生了。1932年在莫斯科地质勘探学院成立了由中II萨瓦

连斯基领导的工程地质教研室，培养工程地质专业人才，并奠定了工程地质学的理论基础。与此同时,

在欧美国家中工程地质工作也有所开展，但它是附属于土木建筑工程中的，并未成为独立完整的科学

体系。他们主要从事一般地质构造和地质作用与工程建设关系的研究。有关岩土工程地质性质和力学

问题的研究叫是由土力学和岩石力学来进行的。称之为岩土工程(Geotechnicalengineering)(,

工程地质学经过了50多年的发展，学科体系逐渐完善，已形成为有多个分支学科的综合性学

科。

当前我国工程地质界在能源和矿产资源开发的工程地质、经济开发区和城市环境工程地质、地

质灾害预测预报、工程地质图系编规范以及工程地质测试技术方法等方面，开展了广泛而深入的研究。

工程地质学科正朝着宏观研究和微观、超微观研究相结合，基础研究和定量研究相结合的道路前进。

同时，系统论、信息论、控制论、耗散结构等现代科学方法论已渗透到工程地质学科的研究领域内。

工程地质学作为一门独立的科学体系在向前发展着。从当今的发展趋势看，现代工程地质学的

发展方向是：

(1)环境工程地质这是现代工程地质研究的热点。由于人类工程——社会经济活动对地质环境

影响日益广泛而深刻，使地质环境出现不良后果，甚至地质灾害频发。环境的恶化将严重威胁人类的

生存和未来，因而促使国际工程地质界开展此项研究工作。要建立起地质环境与人类活动之间的理论

模式关系和合理利用及保护地质环境的理论，科学地、合理地预测由于人类活动而引起地质环境的区

域性变化。今后在水利水电工程、矿产开发和城市建设的环境工程地质研究势必会更深入地开展起来。

(2)矿山工程地质近代矿山开采的特点是开采深度和范围愈来愈大，地质条件愈益复杂。深、

露采的高边坡、深矿井强大的山岩压力，使岩体的工程地质条件发生一系列变化对工程地质研究提出

了重要的新课题.

(3)地震工程地质地震是人类所面临的最严重的地质灾害，因此地基抗震工程地质研究也是现

代工程地质学的重要课题，它包括地震断层活动特性、震源机制、地震效应和地震危险性小区划的研

究等方面。

（4）海洋工程地质向海洋索取资源和开辟建设空间，是人类所面临的重大抉择。大陆架海底资

源的开发、海洋工程、海底隧道和海岸工程的兴建，促使开展海洋工程地质研究。其中海底现代沉积

物及工程地质探测技术的研究，是重要的课题。

总之，工程地质学发展的前景广阔，在它发展的道路上将使自己的体系不断充实和成熟，为人

类作出更大的贡献。

第二章活断层工程地质研究

第一节概述

一、活断层的定义

活断层（activefault）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。后一种情况也可称为潜在活断层（potentiallyactivefault）0美国将活断层叫做

