第二章---活斷層工程地質(zhì)研究

1、第二章 活斷層工程地質(zhì)研究,提 要,概述活斷層基本特征活斷層鑒別標(biāo)志活斷層調(diào)查研究方法活斷層區(qū)建筑原則,第一節(jié) 概述,活斷層一般是指現(xiàn)今正在活動(dòng)的斷層，或近期曾活動(dòng)過(guò)、不久將來(lái)可能重新活動(dòng)過(guò)的斷層。后者也稱為潛在活斷層。,斷層是地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的重要形跡。有的斷層形成于較晚時(shí)期，在形成以后受到晚期構(gòu)造背景條件控制，仍保持著活動(dòng)的特征。 早在十八世紀(jì)，人們從地震活動(dòng)與斷層活動(dòng)的關(guān)系漸漸意識(shí)到斷層的活動(dòng)性特征，經(jīng)過(guò)

2、幾個(gè)世紀(jì)的研究，對(duì)活斷層的特征有了比較深入的認(rèn)識(shí)。,活斷層受控于板塊構(gòu)造,全球構(gòu)造（板塊構(gòu)造）理論的基本點(diǎn)是，全球劃分為六個(gè)剛性的巖石圈板塊在軟流層之上漂移，不斷地運(yùn)動(dòng)。,板塊邊界的作用力是中國(guó)大陸新生代和現(xiàn)今構(gòu)造變形的主要?jiǎng)恿υ础Ｗ冃纬蕪浬⑿?(千公里以上)，集中在不同次級(jí)塊體的邊界上，具相對(duì)低的運(yùn)動(dòng)速率(小于10mm/a)。次級(jí)塊體內(nèi)部變形微弱或整體運(yùn)動(dòng)邊界帶常常是地質(zhì)、地球化學(xué)和地球物理的結(jié)構(gòu)面，絕大多數(shù)大陸地震發(fā)生在活動(dòng)帶

3、上。,在研究某一個(gè)地域的大陸構(gòu)造變形時(shí)需要從活動(dòng)論的觀點(diǎn)，從全球構(gòu)造框架或區(qū)域構(gòu)造框架出發(fā),來(lái)自板塊邊界的作用力是中國(guó)大陸新生代和現(xiàn)今構(gòu)造變形的主要?jiǎng)恿υ?研究表明，印度板塊與歐亞于始新世末，即大約3800萬(wàn)年前相互碰撞，此后印度板塊仍以每年約5cm的速度向北北東方向推進(jìn)，強(qiáng)力地推擠著歐亞板塊, 板塊接觸帶的兩個(gè)端點(diǎn)位于察隅和伊斯蘭堡附近。在碰撞擠壓過(guò)程中歐亞板塊內(nèi)產(chǎn)生了塑性或粘性流動(dòng)變形。,,,印度洋板塊,青藏高原,,關(guān)于活斷層的定

4、義，目前為止沒(méi)有完全統(tǒng)一。主要關(guān)于過(guò)去活斷層歷史時(shí)間的上限界定問(wèn)題看法不一，不同部門、不同國(guó)家都存在差別。,《巖土工程勘察規(guī)范》 全新活動(dòng)斷裂：全新世（10000）年內(nèi)有過(guò)活動(dòng)或近期正在活動(dòng)，在將來(lái)（100年）可能繼續(xù)活動(dòng)的斷裂。 發(fā)震斷裂：近期（500年）發(fā)生過(guò)5級(jí)以上地震，或在未來(lái)100年內(nèi)預(yù)測(cè)可能發(fā)生5級(jí)以上地震的斷裂?！端姽こ痰刭|(zhì)勘察規(guī)范》 活斷層：最后一次錯(cuò)動(dòng)距今10-15萬(wàn)年（晚更

5、新世）的斷層。,美國(guó)原子能委員會(huì)（USNRC）的定義是： （1）在3.5萬(wàn)年內(nèi)有過(guò)一次或多次活動(dòng)的斷層 （2）與其他活動(dòng)斷層有聯(lián)系的斷層 （3）沿該斷裂發(fā)生過(guò)蠕動(dòng)或微震活動(dòng),活斷層工程地質(zhì)研究意義,活斷層的活動(dòng)可視為一類地質(zhì)病害，可以對(duì)建筑物產(chǎn)生破壞作用而致害。從這個(gè)意義上講，活斷層的工程地質(zhì)研究就是要研究活斷層與工程建筑的關(guān)系，評(píng)價(jià)其對(duì)建筑物的破壞作用?；顢鄬渝e(cuò)動(dòng)變形對(duì)建筑物的直接破壞;活斷層對(duì)區(qū)域地質(zhì)環(huán)境的影響，如地震、區(qū)域

