第一章 活断层工程地质研究

第一章活断层工程地质研究基本要求：掌握活断层的基本概念、基本性质、鉴别标志和研究方法。了解中国活断层的基本分布特征和活断层区的建筑原则。主要内容：1.1基本概念与研究意义1.2活断层的基本特征1.3活断层的鉴别标志1.4我国活断层的分布1.5活断层的调查与研究方法1.6活断层区的建筑原则1.1基本概念与研究意义•基本概念：•活断层（activefault）：指目前正在活动的断层或近期曾有过活动、不久的将来可能会重新活动的断层。•对概念中两个不够肯定的词“近期”、“不久的将来”应加以讨论。•“近期”，是一个地质历史的上限问题，目前看法很不一致。有人认为第四纪（距今约180万年）以来均可谓近期；有人认为仅限于全新世（距今约1.1万年）；还有的按C14确定的绝对年龄的可靠上限3.5年。•大多学者认为，“近期”的概念应遵循两大原则：（1）应从断裂活动的延续性考虑；（2）应考虑对工程建设最有利、最合适。1.1基本概念与研究意义•从工程建筑来看，时间界限定得靠前，比较安全，但是太靠前，会增加很多不必要的处理措施，经济上不合理；定得靠后，又会冒险，对许多大型建筑工程不妥。定在中更新世较为合适。•“不久的将来”，以应结合工程寿命来考虑，工程的使用年限一般为数十年，一些大型水利工程级核电站等重要建筑物为一百年或更多一些，总的按100年考虑较为合适。•全新活动断裂：为在全新地质时期（一万年）内有过地震活动或近期正在活动，在今后一百年可能继续活动的断裂；全新活动断裂中、近期（近500年来）发生过地震震级M≥5级的断裂或在今后100年内，可能发生M≥5级的断裂，可定为发震断裂；非全新活动断裂：一万年以前活动过，一万年以来没有发生过活动的断裂。全新活动断裂分级1.1基本概念与研究意义•研究意义：•1.了解活断层对工程建筑的影响，指导工程建设。•活断层对工程建筑的影响主要体现在两个方面：•①活断层的蠕动位移对建筑物的直接影响：活断层常具有水平及垂直移动，如果建筑物跨越这种部位，就会被拉裂，发生变形破坏。尤其在坝区，细小的开裂就会造成高压水流的冲刷，造成溃坝事故，应慎重。如美国加利福尼亚鲍尔德温山水库，因坝基一条活断层错动数英寸，水淹断层渗流，粉细砂土层液化，以致造成整个水库于1963年溃决。•②活断层发震对附近（一定范围）建筑物的破坏•总之，建设时应尽量避开活断层。1.1基本概念与研究意义•2.正确认识活断层，掌握其规律，寻求防治措施，为人类的工程服务。•地震部门对活断层研究较深入，认识较清楚；•工程地质学只是让大家了解活断层的一般知识，利用前人研究成果，为工程建设服务。靠近旧金山第六街的布鲁克桑姆街路面出现了深深的地裂缝并有明显的垂直位错海城县析木公社近SN向和近EW向锯齿状地裂缝,具有左旋扭动性质,位移36cm某水电站活断层监测装置，监测水平方向移动，固定在断层两侧主要内容：1.1基本概念与研究意义1.2活断层的基本特征1.3活断层的鉴别标志1.4我国活断层的分布1.5活断层的调查与研究方法1.6活断层区的建筑原则1.2活断层的基本特征•基本特征主要包括活断层的类型与活动方式、活断层的继承性与反复性、活断层的长度与断距、活断层的错动速率与错动周期，分述如下：•一、活断层的类型与活动方式•活断层的类型及特征：分类指标类型区别构造应力状态几何特征运动特性活动后果按断层面位移的矢量方向与水平面的关系倾滑断层正断层σ1近直立，σ3近水平。断层面与水平面夹角一般大于45º，且往往呈参差状，断层带较宽。上盘（下降盘）分支和次生断裂较发育，岩性破碎，地面变形强烈。地震（小）逆断层σ1近水平，σ3近直立。断层面与水平面夹角一般小于45º，且往往呈舒缓波状。规模可很大，断层带很宽。上盘（上升盘）分支和次生断裂较发育，岩性破碎，地面变形强烈。地震（大）走滑断层(平移断层)左旋断层σ1、σ3均近水平。断层面即为σ1、σ3之间的最大剪应力面，近垂直，断层线平直，断层带极窄。