能动断层（capablefault）o

各国学者对目前正在活动着的断层，因有鉴别标志佐证而无争议。但对潜在活断层的判定则有

不同见解，主要是对“近期”一词的看法不同，即对活断层活动时间的上限有不同的标准。有的将第

四纪开始以来活动过的断层都叫活断层，有的将活断层的时间上限定在晚更新世，有的则限于最近

35000年（以C14确定绝对年龄的可靠上限）之内，也有的认为只限于全新世之内。时间差距竟达近200

倍。从工程使用的时间尺度和断层活动资料的准确性考虑，活动时间上限不宜过长。一般工程的使用

年限为数十年，一些重大的工程设施如高坝、核电站等使用年限在一二百年以内。因此人们更为关心

的是“不久的将来”（例如一二百年内）有无活动的可能性。从工程勘察的角度出发，应给予潜在活断

层以明确的含义。

美国原子能委员会（USNRC）1973年对能动断层做出了三条规定：①在35000年内有过一次或多次

活动的断层；②与能动断层有联系的断层；③沿该断裂带仪器记录到小震活动和多次的历史地震事件,

或该断裂发生过蠕动。国际原子能机构（IAEA）在上述规定的基础匕又增加了两条规定：①在晚第四

纪它们有过活动；②该断裂有地面破裂的证据。日本的核电部门强调了“在最近可能发生活动”的含

义。

在世界许多地区，对活断层的辨认和研究最初是从地震断层（earthquakefault）开始的。如日

本1891年浓尾地震，美国1905年旧金山地震，都产生了明显的地震地表断层，从而推动了对活断层

的研究。数十年来的研究表明，活断层一般是沿已有的断层长期活动或是老断层的复活（当然也有新形

成的断层）；它的活动方式基本有两种，即以地震方式产生突然的滑动和连续缓慢的滑动。同一条断层

在不同时期和不同区段，其活动方式可交替出现。活断层的活动强度一般以其长度和错动速率表征的。

世界上著名的活断层，如圣安德烈斯断层（美国）、安纳托里亚断层（土耳其）、博格多断层（蒙古）、郑

庐断裂（中国）等，都长达数百公里以至上千公里，它们最新活动的标志极为清晰，现今均发生过8级

左右的大地震，具有强烈的活动性。而长度较小的活断层，其活动性则相对较弱。活断层的错动速率

是以某一时期内断层两盘相对位移的平均值来表示的，•一般认为错动速率1mm/a以上的即为较强烈的

活断层了。伴随有地震活动的活断层，在地震活动时相对位移较大，而在非活动期则位移很小甚至无

位移。所以采用重复精密测量和密集的地震台网监测，可判定断层的活动性。

历史上或近期地质时期内曾经活动过的断层，可藉助于历史地震记录、古建筑的破坏和地质标

志来判别它。我国是一个文明古国，有3000年左右的地震历史记载，可以帮助我们判定活断层的存在

以及间歇性活动断层的错动周期；但活断层的具体位置往往难以判定。因断层活动遭致古建筑破坏的

事例，不仅能确切地判定活断层的位置，而且可估算其错动速率。宁夏石咀山市红果子沟，明代中、

晚期（距今约400年）修建的一段东西向长城，有两处被错断，均呈右旋扭动，同时存在水平和垂直错

动，其中水平错距达1.45m,垂直错距为0.9m。这两处错断均为断层的蠕动所致，跨越长城的断层走

向为N28"E。由此估算其错动速率，水平和垂直方向各为3.63及2.25mm/a。地质标志是判定断层活

动性的主要依据。详细地研究断层长期活动在最新沉积层或地貌上留下来的证据，既可判定该活断层

的错动方式和规模，又可判定其错动的时间和周期。

二、活断层对工程建筑物的影响

活断层对工程建筑物的影响表现为两个方面。一方面是由于活断层的地面错动直接损害跨越该

断层修建的建筑物；有些活断层错动时附近有伴生的地面变形，则也会影响到邻近的建筑物。另一方

面是伴有地震发生的活断层，强烈的地震对较大范围内建筑物的损害。从工程地质观点出发，这两方

面的问题均与工程的区域稳定性或地壳稳定性密切相关。

长期蠕动和地震发生时突然滑动的活断层，都可对建筑物造成直接损害。上面提到的宁夏石咀

山附近长城被错断即为一例。长达1000余公里的圣安德列斯大断层是世界上最活跃的活断层，特别是

旧金山东南从霍利斯特至帕克菲尔德约200km的区段内，激光测距获得的断层蠕动速率是l-4cm/a,

因而跨越断层的公路、围墙等建筑物几年后就能发现较大的错位。我国唐山大地震时有一条长8km,

走向N30°E的地表断层，正好由市区通过，最大水平错距3m,垂直断距0.7—1m。该断层穿过的道路、

房屋、围墙等一切建筑物全被错开（图2—1）。

图2—1唐山大地震地表断层错动

（据虢顺斑等.1977）

活断层发震所产生的地震波，对附近大范围内的建筑物发生影响；尤其是那些累积很大弹性应

变能的粘滑型断层，当其锁固段或端点一旦破裂时，应变能大量释放所发生的强烈地震，将会导致建

筑物的严重损害。所以在预测地震危险性时必须首先研究活断层。

第二节活断层的基本特征

一、活断层的类型

根据断层面位移的矢量方向与水平面的关系，可将活断层划分为倾滑断层与走滑断层。倾滑断

层又可分为逆断层和正断层；走滑断层也叫平移断层，又可分为左旋断层和右旋断层。逆断层、正断

层和平移断层，它们的构造应力状态、几何特征和运动特性不同，所以对工程场地的影响也各异。

逆断层的构造应力状态是5近于水平，对近于竖直。断层面与水平面的夹角一般小于45",且

往往呈舒缓波状。逆断层的上盘（上升盘）分支和次生断裂往往较为发育，岩性破碎，地表变形强烈（图

2-2）o这类断层的规模可很大，长达数千公里，且断层带很宽。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。这类逆断层有时地表变形范围很大,