6、地殼穩(wěn)定、水庫(kù)地震等。,地震,,Cypress Freeway Structure, Oakland — Loma Prieta Earthquake, 1989,,,,,,,,,San Andreas Faultcrossing the Carrizo Plain,North of Santa Barbara,,,San Andreas Fault offsetting streamsOn the Carrizo Plain,

7、,,,San Francisco City Hall, 1906,振動(dòng)液化（ Liquefaction ）,.,,El Centro, CA,1979,Loma Prieta, CA,1989,海嘯（ Tsunami）,,,,對(duì)活斷層進(jìn)行研究，充分掌握其活動(dòng)特征，合理評(píng)價(jià)其對(duì)工程的影響，有時(shí)可以安全有效地降低工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，節(jié)省投資。 如黃河小浪底工程壩址區(qū)半徑30公里內(nèi)有8條大斷裂 其中王良斷裂在壩下游6.5公里 斷

8、層發(fā)生在Q1－Q2期間 斷層泥熱釋光法測(cè)年齡： 15.4-18.3萬(wàn)年，37.4-53.2萬(wàn)年 Q2的中后期，Q3以來(lái)再未活動(dòng)過(guò) 抗震設(shè)計(jì)：8級(jí)→9級(jí) 水平加速度：0.3伽→0.215伽，節(jié)約至少2億元,,小浪底及鄰區(qū)第四紀(jì)活動(dòng)斷層分布圖,,本節(jié)主要介紹活斷層的類型與活動(dòng)方式、繼承性與反復(fù)性、長(zhǎng)度與斷距、錯(cuò)動(dòng)速率與周期。,第二節(jié) 活斷層的基本特征,一、活斷層的類型,按照位移方向與水平面的關(guān)系： （1）

9、正斷型活斷層 差異升降活動(dòng)為它的斷陷盆地邊緣。下降盤(pán)分支斷層多見(jiàn)，形成地塹式的正斷層組合。 （2）逆斷型活斷層 多分布于板塊碰撞擠壓帶。上盤(pán)變形帶大，出現(xiàn)多分支斷層。 （3）走滑型活斷層 常分布于大陸內(nèi)部的地塊之間的接觸部位，水平錯(cuò)動(dòng)量大，斷層帶寬度不大，很少分支斷裂。,（1）粘滑型活斷層間歇性突然滑動(dòng)，常伴有地震活動(dòng)，也稱為地震斷層。發(fā)生在強(qiáng)度較高的巖石中，斷層帶鎖固能力強(qiáng)，

10、危害大。發(fā)震斷裂特征：深斷裂，裂谷，板塊接觸帶。（2）蠕滑型活斷層沿?cái)鄬用鎯蓚?cè)巖層連續(xù)緩慢地滑動(dòng)發(fā)生在強(qiáng)度較低的軟巖中，斷層帶鎖固能力弱一般無(wú)震發(fā)生，有時(shí)可伴有小震。,,二、活斷層的活動(dòng)方式,活動(dòng)斷層的產(chǎn)狀要素、長(zhǎng)度等均是重要的幾何要素，這些可以通過(guò)勘探等手段得到確定。而活動(dòng)斷裂重新活動(dòng)往往并非全斷裂都活動(dòng)，而是部分段的活動(dòng)，這里斷層長(zhǎng)度是指現(xiàn)活動(dòng)段長(zhǎng)度及兩旁相應(yīng)的錯(cuò)斷距離。 在關(guān)于活斷層的建筑設(shè)計(jì)及有關(guān)穩(wěn)定性的分

11、析論證時(shí)，需要了解斷層活動(dòng)段長(zhǎng)度L和斷距D。 對(duì)于歷史活斷層長(zhǎng)度和斷距，可以從被錯(cuò)動(dòng)的形跡得到，而對(duì)于潛在活斷層，要根據(jù)有關(guān)方面進(jìn)行預(yù)測(cè)。 一般認(rèn)為，活斷層地表產(chǎn)生的斷裂長(zhǎng)度與震源體處斷裂長(zhǎng)度相一致。通常是根據(jù)活斷層可能產(chǎn)生最大地震震級(jí)M，利用統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)方式及查表確定L和D。,,,三、斷層活動(dòng)段的長(zhǎng)度和斷距,如下關(guān)系圖也可以作為確定L、D時(shí)使用,有的情況下，可以采用數(shù)字分析（如有限元）方法確定斷層長(zhǎng)度及斷距。