地震（中）右旋断层按断层的主次关系主断层（mainfault）分支断层（branchfault）次级断层（secondaryfault）主要产生在断层上盘按活动方式地震断层（粘滑断层）围岩强度高，锁固能力强，能不断累积应变能。间歇性突然滑动地震（周期性）蠕变断层（蠕滑断层）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，锁固能力弱，不能累积较大应变能。连续缓慢滑动无地震或小震活断层类型、特征一览表1.走向滑动或平移断层最大、最小主应力近于水平，所以两者之间的最大剪应力面—断层面近于直立，其地表出露线平直，表现为极窄的直线形断崖。主要是断层面两侧相对的水平运动，相对的垂直升降很小。河流最易于沿这种断层发育，水工建筑物也就最易于受到这种活断层的威胁。如断层与坝轴线小角度斜交，由于断层错动而造成的心墙拉开宽度可以相当大(图4－4)。•世界上有名的走向滑动型活断层有：•（1）美国加州的圣安德烈斯断层系；•（2）土耳其安纳托利亚断层系；•（3）新西兰的阿尔卑斯断层系等。•我国的活断层也以走滑型最多，特别是西南和西北，有些规模非常巨大：例如阿尔金山断裂，鲜水河断裂，红河断裂都是我国西部长达数百到数千公里的活动着的走滑断裂。这些断层的水平错动往往在地形上留下明显迹象，尤以对水系的错动改造最为明显。新西兰阿尔卑斯断层系东大滩地震鼓包沿走滑断裂线性分布东大滩地震鼓包与走滑拉分盆地2逆断层最大主应力近于水平，最小主应力近于垂直，走向垂直于最大主应力的断层面与水平面夹角一般小于45º，往往为20－40º。断层面两侧的点之间的距离总是由于位移而缩短。上盘除上升外还往往伴以多个分支或次级断层的错动(图4－6)。例如1971年美国圣费尔南多地震时使圣费尔南多断层(逆断层)产生逆冲错动。下降盘无地表变形及破裂，上升盘抬升近2m以上，并有强烈变形，许多小的次级断层。图b为探槽Tc10剖面素描图。G5-G1表示晚更新世晚期暗灰色砂砾石层，S0-全新世暗棕色含砾砂土层，S1-暗棕色重力堆积含砾粉砂土；G7-为地震崩积楔。BDT1-1~BDT1-4为测年样品编号，7.0ka与8.7ka表示光释光年龄，揭示较早一期古地震发生时代为7.0ka。图例说明：1-土壤层；2-黄褐色粉砂质粘土；3-细砾石层；4-粗砾石层；5-地震楔；6-地震断层。逆断层的断层线往往是波状弯曲的，断层带也较平移断层宽得多，由于上升盘形成了断层崖易产生滑坡或崩塌，逆断层的确切位置最难确定。世界上很多大的山系以逆断层为其边界，如喜马拉雅山、安第斯山等，世界上许多大的地震都是伴随板块俯冲带或大陆碰撞带的逆断层错动产生的。这类逆断层有时地表变形范围很大，如1964年阿拉斯加地震，20万km2范围内变形最大垂直上升达12m。•3.正断层•由于最大主应力近于垂直最小主应力近于水平，所以，走向垂直于最小主应力且与最大主应力呈锐角的断层面与水平面夹角大于45º，一般为60－80º。在错动过程中，垂直断面走向的水平方向有所伸长。伴随这类断层活动的变形(下沉)和分支断层错动，主要集中于下降盘(图4－7)。与河谷平行断面倾斜的正断层，可以使拦河坝产生比其它形式断层运动更宽的初抬裂缝(图4－8)。石岗大坝全长700m,台湾1999.9.21地震中被断层切错•上述三种活断层的位移矢量都分别是单纯走滑或倾滑，其产生的应力场是三个主应力方向中的两个是水平的而另一个是垂直的。•实际应力场往往是复杂的，三个主应力方向既不完全水平也不完全垂直，而是由不同的水平和垂直分量所合成。因之，断层的位移矢量也多由不同的倾滑、走滑分量所合成。而活断层的类型也就可以是左(或右)旋走滑逆冲断层或左(或右)旋走滑正断层等多种形式。•断层活动受区域构造应力场所支配。•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滑动，这种断层称蠕变断层或蠕滑型断层（creepingfault）。