如1964年阿拉斯加地震时，2x105km?面积发生变形，最大垂直上升达12m。

正断层的构造应力状态是5近于竖直，个近于水平，断层面与水平面的夹角一般大于45。，且

往往呈参差状，断层带也较宽。正断层的上盘（下降盘）分支和次生断裂也往往较为发育，岩性破碎，

地面变形强烈（图2—3）。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。上述地带的地壳

均承受了水平张应力。由正断层活动所产生的地震较之逆断层和平移断层要少得多，且地震震级相对

也较小。

图2-2活动逆断层的应力状态图2-3活动正断层的应力状态

平移断层的构造应力状态是5和药均近于水平，断层面即为5、巧之间的最大剪应力面，近于

直立，断层线平直，而断层带极窄。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。平移断层具有鲜明的地貌特征，尤其对水系的错断改造最为清楚，

所以水工建筑物也往往受这类活断层的威胁。实际资料表明，板块内部的大地震大多是伴随平移断层

活动而产生的。平移断层往往是大陆内部地块间的边界，直接显示出各地块间近期相互运动的状况。

上述三类活断层的位移矢量是单纯地倾滑或走滑，而实际上的位移矢量多是倾滑一走滑两种分

量的合成。因此断层也叫做左旋逆断层、右旋正断层等。

按断层的主次关系，又可将活断层分为主断层(mainfault)、分支断层(branchfault)和次级

断层(secondaryfault)»次级断层实际上仍属主断层的分支，对于逆断层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。

二、活断层的活动方式

活断层的活动方式基本有两种，一种是以地震方式产生间歇性地突然滑动，这种断层称地震断

层或粘滑型断层(stick-slipfault)。一种是沿断层面两侧岩层连续缓慢地滑动，这种断层称蠕变断

层或蠕滑型断层(creepingfault)»粘滑型活断层的围岩强度高，断裂带锁固能力强，能不断地积累

应变能。而当应力达到一定强度极限后产生突然滑动，迅速而强烈地释放应变能，造成地震。所以沿

这种断层往往有周期性的地震活动。蠕滑型活断层主要发育在围岩强度低，断裂带内含有软弱充填物,

或孔隙水压、地温的高异常带内，断裂的锁固能力弱，不能积累较大的应变能，在受力过程中易于发

生持续而缓慢地滑动。断层活动一般无地震发生，有时可伴有小震。

近年来，一些研究者注意到了粘滑型断层在大震前后一段时间内在震源和震源外围的蠕滑问

题。1976年唐山地震前后的一些宏观现象，如井壁坍塌、井喷等，可能是与深部断裂的蠕动有关。据

唐山地震震中区地形变资料反演求得，在1969—1975年曾发生了走滑错距为104cm的无震蠕滑，走向

和倾向滑动的平均速率分别达18.6cm/a和1.4cm/a。此外，有的地震刚发生时，地表上见不到断层

位移，经过数日或一年后，地表才出现这次地震产生的位移。这种断层后效蠕动位移现象，已由美国

帕克菲尔德和博利戈山两次地震后的观测资料所证实。说明地震时基岩中发生的断层位移，在其上覆

盖层中是以塑性流动的形式而滞后到达地表面的。

三、活断层的继承性与反复性

研究资料表明，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。例如，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C"年代测定等综合分析，初步可确定断裂带上有3