12、 斷層長(zhǎng)度1 ~ 數(shù)百公里不等，一般小于5.5級(jí)地震很少產(chǎn)生地表錯(cuò)動(dòng)。 活斷層地震活動(dòng)是否在地表顯現(xiàn)形跡，與地表覆蓋層厚度、震源深度及震級(jí)有關(guān)，一般覆蓋層厚度大于30-50m、震源深度大于10-30km、地震震級(jí)小于6級(jí)條件下，很少出現(xiàn)地表斷裂現(xiàn)象。,,活斷層活動(dòng)速率及相應(yīng)周期是表明活斷層的活動(dòng)強(qiáng)度的重要指標(biāo)，是地震強(qiáng)度的重要資料。 1、錯(cuò)動(dòng)速率 錯(cuò)動(dòng)速率是指斷層年

13、錯(cuò)動(dòng)位移量，一般是用若干年總的錯(cuò)動(dòng)量計(jì)算得到，因而也稱平均錯(cuò)動(dòng)速率。分為水平和垂直分量。斷層錯(cuò)動(dòng)速率從三個(gè)方面獲得： （1）精密地形變測(cè)量 是研究現(xiàn)今活動(dòng)斷裂的有效方法。我國(guó)許多著名活斷層均設(shè)有精密水準(zhǔn)、三角測(cè)量、激光測(cè)距等量測(cè)工作。 有了量測(cè)數(shù)據(jù)，便可以計(jì)算錯(cuò)動(dòng)速率。,,四、錯(cuò)動(dòng)速率和活動(dòng)周期,（2）根據(jù)第四紀(jì)地層、地質(zhì)的年代及錯(cuò)動(dòng)量來(lái)獲得 研究夷平面

14、、階地、水系、斷崖、土層等，通過(guò)測(cè)量錯(cuò)動(dòng)量及相對(duì)年齡，可以計(jì)算出平均錯(cuò)動(dòng)速率。,,,,2、錯(cuò)動(dòng)周期,斷層兩次錯(cuò)動(dòng)之間的時(shí)間間隔定義為活斷層錯(cuò)動(dòng)周期R。 斷層運(yùn)動(dòng)是地質(zhì)體能量積累釋放的結(jié)果，顯然能量積累要經(jīng)歷一個(gè)時(shí)期，積累的過(guò)程斷層處于平靜期（休眠期），釋放的過(guò)程為活動(dòng)期。斷層表現(xiàn)為活動(dòng)——平衡——再活動(dòng)的周期恢復(fù)。斷層應(yīng)變速率、鎖固段深度等不同，表現(xiàn)了不同的錯(cuò)動(dòng)周期。對(duì)于粘滑型斷層，一次錯(cuò)動(dòng)對(duì)應(yīng)的是一次地震活動(dòng)。,,可

15、按以下方法確定錯(cuò)動(dòng)周期：① 按地殼應(yīng)變速率（這是近似當(dāng)成斷層平均錯(cuò)動(dòng)速率）S及一次地震錯(cuò)動(dòng)量d計(jì)算R。② 根據(jù)2次地震條件、時(shí)間間隔確定③ 根據(jù)地震震級(jí)及錯(cuò)動(dòng)速率，由經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)式計(jì)算,按上式計(jì)算，對(duì)于S＝1～10mm/a的A級(jí)活斷層，當(dāng)發(fā)生M＝7～8的地震時(shí)，R≈1000年。,,,許多人研究了震級(jí)M、錯(cuò)動(dòng)速率S與錯(cuò)動(dòng)周期的關(guān)系；建立了許多統(tǒng)計(jì)關(guān)系。如日本的松田時(shí)彥對(duì)日本斷層錯(cuò)動(dòng)與地震震級(jí)關(guān)系時(shí)，得到lgd=0.6M-4.0,錯(cuò)動(dòng)周