1.2活断层的基本特征•粘滑型活断层的围岩强度高，断裂带锁固能力强，能不断积累应变能，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，断裂带锁固能力弱，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。1.2活断层的基本特征•二、活断层的继承性与反复性•活断层往往是继承老的断裂活动的历史而继续发展的，而且现今发生的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，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。•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。1.2活断层的基本特征•三、活断层的长度与断距•活断层的长度和断距，是表征活断层规模、断层区修建建筑物时地震预报和设防的重要数据，通常用强震导致的地面破裂（地震断层或地表错断）的长度（L）和伴随地震产生的一次突然错断的最大位移值（D）表示。•通过对地表错断的研究，可以了解地震破裂的方式和过程，判定地震断层动力学特征，又可了解地震时的地面效应，判定地震危险性和震害程度，为在活断层区修建建筑物的抗震设计提供参数。近年来，我国地震部门也对全国40余条地震地表错断进行了研究(如图1-1)。1.2活断层的基本特征图1-1中国地震地表错断类型及分布示意图（据丁国瑜，1985）1-正断层;2-逆断层;3-正走滑断层;4-共轭断层;5-逆走滑断层;6-走滑断层;7-张破裂;8-性质不明断层;一般说来，地震震级愈大，震源深度愈浅，则地表错断就愈长。大于7.5级的浅源地震均伴有地表错断，而小于5.5级的地震则除个别特例外均无地表错断。同样震级的地震则由于震源深度不同或锁固段岩体强度不同而地表断裂的长度各不相同。1.2活断层的基本特征断层名称地震震中位置地震时间年月日震级地表错断距离（cm）断裂长度(km)水平垂直小江断裂大壁断层天山北缘断裂南、西华山断裂喀依尔特-二台断裂昌马断裂花石峡-玛曲断裂纵谷断裂龙首山断裂附近曲江断裂鲜水河断裂大洋河断裂西端唐山-古冶断裂云南东川台湾嘉义新疆玛纳斯宁夏海源新疆富蕴甘肃昌马青海都兰台湾玉里甘肃山丹云南通海四川炉霍辽宁海城河北唐山1973.8.21906.3.171906.12.231920.12.161931.8.111932.12.251937.1.71951.10.221954.2.111970.1.51973.2.61975.2.41976.7.287.56.88.08.58.07.57.57.257.257.77.97.37.8270(右旋)180500(左旋)1400(右旋)800(左旋)200(左旋)20-220(右旋)360(左旋)55(左旋)153130100(逆)230400(逆)650(逆)130304550(逆)20706513230176116300402047905.58表1-1我国地震断层的地表错断历史记录1.2活断层的基本特征表1-2国外一些地震断层的地表错断历史记录（据张倬元，1981）•四、活断层的错动速率与错动周期•活断层的错动速率是反映活断层活动强弱、断层所在地区应变速率大小的重要数据。•活断层的活动方式以粘滑为主，往往是间断性产生、突然错断，所以错动速率以一定时间段内的平均错动速率表示。平均错动速率：最新沉积物的错动位移与沉积年代之比.•断层的错动速率愈大，两次突然错断之间的时间间隔也就愈短。地震断层两次突然错断之间的时间间隔，即活断层的重复错动周期。•地震断层的错动周期主要取决于断层周围地壳应变速率和锁固断断层面的强度。错动速率和地震重现周期是长期地震预报的重要数据。1.2活断层的基本特征Q3Q1