一5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

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。

我国活断层的分布，主要继承了中生代和第三纪以来断裂构造的格架。在现代地应力场的作用

下，东部以正断层和走滑正断层为主，西部则以走滑和逆冲走滑断层为主。

四、活断层的长度与断距

活断层的长度与断距，是在活断层区修建建筑物时地震预报和设防的重要资料。它是根据地震

时地表错断的情况来确定的，习惯上以地表断裂带长度和断层最大位移值这两个参数来表征。一般地

说，地震的震级愈大，震源深度愈浅，则地表断裂愈长，断层位移量也愈大。实测资料表明，一般大

于7.5级的浅源地震均伴有地表错断，而小于5.5级者则少见。这个问题的分析，是针对沿已有断裂

带上发生的浅源地震而言。

地震时地表错断的长度可从小于1km到数百公里。同样震级的地震由于震源深度和锁固段岩体

强度不同，其地表断裂的长度是不相同的。

一般认为，地面上产生的最长地震断裂最能代表震源断层的长度。据此观点，我国地震作者统

计了我国和邻近地区地震的地面断裂资料•，于1965年提出了如下关系式：

lgL=0.48M-1.57(2-1)

日本提出的类似经验关系式是：

lgL=O.6M-2.9(2-2)

上两式中：M为M8地震震级；L为相应的最长断层长度(km)。当某次地震已知其震级时，即可按上式

估算震源断层的长度。

(2—1)式的可靠性，可取主震后余震分布带的长度作对比。例如1966年邢台地震的主震是7.2

级，按(2—1)式计算其震源断层的长度为80km,邢台地震的余震密集带长度也约为80km,与上述计算

结果基本相符。又如1975年海城7.3级地震，按(2—1)式计算其震源断层长度为80km,而其余震密

集带长度约为70km,两者也大致相符。

博尼拉(M・G•Bonilla)和布哈南(R•Buchanan)根据全世界儿十个地震地表错断资料，绘制了震级

与主断层地表错断长度的关系图(图2—4),图中线条按最小平方拟合得出)。根据此关系可估计在一

定震级的地震中可能产生的地表错断的最大长度。它对走滑型断层更为适用。两位学者还根据相同的

资料绘制了震级与主断层地表最大位移关系图(图2—5)。由图中可看出，资料的离散性很大，其原因

在于：①有些活断层在地震时地表错断的长度往往只是它的一部分；②断层类型不同，地表断层产生

的错距也不相同。

此外，还可利用地震地面错断资料，绘制主断层地表错断长度与地表最大位移的关系图解，并

用统计的方法得出它们之间的线性方程。显然，最大位移与错断的长度是呈正比关系的。以上所述的

均为主断层的情况，而分支和次级断层的错距一般是随距主断层距离加大而减小的，如图2—6所示。

00

800

地600

表

400最L0

断

200大8

层

10地o.

作

80表O.S5

用

640位4

长

移

度4m

4

0.1

0.08

0.06

0.04

0.2,

0.02

0.01

3456789

地震震级

断层位移类型说明

▲走向滑动

▲走向滑动逆向华东□逆向滑动

正向滑动・正向滑动

8逆料向滑动■逆斜向滑动

?正斜向滑动。正斜向滑动

图2—4地震震级与地表错断长度的关系图2—5地震震级与地表最大位移的关系

(据Bonilla和Buchanan,1970)(据Bonilla和Buchanan,1970)