16、期是R=d(錯(cuò)移量)/s(錯(cuò)動(dòng)速率)，即有,,,,,,,,,④ 根據(jù)第四紀(jì)地層、地質(zhì)錯(cuò)動(dòng)證據(jù)，結(jié)合年齡測(cè)定確定周期。,據(jù)研究，活斷層活動(dòng)周期一般在1—2千年左右，少數(shù)上萬(wàn)年或幾百年。,,,三次運(yùn)動(dòng)： ①第一次（4200a）上盤(pán)塊體下滑， 產(chǎn)生張裂縫，堆積W1 ②第二次（2700a）上盤(pán)繼續(xù)下滑， 產(chǎn)生拉張裂縫，將W1拉開(kāi)，途中 堆積W2 ②第三次（820a）繼續(xù)

17、下滑，出現(xiàn)F1 斷裂，將W2錯(cuò)斷（垂直距離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,北天山西部喀什河斷裂,,,,斷層的活動(dòng)性與否要通過(guò)一些標(biāo)志加以鑒別。鑒別有直接測(cè)定活動(dòng)物質(zhì)年齡的方法，也可以從有關(guān)

18、的地質(zhì)、地球物理等現(xiàn)象間接判斷。 間接鑒別標(biāo)志有如下幾個(gè)方面： 一、地質(zhì)、地貌、水文地質(zhì)標(biāo)志 二、歷史地震及歷史期地震錯(cuò)段標(biāo)志 三、微地震測(cè)量及地形變檢測(cè)標(biāo)志 四、地球物理標(biāo)志,第三節(jié) 活斷層的鑒別標(biāo)志,,地質(zhì)方面,只要是見(jiàn)到第四系中、晚期的沉積物被錯(cuò)斷，均視斷層為活斷層。如位于汾渭地塹中段的平遙活斷層，錯(cuò)斷晚更新世中晚期的黃土，以及早中期更新世

19、地層，斷距40—50m。,最新沉積物被錯(cuò)斷,如上圖，可看出幾期運(yùn)動(dòng)：① C堆積以前，斷層已活動(dòng)，位移量大；② C堆積以后，D堆積以前，斷層至少一次運(yùn)動(dòng) （CD的錯(cuò)距不同）；③ D堆積后，至少一次活動(dòng)，CD錯(cuò)距不同；④ F堆積以后，斷層再次活動(dòng)。,斷層破碎帶構(gòu)造形跡,活動(dòng)斷層因其形成時(shí)間較晚，一般表現(xiàn)為構(gòu)造帶物質(zhì)欠固結(jié)欠膠結(jié)狀態(tài)，較為松散。另外，表現(xiàn)出脈體變形被切斷，構(gòu)造巖片理化，透鏡化，斷面新鮮無(wú)風(fēng)化，第四系物質(zhì)牽引彎折等。

20、斷層礦物的顯微變形出現(xiàn)顯微組構(gòu)（如不等顆粒拉長(zhǎng)，光軸微定向等）,,伴有地震現(xiàn)象的活斷層，地表出現(xiàn)斷層陡坎和地裂縫,如，日本丹那斷層帶，地震產(chǎn)生很多地裂縫，呈雁形排列,不同地貌單元突然相接，或兩邊沉積物厚度顯著差別 例如，隆起山區(qū)與斷陷盆地突然相接。一次錯(cuò)動(dòng)量大的活斷層，沿線分布斷層三角面、斷層崖、陡坎、埡口、“V型谷”等 地貌單元的分解和異常 例如，河流階地、山脊、水系、婁平面、坡洪積扇等地貌單元由

21、于活斷層作用，使其產(chǎn)生錯(cuò)斷、分解 活斷層作用使正常發(fā)育的地貌系統(tǒng)出現(xiàn)異常形態(tài)或特殊地貌景觀。如斷層帶一側(cè)，河流的同步肘狀拐彎、寬窄變異，斷層下降盤(pán)一側(cè)線狀排列的洪積群、泥石流、滑坡、串珠狀洼地等。,地貌方面,,,,,,,,,水文地質(zhì)方面,由于斷層帶構(gòu)造物質(zhì)松散，容易形成強(qiáng)導(dǎo)水帶，因而活斷層帶一線分布泉水、溫泉，出現(xiàn)植被發(fā)育現(xiàn)象。也由于活斷層為深大斷裂，深循環(huán)水將導(dǎo)致水的化學(xué)異常。,地物錯(cuò)斷,我國(guó)有長(zhǎng)達(dá)3000多年的歷史地

22、震記載資料，尤其是較近的歷史記載，可以幫助判別活斷層的存在，可能時(shí)據(jù)以判斷活斷層的錯(cuò)距，斷裂長(zhǎng)度等。 對(duì)古代建筑物破壞、錯(cuò)斷、掩埋等情況調(diào)查，可以幫助判斷活斷層當(dāng)時(shí)的錯(cuò)距等情況。,,微震及地形變測(cè)量,,斷層的現(xiàn)代活動(dòng)，必然導(dǎo)致斷層帶內(nèi)產(chǎn)生物理、化學(xué)變化，其中如斷層氣、放射性異常；重力、磁力、地溫等物理異常。通過(guò)測(cè)量分析，可以間接作為活斷層的佐證。,自70年代以來(lái)，我國(guó)地震部門在一些重要地區(qū)設(shè)置了密集的地震臺(tái)網(wǎng)，監(jiān)

23、測(cè)微震震中位置用以判別活斷層，尤其在一些大型水、著名的活斷層地區(qū)布置監(jiān)測(cè)臺(tái)站，取得了一系列監(jiān)測(cè)資料。它是研究現(xiàn)代地震活斷層的最直接有效的方法，但其費(fèi)時(shí)、代價(jià)高，不能作為研究活斷層的主要工具。 采用精密水準(zhǔn)測(cè)量和三角測(cè)量在可能活動(dòng)斷層兩側(cè)進(jìn)行地形變測(cè)量，可以有效地獲得斷層活動(dòng)性的有關(guān)證據(jù)。,地球化學(xué)及地球物理標(biāo)志,第四節(jié) 活斷層的調(diào)查研究方法,通過(guò)有效的調(diào)查、分析手段，才能確定斷層的活動(dòng)性證據(jù)，進(jìn)而確定活斷層的位置、

24、展布方向、活動(dòng)特征等. 通常采用的方法包括：現(xiàn)有資料查閱；航衛(wèi)片解讀；區(qū)域地質(zhì)調(diào)查；現(xiàn)場(chǎng)勘探；年齡測(cè)量；監(jiān)測(cè)等。 活斷層研究首先應(yīng)從較大的地域范圍內(nèi)進(jìn)行研究，初步確定活斷層展布，和位置、長(zhǎng)度等，這些可以采用區(qū)域地質(zhì)資料，大范圍地質(zhì)調(diào)查，以及航衛(wèi)片解譯的方法進(jìn)行。調(diào)查分析中，要注重區(qū)域大的地質(zhì)構(gòu)造背景，水系，地形地貌，第四紀(jì)沉積物等研究.,,,對(duì)建筑場(chǎng)地內(nèi)或附近的活斷層，要進(jìn)行更加深入的研究

25、，開(kāi)展必要的鉆探、坑探、物探工作。采用探槽方式揭露斷層帶，對(duì)揭露斷層的地層及活動(dòng)構(gòu)造變形形跡進(jìn)行細(xì)致考查研究，通常應(yīng)配合巖土取樣進(jìn)行構(gòu)造分析及有關(guān)地層的年齡測(cè)定。良好的露頭，可以顯示大量有用的信息，得到斷層錯(cuò)動(dòng)次數(shù)、錯(cuò)動(dòng)量、錯(cuò)動(dòng)周期等有用參數(shù)。 年齡測(cè)定可以根據(jù)情況分別采取斷層構(gòu)造巖、斷層帶充填物、斷層兩側(cè)不同時(shí)代的地層物質(zhì)的樣品，采用C14、熱釋光、電子自旋共振等方法進(jìn)行年齡測(cè)定。,載波相位差分技術(shù)(Real Time K

26、inematic）RTK技術(shù)是建立在實(shí)時(shí)處理兩個(gè)測(cè)站的載波相位基礎(chǔ)上的。載波相位差分原理為，由基準(zhǔn)站通過(guò)數(shù)據(jù)鏈,實(shí)時(shí)將其載波觀測(cè)量及站坐標(biāo)信息一同傳送給用戶站。用戶站接收GPS衛(wèi)星的載波相位與來(lái)自基準(zhǔn)站的載波相位，并組成相位差分觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，能實(shí)時(shí)提供觀測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)(毫米級(jí))。,,,建筑物場(chǎng)址一般應(yīng)避開(kāi)活動(dòng)斷裂帶線路工程必須跨越活斷層時(shí)，盡量使其大角度相交，并盡量避開(kāi)主斷層必須在活斷層地區(qū)興建的建筑物，應(yīng)盡可能地選擇相對(duì)穩(wěn)定