100

走向滑动断层

察唯断层

逆断层

至主断层®85离（km>

图2—6分支和次级断层位移（占主断层位移百分数）与距主断层距离的关系（据Boni11a,1970）

为了保证核电站运行时的安全可靠，要求定量预测地震时发震断层两侧地表变形或次级断层的

错动量，以便将建筑物置于安全场地上。日前已初步尝试采用解析法和有限单元法计算和预测当发震

主断层产生一定错动时，周围地表变形和次级断层上的错动量。

五、活断层的错动速率和错动周期

活断层的错动速率利错动周期，也是近年来进行地震预报的重要资料之一。

活断层的错动速率，一般是通过精密地形测量（包括精密水准和三角测量）和研究第四纪沉积物

年代及其错位量而获得的。

精密地形测量可以精确地测定活断层不同地段的现今错动速率。如圣安德列斯断层经过精密地

形测量后，根据蠕动速率的大小和地震情况划分为九段，其中的比特瓦特谷至帕克菲尔德段蠕动速率

极高，达5cm/a以上；但没有发生地震，而门多西诺角至洛斯加托斯段及乔拉姆至卡宗隘口段则未发

现蠕变断错，前者在1906年发生了M8.3大地震（即旧金山大地震），地震时地表破裂右旋方向最大位

移6.4m；后者在1857年M8.25大地震时最大断错达10m。

通过第四纪沉积物年代和错位量的研究，可以测定活断层在最新地质时期内的平均错动速率。

据统计，我国西部地区大部分活断层的垂直平均错动速率0.5-1.6mm/a；水平平均错动速率:新疆地

区8—18mm/a,青藏高原周同2—9mm/a,青藏高原内部2.5—10mm/a。东部地区大部分活断层的垂

直平均错动速率:华北平原0.2mm/a,银川地堑。汾渭地堑分别为2.3mm/a、1.8mm/a,华南地区每

年百分之几至十分之几毫米；水平平均错动速率:华北平原0.5—2.3mm/a,鄂尔多斯周围8-5mm/a,

华南地区0.4—2mm/a,台湾6—12mm/a。

需要指出的是，活断层的错动速率是不均匀的，一些地震断层在临震前住往加速，地震后又逐

渐减缓。根据错动速率的大小，一般将活断层分为AA、A、B、C、D等五级（表2—1）。

表2—1活断层按错动速率分级

等级错动速率（mm/a）

AA>10

A1-10

B0.1-1

C0.01-0.1

D<0.01

地震断层两次突然错动之间的时间间隔，就是活断层的错动周期。由于活断层发生大地震的重

复周期往往长达数百年甚至数千年，已超出了地震记录的时间。因此要正确制定一些活断层上强震的

重复时间间隔，必须加强史前古地震的研究；即利用古地震时保存在近代沉积物中的地质证据以及地

貌记录，来判定断层错动的次数和每次错动的时代。例如克拉克（Gark）等人在加里福尼亚博利戈山地

震（1968年，M=6.4）时产生的地表断层上开挖沟槽，发现地层年代越老，错动越大。利用C"测定各地

层的绝对年龄，判定该断层存过去3000年间大约每隔200年错动一次。

地震断层的错动周期丰要取决于断层周围地壳应变速率和锁固段断层面的强度。若应变速率

小，则应力达到断层面强度的时间（错动周期）就变长；若断层面强度小的话，即使应变速率也小，它

也能在较短时间内达到极限强度而发生地震。地壳应变速率用断层的平均错动（位移）速率s表示，断

层面强度用一次地震的错移量d表示。则该断层的错动周期（或该级地震的蒋现期）R=d/s（图2—7左

图）。若两次地震间断层有蠕滑运动时，则口=£1/（s-c）,c为平均蠕滑速率（图2—7右图）。显然，平

均错移速率低的断层错动周期要大得多。松田时彦统计了日本大陆上主要历史地震的震级M伴随的错

移量d的关系，其相关方程式为：

图2—7平均错动速率和一次地震错移量，地震再现期的关系

lgd=0.6M-4.0(2-3)

于是得:

lgR=O.6M-(lgs+4.0)(2-4)

上两式中d、s单位各为m及m/a。

c

5

0.05

20.4

sB

rc(

IffO.2E

(lo5l

eD.Q5s

aloo

lo

2I

4

2A

5

5o

21

2A0

5A

50

2100

2

678

地震震级M

图2-8地震重现周期计算图解（据松田时彦，1978）

根据上述关系式可绘制出图解（图2—8）。可知；s为l—10mm/a的A级活断层，当发生M=7

-8的火地震时，其发震周期约为103年，而s小于一个数量级的B级活断层，要发生这样大的地震,

大约周期为104年。因此，可以这样认为：刚发生过大地震的断层，即使是AA级断层，该地带应该是

安全的。

当地震断层伴有蠕动他移时，由它所发动地震的震级和周期均显著地缩小。需要指出的是，如

果地震断层的一个断层面每次都以明显不同的震级和时间间隔发生位移的话，则根本不可能求出地震

周期。

第三节活断层的鉴别标志

一、活断层的地质、地貌和水文地质鉴别标志

活断层是活动在最新地质时期内的断层，因而较之老断层来说，在地质、地貌和水文地质方面的

特征更为清楚。人们根据这些特征就可以鉴别它。

1.地质方面

保留在最新沉积物中的地层错开，是鉴别活断层的最可靠依据。这种现象在一些活动构造带中

见之较多。例如，宁夏贺兰山东麓的活断层，在贺兰口村一带错开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（图2—9）。位于汾渭地堑中段的平遥活断层,

错断了晚更新世中晚期的黄土，断距40—50m,在航、卫片上表现为清晰的线性构造。黄土下伏的断

层两盘岩性截然不同，东盘（上升盘）为早，中更新世红色土，而西盘（下降盘）为早更新世至晚更新世

早期的湖相粘土和粘土质粉砂层（图2—10）。一般地说，只要见到第四纪中、晚期的沉积物被错断，

无论是新断层或老断层的复活，均可判定该断层的活动性。需注意与地表滑坡产生的地层错断的区别。

图2-9贺兰山东麓活断层剖面图

1一三叠纪页岩：2-第四纪沉积物：3一活断层（据疗玉华等，1980）

图2-10平遥活断层剖面图

（据刘光勋等，1980）

活断层的断层带（面）一般都由松散的破碎物质所组成，而非复活老断层的破碎带均有不同程度

的胶结；所以松散、未胶结的断层破碎带，也可作为鉴别活断层的地质特征。

伴随有强烈地震发生的活断层，当强震过程中沿断裂带常出现地震断层陡坎和地裂缝，是鉴别

活断层的霞要依据。例如，日本1930年11月北伊豆M7.0地震时，沿丹那断层带地表产生了很多地裂

缝。每条裂缝长约数米；走向大致为N450W。它们呈右旋雁行排列，显示了该断层为大致南北走向的左

旋地震断层（图2—鉴别地裂缝时•，应注意。与斜坡变形破坏或大量汲取地下水所造成的地裂缝

的区别。非构造的地裂缝一般无一定的方向性。

2.地貌方面

一般地说，活断层的构造地貌格局清晰，其许多方面的标志可作为鉴别依据。

活断层分布地段往往是两种截然不同的地貌单元直线相接的部位，其一侧为断陷区。而另一侧为

隆起区。由于在近期地质时期内断块的长期活动，高耸区和低洼的平原、盆地分化幅度很大。例如汾

渭地堑的南段渭河断陷盆地，在其南侧的秦岭太白山上保留有早第三纪侵蚀平原的残迹，而盆地中却

堆积了6000多米厚新生代地层:可见秦岭北麓大断

裂自第三纪至今断距达万米，而第四纪以来的差异升降幅度为2000m左右。该地堑北段差异升降

运动最弱的雁同断陷盆地，新生代堆积物最大厚度也有3000m以上，其中第四纪堆积物达460m。据此

可以推算出升降幅度值。阿尔泰山区的喀依尔特-二台活动断裂的北段，其继承性的右旋走滑活动按走

滑破裂带应力分布的规律，断层东侧正好位于引张区内，因而形成了喀依尔特、可可托海和吐尔洪等

串珠状的新生代小断陷盆地，盆地发育张裂沟槽和溺谷。断层西侧为高耸的山地，断层崖、三角面等

十分发育。二者相对高差500m左右，且界线截然分明。地貌上的突然变化及沉积物厚度的显著差别是

活动性断裂存在的重要标志。

图2-11丹那地震断层的雁行地裂缝

1—沉陷；2—地裂缝（据伊原、石井，1932）

走滑型的活断层，常使通过它的河流、沟谷方向发生明显的变化；当一系列的河谷向一个方向

同步移错时，即可作为确定活断层位置和错动性质的佐证:典型的实例有四川鲜水河断裂带和新疆喀依

尔特-二台断裂带（图2—12）。水系移错距离有时可达数公里。根据水系移错的距离和堆积物的绝对年

龄，即可推算该活断层的错动速率。山脊、山谷、阶地和洪积扇等的错开，也是鉴别走滑型活断层的

标志。

近期断块的差异升降运动，可使同一级夷平面分离解体，高程相差数百米，以至上千米。如云

南东川的小江断裂带将海拔为3100-3200m的夷平面南北向分离解体，使小江河谷东侧形成3100m、

2500m和1780m的梯级夷平面。为数不少的活动断裂在地貌上为深切的直线形河谷，当断层两盘相对

地升降，则两岸阶地的高度有差别，同一级阶地的高程在断层两侧明显不同。由于阶地形成的时代较

夷平面新，所以在鉴定活断层时更为可靠。

此外，在活动断裂带上滑坡、崩塌和泥石流等工程动力地质现象常呈线形密集分布。

3.水文地质方面

活动断裂带的土石裂隙和孔隙发育，使得岩性透水性和导水性强，常形成脉状含水层，因而当

地形地貌条件合适时;沿断裂带泉水成线状分布，植被发育。由于有些老断层的破碎带导水性也较强,

泉水也有线状分布的特征，故以此鉴别活断层时需慎重。止匕外，当断层活动时产生的机械能转化成了

热能的缘故，许多活断层沿线常有温泉出露，并亦表现为沿断裂带呈线状分布的特点。我国东南地区

的温泉大体上是沿活动性断裂呈串珠状分布的。由于活断层一般比较深大，地下水在循环交替过程中

能携带深部的某些化学成分，主要表现为某些微量元素含量的显著增加，例如氨、氮、硼、澳等。因

此，也可根据地下水中这些微量元素的异常探测活断层。

图2—12走滑型活断层移错水系

a—四川鲜水河断裂带；b一新疆喀依尔特-二台断裂带

二、活断层的历史地震、历史地表错断鉴别标志

历史上有关地震和地表错断的记录，也是鉴别活断层的证据。

我国历史悠久，典籍丰富，公元前19世纪就有地震的记载；而比较可靠的记载始于公元前1177

年，长达3000多年。由于老的历史记载没有确切的震中位置，又无地表错断的描述，

所以只能用以证实有活断层存在，而难以确切地判定活断层的位置。较新的历史记载，震中位

置、地震的震级、以及断裂长度及地表错断距离等都比较具体、详细。

利用考古学的方法，可以判定某些断陷盆地的下降速率。这种方法主要的依据是古代文化遗迹

被掩埋在地下的时间和深度。例如山西山阴县城南发现公元1214年的金代文物被埋于地下1.5-1.8m,

可估算出汾渭地堑北端的雁同盆地平均下降速率是2.2mm/a。

三、活断层的微震测震和地形变鉴别标志

本世纪70年代以来，开始了用密集的地震台网确切测定微震震中位置以鉴别活断层的微震监

测，而目前用得较多的是监测水库诱发地震。

根据微震震中位置的测定，能够较好地确定活断层的位置、震源参数和断层两盘的相对活动性。

例如，美国加利福尼亚州中部设立了150个地震台，监测沿圣安德列斯断层及其分支断层的地震活动。

图2-13即为1972至1973年测得的M21的震中位置，均沿断层分布，显示了该断层的活动性。1981

年4—8月记录到的沿新疆喀依尔特-二台断裂的微震震中分布，同样令人信服地显示了该断裂的活动

性，且断层的东盘是主动盘，活动性较强（图2—14）。需要指出的是，有些蠕动断层虽然活动比较强

烈，但并不发生地震，如果单纯依靠这种标志鉴别的话，有时就会造成错误。

图2-13中加里福尼亚的地震震中分布图

(据C-G•Bufe)

图2—14沿喀依尔特-二台断裂1981年4-8月微震震中分布图

（据石鉴邦等，1982）

采用重复精密水淮测量和三角测量所获地形变的证据，能判定无震的蠕滑断层或突发的地震断

层的活动性。通过区域水准测量以及台站。（流动短水准测量所反映的垂直形变，可以探求活断层不同

地段两盘相对升降活动的趋势和幅度。利用三角网复测所得的水平形变资料，则不仅可探求活断层走

滑的趋势和幅度，还可获得主压应力的方向。

第四节我国活断层的分布

在始新世末（约38Ma前），印度板块自南南西方向与欧亚板块相碰撞；与此同时，太平洋板块

和菲律宾板块又分别从北东东和南东方向向欧亚大陆之下俯冲。板块间巨大而持续的相互作用，控制

了我国现代地应力场和构造形变。莫尔纳（PWolnar）等人提出的一种与大陆碰撞相联系的滑线场理论,

较好地解释了我国境内现代地应力场空间展布和活断层分布的规律性。图2—15即为包括我国全境的

亚洲东部地区现代地应力场的空间分带情况。我国的南西、西北和华北地区地应力强度高且集中增长

速率大，有较多的活断层分布。

我国活断层的分布，总体来说是继承了老的断裂构造，尤其是中生代和第二三纪以来断裂构

造的格架。这些老断裂处于活动性强的现代地应力场中，有利于继续活动。活动过程中还在一定程度

上发育了新的活动部位，形成新的破裂面。根据活断层的类型和